熱分析指標在循環(huán)流化床鍋爐點火中的應(yīng)用

林山虎 ，程 偉 ，曾慶春 ，吳朝剛 ，周 棋 ，張 章

（1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，成都 611731；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001；3.百色電力有限責(zé)任公司，廣西 百色 533000）

在循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計和運行中，點火時的投煤溫度是鍋爐安全和正常啟動的關(guān)鍵參數(shù)。循環(huán)流化床鍋爐點火啟動過程中，投煤溫度太高，會造成點火時間過長，影響鍋爐啟動時間且大幅增加點火成本；投煤溫度過低，則容易出現(xiàn)結(jié)焦等風(fēng)險。因此，確定循環(huán)流化床鍋爐最佳投煤溫度對于鍋爐的設(shè)計和運行有重要的指導(dǎo)意義。

目前，煤的熱分析法已廣泛應(yīng)用于對煤的著火、穩(wěn)燃、燃盡等特性的評價，不同學(xué)者根據(jù)熱分析法得出了煤的眾多著火特性評價指標，而這些指標在實際鍋爐點火過程中都無法單獨可靠地指導(dǎo)投煤溫度。本文采用煤的熱分析法對多種燃料進行分析，并在3 MW CFB試驗臺上對這些燃料進行投煤著火試驗研究，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，尋找與投煤溫度相關(guān)性最高的熱分析指標，并且總結(jié)了該熱分析指標與投煤溫度之間的差異和關(guān)系，提出了熱分析指標與投煤溫度之間的關(guān)系式，用于指導(dǎo)實際CFB鍋爐投煤著火的最佳溫度。

1 煤的著火評價指標

1.1 著火溫度

著火溫度Ti是衡量煤著火特性的重要指標之一，著火溫度越低，煤越易著火；反之，則更難著火。熱分析中，確定煤的著火溫度最常用方法為TG-DTG法，即在DTG曲線上，過其峰值作垂線與TG曲線交于B點，過B點作TG曲線的切線，該切線與TG曲線上開始失重時的平行線的交點C所對應(yīng)的溫度即定義為著火溫度[1-2]。

1.2 燃燒特性指數(shù)

許多學(xué)者采用燃燒特性指數(shù)S對煤的著火特性和燃盡特性進行綜合評價[3-5]。該指數(shù)的定義為：

式中，(dW/dt)max為最大失重速率，%/min；(dW/dt)mean為平均失重速率，%/min；Ti為著火溫度，℃；Cb為燃盡溫度，℃。

燃燒特性指數(shù)S值越大，煤的燃燒特性越佳，一般來說，由褐煤到無煙煤，著火與燃盡是由易變難，S值由大變小。S值相差較大的煤種，燃盡性能差異也大，S值相近的煤種，燃燒性能也比較接近。

1.3 可燃性指數(shù)

王雅君等采用煤的可燃性指數(shù)Cb來判斷燃料的著火特性[6-7]。其定義為：

該指數(shù)綜合考慮了煤的最大失重速率和著火溫度對煤著火特性的影響，反映了煤著火的難易程度，指數(shù)越大，煤的可燃性越好。

1.4 燃燒穩(wěn)定性指數(shù)

張輝等人采用煤的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)G來評價煤粉著火的難易和燃燒強弱[6-8]。其定義如下：

因為煤的最大反應(yīng)速率(dW/dt)max越大，揮發(fā)分釋放就會越強烈，最大反應(yīng)速率對應(yīng)溫度Tmax越低，揮發(fā)分釋放的高峰期出現(xiàn)得就越早，著火溫度越低，著火就越容易，這就有利于形成較高的燃燒溫度，燃燒就越穩(wěn)定、越充分。

1.5 著火燃燒穩(wěn)定性指數(shù)

孫學(xué)信等采用著火穩(wěn)定性指數(shù)Rw來評價煤的著火穩(wěn)定性，該指標越大，則煤越容易著火穩(wěn)定[9-10]。該指標表達式如下：

1.6 動力學(xué)參數(shù)

劉艷軍等采用動力學(xué)分析煤的燃燒特性[11-13]。一般的氣固反應(yīng)的動力方程表示如下：

式中，x為反應(yīng)速率，%；A為指前因子，min-1；E為活化能，kJ/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T為反應(yīng)溫度，K；n為反應(yīng)級數(shù)。

而對于非等溫過程，溫度T與時間t有如下關(guān)系：

式中，ψ為升溫速率，將其帶入式（5）積分可得：

對于煤和煤焦反應(yīng)，反應(yīng)級數(shù)n選取為1，將式（7）取對數(shù)可得：

在熱重法測定化學(xué)反應(yīng)速率中，轉(zhuǎn)化率x可用式（9）計算：

式中，ω0為反應(yīng)時樣品質(zhì)量；ω為某時刻樣品質(zhì)量；ω∞為樣品反應(yīng)終止時質(zhì)量。

煤的活化能越小，說明由初始狀態(tài)達到活化狀態(tài)所需能量越小，煤的著火度低，易于著火并燃燒；反之，則說明由初始狀態(tài)達到活化需要較大能量，煤的著火度高，難易著火。

