煤粉高壓著火特性及影響因素

傅培舫，龔雪琦，張 斌，劉 洋，龔宇森，許天瑤

(華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位不會(huì)動(dòng)搖。在能源動(dòng)力生產(chǎn)、煤化工、水泥爐窯和冶金等燃煤行業(yè)中，煤粉的著火特性對(duì)于煤粉燃燒器及其轉(zhuǎn)化設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要影響。前人對(duì)常壓條件下的煤粉著火燃燒特性研究較多，主要集中在如何判定煤粉的著火溫度。煤粉著火溫度的判定大多為經(jīng)驗(yàn)方法：① 動(dòng)力學(xué)曲線法，通過(guò)電加熱層流載流反應(yīng)器測(cè)得煤粉燃燒濃度-時(shí)間動(dòng)力學(xué)曲線、一階導(dǎo)數(shù)得到著火溫度[1]；② 光譜強(qiáng)度法，通過(guò)層流滴管爐煤粉燃燒的光譜強(qiáng)度的變化梯度得到著火溫度，該值較高[2]；③ 閃光法，根據(jù)電加熱載流反應(yīng)器著火煤粉顆粒光閃強(qiáng)度或光閃數(shù)概率來(lái)判斷著火[3-5]；④ 溫度法，通過(guò)測(cè)定單顆粒煤焦在給定環(huán)境條件下溫度時(shí)間變化曲線，結(jié)果受環(huán)境溫度的影響較大[6]；⑤ 切線法，根據(jù)熱重分析得到的TG-DTG熱重曲線最大速率點(diǎn)的切線求著火溫度[7]，常壓下結(jié)果通常比爐內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果低100 ℃以上。這些判據(jù)主要依賴于試驗(yàn)觀測(cè)，受試驗(yàn)條件的限制較大。建立在著火理論基礎(chǔ)上的熱流法，是根據(jù)熱重差示掃描量熱(TG-DSC)曲線，并考慮加熱速率的影響，求極限著火溫度，與管式爐的試驗(yàn)結(jié)果接近[8]，目前這種方法還未應(yīng)用到加壓燃燒條件下的著火特性研究。

加壓下煤粉著火特性研究相對(duì)較少，且大部分研究是在富氧燃燒氣氛下進(jìn)行的高壓下煤粉燃盡度、燃盡時(shí)間等[9-12]。Liu等[9]模擬表征了加壓情況下煤粉燃燒火焰的化學(xué)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著壓力的增加，火焰的穩(wěn)定性變差。吳瑩[10]選取煙煤與無(wú)煙煤的試樣，進(jìn)行富氧條件下的加壓熱重試驗(yàn)(PTG)，結(jié)果表明，在O2/CO2氣氛條件下，高壓下煤粉燃燒的著火機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，2 MPa時(shí)，其著火機(jī)制由常壓下的非均相著火轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏合碌木嘀?；且隨壓力的增大，煤樣的燃點(diǎn)、最大燃燒速率點(diǎn)、燃盡點(diǎn)溫度逐漸降低；根據(jù)著火理論，分析該試驗(yàn)中煤粉著火機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變的根本原因?yàn)椋焊邏捍偈姑褐袚]發(fā)分加速析出，使煤粉顆粒單位面積上的氧氣濃度升高。應(yīng)芝等[11]研究了O2/CO2氣氛、高壓下，煤種、壓力、氧氣濃度和煤焦結(jié)構(gòu)等對(duì)2種煤樣(大同煙煤和神火無(wú)煙煤)著火特性的影響，其加壓熱重試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)燃燒壓力從0.1 MPa升至2 MPa時(shí)，煤粉的著火溫度先降后升，1 MPa下的著火溫度最低，且在高壓下，較高的氧氣濃度會(huì)使煤樣的著火模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，著火溫度也明顯降低；利用掃描電鏡對(duì)該反應(yīng)過(guò)程中的煤樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)加壓促進(jìn)了煤粉顆粒在脫揮發(fā)分過(guò)程中的破碎，提高了碳氧反應(yīng)速率，從而降低了著火溫度。雷鳴等[12]研究表明，1～3 MPa時(shí)，著火溫度有所上升，但相差不大。傅培舫等[13]為了研究煤粉在加壓燃燒過(guò)程中的影響因素，從氧氣可達(dá)比表面積著手，以煤粉燃燒SCT模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行了不同煤種的加壓熱重試驗(yàn)和不同燃盡度下煤焦N2BET比表面積測(cè)試，結(jié)果表明，在煤粉加壓燃燒過(guò)程中，煤粉顆粒的平均孔徑大于2 nm時(shí)，累積比表面積和氧氣可達(dá)比表面積隨燃盡度的增加而增加；常壓下的煤焦氧氣可達(dá)比表面積是高壓下的1.5～2倍，即煤粉的加壓反應(yīng)速率不可能與壓力等倍數(shù)增加。目前加壓燃燒試驗(yàn)仍存在諸多瓶頸問(wèn)題，如加壓熱天平大樣量由于質(zhì)量傳遞的限制，導(dǎo)致多峰燃燒[12]或以熱解為主低速擴(kuò)散氧化等嚴(yán)重的著火延遲[11]；加壓管式爐又很難取得理論上的著火溫度，通常只有經(jīng)驗(yàn)判斷值。

