基于煤質(zhì)參數(shù)的恒溫下混煤燃燒特性的新判定方法

岳 爽， 王春波， 司 桐， 李一鵬， 王子銘

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定 071003)

基于目前國內(nèi)煤炭供應(yīng)的現(xiàn)狀，混煤摻燒是燃煤電廠普遍存在的現(xiàn)象。在摻混過程中，良好的摻燒方案有利于優(yōu)化煤粉燃燒以及提高鍋爐的經(jīng)濟性，但不合理的配煤方式容易造成燃燒不穩(wěn)定、鍋爐效率下降等問題。因此，迫切需要對混煤的燃燒特性進行研究。

熱分析法是近年來廣泛使用的一種研究混煤燃燒特性的方法，在研究煤的可燃性能及氧化反應(yīng)性能方面已有廣泛應(yīng)用[1-4]。Lee等[5]利用熱天平(TGA)對混煤進行了熱重分析，發(fā)現(xiàn)低階煤的燃燒特性受揮發(fā)分的影響較大，而高階煤主要受反應(yīng)表面形態(tài)的影響。Sarkar等[6]結(jié)合TGA與滴管爐(DTF)研究了混煤及其組分煤的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)混煤可燃部分所占比例與燃燒指數(shù)有一定的二次相關(guān)性。周俊虎等[7]通過TGA對混煤燃燒動力學(xué)特性進行了研究，結(jié)果表明混煤燃燒表觀活化能隨高活性煤摻混比例的增大而下降。王長安等[8]利用TGA對低氧狀態(tài)下混煤燃燒特性進行研究后發(fā)現(xiàn)，在低氧狀態(tài)下煤階對燃燒反應(yīng)的影響減弱。方立軍等[9]同樣利用TGA研究了混煤的燃盡特性，并提出了混煤燃盡特性綜合判定指數(shù)，對混煤燃盡特性進行了初步預(yù)測。肖三霞[10]通過建立燃燒模型對混煤的熱天平燃燒特性進行研究，并預(yù)測了煤粉的燃燒速率，這對模擬鍋爐內(nèi)的燃燒過程有一定的借鑒意義。

TGA是研究混煤燃燒特性的常用工具。但采用此工具時，煤粉處于程序升溫環(huán)境中(升溫速率通常為20～30 K/min)，與實際情況中煤粉突然置于高溫爐膛內(nèi)的燃燒有本質(zhì)的不同。王春波等[11]提出了煤粉恒溫?zé)嶂胤治龇?，將該方法用于混煤燃燒特性的研究更符合實際?；诖藢嶒炁_，邵歡等[12]研究了恒定高溫下煤質(zhì)等對混煤燃燒的影響。王春波等[13]研究了恒溫下煤粉燃燒的熱重特性，結(jié)果表明摻燒低階煤對單煤在初始反應(yīng)階段的平均失重速率影響較大，整體平均失重速率與摻混比具有良好的線性相關(guān)性。

在煤粉的恒溫?zé)嶂貙嶒炛?，常采用失重百分比及燃燒速率隨時間的變化趨勢作為混煤燃燒特性的表征方法。該方法可以描述不同煤種在恒溫環(huán)境下的實時燃燒速率、失重百分比、燃盡時間等，但這些參數(shù)在準(zhǔn)確定量化描述煤粉燃燒強弱程度方面還有很多不足。另外，在研究煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響時，常采用單一煤質(zhì)參數(shù)進行評判，如灰分含量影響燃料的著火和燃盡，水分增加會影響燃料著火，揮發(fā)分含量直接影響煤粉的燃燒速率，忽略了上述煤質(zhì)因素之間的相互影響。采用單一煤質(zhì)參數(shù)不能全面反映混煤的燃燒特性。

為了定量化、更全面地描述混煤燃燒特性及其與煤質(zhì)的關(guān)系，筆者引入煤質(zhì)判定指數(shù)FZ及燃燒判定指數(shù)D1、D2、S。FZ作為反映煤質(zhì)中揮發(fā)分、水分與固定碳含量的綜合指數(shù)，可以定量反映煤粉的煤質(zhì)特性，代替常規(guī)分析中以單一煤質(zhì)因素判斷燃燒特性的方法。綜合燃燒速率、燃盡時間等因素，提出適合恒溫燃燒狀態(tài)下的煤粉燃燒判定指數(shù)——揮發(fā)分析出特性指數(shù)D1、焦炭燃燒特性指數(shù)D2和煤粉燃燒綜合判定指數(shù)S，以定量反映煤粉燃燒過程中不同階段的燃燒程度，彌補常規(guī)方法中以燃燒速率或燃盡時間等單一因素難以判斷燃燒情況的不足。

