中國動力煤的著火溫度與著火熱的分布規(guī)律

樊晉元，陳鴻偉

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206）

中國動力煤的著火溫度與著火熱的分布規(guī)律

樊晉元，陳鴻偉

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206）

為了尋求動力煤成分分布與煤質(zhì)著火及穩(wěn)燃特性之間的函數(shù)關系，根據(jù)燃燒學的熱力著火理論，對國內(nèi)大型電站煤粉鍋爐燃用的166個典型的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)進行了數(shù)學分析。分析了固態(tài)碳（Cgt）和當量氣態(tài)碳（Cqt+3.67Har）比值隨Vdaf的分布規(guī)律及其對煤質(zhì)著火的影響；根據(jù)文獻中77個煤質(zhì)的一維沉降爐實驗數(shù)據(jù)，擬合出煤粉的著火溫度與Vad及Aad的函數(shù)關系，計算分析了本文大數(shù)據(jù)樣本煤質(zhì)的著火溫度及著火熱的分布規(guī)律，提出將著火熱和著火溫度作為煤質(zhì)著火特性的圖像分辨新方法。據(jù)此分析了各類煤質(zhì)的著火與穩(wěn)燃特性。結(jié)果表明，本方法能明確地定量區(qū)分不同類煤質(zhì)和同類煤質(zhì)的著火特性差異，且在理論上給出符合宏觀規(guī)律的合理解釋。

煤燃燒；燃料；熱力著火；著火溫度；著火熱；模型

引 言

評價煤質(zhì)著火特性的工程常用方法是干燥無灰基揮發(fā)分（Vdaf）。國內(nèi)、外有關煤質(zhì)燃燒特性研究的文獻比較多，早期的文獻大部分是基于熱天平、沉降爐，對少量煤質(zhì)進行實驗，以動力學參數(shù)活化能、反應頻率因子和煤粒著火溫度，或以煤質(zhì)的分析成分作為主要參數(shù)進行研究[1]；國外學者研究了煤粉的燃燒速度與加熱及放熱速率對煤粉燃燒的影響[2-3]，或以燃料比作為煤質(zhì)燃燒特性的判別方法[4]，也有新型的以熱重分析、升溫速率和顆粒度研究煤粉燃燒特性的方法[5-6]。近年來又開展了對煤粉在富氧燃燒條件下的燃燒特性的研究[7-9]；大量文獻研究了煤質(zhì)燃燒特性對燃燒過程中NOx生成量的影響；部分文獻研究了不同種類煤質(zhì)的灰分和焦炭的微觀特征對煤質(zhì)燃燒特性的影響等[10-11]。鑒于國內(nèi)外研究煤質(zhì)燃燒特性的文獻已有數(shù)百篇之多，限于篇幅，不便詳述。然而，以大數(shù)據(jù)煤質(zhì)樣本的著火熱和著火溫度相結(jié)合的方法，研究煤質(zhì)著火與穩(wěn)燃特性的宏觀規(guī)律的文獻尚未見到。

由于近年來國內(nèi)500多臺600～1000 MW大型超臨界機組鍋爐運行中煤質(zhì)變化太大帶來一系列嚴重問題，如燃燒器燒毀、結(jié)渣、燃燒效率下降、鍋爐氧化氮等污染物的生成量增加等，極大地影響了大型火電機組的安全運行和節(jié)能減排。特別是大型電廠燃用的煤質(zhì)有166種之多，各類煤質(zhì)的成分分布又極為復雜，采用針對少量煤質(zhì)進行實驗研究的方法不便于了解和掌握大數(shù)據(jù)煤質(zhì)樣本的燃燒特性的普遍規(guī)律。同時，近年來大型煤粉鍋爐普遍采用的高濃度煤粉燃燒技術的最佳煤粉濃度首先取決于煤質(zhì)特性[12]，實際上也與煤質(zhì)的著火溫度和著火熱密切相關。此外，應用煤燃燒數(shù)學模型分析問題時也需要首先確定著火溫度和著火熱。因此迫切需要研究反映動力煤燃燒特性的宏觀規(guī)律的計算模型。

