基于煤粉活化能及著火溫度對燃燒調(diào)整的指導(dǎo)

彭志福

(大唐華東電力試驗研究院，合肥 230088)

某電廠由于效益等問題而并不使用鍋爐的設(shè)計煤種，在參與深度調(diào)峰時經(jīng)常變換負(fù)荷，造成鍋爐在燃燒的過程中出現(xiàn)各種問題[1]。對煤粉的燃燒反應(yīng)特性研究可以在理論上指導(dǎo)電站鍋爐的煤粉燃燒，對電站鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的意義。煤粉燃燒的反應(yīng)動力學(xué)以及著火特性，會影響煤粉在鍋爐中的燃燒速率以及爐膛火焰中心位置，很多學(xué)者采用熱重分析實(shí)驗對煤的燃燒反應(yīng)動力學(xué)及著火的特性進(jìn)行研究，Yong Chen等[2]利用TG(熱重分析儀)和DTA(差式熱分析儀)研究了不同煤階的煤粉著火機(jī)理，研究指出，隨著煤階的上升，煤粉的著火機(jī)理逐漸從均相著火再到均相-異相聯(lián)合著火再到異相著火，著火溫度也隨著煤階的上升而增加。本文通過改變熱重試驗升溫速率，求解煤粉燃燒的反應(yīng)動力學(xué)以及著火溫度，找出煤粉的反應(yīng)動力學(xué)特性與著火特性的升溫速率之間的關(guān)系，并分析在不同的燃燒條件下，電廠鍋爐在運(yùn)行時的調(diào)整方向。

1 熱重試驗

1.1 樣品準(zhǔn)備

某電廠常用的煤種有三種，按煤階的從低到高分別為電廠用褐煤(以下簡稱褐煤)、電廠用煙煤(以下簡稱煙煤)和電廠用貧煤(以下簡稱貧煤)，實(shí)驗用煤粉直徑在62～75μm，三種煤粉的工業(yè)分析及元素分析見表1。

表1 三種煤粉的工業(yè)分析及元素分析

1.2 實(shí)驗過程及數(shù)據(jù)

采用NETZSCH STA 449F3熱重儀對三種煤粉進(jìn)行TG-DSC試驗，每種樣品的實(shí)驗采用6種不同的升溫速率，分別為2、5、10、20、40、50 K/min，每組實(shí)驗都進(jìn)行空白樣實(shí)驗以消除實(shí)驗儀器誤差。對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，定義X為燃盡度，表達(dá)式為：

(1)

其中TG為煤粉的TG數(shù)據(jù)，TGmin為TG的最小值。煤粉燃燒過程的燃盡度、DSC曲線如圖1-圖3所示。

圖1 褐煤煤粉的燃盡率(上)、DSC(下)與溫度的關(guān)系

圖2 煙煤煤粉的燃盡率(上)、DSC(下)與溫度的關(guān)系

圖3 貧煤煤粉的燃盡率(上)、DSC(下)與溫度的關(guān)系

2 不同升溫速率下的煤粉燃燒反應(yīng)動力學(xué)

2.1 反應(yīng)動力學(xué)模型

煤粉燃燒反應(yīng)的反應(yīng)速率與煤粉的濃度以及煤粉燃燒反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)有關(guān)，煤粉燃燒的活化能是表征煤粉燃燒反應(yīng)速率的一個重要指標(biāo)。通過質(zhì)量定律以及Arrhenius方程可得[3,4]：

(2)

式中A為煤粉燃燒反應(yīng)的指前因子，E為反應(yīng)的活化能，R為氣體常數(shù)，取值為8.314J/(mol·K)。對式左邊項與1/T進(jìn)行直線擬合，通過直線斜率與截距可求得反應(yīng)活化能以及指前因子。

2.2 反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)求解

圖4是貧煤煤粉在2K/min的升溫速率條件下的實(shí)驗數(shù)據(jù)的擬合直線，由圖4中可以看出，擬合直線與實(shí)驗數(shù)據(jù)的點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為0.998，故該擬合直線能夠具有代表性，圖4中擬合直線的斜率為-22267，則求解該條件下煤粉燃燒反應(yīng)的活化能為185.13kJ/mol。

圖4 貧煤煤粉在2K/min的升溫速率下的活化能求解

對三種煤粉的實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行圖所示的數(shù)據(jù)處理，求得在不同升溫速率下的煤粉燃燒反應(yīng)的活化能，并將三種煤粉在不同升溫速率下的活化能數(shù)據(jù)總結(jié)于表2、表3和表4中。

