煤泥摻燒的燃燒特性實驗分析

摘 要：本文采用STA409PC熱重分析儀對煤泥與中煤摻燒特性進(jìn)行實驗研究，通過改變摻混比例和氧濃度，對樣品的TG和DTG曲線進(jìn)行分析，計算了可燃性參數(shù)、穩(wěn)燃性系數(shù)和綜合燃燒特征參數(shù)。結(jié)果表明，隨著摻混比例的增加，主要燃燒特征參數(shù)總體呈下降趨勢；隨著氧濃度增大，主要燃燒特征參數(shù)大體呈增大趨勢。

關(guān)鍵詞：熱重分析；煤泥；摻燒；氧濃度；燃燒特性參數(shù)

中圖分類號：TK019；TK018

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

長期以來，原煤是我國火電生產(chǎn)的主要燃料，原煤價格是影響火電廠運行經(jīng)濟(jì)的主要因素之一[1]，為了實現(xiàn)資源的合理利用，提高經(jīng)濟(jì)效益，電廠行業(yè)迫切需要尋找新的出路。煤泥作為洗煤過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，具有粒度小、發(fā)熱量低、水分和灰分含量高、粘結(jié)性強(qiáng)、內(nèi)聚力大等特點[2-3]，其顆粒粒徑小于200目的占70%～90%左右，發(fā)熱量一般為8.37～18.84 MJ/kg，水分含量高達(dá)25%～40%，灰分含量在40%以上。煤泥中的黏土類礦物質(zhì)含量較大，加之水分高和粒徑小的特點，使其粘性增強(qiáng)，且內(nèi)聚力很好，有的煤泥甚至具有流動性[4]，因此，煤泥被公認(rèn)為是一種劣質(zhì)的燃料，難以儲存、堆放和運輸，遇水極易流失，遇風(fēng)極易飛揚，不僅造成能源的浪費，也加劇了環(huán)境的污染[5]。

綜合考慮以上特性，將煤泥摻混入動力煤中燃燒，不僅能夠節(jié)約煤炭資源，實現(xiàn)資源的可持續(xù)利用，也降低了成本，實現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，煤泥的摻燒還可以降低環(huán)境污染，具有較好的環(huán)保效益[6]。本文針對貴州盤縣某電廠內(nèi)取得的煤泥與中煤樣品，在熱重分析儀上進(jìn)行不同氧濃度、不同摻混比例的燃燒實驗，并分析其燃燒特性。

1 實驗樣品、實驗條件與分析方法

1.1 樣品

本次實驗使用的煤泥和中煤樣品取自貴州盤縣某電廠，分別記為MN和ZM。其工業(yè)分析和低位發(fā)熱量見表1所示[7]。由表1易知，煤泥的熱值（10440.94 MJ/kg）低于中煤的熱值（12920.16 MJ/kg），與中煤相比，煤泥固定碳和揮發(fā)分含量較低，但水分和灰分含量較高。

為保證實驗的可靠性，本次樣品制作過程如下[8]：（1）先將煤泥和中煤樣品放入105 ℃的電熱鼓風(fēng)箱中干燥2 h，烘干至恒重；（2）取出煤樣在空氣中冷卻后用研磨機(jī)將其研磨3 min，并用80目的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，確保所取樣品粒徑的均勻性；（3）為保證能提供足夠的實驗用量，用BT25S型電子天平分別稱量煤泥和中煤質(zhì)量均為300±1 mg，并將樣品放置于實驗室30天，確保所有樣品成分基準(zhǔn)均為空氣干燥基，30天后將樣品收集到樣品瓶中待用；（4）根據(jù)本次實驗的目的和要求，分別將煤泥按40%、50%、60%、70%、80%的比例混合到中煤中，均勻混合后放入樣品瓶中備用，共制得7種樣品，包括2種單煤和5種混煤。