1 實驗系統(tǒng)及煤種

1.1 實驗系統(tǒng)

采用的恒溫?zé)嶂貙嶒炏到y(tǒng)如圖1所示。煤粉置于剛玉舟(長130 mm、寬15 mm)內(nèi)，其燃燒過程中的質(zhì)量變化通過質(zhì)量采集系統(tǒng)實時記錄并保存于計算機中。

圖1 恒溫?zé)嶂貙嶒炁_

實驗過程如下：將管式爐升溫至指定溫度，通入體積流量為0.16 m3/h的氧氣與氮氣的混合氣體(除特殊說明外，O2和N2的體積比皆為1∶4)，并穩(wěn)定30 min；每次稱取0.08 g左右的煤樣，均勻鋪于剛玉舟內(nèi)，然后將剛玉舟放于質(zhì)量采集系統(tǒng)的支架上，快速移動位于滑軌上的管式爐，使鋪有煤粉的剛玉舟迅速到達管式爐的中心。質(zhì)量變化被傳感器實時記錄，實驗的重復(fù)誤差在2%以內(nèi)[14-16]。

1.2 實驗煤種

實驗中所用4種單煤的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果見表1。

將上述煤種的原煤置于微型制樣機中破碎，再利用80～120目(即180～120 μm)標(biāo)準(zhǔn)篩多次篩分，得到粒徑范圍為125～175 μm的4種單煤煤粉。由表1可以看出，煤種A與B皆為高揮發(fā)分煤種，煤種C與D為低揮發(fā)分煤種，將單煤A與B、A

表1 單煤的工業(yè)分析及元素分析

與C、C與D、B與D分別按照質(zhì)量比為1∶3、1∶1、3∶1進行摻混，以配制所得12種混煤及以上4種單煤煤種作為實驗煤種。為了便于表示混煤樣品，用符號A、B、C、D表示煤種，其后緊隨的數(shù)字為二者的比例，如按照1∶1比例配制的煤種A與煤種B的混煤記為A1B1。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 判定指數(shù)

2.1.1 煤質(zhì)判定指數(shù)

為更全面反映煤質(zhì)對燃燒特性的影響，引入煤質(zhì)判定指數(shù)FZ[17]作為煤質(zhì)特性的表征，其定義式如下：

FZ=[w(Vad)+w(Mad)]2×w(FCad)×100-2

(1)

式中：w(Vad)為空氣干燥基下的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(Mad)為空氣干燥基下的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(FCad)為空氣干燥基下的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

FZ可用來判斷煤粉著火的難易程度，是煤質(zhì)特性的綜合反映，可以克服只用單一煤質(zhì)成分(如揮發(fā)分)來判斷燃燒特性的缺點，并能定量反映摻燒煤粉的煤質(zhì)特性，便于更加全面地分析煤質(zhì)特性對燃燒特性的影響。

2.1.2 燃燒判定指數(shù)

目前，對燃燒特性的描述集中于對燃燒速率、燃盡時間等參數(shù)的分析上，其中燃燒速率定義如下：

(2)

式中：v為燃燒速率，%/s；m0為試樣的初始質(zhì)量，g；mt為實驗過程中t時刻的試樣質(zhì)量，g；mA為試樣燃盡后的質(zhì)量，g。

雖然燃燒速率v能反映恒溫下煤粉失重的快慢情況，但其只代表燃燒特性的某一方面。而燃燒特性包括不同階段的燃燒速率v及相應(yīng)的燃燒時間、燃燒劇烈程度等特征量，燃燒特性越好說明相同燃燒階段的燃燒速率v更大，燃燒所需時間更短，燃燒更劇烈。因此，僅通過燃燒速率v表示燃燒特性過于片面，需要尋找同時包含燃燒速率v、燃燒時間、燃燒劇烈程度的判定指數(shù)，將其作為燃燒特性的綜合反映。

為此，筆者提出了3個燃燒判定指數(shù)D1、D2和S，其定義式分別為：

D1=vmax/(tmax·Δt1/2)

(3)

D2=v1/2,2/(Δt1/2,2·Δt2)

(4)

(5)

式中：v0為煤粉燃燒開始時刻的燃燒速率；vmax為煤粉的最大燃燒速率；tmax為最大燃燒速率對應(yīng)的時間；v1/2,2為半峰速率；Δt1/2為燃燒開始至v1/2,2所需時間；Δt1/2,2為從vmax至v1/2,2所需時間；Δt2為從燃燒峰值至燃盡所需時間；vave為燃燒反應(yīng)過程的平均燃燒速率；Δt為從開始燃燒至燃盡所需時間。

