燃煤電廠(chǎng)褐煤的氧化特性

第39卷第1期煤炭轉化Vol,39 No. 12016年1月COAL CONVERSIONJan. 2016燃煤電廠(chǎng)褐煤的氧化特性張磊曾彬]秦嶺2)陸超”汪后港3)李小江”摘要針對燃煤電廠(chǎng)煤場(chǎng)燃料損耗,在電廠(chǎng)煤場(chǎng)和實(shí)驗室開(kāi)展了褐煤存儲氧化特性的實(shí)驗研究.煤場(chǎng)實(shí)驗結果表明,隨著(zhù)現場(chǎng)煤堆堆放時(shí)間增加,煤的熱值和水分含量減小,灰分含量增大;煤的大顆粒減小,小顆粒增加,平均粒度減小;實(shí)驗室實(shí)驗結果表明，隨著(zhù)褐煤存放時(shí)間增加,TG曲線(xiàn)變化趨勢與現場(chǎng)實(shí)驗結果相一致,DTG曲線(xiàn)向低溫段偏移,失重峰值增大,動(dòng)力學(xué)參數表觀(guān)活化能E減小，頻率因子A增大.關(guān)鍵詞燃煤電廠(chǎng) ,褐煤,煤質(zhì),氧化特性,熱重分析中圖分類(lèi)號TQ531. 6.云南某電廠(chǎng)常用褐煤在正常堆放下煤堆粒度、水分、0引言灰分和熱值的變化進(jìn)行測定,另在實(shí)驗室中將少量褐煤在相同條件下存放,并用熱重分析法研究其氧為防止缺煤停機的危險,發(fā)電企業(yè)通常在煤場(chǎng)化燃燒特性,為電廠(chǎng)獲取真實(shí)的煤炭?jì)Υ孢^(guò)程中的存儲一定量的煤炭,但是煤炭在存儲過(guò)程中易造成煤質(zhì)變化情況及存儲過(guò)程中氧化燃燒特性變化情況損失,使得發(fā)電成本升高.特別是褐煤具有煤化程度提供參考,以期為電站合理存儲褐煤、降低存儲損失低、熱穩定性差、易風(fēng)化等特點(diǎn)，在儲存過(guò)程中更易及改善鍋爐燃燒效率提供指導.因氧化而發(fā)熱、自燃,對發(fā)電企業(yè)造成經(jīng)濟損失,導致煤場(chǎng)存在安全隱患.蘇攀等[1對褐煤存儲自燃及1實(shí)驗部分升溫特性進(jìn)行了實(shí)驗研究，李春艷等[2]對煤存儲過(guò)程中升溫特性及煤質(zhì)變化做了大量實(shí)驗，王繼仁1.1 實(shí)驗煤樣等0對煤自燃氧化過(guò)程中水分生成機理進(jìn)行了研究,還有學(xué)者對褐煤燃燒特性進(jìn)行了大量研究[4+7],實(shí)驗煤樣為該廠(chǎng)設計常用煤種,實(shí)驗時(shí)間為一但是對褐煤存儲過(guò)程中緩慢氧化特性與燃燒特性之個(gè)月(31 d) ,實(shí)驗煤樣的工業(yè)分析.元素分析及發(fā)熱間的相互關(guān)系研究較少.本實(shí)驗對褐煤在煤場(chǎng)堆放量等煤質(zhì)數據見(jiàn)表1.由表1可以看出,實(shí)驗煤樣在.及實(shí)驗室存放過(guò)程中的氧化特性開(kāi)展研究,通過(guò)對存放過(guò)程中煤質(zhì)發(fā)生了變化,對比實(shí)驗始末,煤樣的表1實(shí)驗煤堆煤質(zhì)數據Table 1 Coal quality analysis dataProximate analysis(ad) w/%Ultimate analysis(ad) w/%StateQr.a/(J.g-1)MAVFCCHNS0Beginning13.9310. 9731.61 43. 491.0151. 985.06 1. 2414. 8122 546Completion13. 2312. 5036.470.9749. 983.121.213. 2220 718空氣干燥基水分、空氣干燥基固定碳含量減小,空氣1.2實(shí)驗煤堆干燥基揮發(fā)分和空氣干燥基灰分增加.元素分析結果顯示,隨著(zhù)堆放時(shí)間增加,碳、氫元素比例減少,而對實(shí)驗場(chǎng)地進(jìn)行清理平整,確保實(shí)驗場(chǎng)地沒(méi)有煤的發(fā)熱量主要來(lái)源就是煤的碳、氫元素,故發(fā)熱量陳舊煤.為排除天氣下雨等原因對實(shí)驗的影響,將煤隨著(zhù)堆放時(shí)間增加而減小.煤質(zhì)發(fā)生變化表明煤樣堆置于干煤棚內,煤樣粒度大于100 mm,質(zhì)量分數在存放過(guò)程中發(fā)生了緩慢氧化.不大于5%.實(shí)驗煤的堆放形狀見(jiàn)第18頁(yè)圖1.煤堆中國煤化工。國際科技合作專(zhuān)項項目I (2013DFG61490).MYHCNMHG1)碩士、助理工程師;2)高級工程師;3)工程師;4)博士.教授級高級工程師,華電電;收稿日期:2015-05- 04;修回日期:2015-09-07.18煤炭轉化2016年四面梯形,組成底部約為20 mX20 m,按自然堆積置.