動力煤的燃燒方式多數(shù)是煤粉燃燒方式，煤粉在爐內(nèi)著火燃燒主要符合燃燒學的熱力著火理論，著火溫度和著火熱是評價煤質(zhì)著火難易程度的最直接參數(shù)，已有的研究成果為研究動力煤燃燒特性宏觀規(guī)律的理論模型提供了重要的基礎。本文以著火溫度和著火熱相結(jié)合的方法建立煤質(zhì)著火特性的分辨指數(shù)模型，對近20多年來國內(nèi)166個動力煤典型煤質(zhì)的元素分析數(shù)據(jù)，進行了大數(shù)據(jù)樣本煤質(zhì)的著火溫度和著火熱的計算和模型研究。

1 氣態(tài)與固態(tài)元素發(fā)熱量的分布特征

本文與此前所有文獻的主要不同點在于根據(jù)煤粉燃燒的著火溫度和著火熱相結(jié)合的方法，來研究煤質(zhì)著火特性的宏觀規(guī)律，建立煤的著火特性分辨指數(shù)模型。其中著火溫度的模型中引用了文獻中的實驗數(shù)據(jù)，并以空氣干燥基成分為基準。但燃煤的著火熱必須以爐前煤的收到基成分為基準，其中全水分吸收的著火熱占一大部分，因而以收到基元素成分計算著火熱，才能準確分辨各類不同煤質(zhì)的著火熱水平。

本文研究的國內(nèi)動力煤的166個典型煤質(zhì)樣本的元素分析數(shù)據(jù)量太大，不便列出。僅給出收到基成分的變化范圍：Qar,net=8.3～27.5 MJ·kg?1，Car=24.53%～72.91%，Har=1.53%～4.69%，Oar=1.1%～12.2%，Nar=0.4%～2.24%，Sar=0.1%～4.02%，Mar=2.46%～44%，Aar=5.35%～37.73%。其中內(nèi)部水分Mad=0.01%～19.07%；碳元素可分為兩部分，即氣態(tài)碳（Cqt）與固態(tài)碳（Cgt），也即Car=Cqt+Cgt，固態(tài)碳（Cgt）在量值上可認為是固定碳（FCar）。

由圖1可見，在Vdaf≤30%時，煤質(zhì)中收到基氫元素的發(fā)熱量QH普遍大于收到基碳中氣態(tài)碳的發(fā)熱量QCqt，且隨煤化程度的提高，煤中含氫量和氣態(tài)碳快速減少；在Vdaf＞30%時，煤中氫元素含量及其發(fā)熱量QH普遍小于Cqt，且隨Vdaf增大，氫元素含量和氣態(tài)碳量快速減小。但隨Vdaf增大，氧元素Oar明顯增加，使揮發(fā)性氣態(tài)元素總量增加。

圖1QH、QCqt隨Vdaf的分布Fig.1 Distribution ofQHandQCqttoVdaf

圖2給出煤元素中氣態(tài)物發(fā)熱總量（Qv）（Qv在數(shù)值上等于收到基揮發(fā)分的發(fā)熱量）及其占Qar,net的份額隨Vdaf的分布特征。數(shù)據(jù)表明Qv值在2.3～10.1 MJ·kg?1范圍內(nèi)變化，比值Qv/Qar,net在0.11～0.58之間，且隨Vdaf增加近似單調(diào)線性增大。不同煤質(zhì)在著火階段氣態(tài)揮發(fā)物釋放的熱量（Qv）占Qar,net的份額：無煙煤和貧煤為11%～20%，煙煤為20%～45%，褐煤為45%～60%。

本文認為，用固態(tài)碳發(fā)熱量與可燃揮發(fā)物的發(fā)熱量之比能綜合地定性評價煤的著火與燃盡的難易程度。

圖2Qv與Qv/Qar,net隨Vdaf的分布Fig.2 Distribution ofQvandQv/Qar,nettoVdaf

圖3中縱坐標Cb是固態(tài)碳（Cgt）與當量氣態(tài)碳（Cqt+3.67Har）的比值，其決定了不同煤質(zhì)著火難易程度與氣態(tài)元素的分解速度和燃燒速度。Cb值在宏觀上有2層意義：①氣態(tài)可燃物元素含量大的煤質(zhì)，其熱分解和燃燒速度比較高；②氣態(tài)元素發(fā)熱量大的煤質(zhì)，著火初期的放熱量和放熱速度比較高，可燃物升溫速度越快，越容易著火，也容易穩(wěn)燃。將氫元素與氣態(tài)碳合并為“當量氣態(tài)碳”，便于分析問題。而Cb越大，可認為著火階段揮發(fā)物分解與反應速度越低，由圖3可見Cb值變化規(guī)律十分明顯。對于無煙煤和貧煤Cb=2.9～6.9；對于煙煤Cb=1.1～2.8；對于褐煤Cb=0.67～1.0。

