基于熱重分析法的煙煤摻燒褐煤特性研究

楊志斌，馬　瑩，戴　新，趙建軍，關(guān)彥軍，張　鍇

(1. 內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)012100； 2. 華北電力大學(xué) 熱電生產(chǎn)過程污染物監(jiān)測(cè)與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

基于熱重分析法的煙煤摻燒褐煤特性研究

楊志斌1，馬瑩2，戴新1，趙建軍1，關(guān)彥軍2，張鍇2

(1. 內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)012100； 2. 華北電力大學(xué) 熱電生產(chǎn)過程污染物監(jiān)測(cè)與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

摘要：針對(duì)電廠摻燒褐煤缺乏相關(guān)理論指導(dǎo)的技術(shù)需求，采用熱重分析方法系統(tǒng)考察了包煤、準(zhǔn)煤和褐煤的單獨(dú)燃燒特性，并將兩種煙煤分別以10%、30%、50%和70%的比例在相同條件下與褐煤混合燃燒，根據(jù)各燃料燃燒特征參數(shù)計(jì)算了單一煤種及其不同摻混比例的著火指數(shù)、燃盡指數(shù)和綜合燃燒指數(shù)。結(jié)果表明，褐煤最易著火和燃盡；包煤著火特性較好，但在550～660℃范圍內(nèi)出現(xiàn)難燃峰致使燃盡特性變差；準(zhǔn)煤的著火特性最差，燃盡特性略優(yōu)于包煤；將包煤和準(zhǔn)煤與褐煤摻混后燃燒特性有所改善，各燃燒特征溫度降低，且綜合燃燒指數(shù)隨褐煤摻燒比例的增加而增加。建議在電廠實(shí)際應(yīng)用時(shí)，褐煤的摻燒比例控制在30%-50%之間。

關(guān)鍵詞：混煤；熱重分析；著火指數(shù)；燃盡指數(shù)；綜合燃燒指數(shù)

中圖分類號(hào)：TK16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.001

收稿日期：2015-01-31。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(91434120)。

作者簡介：楊志斌(1967-)，男，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)槊喝紵l(fā)電，Email：yzbncepu@163.com。

Abstract：Based on the actual requirement for fundamental theory of blending lignite in coal-fired power stations, combustion characteristics of lignite, bituminous coal and their blends were investigated by using thermogravimetric method (TGA) in this paper. Lignite was blended with two types of bituminous coals in proportions of 10%, 30%, 50% and 70%, respectively. The ignition index, burnout index and comprehensive combustion index of single and mixed fuels were calculated by means of combustion characteristic parameters. The results show that lignite displays the best ignition and burnout performace, Bao coal is easier to ignite but hard to burn out in the temperature range of 550 and 660℃. Compared to Bao coal, Zhun coal is the hardest to ignite but better to burn out. The performance of combustion can be improved after blending lignite, which is largely because the comprehensive combustion index of blended coals increases with the increasing ratio of lignite. Therefore, the blending ratio of lignite suggested lignite ration should be controlled between 30% and 50%.

Keywords：coal blends；thermogravimetric analysis；ignition index；burnout index；comprehensive combustion index

0引言

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國，也是當(dāng)今世界上幾乎唯一以煤為主的能源消費(fèi)大國[1]。隨著燃煤發(fā)電裝機(jī)容量和年發(fā)電量的迅猛增長，以煙煤和無煙煤為主的動(dòng)力煤儲(chǔ)量呈逐年減少的趨勢(shì)，面臨優(yōu)質(zhì)煤炭資源難以滿足國民經(jīng)濟(jì)長期穩(wěn)定發(fā)展的瓶頸問題。另一方面，褐煤資源豐富，已探明的褐煤儲(chǔ)量為1 311.42億噸，約占煤炭總保有儲(chǔ)量的13%[2]。但是在褐煤的燃燒發(fā)電的研發(fā)和應(yīng)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于煙煤和無煙煤等優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，因電廠燃燒的煤種與設(shè)計(jì)煤種差別較大，若隨機(jī)摻燒必會(huì)引起燃燒不穩(wěn)定、煤耗增加等問題[3]。因此，需要褐煤摻燒的燃燒特性的相關(guān)基礎(chǔ)研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)品質(zhì)相對(duì)較差的褐煤資源充分利用。

