混煤燃燒過程中的交互作用與動力學(xué)特性研究

馬國偉，張曉明，劉建華，馬駿驥

(1. 寧夏電力能源科技有限公司，寧夏 銀川750002;2. 西安航天動力研究所，陜西 西安710100;3. 華電寧夏靈武發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 銀川751401)

0 引言

目前隨著國內(nèi)動力用煤供應(yīng)形勢日益緊張，越來越多的電站在實際生產(chǎn)運行時很難燃用設(shè)計煤種，在現(xiàn)有的燃煤條件下，為了最大限度保證鍋爐燃燒的安全性、經(jīng)濟性以及環(huán)保性，混煤摻燒技術(shù)已成為國內(nèi)燃煤電站的必然選擇［1］。然而，混煤的燃燒特性比單一煤種復(fù)雜得多，這使得許多電站在燃用混煤時出現(xiàn)各種各樣的問題，特別是燃用特性差異較大煤種的混煤時，常出現(xiàn)制粉系統(tǒng)出力低、煤粉偏粗、著火困難、燃燒不穩(wěn)定、飛灰含碳量高、鍋爐效率下降及污染物排放量增加等問題［2］。

國內(nèi)大多數(shù)燃用混煤的電站都是依靠經(jīng)驗，缺少理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)，盡管近年來眾多研究機構(gòu)針對動力混煤的燃燒特性開展了諸多研究，但是缺少對混煤燃燒過程中交互作用的研究。本文通過對比混煤燃燒實驗結(jié)果和理論計算的差別，利用各種燃燒特性指標，研究分析混煤燃燒過程中的交互作用。以寧夏地區(qū)動力混煤為研究對象，采用熱重分析法研究了混煤燃燒過程中的交互作用與動力學(xué)特性，并討論了配比及氧濃度對混煤燃燒特性的影響。實驗結(jié)果表明，燃燒性能差異較大的煤種摻燒時，在混煤燃燒DTG 曲線的易燃峰與難燃峰之間會發(fā)生明顯的協(xié)同交互作用。

1 實驗

1.1 煤樣的選取與制備

本實驗選用了寧夏地區(qū)3 種比較典型的煤種:靈新煤(LX)、乾程煤(QC)及新井煤(XJ)3種煤樣分別經(jīng)過破碎、磨制及篩分后按照質(zhì)量配比均勻摻混。實驗所選用的混煤煤樣為靈新煤(LX)摻混乾程煤(QC)和新井煤(XJ)摻混乾程煤(QC)，粒徑分布為100 ～125 μm。

1.2 煤質(zhì)特性

實驗煤樣的煤質(zhì)特性數(shù)據(jù)包括工業(yè)分析、元素分析及收到基低位發(fā)熱量，如表1 所示。其中，燃料比是指煤中固定碳與揮發(fā)分的比值，表示為FCdaf/Vdaf，可以用來評價煤的燃燒性質(zhì)，通常情況下?lián)]發(fā)分越高，燃料比越小，煤的著火特性和燃燒性能越好。從表1 可看出，這3 種煤著火和燃燒性能由好到差順序為LX ＞XJ ＞QC。

表1 實驗煤樣煤質(zhì)特性分析Tab．1 Coal characteristics analysis of tested coal samples

1.3 實驗方法

本文采用德國NETZSCH 公司生產(chǎn)的STA409熱重分析儀，對3 種單煤及其混煤進行熱重實驗研究。所用煤樣的樣品量為10 ±0.1 mg，采用Al2O3坩堝盛放煤樣。實驗氣氛為氧氣和氮氣的混合氣體，氧氣與氮氣的體積流量比為21 ∶79，氣體總流量為100 mL/min。實驗前，用Sartorius公司生產(chǎn)的MC5 型微克級電子天平稱量所需的樣品量，放入熱重分析儀后，用實驗氣氛吹掃30 min，待儀器穩(wěn)定后開始實驗，在20 ℃/min 的升溫速率下，將煤樣從室溫加熱到1 200 ℃。

2 混煤燃燒過程中的交互作用研究

混煤燃燒的理論DTG 曲線可由組分煤種單獨燃燒的DTG 曲線按加權(quán)平均方法計算得到，其計算表達式如下:

式中:(dG/dt)A和(dG/dt)B分別為A 煤種和B煤種的燃燒速率;xA和xB分別為A 煤種和B 煤種在混煤中的質(zhì)量分數(shù)?；烀簾嶂貙嶒灥腡G －DTG 曲線如圖1 和圖2 所示。