初次采樣完成后,對采樣點(diǎn)進(jìn)行標記，下一次的角(約60°)堆放,高度為6 m,頂部平整.實(shí)驗用煤量采樣點(diǎn)位置應位于上一次采樣點(diǎn)的附近,但兩次采大約為1 000 t.樣點(diǎn)不能重復,采樣坑及時(shí)覆蓋.實(shí)驗煤堆在實(shí)驗過(guò)程中每3 d采樣1次,每次采樣時(shí),分別采集外層(深度0.2 m~1.0 m)煤樣和內層(深度2.0 m~4.0 m)煤樣,將采集相同深度的子樣合并成一個(gè)總樣.采集完的樣品立即密封保存,按要求進(jìn)行樣品的6m編碼.采集完的煤樣當天完成制樣工作.依據，GB474-2008進(jìn)行制樣,首先應進(jìn)行全水分煤樣的_20m制取,后制取一般分析煤樣.圖1實(shí)驗用煤組堆示意圖2結果與討論Fig. l Schematie diagram of experimental coal pile2.1粒度分析1.3煤樣采集與 制備現場(chǎng)實(shí)驗煤堆在實(shí)驗始末的粒度分布情況見(jiàn)表2.按GB475-2008的采樣要求進(jìn)行采樣點(diǎn)的布由表2可以看出,實(shí)驗褐煤的較大顆粒煤樣與堆放表2實(shí)驗煤堆粒度分析Table 2 Coal particle size analysis of experimental coal pileDitribution of particle size/%State>25mm13 mm~25 mm6 mm~13 mm 3 mm~6 mm<3mmAverage particle size/ mmBeginning29.1414. 8816. 8613. 2825. 8421. 20Completion23. 3213. 5717. 0814. 07.31. 9617.61時(shí)間呈負相關(guān)性，而較小顆粒煤樣與堆放時(shí)間呈正外層和內層的全水分發(fā)生了較大幅度減小.煤堆外相關(guān)性,且大顆粒的煤塊(粒度> 25 mm)含量降低層全水分含量均比內層全水分含量小,表明外層與最為明顯,實(shí)驗褐煤的平均粒度呈減小趨勢.因為煤空氣接觸,受外界環(huán)境影響較大,水分含量減少量較堆在堆放過(guò)程中受到空氣及外界環(huán)境的影響而產(chǎn)生風(fēng)內層水分含量減少量大.但是外層水分下降趨勢較化作用,煤堆內部緩慢氧化產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)排除,內層水分下降趨勢小,斜率較內層斜率稍小,主要是煤溫升高加劇了煤樣氧化過(guò)程,造成煤堆粒度減小.因為隨著(zhù)堆放時(shí)間增加,煤堆內層先發(fā)生氧化,而氧化產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)排出,導致內部溫度升高,加2.2煤質(zhì)變化劇水分蒸發(fā),造成煤堆內層水分損失速率增大.實(shí)驗期間天氣多為晴天,大氣溫度2.6 C~根據圖2中煤堆外層與內層全水分w(M,)隨25.6 C,平均14.2 C;相對濕度30. 7%~88.8%，時(shí)間的變化趨勢擬合的函數關(guān)系式,通過(guò)體積、質(zhì)量平均相對濕度65. 7%.加權平均可求得實(shí)驗煤堆水分隨堆放時(shí)間的無(wú)量綱2.2.1煤堆全水分變化實(shí)驗煤堆全水分M隨堆放時(shí)間的變化趨勢見(jiàn)變化關(guān)系式:w(M,)=-0. 067t+ 38. 6(1)圖2.由圖2可以看出,隨著(zhù)堆放時(shí)間的增加,煤堆2.2.2煤堆灰分變 化0實(shí)驗煤堆干基灰分A。隨堆放時(shí)間的變化趨勢y=-0.073 5*+38.59直888-_0°。見(jiàn)第19頁(yè)圖3.由圖3可以看出，隨著(zhù)存儲時(shí)間的增加,煤堆外層和內層的灰分均呈線(xiàn)性增加,內層灰yr=- 0.064 6x+38.59分較外層灰分含量高,內層灰分增加趨勢較外層灰分增加趨勢明顯.這主要是因為內層氧化放出的熱2565101520253035量難以及時(shí)排出,導致煤堆內部溫度逐漸升高,溫度Time/d升高又加速了煤的氧化自燃過(guò)程,而煤堆外部與外圖2煤堆水分變化界熱交換中國煤化工量較外層高,增Fig. 2 Moisture change of coal pile加趨勢較MYHCNMH G .0- - Outer layer;O- Inner layer根據圖3中煤堆外層與內層灰分隨時(shí)間的變化.