2 試驗與測試

2.1 燃料分析

為了能更好地反映不同熱重指標對流化床鍋爐點火的指導(dǎo)性，本文選取了多個不同類型的煤種及混煤（1#-印尼褐煤和百色褐煤混煤、2#-波黑褐煤、4#平朔煤、5#貴州無煙煤、6#-百色褐煤、7#-百色褐煤與無煙煤混煤、9#-大屯煤、10#-羅馬尼亞褐煤、11#-巴西褐煤、12#-蒙東煤）進行試驗。除此之外，還選取了可以用于流化床鍋爐燃燒的其他類型的燃料（3#-蘭炭、8#-石油焦、13#-酒糟）進行對比驗證，以提升試驗結(jié)果的適用范圍和判別準確性。燃料分析數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗燃料的分析數(shù)據(jù)

2.2 試驗煤樣與試驗方法

熱重分析實驗采用美國TA公司生產(chǎn)的TGA-Q50熱重分析儀，其升溫范圍為30～900℃。試驗條件為：煤樣10 mg，粒徑小于100目，升溫速率20℃/min，模擬空氣氣氛。

投煤著火試驗在清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室的3 MW CFB熱態(tài)試驗臺上進行，該試驗臺主要用于工程項目前期的驗證性試驗，通過與后續(xù)投運項目的對比，試驗臺測試的投煤溫度能可靠地指導(dǎo)鍋爐的實際運行。試驗臺主要參數(shù)：設(shè)計功率3 MW，爐內(nèi)速度5 m/s，爐膛截面熱負荷3.03 MW/m2，循環(huán)倍率40，試驗臺高度29.1 m，天然氣點火，給料量500～1 500 kg/h。試驗條件：煤樣粒徑小于8 mm，常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐床料。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 TG-DTG曲線

圖1給出了不同燃料的TG和DTG曲線，由此可以看出，各燃料在加熱到100℃時，均存在一個失重過程，該失重與燃料水分有關(guān)，水分越高的燃料（2#、10#、12#、13#）其失重越明顯，這是燃料外部水分蒸發(fā)造成的。在300～700℃，不同燃料均出現(xiàn)急劇失重情況，對應(yīng)的DTG曲線峰值也出現(xiàn)在該區(qū)域，峰值出現(xiàn)的先后和燃料中揮發(fā)分含量密切相關(guān)，7#燃料是差異較大的兩種煤的混煤，其DTG曲線還出現(xiàn)了雙峰。在該溫度區(qū)域，燃料中有機物大量揮發(fā)并與固定碳一起著火燃燒。700℃之后，多數(shù)燃料已趨于燃燒完全，僅少數(shù)燃料出現(xiàn)少量質(zhì)量變化。

3.2 不同燃料熱重著火指標與投煤著火溫度相關(guān)性

根據(jù)不同燃料的TG-DTG曲線，采用上述計算方法，求得不同燃料的著火溫度Ti、燃燒特性指數(shù)S、可燃性指數(shù)Cb、燃燒穩(wěn)定性指數(shù)G、著火穩(wěn)定性指數(shù)Rw、燃料動力學(xué)參數(shù)活化能E并且將其與3 MW CFB試驗臺投煤溫度T0進行比較，各燃料相關(guān)指數(shù)如表2所示。

圖1 不同燃料TG/DTG曲線

表2 不同燃料的著火特性指標及試驗臺投煤著火溫度

將各著火指數(shù)與投煤著火溫度進行對比，繪制如圖2所示的曲線。由圖2可以看出，投煤著火溫度和熱重分析指標著火溫度及活化能有著明顯的相關(guān)性，即熱重著火溫度、活化能越低，燃料投煤著火溫度也越低。對比表1、2不難發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分越高的燃料（2#、10#、13#）其對應(yīng)的著火溫度就越低，這是由于燃料升溫著火過程中，揮發(fā)分含量越高，越容易引燃燃料中的碳顆粒，燃料也就越容易著火燃燒。同樣，揮發(fā)分含量越高，其反應(yīng)的活化能也就越低，因為揮發(fā)分含量的增加使得揮發(fā)分分子間的碰撞越激烈，普通分子更易轉(zhuǎn)化為活化分子，燃料氧化燃燒也就越容易[14]。

圖2 不同著火指數(shù)與投煤著火溫度對比

燃燒特性指數(shù)、可燃性指數(shù)、燃燒穩(wěn)定性指數(shù)及著火穩(wěn)定性指數(shù)與投煤著火溫度并無明顯關(guān)系，因為這些指數(shù)除了和著火溫度有關(guān)，還和最大反應(yīng)速率、平均反應(yīng)速率、最大反應(yīng)速率對應(yīng)溫度及燃盡溫度等相關(guān)，而這些參數(shù)和燃料的著火方式密切相關(guān)。理論認為揮發(fā)分較高的燃料，其著火為均相著火，即揮發(fā)分先析出，隨之與燃料顆粒外圍的氧氣發(fā)生反應(yīng)，且燃燒釋放的熱量加熱燃料顆粒使得焦炭著火；對于低揮發(fā)分的燃料為多相著火，只有溫度達到一定程度，揮發(fā)分和焦炭同時著火燃燒；對于中等揮發(fā)分燃料則為聯(lián)合著火[3]。因此，燃料的差異性導(dǎo)致其著火方式不同，進而降低了上述指數(shù)與投煤著火溫度的相關(guān)性。