熱重分析技術(shù)作為一種研究煤粉燃燒特性的常用方法，操作簡(jiǎn)便，有一定的可重復(fù)性，已得到廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)3個(gè)煤樣加壓熱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)探究加壓條件下煤粉的著火燃燒特性；根據(jù)謝苗諾夫著火理論提出了一種求取著火溫度的拐點(diǎn)法，并與傳統(tǒng)的切線法所得結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析2種著火溫度求取方法的差異；進(jìn)一步探討壓力和組分對(duì)煤粉著火溫度的影響。

1 加壓熱重試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

加壓熱重試驗(yàn)(PTG)指在加壓條件下，將煤樣置于爐內(nèi)，以適當(dāng)流量通入反應(yīng)氣，通過(guò)程序控溫裝置控制升溫速率和終溫，利用熱分析天平連續(xù)記錄煤樣質(zhì)量和溫度的變化。

該試驗(yàn)采用TherMax500熱重分析儀，其主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍，100 g；測(cè)量精度，1 μg；壓力范圍，1.33×10-2～1.03×107Pa；溫度范圍，0～1 100 ℃。

1.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)選取金西礦貧煤(JWY)、張村煙煤(ZCY)和鄂電1號(hào)煙煤(EP)3個(gè)煤種，其工業(yè)分析和元素分析見表1。

1.3 試驗(yàn)方法

對(duì)選取的3個(gè)煤種進(jìn)行研磨，將磨碎后的煤粉用74 μm的篩子進(jìn)行篩分，所得煤樣顆粒粒徑小于74 μm，制得煤樣。利用加壓熱重分析儀對(duì)3個(gè)煤樣進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，在不同加熱速率下，煤粉燃燒的拐點(diǎn)溫度值趨于一個(gè)極限，因此，本試驗(yàn)在室溫下由壓縮氣瓶供給空氣，氣體流量為1 L/min，在壓力1.5 MPa下使每個(gè)煤樣以同一升溫速率5 K/min升到終溫后停止反應(yīng)。

表1 3個(gè)煤樣的工業(yè)分析和元素分析

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 著火理論

根據(jù)謝苗洛夫著火理論，得到煤粉著火過(guò)程中的熱平衡表達(dá)式[8]如下：

(1)

根據(jù)式(1)分析著火條件為

(2)

(3)

根據(jù)煤粉燃燒本征動(dòng)力學(xué)表達(dá)式，有

(4)

其中，k1為指前因子；n為反應(yīng)指數(shù)(取0～1)，與煤種有關(guān)；E為活化能?；罨瘮?shù)及反應(yīng)指數(shù)n的求解方法參照文獻(xiàn)[17]。

(5)

式中，kh為換熱系數(shù)。

2.2 著火溫度

2.2.1切線法

對(duì)試驗(yàn)所得的TG曲線進(jìn)行分析，采用切線法確定著火溫度：在溫度為橫軸的TG-DTG曲線圖中,過(guò)DTG曲線的最大質(zhì)量變化速率作橫軸垂線，與TG曲線交于一點(diǎn)，過(guò)該點(diǎn)作TG曲線切線，該切線與試樣開始失重時(shí)平行線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為著火溫度，如圖1(a)所示。

圖1 TG-DSC曲線上著火溫度的確定方法[8]

2.2.2拐點(diǎn)法

2.3 PTG試驗(yàn)

圖2(a)為金西礦貧煤在加壓1.5 MPa條件下以5 K/min的升溫速率升至終溫時(shí),得到的PTG曲線。通過(guò)求導(dǎo)得到DTG曲線，再用切線法得到經(jīng)驗(yàn)著火溫度為203 ℃；根據(jù)2.2.2節(jié)的拐點(diǎn)法，通過(guò)對(duì)DTG曲線求導(dǎo)可得到拐點(diǎn)(圖2(b))和拐點(diǎn)溫度204 ℃。

圖2 高壓下金西礦貧煤的著火溫度

同樣試驗(yàn)條件下得到張村煙煤和鄂電1號(hào)煙煤的PTG曲線如圖3(a)和4(a)所示。通過(guò)求導(dǎo)得到DTG曲線，采用切線法得到經(jīng)驗(yàn)著火溫度，根據(jù)拐點(diǎn)法，通過(guò)對(duì)DTG曲線求導(dǎo)得到拐點(diǎn)(圖3(b)、4(b))，拐點(diǎn)溫度見表2。對(duì)比2種方法所得的同一煤樣的著火溫度，可知，在加壓燃燒條件下，拐點(diǎn)法所得的著火溫度與經(jīng)驗(yàn)的切線法所得結(jié)果相近，但在常壓下切線法的結(jié)果與實(shí)際著火溫度相差甚遠(yuǎn)[8],主要原因在于高壓下著火溫度區(qū)間內(nèi)，反應(yīng)速率較常壓條件下提升了數(shù)倍[13],導(dǎo)致放熱切線的斜率與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法切線斜率的差減??；但拐點(diǎn)法源于理論分析，能給出著火溫度范圍，更加簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確可靠。