1.2 實驗設(shè)備及條件

實驗在STA409PC熱重分析儀上進(jìn)行，共分為兩組，一組是模擬空氣條件下的不同比例摻燒實驗，另一組是在80%煤泥和中煤摻混比下改變氧濃度的燃燒實驗。摻燒的實驗條件為：從相應(yīng)的樣品瓶中取出煤樣，使用精度為0.01 mg的BT25 S型電子天平稱取質(zhì)量（7±0.1） mg，并放入Al2O3坩堝中；模擬空氣氣氛（21%含氧量），反應(yīng)氣氛由氧氣（流量為12.4 mL/min）和氮氣（流量為47.6 mL/min）組成，總流量為60 mL/min；保護(hù)氣體為氮氣，流量為15 mL/min；升溫速率為15 K/min；溫度范圍為20～910 ℃；煤泥和中煤的單燒實驗與摻燒實驗條件相同。不同氧濃度的實驗條件為：所取樣品為80%混煤樣品，反應(yīng)氣氛總流量仍然為60 mL/min，其中，氧濃度分別取為21%、40%、60%、80%和100%，其它實驗條件與摻燒實驗相同[9]。

1.3 分析方法

本文采用可燃性參數(shù)Cb、穩(wěn)燃性系數(shù)G和綜合燃燒特征參數(shù)S來表征煤樣的燃燒特性參數(shù)?？扇夹詤?shù)Cb用最大失重速率與著火溫度平方的比來表示，表征混合煤樣燃燒前期的揮發(fā)分析出能力，最大失重率升高和著火溫度降低都會使可燃性參數(shù)增大，Cb越大表明混合煤樣的可燃性越好，也就越利于混合煤樣的燃燒；燃燒穩(wěn)定性系數(shù)G用最大失重速率除以著火點與峰值溫度的乘積，與Cb的不同在于把Cb分母中的一個著火溫度用峰值溫度代替，當(dāng)最大失重速率增大，著火溫度和峰值溫度降低都會使燃燒穩(wěn)定性系數(shù)增大，G越大表明混煤的燃燒穩(wěn)定性越強(qiáng)；綜合燃燒特征參數(shù)S用最大失重速率、平均失重速率、著火溫度和燃盡溫度四個指標(biāo)來表示，最大失重速率和平均失重速率的升高，以及著火溫度和燃盡溫度的降低都會使綜合燃燒特征參數(shù)的值增大，S越大則混煤的燃燒特性就越好[10-11]。

2 燃燒曲線分析

2.1 摻混比對燃燒曲線的影響

實驗得到的不同摻混比下的TG和DTG曲線如圖1所示。

由圖1的TG-DTG曲線可知，煤樣的燃燒大概分為以下幾個階段：200 ℃的范圍內(nèi)，TG曲線略有下降但較為平緩，煤樣質(zhì)量變化大概在10%范圍內(nèi)，此階段即為著火前的預(yù)熱失水階段[10]；200～800 ℃，TG和DTG曲線變化明顯，其中，200～400 ℃，從TG曲線可看到著火前有明顯的增重現(xiàn)象，表明有氧吸附在碳粒表面并發(fā)生氧化增重[12]，400～800 ℃，TG曲線開始迅速下降，DTG曲線上只有一個明顯的波峰出現(xiàn)，500～550 ℃左右達(dá)到快速燃燒狀態(tài)，在這個階段，溫度已經(jīng)達(dá)到著火點，揮發(fā)分開始析出燃燒，放出的熱量加熱碳粒，促使焦炭燃燒[13]，反應(yīng)進(jìn)入燃燒階段；800 ℃以后，TG和DTG曲線都趨于平緩，煤樣中的可燃質(zhì)基本燃燒完畢，燃燒進(jìn)行到燃盡階段[14]。

單燒與摻燒的TG曲線比較接近，但溫度區(qū)間和坡度卻均不相同，表明不同的燃燒煤樣具有不同的燃燒特性[5]。在TG曲線上，隨著煤泥摻混比例的增大，質(zhì)量變化百分比不斷減小，由60.81%降為46.69%，殘留的質(zhì)量不斷增加，由39.19%升為53.31%，分析原因為煤泥所含灰分高于中煤，且隨著煤泥摻混比的增加，混合煤樣中灰分不斷增加的緣故。DTG曲線上，隨著摻混比的增大，峰高逐漸減小，即最大失重速率不斷減小，由5.81%/min減小到4.55%/min，各曲線均只有一個明顯的失重峰，為揮發(fā)分的析出和焦炭的燃燒峰[15]。TG和TDG曲線上，各摻混煤樣的曲線均位于兩條單燒的曲線之間，且基本符合隨著摻混比例的增加，曲線逐漸向低溫區(qū)域偏移的特性。