與單煤相比，混煤的燃燒特性更為復(fù)雜，通常情況下混煤的燃燒性能介于摻混的單煤種之間，但其燃燒特性與組煤種的燃燒特性也并不是簡單的線性疊加關(guān)系[4]。混煤的燃燒特性與鍋爐等設(shè)備的運(yùn)行密切相關(guān)，混煤著火特性反映了混煤著火的難易程度，在防止煤粉的制粉系統(tǒng)著火方面起著重要作用[5]。方立軍等[6]使用熱重分析儀研究混煤的燃燒特性，認(rèn)為煤質(zhì)差異較大的煤種摻燒要尤其注意摻燒比例，發(fā)現(xiàn)燃燒性能類似的煤種混合燃燒，其著火特性與相對(duì)難燃的煤接近。邱建榮等[7]利用熱重研究了混煤的燃燒性能，發(fā)現(xiàn)相同揮發(fā)分含量的混煤比單煤的著火特性差，且組分煤的含量和種類很大程度上影響了混煤的燃燒性能。胡文斌等[8]采用熱重法分析了七種不同煤樣的著火特性，并提出了判別煤種燃燒難易程度的指標(biāo)。Arenillas等[9]探究了揮發(fā)分含量不同的煙煤、次煙煤及其混煤的著火特性，發(fā)現(xiàn)摻混比例不同，著火機(jī)理也不相同。上述研究表明，組分煤的比例、種類決定了混煤的燃燒性能，采用熱重法可分析比較各混煤的燃燒特性。熱重實(shí)驗(yàn)法、一維沉降爐燃燒試驗(yàn)和鍋爐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)都是主要研究混煤著火特性的方法[5]，本文針對(duì)兩種煙煤及一種褐煤為研究對(duì)象，采用熱重法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，利用熱天平分析單煤及煙煤與褐煤摻混混煤的燃燒特性，通過各燃燒特征參數(shù)計(jì)算出著火指數(shù)、燃盡指數(shù)及綜合燃燒指數(shù)以評(píng)價(jià)煤樣的燃燒性能，進(jìn)而為電廠摻燒混煤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1　實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品為內(nèi)蒙古的3種原煤(包煤、準(zhǔn)煤、褐煤)，其元素分析和工業(yè)分析如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，褐煤的揮發(fā)分含量極高，灰分較少且水分含量最大，三種原煤的含硫量均較低。將褐煤分別與包煤和準(zhǔn)煤以1∶9，3∶7，5∶5和7∶3的質(zhì)量比混合；包煤混煤編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)，準(zhǔn)煤混煤為5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)。根據(jù)單煤的分析結(jié)果和在混煤中的比例加權(quán)計(jì)算出不同比例混煤的元素分析和工業(yè)分析，如表2所示。

表1　煤樣的元素分析和工業(yè)分析

表2　混煤的元素分析和工業(yè)分析

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

熱重分析法(TG或TGA)是指在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種技術(shù)，是使用最多最廣泛的一種熱分析技術(shù)之一[10]。熱重分析法所使用的儀器是熱重分析儀，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)在加熱過程中釋放出氣體時(shí)，被測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量就會(huì)發(fā)生變化。本實(shí)驗(yàn)以煤為樣品，煤燃燒過程中會(huì)釋放出大量揮發(fā)性氣體，通過分析熱重曲線，就可以知道燃燒的特征溫度，分析著火特性及燃盡特性，而根據(jù)失重量也可以得到煤樣的熱變化，進(jìn)而分析熱物性。

將煤樣在空氣中干燥后研磨至100目，再于110℃恒溫條件下干燥20 h。取10±0.2 mg樣品置于Al2O3坩堝中，以20℃/min的升溫速率從室溫升至800℃，氣氛為空氣，流量60 mL/min。準(zhǔn)備好研磨干燥篩分處理后的煤樣，將包煤和準(zhǔn)煤分別以1∶9，3∶7，5∶5和7∶3的比例與褐煤均勻混合，取10±0.2 mg混煤樣品置于三氧化二鋁坩堝中，實(shí)驗(yàn)條件與單煤相同。

1.3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過分析熱重曲線，可以得到燃燒過程中的各特征參數(shù)，如圖1所示，確定方式如下：