各項參數(shù)的物理意義如圖2所示。

圖2 各項參數(shù)的物理意義

由式(3)～式(5)可知，D1、D2、S表達式包含了不同階段的燃燒速率和燃燒時間2項參數(shù)，其值定量地反映了揮發(fā)分析出的劇烈程度、焦炭燃燒的劇烈程度及煤粉整體燃燒的劇烈程度，綜合表征了煤粉不同階段燃燒特性的好壞。

2.2 常規(guī)方法分析

為便于比較，首先利用常用的燃燒速率v方法，分析煤質(zhì)、溫度及氧氣體積分?jǐn)?shù)3種因素對燃燒特性的影響。1 300 ℃下4種煤的燃燒情況如圖3(a)所示；不同溫度下煤種A的燃燒情況如圖3(b)所示；不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下煤種A的燃燒情況如圖3(c)所示。

由表1可知：單煤A、B、C、D揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低；煤種C的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，煤種B的固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低。圖3(a)表明，隨揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，燃燒速率峰值vmax增大，燃盡時間縮短，燃燒速率曲線趨于平緩。由圖3(b)與圖3(c)可知，隨著溫度升高或氧氣體積分?jǐn)?shù)增大，燃燒速率峰值vmax增大，燃盡時間縮短，燃燒速率曲線趨于陡峭。

(a)不同煤種燃燒速率與時間曲線

(b)不同溫度下燃燒速率與時間曲線

(c)不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下燃燒速率與時間曲線

由圖3也可以發(fā)現(xiàn)，雖然煤B與煤C的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差較大，但燃盡時間卻差別很小，說明僅采用單一煤質(zhì)參數(shù)研究燃燒特性可能是不全面的。同時，研究溫度或氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響時，無法直接比較不同煤質(zhì)在溫度或氧氣體積分?jǐn)?shù)改變的條件下，其燃燒速率、燃燒時間和燃燒劇烈程度等特征量的差異，且利用燃燒速率與時間曲線無法定量表示煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響程度。

2.3 新判定方法分析

為解決常規(guī)方法存在的問題，表征煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響，筆者提出繪制判定指數(shù)曲線圖的新分析方法。即以煤質(zhì)判定指數(shù)FZ為橫軸，作為煤質(zhì)參數(shù)的綜合反映，以燃燒判定指數(shù)D1、D2、S為縱軸，作為燃燒特性的定量化表征，對D1、D2、S分別采用最小二乘法進行線性擬合得到判定指數(shù)曲線，分析D1、D2、S隨FZ的變化關(guān)系。圖4給出了溫度為1 300 ℃、氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%的條件下，單煤A、B、C、D及A1B1、A1C1、B1D1、C1D1混煤試樣的燃燒判定指數(shù)曲線。其中實驗所用煤種的FZ指數(shù)見表2。

圖4 判定指數(shù)曲線

由圖4可以看出，隨FZ的增大，D1、D2與S皆呈線性增大；曲線D2、S的斜率明顯大于曲線D1的斜率。這說明FZ指數(shù)與燃燒判定指數(shù)D1、D2、S間存在正相關(guān)關(guān)系；提高摻燒煤種中揮發(fā)分、水分及固定碳的綜合含量，能夠明顯改善不同階段的燃燒特性，加快反應(yīng)速率，縮短揮發(fā)分析出及焦炭燃燒時間；當(dāng)煤質(zhì)特性發(fā)生變化時，其對焦炭燃燒段的影響程度高于揮發(fā)分析出段。

新判定方法采用FZ來綜合反映多項煤質(zhì)參數(shù)，便于全面描述摻燒煤粉的煤質(zhì)特性；利用D1、D2、S能夠綜合表征揮發(fā)分析出及焦炭燃燒的劇烈程度、燃燒速率、燃燒時間等特征參數(shù)，定量反映燃燒特性。同時，判定指數(shù)曲線斜率反映了煤質(zhì)變化對不同階段燃燒特性的影響程度。相比于常規(guī)方法，新判定方法能更加綜合且定量地表示煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響規(guī)律。

2.3.1 煤質(zhì)的影響

煤質(zhì)對混煤燃燒特性起決定性影響。為研究煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響，通過改變摻燒煤種的煤質(zhì)，利用恒溫?zé)嶂貙嶒灥玫较鄳?yīng)的失重曲線，再采用上文提出的煤質(zhì)判定指數(shù)FZ和燃燒判定指數(shù)D1、D2、S分別對煤質(zhì)參數(shù)及熱重數(shù)據(jù)進行定量化計算，將每種煤對應(yīng)的計算結(jié)果繪制于圖5中。