2.2 氧濃度對燃燒曲線的影響

摻混比為80%的煤樣在不同氧濃度下的燃燒實驗TG和DTG曲線如圖2所示。

由圖2的TG和DTG曲線可知，與不同摻混比下曲線失重情況相似，80%混合煤樣在不同氧濃度下的TG-DTG曲線也分為預(yù)熱失水、燃燒和燃盡三個階段。隨著氧濃度的升高，曲線逐漸向低溫方向移動，但200 ℃以下時曲線并無太大差別，表明氧濃度的變化對水蒸氣的析出沒有明顯影響[16]。400 ℃之前的氧化增重階段，TG曲線上出現(xiàn)凸起的增重段，隨著氧濃度的增大，相同溫度下的吸氧量增多[17]。400 ℃以后的燃燒階段，隨著氧濃度的增加，最大失重速率（dw/dT）max明顯增大，由4.94%/min升高到6.74%/min，峰值溫度逐漸減小，由545.5 ℃降低到501.5 ℃，曲線向左偏移，表明氧濃度的增加對揮發(fā)分的析出和固定碳的燃燒有較大的促進(jìn)作用[16]，數(shù)據(jù)詳見表2所示。

3 燃燒特性分析

3.1 摻混比對燃燒特性的影響

采用TG-DTG聯(lián)合法，求得不同摻混比下的燃燒特性參數(shù)。通過對TG曲線進(jìn)行一次微分后得到DTG曲線，DTG曲線的峰值就是最大失重速率點即（dw/dT）max，峰值所對應(yīng)的溫度為峰值溫度Tmax，過峰值點作垂線，交TG曲線于一點，再過此交點作切線，與TG曲線的起始平行線相交，該相交點就是著火點，其對應(yīng)的溫度即為著火溫度Ti，燃盡溫度Th為煤樣燃燒98%的可燃質(zhì)所對應(yīng)的溫度，從著火點到燃盡點的時間為燃盡時間τ。另外，定義平均失重速率（dw/dT）mean為起始點和終止點的損失重量之差與燃盡時間τ的比值[18]。得到的各摻比煤樣的燃燒特性參數(shù)詳見表3所示。

由表3可知，隨著摻混比例的增加，著火溫度不同幅度地降低，由494.1 ℃降低為481.4 ℃，說明煤泥的加入使煤樣更加容易著火；峰值溫度總體上也逐漸降低，由562.0 ℃變?yōu)?49.9 ℃，但在大于70%摻混比以后變化不太明顯；最大失重速率和平均失重速率大體上呈減小趨勢，（dw/dT）max從5.81%/min減為4.55%/min，（dw/dT）mean從4.58%/min降為3.45%/min，原因可能為煤泥和中煤的奪氧能力不同，燃燒速率也各不相同，相互混合才產(chǎn)生了上述現(xiàn)象。但在70%摻混比時，（dw/dT）max和（dw/dT）mean值分別達(dá)到5.28%/min和4.07%/min，比其他摻混比下的最大失重速率和平均失重速率要大，但始終小于單燒中煤時的值。因此，隨著煤泥摻混比例的增大，煤樣更加易燃，但70%摻比以上變化不明顯。同時，煤樣的燃燒快速程度隨摻混比的增加而減小，表明在中煤中加入煤泥會減緩煤樣的最大燃燒速率，在70%摻比時達(dá)到混合煤樣（不包括單燒）的最大值。