著火溫度Ti：著火點(diǎn)指煤樣開始燃燒的點(diǎn)，該點(diǎn)的溫度是衡量煤粉著火特性的重要特征點(diǎn)，能夠直觀反應(yīng)出煤樣燃燒的難易程度。本文采用TG-DTG切線法確定著火點(diǎn)，在DTG曲線上，過峰值點(diǎn)作一垂線與TG曲線交于一點(diǎn)，過交點(diǎn)作TG曲線的切線，該切線與失重開始平行線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定義為著火溫度Ti[11]。

揮發(fā)分最大析出速率DTGmax及其對(duì)應(yīng)溫度Tm：DTGmax和Tm為樣品的揮發(fā)分最大析出燃燒速率及其對(duì)應(yīng)溫度。Tm越低，說明揮發(fā)分析出越早；DTGmax越大，說明揮發(fā)分析出燃燒過程越劇烈。

燃盡溫度Tb：燃盡特性是評(píng)價(jià)燃料燃燒性能的一個(gè)重要指標(biāo)，燃盡特性好，燃燒速率快，易燃盡。本文仍采用TG-DTG法：在DTG 曲線上過峰值作垂線與TG曲線交于一點(diǎn)，過這一點(diǎn)作TG曲線的切線，該切線與失重基本結(jié)束平行線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定義為燃盡溫度，以Tb表示。著火指數(shù)：為評(píng)價(jià)著火特性，定義了著火指數(shù)Di，由著火溫度Ti、燃盡溫度Tb，最大失重速率DTGmax確定，著火指數(shù)越大表明煤樣燃燒的著火性能越好[12]。

燃盡指數(shù)：為評(píng)價(jià)燃盡特性，定義了燃盡指數(shù)Df，由半峰溫度范圍ΔTd與ΔTr確定，分別表示揮發(fā)分和固定碳燃燒的溫度范圍，燃盡指數(shù)越低表明固定碳的燃燒范圍越集中，煤樣的燃盡性能越好。

綜合燃燒指數(shù)：對(duì)于煤質(zhì)特性差異較大的煤摻燒，不僅要考慮單煤的性質(zhì)，還應(yīng)注意兩煤種之間的相互影響，許多文獻(xiàn)中提出一種判別指標(biāo)，S表示為:

式中：(dW/dt)max為最大燃燒速度；(dW/dt)mean為平均燃燒速度，Ti為著火溫度，Tb為燃盡溫度。S是反映煤的著火和燃盡的綜合性指標(biāo)。S值越大，煤的燃燒特性越佳。

圖1　確定燃燒特征參數(shù)的示意圖

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　單煤燃燒特性

各單一煤樣在升溫速率(β)為20℃/min下的熱重曲線如圖2所示。TG曲線和DTG曲線分別表明煤樣失重百分比(Weight)和失重變化率(Deriv. Weight)隨溫度的變化。由上述各特征參數(shù)的定義計(jì)算出的值如表3所示?？梢钥闯?，300℃之前各煤樣失重變化不大，為脫水階段，褐煤和包煤較早開始燃燒，著火點(diǎn)分別為342.0℃和353.3℃，揮發(fā)分最大析出速率較大且發(fā)生在較低溫度(390.0℃和409.9℃)，這是因?yàn)楹置汉桶旱膿]發(fā)分較高，容易著火。另外，褐煤和包煤分別在550.0℃和450.0℃附近出現(xiàn)次峰，這是包煤和褐煤釋放出的揮發(fā)分的二次反應(yīng)造成的。褐煤因揮發(fā)分極高而容易燃盡，燃盡溫度為579.4℃。包煤在624.0℃出現(xiàn)一個(gè)小峰則可能是焦炭發(fā)生了反應(yīng)，表示包煤中難燃的部分。劉文珍[13]把將要燃盡部分出現(xiàn)的峰稱為難燃峰，第一個(gè)峰稱為易燃峰，所以包煤的燃盡溫度及燃盡指數(shù)時(shí)要以后面的難燃峰來計(jì)算，如表3所示。準(zhǔn)煤的著火點(diǎn)為441.5℃,峰值溫度為521.0℃，較難燃燒，通過Ti和Tb計(jì)算出的著火指數(shù)Di也可以看出褐煤的著火特性最好，準(zhǔn)煤最差。根據(jù)DTG曲線上升和下降段的半峰溫度計(jì)算出燃盡指數(shù)Df，和著火指數(shù)相反，Df越大越難燃盡，可以發(fā)現(xiàn)包煤因出現(xiàn)難燃峰而燃盡特性最差，燃盡溫度Tb已達(dá)到680.5℃。準(zhǔn)煤的燃盡溫度為622.4℃，燃盡特性較差，褐煤的燃盡特性最好，燃盡指數(shù)Df僅為0.11。