表2 褐煤活化能以及擬合直線相關(guān)系數(shù)

表3 煙煤活化能以及擬合直線相關(guān)系數(shù)

表4 貧煤活化能以及擬合直線相關(guān)系數(shù)

通過表2、3、4可以發(fā)現(xiàn)擬合直線相關(guān)系數(shù)都在0.98以上，故直線擬合較為準(zhǔn)確。在相同的升溫速率下，貧煤煤粉的燃燒反應(yīng)活化能均為最高，煙煤煤粉次之，褐煤煤粉最低，正好對應(yīng)三種煤粉的煤階排序，故可以得出，在相同的升溫速率下，煤階越高，煤燃燒的反應(yīng)活化能越高。煤階越高，煤的揮發(fā)分含量越低，煤粉越不易著火燃燒，反應(yīng)活性越低，故對應(yīng)的燃燒反應(yīng)活化能越高，煤粉燃燒反應(yīng)速率越慢。

通過對比同一煤粉在不同升溫速率下的反應(yīng)活化能來看，升溫速率越高，煤粉反應(yīng)的活化能越低。升溫速率越高，煤粉從室溫增加到實(shí)驗結(jié)束的時間更短，煤粉反應(yīng)加速越快，煤粉燃燒的速率越快，煤粉的反應(yīng)活性越高，煤粉燃燒反應(yīng)的活化能越低。

3 煤粉燃燒特性研究

3.1 著火溫度的確定方法

1934年Semenov根據(jù)對均相系統(tǒng)的熱自燃理論的研究，提出著名的熱爆炸理論(也就是TET理論)[5]：

(3)

其中Q1為煤粉系統(tǒng)反應(yīng)放熱熱量，Q2為系統(tǒng)的散熱損失能量，當(dāng)煤粉系統(tǒng)的反應(yīng)放熱熱量大于系統(tǒng)的散熱能量，且能量對溫度的一階導(dǎo)數(shù)大于等于0時，認(rèn)為煤顆粒能夠發(fā)生著火。

對于DSC儀器有：

cθ=q1-q2

(4)

式中θ為加熱速率，θ=dTs/dt，Ts為煤粉顆粒溫度。c為煤粉的比熱，q1單位質(zhì)量的煤粉在單位時間內(nèi)所釋放的熱量(kJ/(kg·s))，q2單位質(zhì)量的煤粉在單位時間內(nèi)所散失的熱量。煤粉向環(huán)境散失的熱量q2=k(T-T∞)，k為折算的系數(shù)，T∞為環(huán)境溫度。

基于Semenov熱爆炸理論，對于熱流型DSC中，轉(zhuǎn)化為熱功率的煤粉著火臨界條件為：

(5)

煤粉的著火是煤粉反應(yīng)加速的結(jié)果，故在著火過程中，煤粉的反應(yīng)速率增加，煤粉的熱量變化加速，即在煤粉著火階段，煤粉反應(yīng)的熱量曲線應(yīng)該是凹型的，因q=-DSC，故在DSC圖形上，著火階段為凸型。圖5為煤粉燃燒的DSC曲線以及煤粉DSC對煤粉顆粒溫度的一次導(dǎo)數(shù)與煤粉顆粒溫度之間的關(guān)系。

從圖5中可以看出，DSC曲線上有著多重拐點(diǎn)，其中拐點(diǎn)B與拐點(diǎn)C之間所對應(yīng)的關(guān)系為：

(6)

圖5 DSC法確定最低臨界著火溫度和最高臨界著火溫度的圖示

在B點(diǎn)到C點(diǎn)之間，煤粉系統(tǒng)的吸熱大于散熱，且在這一階段煤粉的反應(yīng)速率增加，煤粉的產(chǎn)熱增加，并且產(chǎn)熱速率增快，滿足Semenov的著火理論，在其他階段并不滿足，故本文認(rèn)為煤粉著火是一個過程，著火發(fā)生在B點(diǎn)到C點(diǎn)之間，定義B點(diǎn)所對應(yīng)的溫度為最小臨界著火溫度Tmin，C點(diǎn)所對應(yīng)的溫度為最大臨界著火溫度Tmax。煤粉從最小臨界著火溫度開始著火過程，到最大臨界著火溫度著火完全。

