無煙煤與石油焦燃燒特性的對比試驗研究

呂當(dāng)振，李文軍，段學(xué)農(nóng)，于鵬峰

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

近年來，裝機(jī)容量不斷增加，原煤供應(yīng)日趨緊張，大量電站鍋爐實際燃用煤種嚴(yán)重偏離設(shè)計煤種，使得鍋爐排煙溫度升高，飛灰、爐渣含碳量顯著上升，嚴(yán)重影響了電廠燃燒經(jīng)濟(jì)性。此外，為了深度利用煤炭資源，煤矸石、極低揮發(fā)分無煙煤、劣質(zhì)無煙煤以及石油焦等大量難燃燃料投入使用，進(jìn)一步降低了鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性，更為嚴(yán)重的是燃燒不穩(wěn)、結(jié)焦結(jié)渣、全爐膛滅火等已嚴(yán)重影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。研究選用4 種無煙煤其中2 種極低揮發(fā)分無煙煤和石油焦，通過熱重研究著火與可燃性、燃盡特性、綜合燃燒特性等，同時對比研究了無煙煤與石油焦在著火與燃燒特性方面的差異，進(jìn)而闡述無煙煤與石油焦燃燒特性，為進(jìn)一步利用低揮發(fā)分無煙煤與石油焦提供參考。

1 試驗

1.1 實驗煤種

選用4 種無煙煤其中2 種極低揮發(fā)分無煙煤和1 種石油焦作為研究對象，其工業(yè)、元素及發(fā)熱量分析見表1。從表中數(shù)據(jù)可知，無煙煤A/B 干燥無灰基揮發(fā)分低，僅在5%左右，無煙煤C 揮發(fā)分較高，無煙煤D 發(fā)熱量低，且灰分明顯高于其他3種無煙煤;石油焦較無煙煤有明顯差別，其特點(diǎn)為灰分低(5.42%)，發(fā)熱量明顯高于無煙煤，固定碳含量高(87.03%)，但其燃盡性差。

表1 無煙煤與石油焦工業(yè)、元素及發(fā)熱量分析

1.2 實驗儀器與實驗過程

試驗在德國NETZSCH 公司的STA449 型同分析儀上進(jìn)行，試驗氣氛為O2∶ N2為21∶ 79，流量為100 ml/min，用于模擬實際爐內(nèi)燃燒，升溫速率為25 ℃/min，起始溫度30 ℃，終止溫度為1 350℃，樣品量為10 mg 左右，樣品細(xì)度小于100 μm。試驗過程描述:將一定質(zhì)量樣品放入儀器的坩堝中，在恒定升溫速率下加熱氧化、燃燒，記錄樣品質(zhì)量隨溫度的變化，得到熱重曲線，并利用Thermal Analysis 軟件分析，對比研究無煙煤與石油焦在著火與可燃性、燃盡特性和綜合燃燒特性方面的差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 無煙煤與石油焦TG 與DTG 曲線分析

圖1，2 為無煙煤A-D 以及石油焦的失重曲線(TG)和失重速率曲線(DTG)。從圖中可知，O2∶N2為21∶ 79。燃燒主要分為3 個階段:第1 階段，隨著溫度的升高，水分不斷析出，失去內(nèi)在水;第2 階段:揮發(fā)分析出，并發(fā)生著火，失重速率曲線快速下降，并達(dá)到最大值;第3 階段:隨著可燃質(zhì)逐漸消耗殆盡，失重速率曲線逐漸平緩，進(jìn)入燃盡階段，最終TG 曲線趨于水平。

雖然無煙煤與石油焦燃燒曲線相似，但也存在顯著差異，從失重曲線上看，5 種樣品失重有明顯先后順序，石油焦最先開始失重析出揮發(fā)分，而無煙煤A 和無煙煤D 最后開始析出揮發(fā)分，揮發(fā)分析出越早，越有利于初期著火燃燒，說明石油焦更易著火燃燒;同樣代表燃燒強(qiáng)度的最大失重速率DTG 曲線，也有明顯差異，石油焦最先達(dá)到最大失重速率，意味著其最先達(dá)到快速燃燒區(qū)，而無煙煤C 失重速率最大，說明其后期燃燒更加劇烈。因此，從TG 和DTG 曲線中，可以定性地判定煤種燃燒的難易程度，但不能定量分析其可燃特性、燃盡特性以及綜合燃燒特性，這對高效利用低揮煤以及石油焦是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文將借助于分析軟件和經(jīng)驗公式，深入研究其綜合燃燒性能。

2.2 著火與可燃特性

采用熱重TG -DTG 法來確定煤的著火溫度，即在DTG 燃燒失重速率曲線上，過峰值點(diǎn)做垂線與熱失重曲線TG 交于一點(diǎn)，過交點(diǎn)做TG 的切線，該切線與失重開始時平行線交于一點(diǎn)，此點(diǎn)對應(yīng)的溫度為著火溫度Ti。表2 為無煙煤與石油焦著火溫度，從表中數(shù)據(jù)可知，石油焦的著火溫度最低，其著火性能最好，無煙煤C 次之，無煙煤B 和無煙煤D 相似，無煙煤A 最差。

