利用熱重分析儀研究鏈條鍋爐燃燒用煤特性

姚志鵬 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

利用熱重分析儀研究鏈條鍋爐燃燒用煤特性

姚志鵬 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

針對(duì)鏈條鍋爐燃燒用煤特點(diǎn)，并在得到有代表性的四種煙煤工業(yè)分析條件下，利用熱重分析儀對(duì)樣品的熱解特性進(jìn)行了熱重實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)TG、DTG曲線分別進(jìn)行分析，得到了煤炭的初始失重溫度、初始放熱溫度、最大反應(yīng)指數(shù)、燃燒90%可燃質(zhì)時(shí)間等熱解重要參數(shù)。同時(shí)結(jié)合揮發(fā)份和焦炭在燃燒過(guò)程中的次序，對(duì)取得的四種煤炭的著火溫度、燃燒最大速度兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行了分析。

熱重；鏈條鍋爐

0　引言

當(dāng)今我國(guó)工業(yè)鍋爐主要仍然以鏈條鍋爐為主，因此通過(guò)研究鏈條鍋爐的用煤特性來(lái)達(dá)到節(jié)能減排目標(biāo)很有必要。鏈條鍋爐為了保證足夠的燃燒效率，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，必須對(duì)燃煤的粒度及揮發(fā)分、水分及灰分的含量提出一定要求：即0 ～ 6 mm的細(xì)屑不超過(guò)60%，其中0 ～ 3 mm的細(xì)屑少于35%，煤塊的尺寸最好小于25 mm，最大不超過(guò)30 ～ 40 mm，使飛灰熱損失不致過(guò)大。為創(chuàng)造良好的飛灰燃盡條件，燃料的揮發(fā)分不要小于15% ～ 20%（因?yàn)榈蛽]發(fā)分的焦炭，燃盡困難）；還有燃煤的灰分最好也不大于30%。因?yàn)榛曳值脑龃?，意味著燃煤的發(fā)熱量降低，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)較厚的煤層及渣層，影響正常通風(fēng)，不利于煤的燃燒及燃盡。若為減輕上述狀況而加快爐排速度，則有可能使?fàn)t排起始部分的煤層不能及時(shí)著火而影響整個(gè)燃燒過(guò)程。所以對(duì)煤的灰分也要有一定限制［1］。

煤燃燒特性對(duì)鏈條爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有著重要的影響，因此對(duì)煤燃燒特性參數(shù)的研究很有必要。其燃燒特性參數(shù)主要有：著火溫度、著火時(shí)間、燃燒最大速率、燃燼程度等。除此之外，研究表明，除了揮發(fā)分含量外，揮發(fā)分的成分以及揮發(fā)分析出的特性，包括揮發(fā)分的初始析出溫度、最大析出速率、以及揮發(fā)分的析出時(shí)間等，對(duì)煤的著火和燃燒特性都有一定程度的影響。所以，對(duì)揮發(fā)分析出特性的研究也是煤粉燃燒研究的一個(gè)重要方面［2］。

1　實(shí)驗(yàn)原理分析

利用熱分析技術(shù)可以研究物質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)與溫度之間的關(guān)系。熱分析是對(duì)熱轉(zhuǎn)變機(jī)理和物理化學(xué)變化的熱動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究。熱分析方法包括的范圍很廣，主要有熱重分析法、差熱分析法及差示掃描量熱法，其中熱重分析法應(yīng)用較為廣泛。

熱重分析法（Thermogravimetric Analysis，簡(jiǎn)稱TG法）是在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù) 。用于熱重法的儀器是熱天平，它能連續(xù)記錄質(zhì)量與溫度的函數(shù)關(guān)系（TG曲線）［3］。

本文實(shí)驗(yàn)采用某光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的WCT-2A型熱天平。該儀器可以對(duì)微量試樣同時(shí)進(jìn)行差熱分析、熱重分析及熱重微分測(cè)量，主要包括天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)。在控制溫度下，試樣受熱后重量減輕，天平向上移動(dòng)，使變壓器內(nèi)磁場(chǎng)移動(dòng)，輸電功能改變 ；另一方面加熱電爐溫度緩慢升高時(shí)，熱電偶所產(chǎn)生的電位差輸入溫度控制器，經(jīng)放大后由信號(hào)接收系統(tǒng)繪出TG熱分析圖譜。從熱重法可派生出微商熱重法（DTG），它是TG曲線對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)。以物質(zhì)的質(zhì)量變化速率dm/dτ對(duì)溫度T作圖。DTG曲線上的峰值代替TG曲線上的階梯， DTG曲線提高了TG曲線的分辨力，體現(xiàn)了反應(yīng)速度的快慢。本實(shí)驗(yàn)采用升溫?zé)嶂胤▽?duì)煤燃燒特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)在熱天平上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)流程如圖1。