3.2 三種煤粉的著火溫度

同時對三種煤粉的TG數(shù)據(jù)用傳統(tǒng)的切線法求解出煤粉每個升溫速率下的TG著火溫度作為對比；并對DSC數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖5的處理，求解每個升溫速率下的最小臨界著火溫度及最大臨界著火溫度，圖分別是神華褐煤、黃石電廠煙煤、黃石電廠貧煤的TG著火溫度、最小臨界著火溫度、最大臨界著火溫度。

圖6 三種煤粉的切線法及DSC臨界著火溫度法測定的著火溫度

本文認(rèn)為著火是一個過程，從最低臨界著火溫度開始著火，直至最高臨界著火溫度著火完成。從圖可以看出，三種煤粉在各升溫速率條件下的TG-DTG法測定的著火溫度都介于DSC最低臨界著火溫度和最高臨界著火溫度之間，這能夠反映出本文所提出來的DSC臨界著火溫度法的合理性。

通過對比分析，在各個升溫速率下，貧煤的DSC最低臨界著火溫度、最高臨界著火溫度和TG-DTG法著火溫要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煙煤和褐煤的，同時煙煤的各個著火溫度也大多要高于褐煤的。這是因為貧煤的揮發(fā)分含量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于其他兩種煤粉，煙煤的揮發(fā)分含量略高于褐煤的揮發(fā)分含量，揮發(fā)分含量越多的煤粉，煤粉的著火越容易，煤粉的著火溫度越低?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在相同的升溫條件下煤粉的煤階越高，煤粉的著火溫度越高。

從圖中可以看出，三種煤粉的DSC最低臨界著火溫度、最高臨界著火溫度和TG-DTG法著火溫度都隨著升溫速率的升高而增高，由于在實(shí)驗的升溫過程中，煤粉在實(shí)驗儀器的坩堝中的受熱并非完全均勻，且煤粉的表面溫度和內(nèi)部溫度之間會有一個溫度差，導(dǎo)致煤粉的內(nèi)部不能及時的升溫?fù)]發(fā)，煤粉的著火會延遲，受熱不均勻現(xiàn)象在高升溫速率下尤為明顯，導(dǎo)致煤粉在高升溫速率的著火溫度越高。煤粉的著火溫度的上升曲線隨著升溫速率的增高而平緩。三種煤粉在2～5K/min的條件下的升溫速率變化速率均在40～50K/min條件下的升溫速率變化速率的十倍以上，也就是在高升溫速率條件下，升溫速率對煤粉的著火溫度影響越來越小，由此趨勢可以推斷，存在一個臨界的升溫速率，在此臨界升溫速率以上，煤粉的著火溫度不再發(fā)生變化，而是一個恒定值。

4 燃燒調(diào)整分析

當(dāng)鍋爐降負(fù)荷時，爐膛內(nèi)的溫度降低，則煤粉的升溫速率降低，但是此時的升溫速率仍然很大，認(rèn)為在臨界升溫速率以上，煤粉的著火溫度幾乎不變，但是煤粉的著火時間增長，在相同的風(fēng)速下，煤粉的著火行程增長，并且煤粉的活化能變大，反應(yīng)速率變慢，煤粉的火焰中心上移，易造成過熱、再熱蒸汽超溫，排煙溫度高。故在鍋爐運(yùn)行時，要盡量采用下層燃燒器或者降低風(fēng)速來降低火焰中心高度。

當(dāng)鍋爐升負(fù)荷時，爐膛內(nèi)溫度升高，煤粉的升溫速率升高，煤粉的著火時間縮短，著火行程縮短，并且煤粉的反應(yīng)活化能變小，反應(yīng)速率增快，火焰中心下移，易造成再熱蒸汽溫度低。鍋爐運(yùn)行時，要盡量投上層燃燒器或者提高風(fēng)速來提高火焰中心高度。

當(dāng)鍋爐運(yùn)行時變換煤種時，當(dāng)換高階煤時，煤粉著火溫度升高，同時活化能升高，反應(yīng)速率下降，火焰中心上移，要盡量采用下層燃燒器或者降低風(fēng)速來降低火焰中心高度；當(dāng)換低階煤種時，著火溫度降低，同時活化能降低，反應(yīng)速率增快，火焰中心下移，要盡量投上層燃燒器或者提高風(fēng)速來提高火焰中心高度。