圖3Cb隨Vdaf的分布Fig.3 Distribution ofCbtoVdaf

無論是用傳統(tǒng)的揮發(fā)分或燃料比，還是用本文的Cb值分辨煤質(zhì)的著火特性，只是在大趨勢上合理，但明顯存在問題：即對于水分和灰分含量較大的褐煤和低品位煙煤，難以更準確和清晰地分辨其著火和穩(wěn)燃的難易程度。實際燃燒過程中，水分和灰分越大的煤質(zhì)，越難著火；即使能著火，也難以穩(wěn)燃[13]。近年來隨著煤粉燃燒穩(wěn)燃技術的提高，高水分和高灰分煤質(zhì)在煤粉鍋爐實際運行中穩(wěn)燃性方面出現(xiàn)的問題已不再突出。但在工程應用和理論意義上煤質(zhì)的著火難易程度都應該包括著火特性和穩(wěn)燃特性，既容易著火又容易穩(wěn)燃的煤質(zhì)才可定義為易燃煤。難于穩(wěn)燃的煤質(zhì)，即使著火后也很容易滅火，這是一種極易造成爆燃的極為危險的燃燒工況[14]。因此，采用著火熱與著火溫度相結(jié)合的方法，可以既反映煤質(zhì)的著火特性，又反映穩(wěn)燃特性。

2 煤粉著火溫度的擬合函數(shù)

煤粉的著火溫度與煤的著火溫度不同。確定各類燃煤煤粉的著火溫度需要進行特定的實驗，而用一維沉降爐實驗方法測出的煤粉著火溫度更接近煤粉在實際爐膛內(nèi)的燃燒情況。由于本文研究的煤質(zhì)樣本量大，不可能實施全部樣本的實驗，故本文引用文獻[15-17]中用一維沉降爐所做的77個煤質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)，擬合出空氣干燥基揮發(fā)分（Vad）和空氣干燥基灰分（Aad）與煤粉的著火溫度（tzh）的函數(shù)關系式（1）。詳細的實驗條件參見原文獻，考慮3個文獻的實驗不是同一臺實驗裝置，且不同的實驗者做相同的實驗也會有偏差，故本文專門對3組實驗數(shù)據(jù)進行了分析比較，認為3組實驗數(shù)據(jù)的變化趨勢和數(shù)值范圍比較合理，對于工程應用具有較高的可參考性和可信度。

表1 式（1）的擬合系數(shù)Table 1 Fitting coefficient in Eq. (1)

式（1）的相關系數(shù)為97.1%。采用一維沉降爐研究煤粉燃燒特性，對大數(shù)據(jù)煤質(zhì)樣本進行實驗，需大量消耗人力、經(jīng)費、時間。因此式（1）的擬合函數(shù)對于預測和分析大批量煤質(zhì)的著火溫度具有比較重要的實用價值。

實驗數(shù)據(jù)的擬合函數(shù)表明，隨Aad增加，煤粉的著火溫度提高；隨Vad增加，煤粉的著火溫度降低。但著火溫度隨灰分和揮發(fā)分的變化都是非線性關系，如圖4所示。

大量實驗和工程實踐證明了影響煤質(zhì)著火溫度的主要因素是揮發(fā)分含量與灰分含量。選擇揮發(fā)分和灰分作為著火溫度的擬合因子的依據(jù)是：①揮發(fā)分含量越大的煤質(zhì)，碳化程度越低，其著火溫度也越低。②內(nèi)部灰分含量大的煤，著火溫度較高?；曳謱χ饻囟鹊挠绊懕容^復雜，其中內(nèi)部灰分的影響大于外部灰分，灰分中不同化學組分對煤質(zhì)燃燒的影響也有差別。