圖5 不同煤質(zhì)的判定指數(shù)曲線

在圖5中，D1、D2、S隨FZ增大而增大。其中,D1增大表明煤粉燃燒初始階段的反應(yīng)速率加快，揮發(fā)分釋放時間縮短，析出程度更集中；D2增大意味著燃燒中后期反應(yīng)速率增大，焦炭燃燒時間縮短，燃燒更加劇烈；S增大表明在煤粉燃燒過程中，平均燃燒速率增大，燃盡時間縮短，反應(yīng)更加劇烈，燃燒特性得到優(yōu)化。另外，曲線D2的斜率明顯高于曲線D1的斜率，說明在燃燒的中后期，焦炭燃燒受煤質(zhì)變化的影響程度更大，改變摻燒煤種的煤質(zhì)參數(shù)，主要影響焦炭的燃燒，對揮發(fā)分析出的影響并不明顯，這可能是由于揮發(fā)分析出時釋放大量熱量，使煤焦官能團等結(jié)構(gòu)對燃燒特性的影響相對增強，導(dǎo)致焦炭燃燒段受到煤質(zhì)變化的影響程度更大。另外，曲線S與曲線D2的斜率較為接近，說明在此工況下，焦炭燃燒過程在整體煤粉燃燒過程中起到?jīng)Q定性作用，即燃燒特性主要由焦炭燃燒階段的燃燒特性決定。

由以上分析可知，采用判定指數(shù)曲線分析煤質(zhì)對燃燒特性的影響時，可以通過D1、D2、S的大小判斷不同階段燃燒特性的優(yōu)劣，曲線斜率能夠反映出煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響程度。

2.3.2 溫度的影響

為了研究不同溫度工況下煤質(zhì)對燃燒特性的影響，筆者在900 ℃、1 100 ℃和1 300 ℃下，對煤種A、B、C、D、A1B1、A1B3、A3B1、A1C1、A1C3、A3C1、B1D1、B1D3、B3D1、C1D1、C1D3、C3D1進行恒溫下的對比實驗，采用判定指數(shù)FZ、D1、D2、S對恒溫?zé)嶂貙嶒灲Y(jié)果進行分析，并繪制判定指數(shù)曲線圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，燃燒判定指數(shù)D1、D2、S隨溫

(a) 揮發(fā)分析出特性指數(shù)D1曲線

(b) 焦炭燃燒特性指數(shù)D2曲線

(c) 燃燒綜合判定指數(shù)S曲線

度升高而增大，且1 300 ℃下的燃燒判定指數(shù)明顯高于900 ℃與1 100 ℃下。這說明環(huán)境溫度升高，有利于揮發(fā)分充分析出，使焦炭燃燒更劇烈，燃燒特性得以優(yōu)化。在1 300 ℃工況下該現(xiàn)象更加明顯，這可能是因為高溫下固定碳與揮發(fā)分同時多相氧化燃燒產(chǎn)生相應(yīng)的燃燒產(chǎn)物，反應(yīng)速率明顯加快，達到相同燃燒狀態(tài)所需的時間縮短，導(dǎo)致燃燒更加劇烈。此外，1 300 ℃下D1、D2、S曲線的斜率明顯高于1 100 ℃及900 ℃工況下，說明在1 300 ℃工況下，改變煤質(zhì)對燃燒特性的影響程度更大，此時優(yōu)化煤質(zhì)參數(shù)，能夠極大地優(yōu)化煤粉揮發(fā)分析出及焦炭燃燒特性，使其反應(yīng)速率加大，所需燃燒時間縮短，燃燒更加劇烈。另外，低FZ煤種在不同溫度下的D2值幾乎相同，但1 300 ℃下的D1值與其他溫度下的D1值存在較大差距，說明升高溫度對焦炭燃燒速率、燃燒時間、燃燒劇烈程度的影響很小，對揮發(fā)分析出的影響較大，這可能是因為低FZ煤種的灰分含量較高，在高溫下灰分會出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，礦物質(zhì)遷移在煤顆粒表面形成灰殼，阻礙反應(yīng)物在孔隙中的反應(yīng)與傳輸，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)受阻，升高溫度對燃燒特性的影響不大。

綜上所述，在研究溫度對燃燒特性的影響時，采用新判定方法可以定量化反映不同溫度下不同煤質(zhì)所對應(yīng)的燃燒特性，從而進一步分析不同溫度工況下改變煤質(zhì)對燃燒特性的影響程度。