表3　三種原煤的燃燒特征參數(shù)

2.2　混煤著火與燃盡特性

圖3為包煤和準(zhǔn)煤與褐煤的混燃TG曲線。由圖可知，混煤的失重百分比隨褐煤摻混比例增加而逐漸增大。混煤的燃燒特征溫度如表4所示。隨褐煤摻燒比例的增大，包煤與褐煤組成的混煤的著火溫度變化不大，但最大燃燒速率逐漸增大，著火指數(shù)增加的并不明顯。圖3c中，包煤混煤隨褐煤摻燒比例的增加，次峰越來越明顯，當(dāng)褐煤摻燒比例為50%時(shí)DTG曲線已出現(xiàn)三個(gè)峰，且峰值溫度不斷前移，而褐煤比例為70%時(shí)次峰消失，峰值溫度略有增加。從圖3d可以看出，準(zhǔn)煤混煤的峰值溫度明顯前移，峰的范圍越來越寬。表4顯示，準(zhǔn)煤摻混褐煤后著火指數(shù)隨褐煤比例的增加而逐漸增大，著火特性得到較大改善。

圖3　混煤的TG和DTG曲線

表4　混煤的燃燒特征參數(shù)

燃盡特性對(duì)燃燒效率和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性有著十分重要的影響，煤樣不同，煤質(zhì)特性就存在差異，相應(yīng)的燃盡特性也不一樣。從表4也可以看出，隨摻燒比例的增大，包煤和準(zhǔn)煤與褐煤混煤的燃盡溫度Tb均逐漸減小，但從圖3c可以看出，包煤混煤在褐煤比例小于50%時(shí)仍在550～660℃的范圍內(nèi)存在難燃峰，致使燃盡指數(shù)很大，當(dāng)褐煤比例為70%時(shí)燃盡指數(shù)迅速減小到0.2。準(zhǔn)煤摻混褐煤后更易燃盡，當(dāng)摻燒比例為10%時(shí)，燃盡指數(shù)仍很大，當(dāng)摻混比例達(dá)30%以上時(shí)，燃盡指數(shù)在0.2左右，減小幅度并不大。

2.3　混煤綜合燃燒特性

實(shí)驗(yàn)部分定義了綜合燃燒指數(shù)，最大燃燒速率(dw/dt)max越大，著火溫度Ti越小，著火特性越好，燃盡溫度Tb越小，燃盡程度越好，煤粉燃燒越劇烈, 綜合燃燒指數(shù)S值越大，燃燒特性越好。圖4為綜合燃燒指數(shù)隨褐煤在混煤中比例的變化，可以看出，隨褐煤摻燒比例的增加，混煤的綜合燃燒指數(shù)增大，褐煤比例超過50%時(shí)增加速度變快，其中準(zhǔn)煤與褐煤混煤的S值高于包煤與褐煤混煤。

圖4　混煤的綜合燃燒指數(shù)

3結(jié)論

(1)在實(shí)驗(yàn)選用的煤種中，褐煤最易著火和燃盡，包煤著火特性較好，但在550-660℃范圍內(nèi)出現(xiàn)難燃峰致使燃盡特性較差，準(zhǔn)煤的著火特性最差，燃盡特性略優(yōu)于包煤。

(2)將準(zhǔn)煤與褐煤摻混后燃燒特性得到較大改善，各燃燒特征溫度明顯降低，且綜合燃燒指數(shù)逐漸增加。包煤的混煤中隨著褐煤比例的增加，燃燒曲線的變化較大，盡管綜合燃燒指數(shù)逐漸增加，但應(yīng)分別考慮著火和燃盡特性。

(3)褐煤的水分較大，考慮到實(shí)際的工程應(yīng)用，建議電廠分別以30%和50%的比例將褐煤與煙煤摻混進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，觀測(cè)燃燒過程中出現(xiàn)的實(shí)際問題。

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Combustion Characteristics of Bituminous Coal Blended with Lignite Using Thermo-gravimetric Method

Yang Zhibin1， Ma Ying2， Dai Xin1， Zhao Jianjun1， Guan Yanjun2， Zhang Kai2(1. Neimenggu Jinglong Power Co.Ltd., Fengzhen 012100, China; 2. Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)