煤粉的著火溫度還與煤粉濃度、一次風氣流中的氧濃度[18]、煤粉細度[19]、揮發(fā)分的熱解過程[20]、煤質(zhì)內(nèi)部灰分的化學組分[21]、灰渣的熔融特性、煤中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的量、煤粉顆粒在氣固多相流的傳熱及傳質(zhì)[22]等許多極為復雜的因素有關，此類問題直到目前在世界范圍內(nèi)還沒有建立統(tǒng)一的模型，但這并不妨礙對煤燃燒過程的宏觀規(guī)律的研究。

圖4 煤粉著火溫度（tzh）隨Vad和Aad的變化Fig.4 Change of ignition temperature (tzh) withVadandAad

3 煤粉的著火溫度分布特征

圖5中的數(shù)據(jù)為按照擬合函數(shù)關系式計算的分類煤質(zhì)的煤粉著火溫度：褐煤為475～603℃，煙煤為422～822℃，貧煤、無煙煤為754～1090℃，計算值處于合理范圍。

圖5 著火溫度隨Vdaf的分布Fig.5 Distribution of ignition temperature toVdaf

圖5的數(shù)據(jù)說明，由于受煤質(zhì)灰分的影響，在相近的Vdaf值處，各類煤質(zhì)的煤粉著火溫度變化很大。例如在貧煤、無煙煤區(qū)，煤質(zhì)1的Vdaf=13.66%，tzh=771.4℃；煤質(zhì)2的Vdaf=16.12%，tzh=888.4℃。即煤質(zhì)2的Vdaf雖然略高于煤質(zhì)1，但其著火溫度卻比煤質(zhì)1高117℃。在煙煤區(qū)煤質(zhì)3的Vdaf=32.15%，tzh=457.8℃；煤質(zhì)4的Vdaf=33%，tzh=670.1℃。即煤質(zhì)4的Vdaf雖然略高于煤質(zhì)3，但其著火溫度卻比煤質(zhì)3高212.3℃。在褐煤區(qū)煤質(zhì)5的Vdaf=46.41%，tzh=486.7℃；煤質(zhì)6的Vdaf= 48.37%，tzh=593.8℃。即煤質(zhì)6的Vdaf雖然略高于煤質(zhì)5，但其著火溫度卻比煤質(zhì)5高107.1℃。類似的情況比較多，表明簡單用Vdaf判斷煤質(zhì)的著火難易程度并不合理。

4 煤粉的著火熱分布特征

干燃料比熱容按下式計算

本文研究煤質(zhì)自身的著火特性，故僅考慮1.0 kg燃料自身吸收的著火熱。按式（2）計算

不同煤質(zhì)的煤粉氣流初溫不同，按照大多數(shù)電廠中的運行實際控制值，褐煤、煙煤、貧煤及無煙煤的煤粉氣流初溫分別為60～70、70～80、85～90℃，煙氣干燥的高水分褐煤的煤粉氣流初溫比較高。本文為研究煤質(zhì)著火熱的宏觀分布規(guī)律，計算時分別取值為60、75、90℃。其中褐煤的初溫取自文獻[23-24]。

圖6是1.0 kg煤中干燃料吸收的著火熱（Qg）隨Vdaf的變化關系。圖7是1.0 kg煤中水分吸收的著火熱（QM）隨Vdaf的變化關系。圖8是1.0 kg燃料的總著火熱（Qzh）隨Vdaf的變化關系。

圖8中數(shù)據(jù)分布為“V”字形，計算條件下各類煤質(zhì)的著火熱變化范圍是：貧煤、無煙煤為1100～1930 kJ·kg?1，煙煤為800～1530 kJ·kg?1，褐煤為1060～1944 kJ·kg?1。其中褐煤中水分吸收的著火熱變化范圍最大，為336～1484 kJ·kg?1。