2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

在電子天平上稱取10.0 mg樣品粉末放入坩鍋內(nèi)，盡量攤平以忽略傳質(zhì)的影響。調(diào)節(jié)保護(hù)氣氮?dú)饬髁繛?0 mL/min，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣氧氣流量為100 mL/min。調(diào)整TG零點(diǎn)，待指針?lè)€(wěn)定后，選取TG量程范圍為10 mg，在熱天平控制程序中設(shè)置升溫程序。保持40 ℃/min的升溫速率，升溫至900 ℃恒溫，進(jìn)行燃燒反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)采用熱重分析法對(duì)獲得的TG曲線進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。為了消除起始試樣質(zhì)量的因素，對(duì)試樣質(zhì)量做無(wú)因次化處理，定義轉(zhuǎn)化率為X，其意義為：某時(shí)刻反應(yīng)物的質(zhì)量失重與整個(gè)反應(yīng)中的總質(zhì)量失重之比，如式（1）所示。

圖1　熱重實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

針對(duì)鏈條鍋爐適用煤種，選取了有代表性的七臺(tái)河桃山煙煤、開(kāi)灤唐家莊煙煤、邢臺(tái)煙煤、北票冠山煙煤四種煤，對(duì)其進(jìn)行了熱天平實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)得出的煤燃燒特性如圖2 ～ 5所示。

圖2　七臺(tái)河桃山煙煤燃燒特性圖

圖3　開(kāi)灤唐家莊煙煤燃燒特性圖

圖4　邢臺(tái)煙煤燃燒特性圖

圖5　北票冠山煙煤燃燒特性圖

另外，實(shí)驗(yàn)取得的其他特征參數(shù)匯總于表1。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果特征參數(shù)匯總

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先取煤在水分蒸發(fā)后經(jīng)過(guò)一段平穩(wěn)后開(kāi)始失重的點(diǎn)為著火溫度，不同的煤樣表現(xiàn)出不同的著火溫度。實(shí)驗(yàn)的四個(gè)煤樣中，煤的著火溫度集中在300 ～ 400 ℃，七臺(tái)河桃山煙煤的著火溫度要達(dá)到374 ℃，而北票冠山煙煤的著火溫度為335 ℃。煤的燃燒在水分蒸發(fā)后，在DTG 曲線中只有一個(gè)峰值，峰值點(diǎn)為燃燒最大速率點(diǎn)，開(kāi)灤唐家莊煙煤的燃燒最大速度最高達(dá)到了0.88 mg/min，且燃燒90%可燃質(zhì)時(shí)間僅為18 min；而北票冠山煙煤的燃燒最大速度僅為0.54 mg/min，燃燒90%可燃質(zhì)時(shí)間達(dá)到了25.5 min。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，隨著實(shí)驗(yàn)煤樣可燃基揮發(fā)分的提高，煤種的著火溫度隨之下降，但是同時(shí)也可以看出灰分對(duì)煤燃燒的影響。從對(duì)四種煤樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，煤在400 ℃之前，燃燼度的變化較小，這一過(guò)程有水分的蒸發(fā)與揮發(fā)分的析出，只有少量的揮發(fā)分燃燒；在400 ～ 1 800 ℃，燃燼度從10%變化到100%，這是由于揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的溫度達(dá)到焦炭燃燒的著火溫度，因此這一過(guò)程是揮發(fā)分燃燒與焦炭燃燒的疊加，這與燃燒特性曲線是一致的。

4　結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)熱重分析儀可以得到煙煤的著火溫度、燃燒最大速度等重要燃燒特性參數(shù)。得到這些參數(shù)后，在確定用煤的條件下，對(duì)設(shè)計(jì)鍋爐和制定鍋爐運(yùn)行規(guī)程都十分有益。

［1］ 徐通模.鍋爐燃燒設(shè)備［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1990.

［2］ 史紹熙.煤和石油的高效率低污染燃燒過(guò)程的基礎(chǔ)研究［M］.長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［3］ 孫學(xué)信.燃煤鍋爐燃燒試驗(yàn)技術(shù)與方法［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

For the combustion of coal properties by means of thermogravimetric analysis of chain boiler

Yao Zhipeng
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research）

According to the characteristics of coal combustion in chain boiler， analysis condition of four kinds of coal industry representative，the pyrolysis characteristics of samples using thermogravimetric were investigated by thermogravimetric experiment. Through the analysis of TG、DTG respectively， the initial pyrolysis temperature， the initial exothermic temperature， maximum reaction index， combustion parameters of 90% combustible pyrolysis time were gained. At the same time with the order of volatile and coke in the combustion process， the four kinds of coal combustion ignition temperature， maximum speed of two important parameters are analyzed.

thermogravimetric； Chain boiler