恒温混煤热重特性研究范文

《动力工程学报》2014年第六期

1试验系统及分析方法

1．1试验系统如图1所示，该系统可以实现恒温下对煤粉热重及NO生成进行测量．煤粉质量实时变化通过应变片式压力传感器、A／D转换器（CS5532）和串口数据线等传入计算机中．利用自编的VB程序将数据接收并转化为十进制数，保存于电脑中．数据保存的频率为3个／s．根据传感器精度标定，装置的精度为0．002g．采用德国MRU公司的Delta2000CD－IV烟气分析仪对NO瞬时生成质量进行实时监测．每次试验重复如下步骤：向管式炉内通入所需气氛（除特别说明，其余均为空气）并升温，待炉内温度达到设定温度时保温30min．待稳定后将盛有试样的瓷舟迅速推入管式炉内．试样的质量信号及NO瞬时生成质量可实时采集到计算机中．后期数据处理产生的误差均在3％以内．试验中单煤的工业分析与元素分析见表1．单煤的粒径范围为120～180μm，按照质量比例（即掺混比）进行掺混制成混煤试样．为方便叙述，对混煤试样进行编号，将塔山烟煤掺混25％、50％和75％印尼褐煤试样分别标记为T3Y1、T1Y1和T1Y3．每次试验称取0．2±0．005g试样，均匀平铺于长约130mm、截面为半圆（直径约为15mm）的瓷舟内．通入的气体总体积流量为1L／min．校正试验表明，该体积流量已经能够很好地消除反应过程中气体扩散的影响．

1．2分析方法恒温燃烧条件下，水分和挥发分的失重速率与煤焦的失重速率存在较大差异，故应分阶段进行分析．为了描述恒温下煤粉燃烧的失重特性，定义了以下几个特性参数．燃尽时刻：试样可失重部分剩余质量分数降至2％时所对应的反应时间点；平均失重速率：煤粉至燃尽时刻的整体失重质量分数与燃尽时间的比值；分割点：燃烧过程中试样的实际失重速率等于平均失重速率的点．从初始时刻至分割点、分割点至燃尽时刻分别为初始反应阶段和主反应阶段，各阶段失重质量分数与时间的比值即为初始反应阶段和主反应阶段的平均失重速率，初始反应阶段主要反映试样水分和挥发分析出的特性，而主反应阶段主要表现试样煤焦的燃烧特性． 

2结果与分析

2．1掺混比的影响掺混比直接影响着混煤的燃烧特性，进而影响锅炉的安全与经济运行．在恒温800℃下，对塔山烟煤和印尼褐煤及T3Y1、T1Y1、T1Y3共5种试样进行恒温燃烧试验，得到的整体失重剩余质量分数与时间的关系见图2．由图2可知，与印尼褐煤相比，塔山烟煤的整体可失重质量较小，燃尽时间较长．因此，塔山烟煤的整体平均失重速率较小，印尼褐煤的整体平均失重速率较大．对于3种混煤，随印尼褐煤掺混比的增大，其整体平均失重速率增大．失重初始反应阶段，印尼褐煤燃烧40s时，其整体失重剩余质量分数已达60％以上，这是由于印尼褐煤中大量的水分和挥发分易析出造成的．此外，由图2还可以看出，无论单煤还是混煤，燃烧从初始反应阶段至主反应阶段，曲线均平滑过渡，说明恒温条件下，挥发分和焦炭的燃烧并不是截然分开的，二者在时间上存在一定的重叠，只是焦炭燃烧初始反应阶段的温度较低，且挥发分析出和燃烧消耗了大量的氧气，导致焦炭的失重受限［8］，对总失重的贡献较小．而逐步升温TGA方法则一般认为这是2个比较分明的阶段．由图2得到的燃烧特性参数列于表2中．由表2可知，印尼褐煤掺混比增大，燃尽时刻不断提前，整体及各阶段的平均失重速率均增大，其中初始反应阶段增大的程度远大于主反应阶段．不同阶段平均失重速率增大的程度不同，这与2种单煤的燃烧特性有关．初始反应阶段印尼褐煤的平均失重速率远大于塔山烟煤，而在主反应阶段，2种单煤的平均失重速率差值相对较小．由表2还可以看出，T3Y1与塔山烟煤相比以及T1Y3与印尼褐煤相比，燃尽时间变化的程度均为前者大于后者，这可能与着火温度改变的程度有关，混煤的着火温度与其挥发分高的单煤相近［9－11］，因此向难燃煤中掺混易燃煤，着火时刻大大提前，进而导致整体的燃尽时间变化较大．表2也给出了各特性参数值与印尼褐煤掺混比的线性相关系数．其中，整体平均失重速率和初始反应阶段平均失重速率与印尼褐煤掺混比的线性相关系数均大于0．99，说明整体平均失重速率、初始反应阶段平均失重速率与掺混比具有良好的线性相关性．而燃尽时间和主反应阶段平均失重速率与印尼褐煤掺混比的线性相关性较差．燃尽时刻和主反应阶段平均失重速率与印尼褐煤掺混比的线性相关性较差主要是由于2种单煤燃烧过程中出现抢风现象导致的［12］．