圖6 干燃料的著火熱隨Vdaf的分布Fig.6 Distribution of ignition heat of dry fuel toVdaf

圖7 水分吸熱量隨Vdaf的分布Fig.7 Distribution of moisture absorption of heat toVdaf

圖8 著火熱Qzh隨Vdaf的分布Fig.8 Distribution of ignition heat toVdaf

5 煤粉的著火特性分析

從上述數(shù)據(jù)分布可知，166個煤質(zhì)中水分吸收的著火熱占燃料總著火熱的比例變化很大，褐煤為31%～76%，貧煤和無煙煤為15%～33.4%，煙煤為8%～63%。

顯然，水分較大的低齡褐煤雖然著火溫度較低，在475～600℃范圍變化，其容易著火，但因其著火熱高達1503.3～1944.8 kJ·kg?1，從而難于穩(wěn)燃。而部分水分較小的老齡褐煤，著火溫度分布與其他褐煤相差不大，但著火熱明顯降低至1065～1279 kJ·kg?1，與部分優(yōu)質(zhì)煙煤處于同等水平。

貧煤和無煙煤難于著火的原因，主要是固態(tài)碳元素含量多，必須達到固態(tài)碳元素的著火溫度，才能持續(xù)穩(wěn)定著火，且在著火后必須充分釋放熱量，使可燃碳元素繼續(xù)升溫反應。從本文的分辨指數(shù)看，由于其著火溫度高達746.9～1089.8℃，使水分吸收的著火熱也相對增加，但量值不大，而干燃料所需要吸收的著火熱達874.8～1488.9 kJ·kg?1，其中部分煤質(zhì)著火溫度在850℃以上，總著火熱高達1300 kJ·kg?1以上。所以無煙煤和部分低品位貧煤既極難著火，也極難穩(wěn)燃。

煙煤的著火熱分布最為復雜，圖8顯示Vdaf=22%～25%的煙煤，其總著火熱接近貧煤的著火熱；Vdaf＜22%的部分煙煤，總著火熱為1071.7～1532.6 kJ·kg?1，與無煙煤接近，但煙煤的著火溫度絕大多數(shù)低于貧煤，僅有個別接近貧煤。這類煙煤主要是因為含灰量大，而揮發(fā)分較高，所以著火溫度雖然并不太高，著火熱卻很高，因而容易著火，但難于穩(wěn)燃，屬于低品位煙煤。而部分優(yōu)質(zhì)煙煤的著火溫度最低，在600℃以下，且著火熱最小，在799.4～1024.7 kJ·kg?1范圍變化，屬于高品位煙煤。

上述分析表明，不僅非同類煤質(zhì)的著火特性差異很大，即使同類煤質(zhì)之間的著火特性差異也幾乎相差近1倍。采用著火熱和著火溫度相結(jié)合的方法，能很清晰和明確地分辨各類煤質(zhì)的著火特性和穩(wěn)燃特性，并能十分合理地解釋各類煤質(zhì)著火特性之間產(chǎn)生巨大差別的原因，且可定量區(qū)分。

此外，煤質(zhì)的著火穩(wěn)定性還與爐膛內(nèi)水冷壁的散熱條件、熱風溫度和空氣量及空氣濕度、受熱面結(jié)渣和積灰等許多多變的外因條件有關。本文主要研究煤質(zhì)自身的著火和穩(wěn)燃特性，模型中僅考慮煤質(zhì)自身的內(nèi)部因素。如果加入許多多變的外部因素的變量，會使問題的研究特別復雜。

6 動力煤的著火特性圖像分辨方法

根據(jù)圖9中的數(shù)據(jù)分布，可將各類煤質(zhì)的著火難易程度劃分為5個等級，即：極易燃、易燃、較易燃、難燃、極難燃，見表2。

圖9 著火溫度隨著火熱的分布Fig.9 Distribution of ignition temperature to ignition heat

圖9數(shù)據(jù)分布的主要特點：①煙煤的著火溫度分布在3個區(qū)域，其著火溫度與著火熱變化最大，數(shù)據(jù)分布的總體趨勢是著火溫度越高的煤質(zhì)，著火熱也越大，表明其越難著火，其中部分低品位煙煤的著火熱甚至高于貧煤和無煙煤；②褐煤的著火溫度較低，分布在2個區(qū)域，但其著火熱差別最大，褐煤著火溫度接近優(yōu)質(zhì)煙煤，但高水分褐煤的著火熱接近貧煤與無煙煤；③貧煤、無煙煤著火溫度分布在2個區(qū)域，因其著火溫度很高且變化很大，著火熱快速增加；④從數(shù)據(jù)分布的局部區(qū)域觀察，著火溫度低的煤質(zhì)，其著火熱不一定小。