在實際工程中，影響CFB鍋爐投煤著火的因素眾多，除燃料種類外，床溫、風(fēng)量、爐內(nèi)流化情況等對其都有重要影響，因而采用SPSS軟件對熱分析指標和投煤溫度的相關(guān)性進行更深入分析。SPSS軟件是世界上最早使用的統(tǒng)計分析軟件，其廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)和領(lǐng)域，具有數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析、趨勢預(yù)測等功能[15-16]。CFB試驗臺投煤溫度和熱重各著火指標的相關(guān)性如表3所示，由該表可以看出，試驗臺投煤著火溫度與熱重著火點、活化能的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.789和0.748，并且通過了置信度（雙側(cè)）0.01水平檢驗。這說明煤質(zhì)的熱重著火溫度和活化能與CFB試驗臺投煤溫度的相關(guān)性并不是偶然性的，它們和CFB試驗臺投煤溫度具有高度相關(guān)性。而燃燒特性指數(shù)、著火穩(wěn)定指數(shù)、煤的可燃性指數(shù)及燃燒穩(wěn)定性指數(shù)與投煤著火溫度相關(guān)性并不顯著。相關(guān)性分析表明，采用熱重分析得出的燃料著火溫度、活化能能夠在一定程度上指導(dǎo)CFB試驗臺投煤著火。

表3 熱重著火指標和CFB試驗臺投煤著火溫度相關(guān)性

3.3 熱重著火溫度與投煤溫度之間的關(guān)系

雖然熱重著火溫度及活化能對CFB試驗臺投煤溫度均具有一定的指導(dǎo)性，但通過熱重分析計算活化能較為煩瑣，而通過熱重曲線獲得燃料著火溫度相對簡單，且燃料水分較高時，偏差依然較大（燃料如燃料2#、10#的偏差超過100℃），因而本文著重尋找一種可以通過熱重著火溫度來指導(dǎo)CFB鍋爐投煤的方法。通過著火溫度與投煤溫度的關(guān)系圖可以看出，熱重著火溫度均低于CFB試驗臺投煤溫度，這和許多學(xué)者的試驗結(jié)果是一致的[17]。本文認為，這主要是由于熱重分析和CFB試驗臺試驗條件的不同所引起的，因為在熱重分析時，溫度是靠外部熱量來維持的，控制的是升溫速率，水分吸熱的多少并不會影響溫度，所以燃料中的水分基本上不會對熱重著火溫度測試產(chǎn)生影響；而CFB鍋爐投煤則是靠燃料自身的反應(yīng)來提升溫度，當(dāng)燃料水分較高時，汽化會吸收大量熱量，降低了爐內(nèi)的溫度水平從而影響點火投煤（如燃料2#、10#），導(dǎo)致CFB鍋爐投煤溫度與熱重著火溫度產(chǎn)生偏差。將各燃料熱重著火溫度Ti與CFB試驗臺投煤溫度T0的差值和燃料水分Mar作圖（圖3），除去畸形點后，可得關(guān)系式：

通過該公式計算的投煤溫度與3 MW CFB試驗臺實際投煤溫度數(shù)據(jù)相比，最大偏差在25℃范圍內(nèi)，說明其能夠很好地指導(dǎo)CFB鍋爐投煤點火。但在實際應(yīng)用中，考慮到操作方式和外界條件的不同，為了保證點火的安全性，可在此公式計算基礎(chǔ)上提高一定溫度再進行投煤，結(jié)合計算與實際投煤之間的偏差，增加30℃是可靠且合理的，即：

圖3 投煤溫度和熱重著火溫度、水分的關(guān)系

4 結(jié)論

多個燃料的熱重分析表明，不同煤種由于其水分、揮發(fā)分等含量的不同，其TG/DTG曲線存在明顯差異，多數(shù)燃料在700℃反應(yīng)完全。CFB試驗臺投煤溫度隨著燃料熱重著火溫度、活化能的變化而變化，統(tǒng)計學(xué)分析也表明它們之間有明顯的相關(guān)性，而這種相關(guān)性與燃料中揮發(fā)分的含量有密切關(guān)系。其他熱重著火指標和CFB試驗臺投煤溫度之間并無明顯關(guān)系，這是由于這些著火指標包含的相關(guān)參數(shù)和燃料的著火方式密切相關(guān)，而不同燃料之間著火方式存在較大差異。熱重著火溫度和CFB試驗臺投煤溫度之間存在一定差異，實際投煤溫度高于熱重著火溫度，這種差異與試驗條件和燃料水分有關(guān)。通過大量數(shù)據(jù)分析，本文提出了通過熱重著火溫度和燃料水分計算CFB過路投煤溫度的關(guān)系式，該公式可以用于指導(dǎo)實際鍋爐投煤點火。