2．2煤种的影响在恒温800℃下，阳泉烟煤、塔山烟煤和新疆烟煤3种单煤以及分别掺混25％印尼褐煤时3种混煤（标记为Y3Y1、T3Y1和X3Y1）的燃烧失重曲线见图。由图3可知，无论单煤还是混煤，主反应阶段的平均失重速率相差不大，主要是由于在恒定高温下，反应一直剧烈快速进行，煤焦官能团等结构对燃烧的影响相对减弱［13］，而且在本次试验中，试样均匀平铺于瓷舟内表面，试样层厚度小，与气氛的相对接触面积大，反应剧烈，挥发分析出后生成的孔结构［14－16］对燃烧特性的影响减弱，进而导致各煤焦的平均失重速率相差不大．从图3还可以看出，煤种的煤化程度越高，与印尼褐煤的燃烧特性相差越大，其掺混印尼褐后煤燃烧特性改善程度越大．

2．3低温下的燃烧特性在低温500℃和600℃下塔山烟煤、印尼褐煤及两者混煤的燃烧失重特性见图4．由图4可知，塔山烟煤煤焦的tmin＝530℃，而在500℃下，塔山烟煤可失重至40％以下，说明挥发分的燃烧放热起到了引燃煤焦的作用，也验证了Jüntgen等［17］的“联合着火方式”的结论，同时还表明，焦炭燃烧时碳颗粒表面温度要高于环境温度［18－19］．恒温500℃下主反应阶段印尼褐煤的平均失重速率远大于塔山烟煤的平均失重速率，而在恒温600℃下，2种单煤及其混煤在主反应阶段的平均失重速率相差不大，即当温度超过塔山烟煤煤焦的tmin时，煤化程度对煤粉主反应阶段平均失重速率的影响较小．这是因为当环境温度低于塔山烟煤煤焦的tmin时，煤焦发生逐步自活化反应，在初始反应阶段，挥发分引燃煤焦中活化能较低的官能团，这部分官能团燃烧放出更多的热量，使体系能量进一步增大，促使需要更大活化能的结构或官能团活化燃烧．而当环境温度远高于煤焦的tmin时，煤焦的多数官能团均可同时被活化，因而反应速率较大．从图4还可以看出，500℃下当印尼褐煤掺混比小于50％时，混煤主反应阶段平均失重速率仍与塔山烟煤基本相同，即该温度下掺烧印尼褐煤对反应后期燃烧特性的影响不大．