表2 著火特性級別Table 2 Level of ignition characteristics

圖9中將著火溫度較低的高水分褐煤劃分為易著火煤，而著火溫度較高的高灰分的低品位煙煤劃分為較易著火煤。有3點依據(jù)：①本文的“著火溫度”由揮發(fā)分和灰分2個變量確定，而著火熱要通過著火溫度才能確定。②高水分褐煤碳化程度低于高灰分煙煤。③煤質(zhì)的著火溫度不易改變，而著火熱易于改變（如原煤干燥過程）。

7 結(jié) 論

（1）提出了當量氣態(tài)碳（Cqt+3.67Har）的概念，固態(tài)碳與當量氣態(tài)碳的比值（Cb）表現(xiàn)了不同煤質(zhì)在著火階段可燃元素釋放熱量的勢力對比。與揮發(fā)分或燃料比（C/H）的分析方法相比，該方法考慮了煤中氣態(tài)碳含量與當量氣態(tài)碳的發(fā)熱量，因而Cb隨Vdaf的分布規(guī)律能更合理地定性分析各類煤質(zhì)的著火特性不同的主要原因，但其難于分辨高水分褐煤的著火特性。

（2）采用數(shù)學分析和實驗方法，對前人所做的大量實驗數(shù)據(jù)進行了研究，并據(jù)此提出了國內(nèi)動力煤煤粉燃燒的著火溫度和著火熱計算模型，給出了計算各類煤質(zhì)著火溫度的三維函數(shù)關系式，具有較高的實用價值。并據(jù)此提出了各類煤質(zhì)自身吸收著火熱的計算模型。特別說明，本文的著火熱計算模型在用于鍋爐設計和燃燒數(shù)學模擬時還需要加上一次風空氣的吸熱量。

（3）由于本文的模型研究結(jié)合了反映實際著火過程的直接參數(shù)，即以著火溫度和著火熱相結(jié)合的方法作為判別指標，所以能更合理、更明確地分辨各類煤質(zhì)的著火與穩(wěn)燃特性，也更接近煤粉在爐內(nèi)實際燃燒特性。研究結(jié)果充分表明，不僅非同類煤質(zhì)的著火特性差異很大，即使同類煤質(zhì)之間的著火特性差異也很大。而用此前文獻中的其他任何方法，都不能同時反映揮發(fā)分、灰分和著火熱對各類煤質(zhì)著火特性的綜合影響。

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Distribution of ignition temperature and ignition heat of power coal in China

FAN Jinyuan, CHEN Hongwei
(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing102206,China)

In order to identify the function between the distribution pattern of steam coal content and ignition and stable combustion characteristics, a mathematical analyzing data test is made to 166 coal qualities used by pulverized-coal fired boiler of large power station in China. This research analyzed the distribution pattern ofVdafratio between fixed carbon (Cgt) and equivalent gaseous carbon (Cqt+3.67Har), and its influence on the ignition and combustion characteristics. With the experimental data from one dimension sedimentation furnace of 77 coals collected from the literatures, the function of ignition temperature toVadandAadwas simulated, and the distribution characteristics of ignition temperature and heat of different coal samples were calculated and analyzed. A new method for resolving images of ignition temperature and heat was introduced, which has been applied to analyze the characteristics of coal firing. The results showed that it can not only quantitatively distinguish the ignition characteristics among the same and different type of coals, but also give reasonable explanation of macroscopic law in theory.

coal combustion; fuel; thermal ignition; ignition temperature; ignition heat; model

FAN Jinyuan, fjybjhd@126.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20141860

TK 224

：A

：0438—1157（2015）10—4170—07

2014-12-17收到初稿，2015-04-02收到修改稿。

聯(lián)系人及

：樊晉元（1985—），男，博士研究生。

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目（2015XS117）。

Received date: 2014-12-17.

Foundation item: supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (2015XS117).