高碳灰與混煤燃燒特性的熱分析研究

何洪浩，陳一平，程剛，李文軍，于鵬峰，呂當振，李良路

（1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.湖南紫云科技發(fā)展有限公司，湖南婁底417500)

高碳灰與混煤燃燒特性的熱分析研究

何洪浩1，陳一平1，程剛1，李文軍1，于鵬峰1，呂當振1，李良路2

（1.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；2.湖南紫云科技發(fā)展有限公司，湖南婁底417500)

采用同步熱分析的方法對高碳灰的燃燒特性進行實驗研究，通過對比高碳灰與其他混煤的熱分析實驗結果發(fā)現(xiàn)，摻混其他煤種的方法可有效改善高碳灰的燃燒特性，綜合燃燒特性指數得以提高；文中同時給出了高碳灰的摻燒比例推薦值。

高碳灰；混煤；熱分析；燃燒；特性

在300 MW及以上容量等級機組未大量投產以前，國內火電機組主要以低參數小容量為主，其中200 MW以下的機組占到了火電總裝機容量的61.61%〔1〕。由于設計和運行水平的原因，小容量機組的鍋爐燃燒效率普遍較低，此外入爐煤種多樣、粒徑大，這些因素進一步降低了鍋爐燃燒效率，其中飛灰含碳量高是主要原因。在 “上大壓小”的火電發(fā)展政策引導下，許多電廠采用高參數大容量的新機組，淘汰低參數小容量的小機組，而這些小機組所遺留下來的飛灰由于含碳量高，綜合利用空間有限〔2〕，大多只能儲存于灰?guī)熘小?/p>

湖南某發(fā)電公司為了實現(xiàn)淘汰的小容量機組的飛灰綜合利用，降低在運新建機組的發(fā)電成本，擬對這些含碳量高的飛灰(燃用本地無煙煤產生的飛灰)進行了分選，將分選后的高碳灰送至新廠進行摻燒。由于新廠的入爐煤為混煤，為了保證再摻入高碳灰后鍋爐燃燒的穩(wěn)定性，需了解高碳灰及摻入高碳灰后的入爐煤的燃燒特性。對該公司提供的高碳灰及不同配比的混合燃料進行了燃燒特性的對比實驗研究，研究結果對高碳灰的摻燒有指導意義，也為其他電廠的飛灰利用提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 實驗煤樣

根據該公司新廠平時所燃用的煤種及采購情況，對各原煤和高碳灰進行配比，并制成實驗煤樣。各原煤的工業(yè)和元素分析及實驗煤樣的摻配比例分別見表1和表2。

表1 煤樣元素分析及工業(yè)分析%

表2 實驗混煤樣配比%

1.2 實驗條件及過程

實驗在德國NETZSCH公司的STA449型熱重分析儀上進行。為了模擬實際的爐內燃燒，將實驗氣氛設計為O2與N2的比例為21∶79，流量100 ml/min。實驗的起始溫度為30℃，升溫速率為15℃/min，25℃/min，35℃/min，終止溫度為1 350℃，樣品質量為10 mg左右，細度小于100 μm。將10±1 mg的樣品放入儀器的坩堝中，且保證樣品堆積厚度均勻，在恒定升溫速率和助燃氣氛下加熱氧化、燃燒，記錄實驗過程中樣品質量隨溫度的變化。

2 結果與討論

2.1 TG與DTG曲線比較分析

燃燒分為3個階段:首先是水分的析出，該階段內失重較緩慢；隨著溫度的增加，煤粉析出揮發(fā)分，并開始著火，失重速率曲線快速下降；隨著燃燒的進行，煤粉的可燃質消耗殆盡，燃燒過程進入燃盡階段，失重速率曲線也趨于水平。

圖1為各煤樣的TG曲線，由圖1可知，樣品1—3的燃燒失重的溫度區(qū)間基本相似，在450℃之前為水分的蒸發(fā)過程，450～900℃為揮發(fā)份析出著火及固定碳燃燒過程，900℃之后為煤樣燃盡階段。由于高碳灰曾經過了一次爐內燃燒，其揮發(fā)份較低，使得樣品4的TG曲線明顯區(qū)別于其他樣品。從樣品4的TG曲線可發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分析出所造成的失重微小，在TG曲線上無明顯表現(xiàn)，當溫度達到600℃之后才開始有明顯的失重，此時的溫度已落入其他樣品的固定碳燃燒區(qū)域。此外，樣品4的可燃質占比為81.4%，大于其他樣品，可見篩選出來的高碳灰有很高的燃燒利用價值。

圖2為各樣品的DTG圖，從DTG曲線的對比可發(fā)現(xiàn)，樣品1—3均出現(xiàn)了2個峰值，分別在600℃和740℃左右，即出現(xiàn)了兩次燃燒，而樣品4的DTG曲線只有1個峰值，且與前3個樣品的第2個峰值出現(xiàn)的溫度點相同?？梢?，摻混了高碳灰后的煤樣在燃燒過程中出現(xiàn)的二次燃燒為高碳灰的燃燒。

圖1 各煤樣燃燒失重曲線 （TG)

圖2 各樣品燃燒失重速率曲線 （DTG)