2．4不同掺混比下混煤燃烧的NO生成特性在进行失重测量的同时，对燃烧生成的NO瞬时生成质量流量也进行了监测．不同塔山烟煤与印尼褐煤掺混比下，从初始时刻至燃尽时刻NO瞬时生成质量流量的变化如图5所示．从图5可以看出，掺混印尼褐煤后，NO的瞬时生成质量流量均减小．结合图5与图2可知，无论是单煤还是混煤在恒温下燃烧，NO的生成集中于燃烧前半段，后期NO的生成基本停止．可能主要是由于随着燃烧的进行，焦炭颗粒由于温度较高而发生熔结，使空隙闭合［23］，异相氧化作用减弱而焦炭和CO对NO的还原作用增强，从而使反应后期NO瞬时生成质量流量大大减小．对瞬时生成质量流量曲线进行积分，得到塔山烟煤、T3Y1、T1Y1、T1Y3和印尼褐煤燃烧生成的NO总质量分别为0．322mg、0．223mg、0．135mg、0．151mg和0．101mg．通过以上数据，可以得到NO瞬时生成质量流量与印尼褐煤掺混比的线性相关性很差，而且不同掺混比下混煤的实际生成质量小于2种单煤的加权值，掺混比为50％时尤为明显．由图5还可以看出，当掺混比为50％时，NO瞬时生成质量流量峰值消失，前100s内瞬时生成质量流量基本持平且较小．

2．5不同煤种混煤燃烧的NO生成特性800℃下阳泉烟煤、塔山烟煤和新疆烟煤3种单煤及分别掺混25％印尼褐煤时3种混煤燃烧的NO生成累积质量变化见图6．由图6可以看出，煤阶升高（阳泉烟煤＞塔山烟煤＞新疆烟煤＞印尼褐煤），NO生成累积质量逐渐增大，这是因为煤化程度增大，氮含量大致呈增大的趋势，同时煤阶高，挥发分含量少，煤焦的反应活性低，挥发分析出后孔结构的表面积小［16］，对NO的异相还原作用弱．因为印尼褐煤氮含量较小，掺混印尼褐煤时NO的生成累积质量减少．由图6还可以看出，混煤的NO生成累积质量曲线均位于2种单煤之间．将3种混煤NO的生成累积质量与单煤加权值进行比较，Y3Y1、T3Y1和X3Y1的试验值均小于单煤加权值，其差值分别为2．68×10－4mg、0．045mg和1．96×10－3mg，说明氮析出时，各单煤之间存在相互制约的关系，且其制约程度因煤种而异．其中，T3T1NO生成累积质量试验值与单煤加权值的差值相差很大，而Y3Y1、X3Y1则相差较小，可见T3Y1中2种单煤之间相互制约剧烈．同时，可能由于混煤挥发分释放时间普遍比单煤长，故氮的析出时间也较长，导致NO的还原量增大，最终使NO生成累积质量小于各单煤生成累积质量的加权值．

3结论

（1）掺烧印尼褐煤能改善单煤的燃烧特性，使其整体平均失重速率增大，燃尽时刻提前，且对煤化程度越高的煤种影响程度越显著．（2）从热重特性参数看，掺烧印尼褐煤在很大程度上能够改变单煤在初始反应阶段的平均失重速率，而对主反应阶段平均失重速率的影响较小．整体平均失重速率、初始反应阶段平均失重速率与掺混比具有良好的线性相关性．（3）当反应温度介于塔山烟煤的着火温度与其煤焦的失重初始温度之间，掺烧印尼褐煤的掺混比小于50％时，塔山烟煤与印尼褐煤混煤主反应阶段的平均失重速率与塔山烟煤相差不大．（4）混煤燃烧时NO生成累积质量小于单煤生成累积质量的加权值，当掺混比为50％时尤为明显，塔山烟煤和印尼褐煤氮析出时，相互制约程度较大，导致塔山烟煤与印尼褐煤混煤NO生成累积质量试验值与加权值相差较大．

作者：王春波李超单位：华北电力大学能源动力与机械工程学院