此外，根據(jù)式（1）～（3），帶入數(shù)據(jù)，計算得到不同摻混比下煤樣的燃燒特性綜合參數(shù)，列于圖3中。

由圖3可知，隨著煤泥摻混比的升高，各燃燒特性參數(shù)總體上都呈現(xiàn)出下降趨勢，可燃性參數(shù)Cb由2.38×105%/ （min-1·℃2）下降到1.96×105%/ （min-1·℃2），穩(wěn)燃性系數(shù)G由2.09×105%/ （min-1·℃2）降低到1.72×105%/ （min-1·℃2），綜合燃燒特征參數(shù)S由1.70×107%2/（min-2·℃3）降為1.09×107%2/（min-2·℃3）。比較各混合煤樣下（單燒除外）的燃燒特性綜合參數(shù)可知，50%摻混比時各數(shù)值均達(dá)到最低值，Cb、G和S分別為2.04×105%/ （min-1·℃2）、1.77×105%/ （min-1·℃2）和1.25×107%2/ （min-1·℃3），但仍然較單燒煤泥時的值要大（Cb、G和S分別為1.96×105%/（min-1·℃2）、1.72×105%/（min-1·℃2）和1.09×107%2/（min-2·℃3）），原因可能為煤泥和中煤按1∶1混合時，兩種煤樣相互間存在一定的相互抑制作用，影響煤樣的總體燃燒性能。在70%摻混比時，與其他的摻燒煤樣相比（除開單燒情況），其燃燒特性綜合參數(shù)都大于其他條件下的數(shù)值，其可燃性參數(shù)、穩(wěn)燃性系數(shù)和綜合燃燒特征參數(shù)分別達(dá)到2.24×105%/ （min-1·℃2）、 1.98×105%/ （min-1·℃2）和1.47×107%2/（min-2·℃3）。而在大于70%摻混比后，各燃燒特性參數(shù)均有下降趨勢，分析原因可能為，灰分的增加對燃燒的進(jìn)行產(chǎn)生了一定的抑制作用。

3.2 氧濃度對燃燒特性的影響

同樣使用TG-DTG聯(lián)合法以及公式（1）～（3），計算得到80%摻混比煤樣在不同氧濃度下的燃燒特性綜合參數(shù)，見表4。

由表4可知，隨著氧濃度從21%增加到100%，著火溫度逐漸降低，由479.7 ℃降低到451.6 ℃，煤樣的著火時間提前，峰值溫度也從545.5 ℃降為501.5 ℃。最大燃燒速率和平均燃燒速率均有不同程度的上升，（dw/dT）max從4.94%/min上升到6.74%/min，（dw/dT）mean從3.78%/min增加到4.95%/min，但在氧濃度大于60%以后變化不大。各燃燒特性綜合參數(shù)大體上均隨著氧濃度的升高而不斷增加，當(dāng)含氧量從21%變化到100%時，其可燃性參數(shù)Cb從215×105%/ （min-1·℃2）增加到330×105%/ （min-1·℃2）、穩(wěn)燃性系數(shù)G從189×105%/ （min-1·℃2）增加到298×105%/ （min-1·℃2），綜合燃燒特征參數(shù)S從1.33×107%2/（min-2·℃3）上升為3.00×107%2/（min-2·℃3）。當(dāng)氧濃度大于60%以后各燃燒特性參數(shù)變化不大，這可能是由實驗過程中的誤差導(dǎo)致，但總體呈增大趨勢。因此表明，隨著氧濃度的增加，會加快混和煤樣的最大燃燒速度，促進(jìn)煤樣中焦炭的燃燒，使燃燒反應(yīng)劇烈，單位時間內(nèi)放出的熱量越多，同時也縮短了燃盡時間，使燃盡程度越高，穩(wěn)燃特性越好，這與萬嘉瑜等[19]研究的結(jié)論相同。

4 結(jié)論

本文使用熱重分析法對煤泥和中煤在不同摻混比和不同氧濃度下的燃燒實驗進(jìn)行了研究，通過對DT和DTG曲線的分析，并計算了燃燒熱性綜合參數(shù)，得出如下結(jié)論：

（1）從TG-DTG曲線可知，煤泥和中煤的摻混燃燒曲線主要有三個過程，即預(yù)熱失水階段、燃燒階段和燃盡階段。燃燒區(qū)間主要在400～800 ℃，且最大燃燒速率所對應(yīng)的溫度在500～550 ℃之間。

（2）隨著煤泥摻混比例的增加，著火溫度、峰值溫度均有所降低，曲線向左移動，煤樣更容易著火燃燒，最大燃燒速率和平均燃燒速率不同程度降低，可燃性參數(shù)、穩(wěn)燃性系數(shù)和綜合燃燒特征參數(shù)總體呈下降趨勢。

（3）隨著氧濃度的增大，著火溫度和峰值溫度都逐漸下降，著火時間提前，曲線向低溫區(qū)偏移，最大燃燒速率和平均燃燒速率都有較大程度的提高，各燃燒特性參數(shù)均有增大趨勢。

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（責(zé)任編輯：周曉南）