2.2 燃燒特性比較分析

表3為各樣品燃燒過程中的某些特性參數的對比，其中著火溫度Tb采用TG－DTG法進行確定〔3〕。由表3可知，總體上看樣品1—3的著火溫度相當，而全部為高碳灰的樣品4的著火溫度較前3種樣品要高100℃左右，達到了635℃。為了進一步說明樣品燃燒著火初期的反應能力，引入可燃性指數〔4－5〕，表示為(dw/dt)max/Tb2。從計算結果看，隨著樣品中高碳灰比重的增加，樣品的可燃性指數不斷降低。相對來說，樣品1與樣品2的可燃性指數相差較小，這主要是因為樣品2中高碳灰比重增加的同時，也新增了揮發(fā)分較高的煙煤成分的原因。樣品4的可燃性指數最小，說明高碳灰著火初期的反應能力較差。可見，通過摻混其他煤種的方法，可有效解決高碳灰著火初期反應能力差的問題，改善高碳灰的可燃性。

表3 樣品的著火溫度與可燃性指數

對于燃煤鍋爐而言，燃料的燃盡特性關系到鍋爐的效率及爐膛后部高溫受熱面(屏式過熱器、高溫過熱器和高溫再熱器等)的超溫問題，因此對樣品的燃盡特性進行了研究。定義燃盡特性指數為〔6〕:

式中 燃盡時間t0為從開始到燃燒98%可燃質的時間(min)初始燃盡率f1為著火溫度對應的失重量與可燃質含量的比值，后期燃盡率為f2＝98%－f1。由表4可知，樣品1—3的燃盡特性指數相差不大，且均小于樣品4，說明高碳灰的燃盡性能要優(yōu)于其他混煤。此外，樣品4的初期燃盡率也要高于其他樣品?？梢?，雖然高碳灰著火困難，可燃性差，但著火后，其燃燒非常迅速，樣品4的最大燃燒速率較其余樣品高也正好說明了這一現(xiàn)象。在經過了一次爐內燃燒后，揮發(fā)份的析出會在高碳灰顆粒的表面留下許多空隙，使得高碳灰的比表面積增加，這是高碳灰燃燒速率快、燃盡性好的主要原因。

表4 燃盡特性指數及最大燃燒速率

從樣品的可燃性指數和燃盡特性指數均難以綜合比較出各試樣的燃燒特性，因此，采用了綜合燃燒特性指數SN，以表征各試樣的著火與燃盡特性〔3〕，定義過程如下:對于緩慢加熱的燃燒過程，其燃燒反應初期反應速率由化學動力因素控制，并可近似用阿累尼烏斯定律表達

對式(2)在煤粉著火點T＝Ti處求導并整理得:

表5為綜合燃燒特性指數，由表5中各試驗樣品的綜合燃燒特性指數結果比較可知，樣品2的綜合燃燒特性相對最優(yōu)，樣品1的次之，再則是樣品3，樣品4的最差。雖然樣品4的燃盡特性最佳，但由于可燃性較差，其綜合燃燒特性表現(xiàn)并不理想；相比而言，樣品2的可燃性及燃盡特性都不是最佳的，但其綜合燃燒特性卻最優(yōu)。因此，建議采用樣品2的配比摻燒高碳灰。示燃燒速率峰值/著火時燃燒速度，其值越大，表示燃燒后期燃燒越劇烈；

表5 綜合燃燒特性指數

3 總結

利用STA449型熱重分析儀對高碳灰與混煤的燃燒特性進行了試驗研究。研究結果顯示，高碳灰可燃質占比為81.4%，具有較高的燃燒利用價值，但著火初期反應能力較差，著火困難，可燃性指數低，可一旦著火，其燃燒則非常迅速，燃盡性好，燃盡特性指數為37.83。采用摻燒的方法可有效改善高碳灰的燃燒特性，綜合燃燒特性指數得以提高。通過熱分析實驗結果的對比，樣品2的摻配比例，即本地無煙煤∶高碳灰∶貧瘦煤∶煙煤摻燒比例為64∶11∶22∶3最優(yōu)，建議采用該配比摻燒高碳灰。

〔1〕張景培.國外大型火電廠及我國火電發(fā)展概況 〔J〕.東方電氣評論，1992，6(2):95-107.

〔2〕張守玉，王文選，楊玉來，等.鍋爐飛灰燃燒特性實驗研究〔J〕.煤炭轉化，2003，26(4):65-68.

〔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〕.燃燒科學與技術，2001，7(1):72-76.

〔4〕姚偉，相光大，高海寧.煤粉氣流著火溫度的試驗測定 〔R〕.能源部西安熱工研究所，1990.

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

〔6〕呂當振，李文軍，段學農.無煙煤與石油焦燃燒特性的對比試驗研究 〔J〕.湖南電力，2013，33(2):38-40.

Thermo Gravimetric Analysis and Study on Combustion Characteristics of High-Carbon Ash and Mixed Coal

HE Honghao1，CHEN Yiping1，CHENG Gang1，LI Wenjun1，YU Pengfeng1，LV Dangzhen1，LI Lianglu2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Hunan Ziyun Technology Development Co.，Ltd.，Loudi 417500，China)

This paper uses thermogravimetric analysis to study the combustion characteristics of high-carbon ash.By comparing thermogravimetric result of high-carbon and mixed coal，it is found that the combustion characteristics of high-carbon ash can be improved effectively by blending and the combustion characteristic index of mixture has been enhanced.This paper proposes a suggested proportion of high-carbon ash.

high-carbon ash；mixed coal；thermogravimetric analysis；combustion；characteristics

TK227.1

B

1008-0198(2017)04-0018-03

何洪浩(1983)，男，廣西桂林人，工程師，博士，主要從事鍋爐燃燒調整與優(yōu)化控制工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.006

2016-12-22 改回日期:2017-05-03