圖3 高壓下張村煙煤的著火溫度

圖4 高壓下鄂電1號(hào)煙煤著火溫度

表2 煤樣的著火溫度

2.4 煤粉著火溫度的影響因素

1)壓力。對(duì)于煙煤和無(wú)煙煤，壓力在0.1～1.5 MPa[14](更多的試驗(yàn)支持0.1～1.0 MPa[11,15-16])，著火溫度不斷下降；壓力在3～5 MPa時(shí)，著火溫度也下降；1～3 MPa時(shí)，煙煤的著火溫度略升高[15-16]。

2)氧氣體積分?jǐn)?shù)。壓力為0.1～0.5 MPa、O2/CO2氣氛中，隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，著火溫度下降；在相同氧氣體積分?jǐn)?shù)下，空氣氣氛比O2/CO2氣氛的著火溫度低[11,14]。

3)顆粒粒徑。通常粒徑<100 μm時(shí)，發(fā)生異相著火[20]；高揮發(fā)分的煤種，粒徑增大，對(duì)載流煤粉升溫速率較快時(shí)，會(huì)有足夠濃度的揮發(fā)分釋放，以支持均相著火。壓力增加可使異相著火的煤種范圍擴(kuò)大，較大的顆粒粒徑更易發(fā)生異相著火。

4)升溫速率。由于煤粉燃燒速率和傳熱速率的限制，煤粉的拐點(diǎn)著火溫度存在極限值[8]，如圖5所示。溫度對(duì)時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)，根據(jù)能量守恒式(1)轉(zhuǎn)化為氧化速率式(4)，即圖5(a)熱流曲線對(duì)溫度求一階導(dǎo)數(shù)，得到圖5(b)的熱加速度ah，而圖5(a)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度Tig是放熱速率(式(5))切線達(dá)到的邊界最大點(diǎn)；當(dāng)升溫速率增加時(shí)，Tig趨于極限值，此時(shí)Tig不受升溫速率的影響，因此，極限Tig值即為高加熱速率下的著火溫度，超過(guò)這一溫度，煤粉一定能著火燃燒。

極限著火溫度的計(jì)算模型為

圖5 不同升溫速率的DSC熱流曲線極限著火溫度的變化趨勢(shì)

(6)

式中，Tig,θi為加熱速率為θi時(shí)的拐點(diǎn)溫度(或稱強(qiáng)著火溫度)；下標(biāo)i=0,1,2，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)不同加熱速率；下標(biāo)max為極限加熱速率；ε為與煤種有關(guān)的特征因子。

從模擬計(jì)算可知，爐內(nèi)高溫環(huán)境對(duì)煤粉著火過(guò)程加熱的最大升溫速率在103K/s量級(jí)，遠(yuǎn)超熱分析中的極限升溫速率，可認(rèn)為這種數(shù)量級(jí)差異的升溫速率對(duì)極限著火溫度不會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)上的影響。

5)揮發(fā)分。揮發(fā)分決定煤的種類。在管式爐試驗(yàn)中，通常高揮發(fā)分煤中的揮發(fā)分集中釋放，表現(xiàn)為均相著火[5]；但在高壓下，由于傳熱速率增加和單位體積的氧摩爾數(shù)增加，導(dǎo)致著火溫度下降，通常揮發(fā)分還未來(lái)得及釋放就發(fā)生了著火，因此高壓下異相著火的幾率更大。

3 結(jié) 論

1)煤粉著火溫度區(qū)間為從初始著火溫度(Ti)到極限著火溫度(Tig)，環(huán)境換熱條件所決定的切點(diǎn)位置是唯一定解條件，高溫工業(yè)爐高加熱速率對(duì)應(yīng)的是極限著火溫度。

2)與常壓下煤粉的著火特性不同，在1.5 MPa加壓條件下，隨著揮發(fā)分的增高，著火溫度有所上升;并表現(xiàn)出表面官能團(tuán)氧化的顯著異相著火特征。

3)同一煤樣在高壓燃燒條件下， DTG曲線拐點(diǎn)法與切線法求得的著火溫度相差不大，主要是由于加壓著火燃燒速率成倍增加所致。

4)在0.1～1.0、3～5 MPa條件下，隨著壓力增加，煤粉的著火溫度降低；在1～3 MPa時(shí)，著火溫度隨壓力的增加略有上升。

5)加壓條件下，氧氣濃度分壓的增加，著火溫度下降。