2.3.3 氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響

氧氣體積分?jǐn)?shù)是影響煤粉燃燒的重要因素之一。為了研究當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時，煤質(zhì)對燃燒特性變化情況的影響程度，采用判定指數(shù)FZ、D1、D2、S對恒溫1 300 ℃及氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為10%、15%、20%、30%條件下，煤種A、B、C、D、A1B1、A1B3、A3B1、A1C1、A1C3、A3C1、B1D1、B1D3、B3D1、C1D1、C1D3、C3D1的恒溫?zé)嶂貙嶒灲Y(jié)果進行分析，并繪制判定指數(shù)曲線，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，判定指數(shù)D1、D2、S隨氧氣體積分?jǐn)?shù)增大而增大，判定指數(shù)曲線上移，這說明增大氧氣體積分?jǐn)?shù)有利于揮發(fā)分析出與焦炭燃燒，增大燃燒速率，使燃盡時刻提前，煤粉的燃燒更加劇烈，燃燒特性得以優(yōu)化；相較于低氧氣體積分?jǐn)?shù)(20%及以下)工況，氧氣體積分?jǐn)?shù)為30%時曲線D1、D2的斜率較小，說明在低氧氣體積分?jǐn)?shù)工況下優(yōu)化摻燒煤種的煤質(zhì)參數(shù)，對燃燒特性的影響更加明顯，能夠顯著提高揮發(fā)分的析出速率，縮短焦炭燃燒時間，增加煤粉燃燒的劇烈程度。這可能是因為當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)增大至30%時，煤粉的著火溫度降低，且燃盡程度增大，燃燒初期不再因著火溫度不同而發(fā)生搶風(fēng)現(xiàn)象，燃燒所需氧量充足。在氧氣體積分?jǐn)?shù)為30%的工況下，低FZ煤種的D1、D2、S與低氧氣體積分?jǐn)?shù)工況下的差別比較明顯。這就說明當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)達到30%時，低FZ煤種的燃燒特性得以明顯改善，揮發(fā)分的析出更加集中，焦炭燃燒更加劇烈，反應(yīng)速率增大,燃盡時間縮短，但隨摻燒煤種揮發(fā)分與固定碳含量的增大，這種差別逐漸減小。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)為30%時，高FZ煤種的D1、D2、S與氧氣體積分?jǐn)?shù)為20%時差別不大，對于此類煤種，提高氧氣體積分?jǐn)?shù)對其燃燒特性的影響不大。

由此可以看出，在研究氧氣體積分?jǐn)?shù)對燃燒特性的影響時，采用判定指數(shù)曲線便于比較不同混煤煤種在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下燃燒特性的差異，可通過D1、D2、S的大小反映燃燒特性的好壞，曲線斜率反映了煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響程度。

(a) 揮發(fā)分析出特性指數(shù)D1曲線

(b) 焦炭燃燒特性指數(shù)D2曲線

(c) 燃燒綜合判定指數(shù)S曲線

3 結(jié) 論

(1)在新判定方法中，燃燒判定指數(shù)D1、D2、S包含燃燒速率、燃燒時間、燃燒劇烈程度這3項燃燒特性的特征量，能定量反映不同階段的燃燒特性；煤質(zhì)判定指數(shù)FZ能綜合表征煤質(zhì)特性；根據(jù)上述指數(shù)繪制出的判定指數(shù)曲線，可以直觀地反映煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響程度，能彌補常規(guī)分析方法中的缺點。

(2)D1、D2、S隨溫度升高而增大，且1 300 ℃下D1、D2、S曲線的斜率明顯增大，說明升高溫度有利于改善各階段的燃燒特性，溫度升高至1 300 ℃后，燃燒特性受煤質(zhì)的影響程度增大；對于低FZ煤種，不同溫度下的D1差別較大，D2較為接近，說明升高溫度主要影響低FZ煤種揮發(fā)分的析出特性。

(3)增大氧氣體積分?jǐn)?shù)，D1、D2、S隨之增大，相較于低氧體積分?jǐn)?shù)工況，富氧氣氛下曲線D1、D2的斜率較小，說明增大氧氣體積分?jǐn)?shù)有利于改善燃燒特性，達到富氧氣氛時，改變煤質(zhì)對燃燒特性的影響較?。粚τ诘虵Z煤種，氧氣體積分?jǐn)?shù)達到30%時，D1、D2、S與低氧氣體積分?jǐn)?shù)工況下的差別比較明顯。

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