2.1 靈新煤與乾程煤摻燒

從圖1 可看出，靈新煤與乾程煤單獨燃燒時，靈新煤的熱重燃燒曲線明顯比乾程煤靠近低溫區(qū);靈新煤的著火、燃燼及整個燃燒過程均比乾程煤提前，這主要是由于靈新煤的燃料比(1.79)與乾程煤(2.54)相差較大，其燃燒性能明顯優(yōu)于乾程煤。當靈新煤與乾程煤摻燒時，混煤的燃燒熱重曲線介于參與摻混的兩種單煤之間;并且隨著混煤中乾程煤所占比例的提高，混煤燃燒失重曲線向高溫區(qū)移動，混煤的著火性能變差，燃燼時間明顯變長，燃燼性能變差。由圖1 還可發(fā)現(xiàn)，混煤的著火溫度接近于揮發(fā)分含量較高的靈新煤，而燃燼溫度接近于揮發(fā)分較低的乾程煤。

圖1 靈新煤摻燒乾程煤TG－DTG 曲線Fig．1 TG－DTG curves of blended coals of LX and QC

分析靈新煤與乾程煤摻燒的DTG 曲線可以發(fā)現(xiàn)，與單煤燃燒過程不同，混煤在燃燒過程中出現(xiàn)雙峰，第一個峰為易燃峰，其接近于著火性能較好的靈新煤的最大燃燒速率峰;第二個峰為難燃峰，其接近于燃燒性能較差的乾程煤的最大燃燒速率峰。G1與G2分別表示易燃峰與難燃峰下燒掉的燃料量，通過計算得出:當乾程煤的摻混比例分別為33.3%，50.0%及66.7%時，難燃峰的燃燒量占總?cè)紵康谋戎礕2/ (G1+G2)分別為23.3%，39.0%及63.1%，這表明在靈新煤的燃燒過程中伴隨著部分乾程煤的燃燒。

圖2 新井煤摻燒乾程煤TG－DTG 曲線Fig．2 TG－DTG curves of blended coals of XJ and QC

比較圖1 中混煤燃燒的理論DTG 曲線與實驗DTG 曲線可以發(fā)現(xiàn):在300 ～470 ℃混煤的實驗燃燒速率與理論燃燒速率非常接近;在470 ～600 ℃混煤的實驗燃燒速率明顯大于理論燃燒速率;在650 ℃之后，混煤的實驗燃燒速率與理論燃燒速率也非常接近。造成這種現(xiàn)象的主要原因是:乾程煤的著火溫度為498 ℃，在300 ～470 ℃燃燒的全部為靈新煤;在470 ～600 ℃靈新煤與乾程煤同時燃燒，兩種單煤之間發(fā)生了強烈的協(xié)同交互作用;靈新煤的燃燼溫度為514 ℃，在600℃之后，燃燒的全部為乾程煤。由表2 可知，混煤的易燃峰對應(yīng)溫度為470 ℃左右，而難燃峰對應(yīng)的溫度為600 ℃左右。由此可見，混煤燃燒過程中組分煤種之間的交互作用主要發(fā)生在DTG 曲線的難燃峰與易燃峰之間。

表2 混煤燃燒的特征溫度Tab．2 Characteristic temperatures of blended coals

2.2 新井煤與乾程煤摻燒

從圖2 中可看出，當新井煤與乾程煤摻燒時，不同配比下混煤的燃燒失重過程與單煤非常相似，在DTG 曲線上也沒有出現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象。這主要是由于新井煤的燃料比 (2.30)與乾程煤(2.54)相差不大，燃燒性能非常接近，兩種單煤的燃燒過程幾乎同時進行。通過比較圖2 中混煤燃燒的理論DTG 曲線與實驗DTG 曲線，可以發(fā)現(xiàn):在混煤的整個燃燒過程中，實驗DTG 曲線與理論DTG 曲線之間沒有明顯的差異。這說明，兩種燃燒性能差異較小的煤種混燒時，在燃燒過程中兩種單煤之間不會發(fā)生明顯的協(xié)同交互作用。

3 混煤的燃燒特性研究

3.1 配比對混煤燃燒特性的影響

本文采用著火指數(shù)Cb［3］來反映混煤在燃燒前期的反應(yīng)能力，利用燃燼指數(shù)Hj［4］來反映混煤在燃燒后期的燃燼性能，其表達式如下:

式中:Ti為著火溫度，℃;(dG/dt)max為最大燃燒速率速率，mg·min－1;Tmax為最大燃燒速率對應(yīng)速率，℃;Th為燃燼溫度，℃;ΔTh為DTG 后半峰對應(yīng)的溫度區(qū)間，℃;ΔT 為DTG 總峰寬對應(yīng)的溫度區(qū)間，℃。混煤著火及燃燼指數(shù)隨配比的變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 混煤的燃燒特性指數(shù)隨配比的變化規(guī)律Fig．3 Change rule of blended coal combustion characteristic index with blended ratio

從圖3 (a)中可看出，靈新煤的著火指數(shù)Cb和燃燼指數(shù)Hj均大于乾程煤，這主要是由于靈新煤的燃料比(1.79)明顯低于乾程煤(2.54)，燃燒的反應(yīng)能力高于乾程煤。靈新煤與乾程煤摻燒時，隨著乾程煤摻混比例的提高，混煤的著火特性和燃燼特性均表現(xiàn)出降低的趨勢，且混煤的著火特性隨配比基本呈線性變化。當乾程煤的摻混比例小于50%時，混煤的燃燼特性隨配比呈線性變化;而當乾程煤的摻混比例大于50%時，混煤的燃燼指數(shù)突降，燃燼性能大幅度下降。由此可見，性能差異較大的煤種摻燒時，難燃煤所占比例提高到一定程度會導(dǎo)致混煤燃燼性能的急劇下降。從圖3 (b)中可看出，當新井煤與乾程單獨燃燒時，由于新井煤的揮發(fā)分含量較高，其著火性能優(yōu)于乾程煤;并且隨著乾程煤摻混比例的提高，混煤的著火特性基本呈現(xiàn)出線性降低的趨勢。而由于靈新煤的燃料比(2.30)和乾程煤(2.54)相差不大，兩種煤摻燒后混煤的燃燒特性沒有明顯的變化。

3.2 氧濃度對混煤燃燒特性的影響

煤粉在鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒過程中，隨著燃燒反應(yīng)的進行，爐膛中的氧氣逐漸被消耗，氧濃度將從最初空氣中的21%逐漸降低到爐膛出口的3% ～4%，煤粉的燃燼過程實際是在低氧濃度下進行的。因此，有必要研究燃燒過程中氧濃度的變化對混煤燃燒特性的影響。綜合燃燒特性指數(shù)［3］S 綜合考慮了煤的著火及燃燼過程，本文利用該指數(shù)來評價氧濃度變化對混煤燃燒特性的影響，其表達式如下:

式中:(dG/dt)mean為平均失重速率，mg·min－1。靈新煤與乾程煤混燒時，在不同氧濃度下綜合燃燒特性隨配比變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 不同氧濃度下混煤的綜合燃燒特性隨配比的變化規(guī)律Fig．4 Change rule of blended coal comprehensive combustion characteristic index with blended ratio under different oxygen concentration

由圖4 可見，在相同的摻混比例條件下，混煤的綜合燃燒特性隨氧濃度的降低而下降，這主要是由于氧濃度的降低使氧氣很難附著到煤粉顆粒表面與煤中可燃質(zhì)進行燃燒反應(yīng)，降低了煤的著火性能;另一方面是氧濃度的降低使焦炭在燃燒后期的燃燒狀況惡化，降低了煤的燃燼特性。此外還可發(fā)現(xiàn)，隨著混煤中易燃煤摻混比例的降低，氧濃度對混煤綜合燃燒特性的影響逐漸降低。當易燃煤與難燃煤混燒時，易燃煤的快速燃燒會導(dǎo)致難燃煤焦炭在燃燒后期氧氣不足，燃燼性能變差。因此，易燃煤摻混比例的減少會降低易燃煤在燃燒過程中對氧氣的競爭，降低對難燃煤燃燒性能的影響。由此可見，適當提高氧氣濃度對混煤的燃燒是非常有利的，特別是當兩種燃燒性能差異較大的煤種摻燒時。