為了進(jìn)一步研究煤粉著火特性，本文利用文獻(xiàn)〔1 -2〕提出的可燃性指數(shù)(dw/dτ)max/T2i ，研究煤燃燒初期的反應(yīng)能力。從表2 中可知，石油焦在燃燒初期反應(yīng)能力最強(qiáng)，著火溫度最低，保持一致;其次是無煙煤C，這同樣與其著火溫度保持一致;雖然無煙煤D 著火溫度不是最高，但其可燃性指數(shù)最小，說明煤粉燃燒初期反應(yīng)能力不僅受著火溫度影響，同時也受其自身構(gòu)成影響。

式中 E 為活化能，kJ/mol;R 為氣體常數(shù)，R =8.31 J/ (mol·K);dw/dτ 為燃燒速率，mg/min;(dw/dτ)max為最大燃燒速率，mg/min;(dw/dτ)i為著火溫度下燃燒速率，mg/min;(dw/dτ)mean為平均燃燒速率，mg/min。

表2 無煙煤與石油焦著火溫度與可燃性指數(shù)

2.3 燃盡特性分析

從前文2.1 分析可知，著火溫度Ti以及可燃性指數(shù)(dw/dτ)max/T2i 僅僅反映了可燃質(zhì)燃燒初期的著火特性和燃燒特性，但對于燃煤鍋爐而言，除應(yīng)關(guān)注煤粉著火、穩(wěn)定燃燒外，煤粉燃燒飛灰、爐渣含碳量也是運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性關(guān)鍵指標(biāo)，不同的煤種在同一種爐型燃燒時，其燃盡特性有顯著差別，因此進(jìn)一步研究煤粉燃盡特性十分必要〔6〕。定義煤粉燃盡特性指數(shù)為:

式中 τ0為煤粉燃燒從開始到燃燒98%可燃質(zhì)的時間定義為燃盡時間，min;f1為著火溫度Ti對應(yīng)的失重量/可燃質(zhì)含量，定義為初始燃盡率;f2=98% - f1為定義為后期燃盡率;f1代表了揮發(fā)分含量對著火特性的影響，其值越大，可燃性越好;f2代表了煤中碳的燃盡性能，與煤化程度、碳賦存形式、固定碳含量、燃燒中間產(chǎn)物焦炭結(jié)構(gòu)等有關(guān)，其值越大，后期燃盡性能越好。從表3 可知，無煙煤C 可燃性指數(shù)最大，其燃盡性能最好，無煙煤D與石油焦燃盡性指數(shù)最小，其燃盡性能最差，石油焦燃盡指數(shù)低，主要是其固定碳含量極高，空干基為87.03%，勢必其燃盡時間增長，導(dǎo)致燃盡性能變差，這與鍋爐實際燃燒石油焦飛灰含碳量高一致。鑒于此，在燃用煤化程度高、固定碳含量大的煤種時，通過調(diào)節(jié)配風(fēng)、提高爐膛溫度以及將難燃煤從底層燃燒器送入方式，提高其燃盡率。

表3 無煙煤與石油焦燃盡特性指數(shù)

2.4 綜合燃燒特性

為進(jìn)一步研究煤粉著火、穩(wěn)燃與燃盡特性，為電廠燃用煤種提供綜合參考，本文采用了綜合燃燒特性指數(shù)SN表征煤的著火與燃盡特性〔6-7〕。定義過程如下:對于緩慢加熱燃燒過程(熱重燃燒過程)，燃燒反應(yīng)初期即著火階段可認(rèn)為由化學(xué)動力學(xué)因素控制，可近似用阿累尼烏斯定律表達(dá)燃燒速率，即:

式中 A 為指前因子，min-1;T 為煤粉顆粒溫度，K。

對上式求導(dǎo)，并取T = Ti，整理后:

經(jīng)整理后可得:

從表4 可知，無煙煤B 和無煙煤C 綜合燃燒特性最佳，其次是石油焦，再則是無煙煤A，無煙煤D 最差，這與上述分析D 可燃性與燃盡特性最差保持一致，也說明了綜合燃燒特性指數(shù)能夠準(zhǔn)確反映可燃質(zhì)綜合燃燒特性。

表4 無煙煤與石油焦綜合燃燒特性指數(shù)

3 結(jié)論

利用進(jìn)口的STA449 型同步熱分析儀對4 種無煙煤和1 種石油焦的著火與可燃性、燃盡性、綜合燃燒特性等方面進(jìn)行了研究，結(jié)果闡明了無煙煤與石油焦著火與燃盡特性，為電站鍋爐燃用無煙煤及石油焦，尤其是低揮發(fā)分無煙煤，提供重要參考。同時文章重點(diǎn)對比研究了無煙煤與石油焦的著火與可燃性、燃盡性、綜合燃燒特性，與選用的4 種無煙煤相比，石油焦著火燃燒特性與無煙煤類似，其著火溫度低，可燃性較好，綜合燃燒特性居中，但其燃盡特性較差，這與其固定碳含量高，以及燃燒中形成的中間產(chǎn)物焦炭結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此在利用過程中需重點(diǎn)考慮。

〔1〕相光大，姚偉. 煤粉氣流著火溫度的試驗測定〔D〕. 1990.

〔2〕Essenhigh R H. Ignition of Coal Particles:A Review 〔J〕.Combustion and Flame，1989，77 (1):3-30.

〔3〕聶其紅，孫紹增，李爭起，等. 褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究〔J〕. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2001，7 (1):72-76.

〔4〕孫學(xué)信. 燃煤鍋爐燃燒試驗技術(shù)與方法〔M〕. 北京:中國電力出版社，2002.