4 混煤的燃燒動力學(xué)特性研究

燃燒反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的求取方法有很多，隨著熱重分析技術(shù)的進步，越來越多的研究者利用熱重分析求解燃燒過程中的動力學(xué)參數(shù)。本文采用Coats-Redfern 積分法［5］來求解程序升溫燃燒過程中的動力學(xué)參數(shù)。根據(jù)Coats-Redfern 方程:

n≠1 時，

式中:m0為樣品的初始質(zhì)量;m∞為樣品的最終質(zhì)量;m 為樣品燃燒反應(yīng)某一時刻的質(zhì)量;β 為程序升溫速率。

文獻［6］通過實驗證明，阿侖尼烏斯方程不能用來描述一個溫度范圍很寬的燃燒過程，當所選溫度區(qū)間較寬時，得到的動力學(xué)參數(shù)將與實際值產(chǎn)生較大的誤差。在不同的溫度區(qū)間，所得到的燃燒反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)是不同的，應(yīng)該分別求解不同燃燒溫度區(qū)間的動力學(xué)參數(shù)。本文將煤的燃燒過程分為兩個區(qū)間:低溫區(qū)(Ti－Tmax)和高溫區(qū)(Tmax－Th)，在兩個溫度區(qū)間內(nèi)均采用上文提到的Coats-Redfern 積分法來求解程序升溫燃燒過程中的動力學(xué)參數(shù)。本文以靈新煤與乾程煤摻燒的混煤為例求解了兩種單煤在不同配比下混煤的動力學(xué)參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 混煤燃燒動力學(xué)參數(shù)Tab．3 Kinetic parameters of blended coal combustion

從表3 可看出，在不同的溫度區(qū)間所得到的動力學(xué)參數(shù)是不同的，這與文獻［8］得到的結(jié)論是一致的。低溫區(qū)的活化能明顯高于高溫區(qū)的活化能，這說明在低溫區(qū)需要較高的能量來維持燃燒反應(yīng)的進行。焦炭的燃燒主要發(fā)生在高溫區(qū)，但其燃燒過程卻只消耗了較小的能量，發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因一方面可能是煤中礦物質(zhì)在高溫區(qū)的催化反應(yīng)所致［7］，另一方面是燃燒前期釋放的熱量對后期的燃燒過程的促進作用。表3 中的活化能是在分段溫度區(qū)間得到的，因而不能用來描述煤在整個燃燒過程中的反應(yīng)活性，本文采用文獻［7］中提到的平均活化能Em的概念來描述煤在整個燃燒過程中的活化能，其表達式如下:

式中:E1～En為不同溫度區(qū)間的活化能，kJ·mol－1;F1～Fn為不同溫度區(qū)間的失重質(zhì)量分數(shù)，%。靈新煤摻燒乾程煤平均活化能Em數(shù)據(jù)見表4。

表4 混煤燃燒平均活化能EmTab．4 Mean activation energy Em of blended coal combustion

從表4 中可以看出，靈新煤燃燒過程中的平均活化能小于乾程煤，這與靈新煤的反應(yīng)活性大于乾程煤有直接關(guān)系。同時可發(fā)現(xiàn)，混煤的平均活化能明顯低于兩種單煤加權(quán)平均計算的結(jié)果，且隨著混煤中活性較低煤種摻混比例的提高，平均活化能相反地表現(xiàn)出了降低的趨勢，這與文獻［8 ～10］中所得實驗結(jié)果是一致的。從上文得出的結(jié)論可知，隨著混煤中高活性煤種摻入比例的提高，混煤的反應(yīng)活性也隨之提高，而通過活化能評判得出的結(jié)論正好與之相反。造成這種現(xiàn)象的主要原因是:兩種單煤的燃燒性能差異較大，在燃燒過程中發(fā)生了劇烈的協(xié)同交互作用。由此可見，當兩種性能差異較大的煤種摻燒時，不能簡單地從活化能的大小來判斷混煤燃燒的反應(yīng)活性。

5 結(jié)論

(1)燃燒性能差異較大的煤種摻燒時，在混煤燃燒DTG 曲線的易燃峰與難燃峰之間會發(fā)生明顯的協(xié)同交互作用;而燃燒性能接近的煤種摻燒時，不會發(fā)生明顯的協(xié)同交互作用。

(2)混煤的著火特性接近于易燃煤，而燃燼特性接近于難燃煤。隨著混煤中易燃煤摻混比例的提高，混煤的燃燒特性得到改善;但當難燃煤的摻混比例大于50%時，混煤的燃燼特性將大幅度下降。氧濃度的增加可以提高混煤的燃燒特性，但隨著混煤中易燃煤含量的減少，氧濃度對混煤燃燒特性的影響逐漸降低。

(3)性能差異較大的煤種摻燒時，燃燒過程中組分煤之間發(fā)生了強烈的交互作用，因此不能通過活化能的大小來判斷混煤燃燒的反應(yīng)活性。

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