第1期張磊等燃煤電廠(chǎng)褐煤的氧化特性19趨勢擬合的函數關(guān)系式,通過(guò)體積、質(zhì)量加權平均2.3氧化特性可求得實(shí)驗煤堆灰分隨堆放時(shí)間的無(wú)量綱變化關(guān)系式:2.3.1熱重分析w(AJ)=0.061+11.4(2)熱重分析煤樣是現場(chǎng)煤堆堆放時(shí)按照國家標準14。2要求采取的煤樣,制備煤樣時(shí)用二分器將煤樣分成.1300769+14。06口兩份,第一份煤樣在現場(chǎng)試驗開(kāi)始時(shí)測試,另- -份煤樣模擬現場(chǎng)情況保存,待現場(chǎng)試驗結束時(shí)測試,采用PYRIS型TGA熱分析儀對煤樣在實(shí)驗始末的燃燒。8口口--0.0539+11.411特性進(jìn)行了分析.儀器升溫范圍:最高溫度1550C.升降溫速率最高50 C/min. TG解析度0.2限實(shí)驗1°5101520253035由30 C開(kāi)始,以20 C/min升溫速率升至900 C,其后降至室溫.樣品質(zhì)量約為5 mg,反應氣氛為空氣，圖3煤堆灰分變化流量20mL/min,實(shí)驗煤樣經(jīng)過(guò)干燥、破碎、烘干、Fig.3 Ash content change of coal pile粉碎.篩分等步驟制成樣本.O- Outer layer;O- Inner layer實(shí)驗始末煤樣的燃燒TG和DTG曲線(xiàn)見(jiàn)圖5.2.2.3煤堆熱值變 化采用干基高位熱值Qe.d代表實(shí)驗過(guò)程中煤質(zhì)由圖5可以看出,與實(shí)驗開(kāi)始時(shí)煤樣TG曲線(xiàn)相比，熱值變化情況,因為只有干基高位熱值才能體現煤在水分析出階段,實(shí)驗結束時(shí)煤樣TG曲線(xiàn)較平緩，質(zhì)的凈變化，按照采制化方案,實(shí)驗始末煤堆外層與失重量較小,在揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段稍有提內層的干基高位熱值變化情況見(jiàn)圖4.由圖4可以前，在燃盡階段,失重量有所減小，表明煤樣在存放過(guò)程中水分含量減少,煤質(zhì)發(fā)生了變化,灰分含量增加.22.s0 o2.2°088°08g。21.9-=19.883+22 546。s 21.6402120-0.421.05 5101520253035Time/d200 400 600 800 1000Temperature/ C圖4煤堆熱值變化圖5實(shí)驗煤樣的 TG和DTG曲線(xiàn)Fig. 4 Calorific value change of coal pile口-Outer layer;O- Inner layerFig.5 TG and DTG curves of the coalO - Beginning of experiment;O- End of experiment看出,隨著(zhù)堆放時(shí)間的增加,干基高位熱值呈減小趨由圖5還可以看出,與實(shí)驗開(kāi)始時(shí)煤樣的DTG勢，且內層干基熱值減小趨勢較外層干基熱值減少曲線(xiàn)相比,在水分析出階段,實(shí)驗結束時(shí)煤樣的趨勢大,主要是因為煤堆外層與空氣接觸,與周?chē)h(huán)DTG曲線(xiàn)稍有增大，揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段境熱交換較容易,緩慢氧化放出的熱量及時(shí)排到了向低溫端偏移,燃燒速率有所增大,但DTG峰肩變周?chē)h(huán)境中,沒(méi)有蓄熱條件,也就不易自燃,而內層.窄,燃盡時(shí)間縮短.表明煤樣在存放過(guò)程中煤的分子煤樣由于不能及時(shí)與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交換,內層由結構發(fā)生了官能團破裂°等變化,造成煤樣化學(xué)反于氧化導致溫度升高,進(jìn)一步促進(jìn)了煤樣氧化自燃應速率增大,對氧的物理及化學(xué)吸附作用增強，過(guò)程,導致灰分含量增加較外層灰分含量增加明顯，DTG曲線(xiàn)向低溫段偏移,燃盡時(shí)間縮短.熱值下降顯著(zhù).采用綜合燃燒特性指數S[8]對煤樣的燃燒情況根據圖4中煤堆外層與內層發(fā)熱量隨時(shí)間的變進(jìn)行全面評價(jià).化趨勢擬合的函數關(guān)系式,通過(guò)體積、質(zhì)量加權平均(dw/ dt) max (dw/ dt)men可求得實(shí)驗煤堆干基高位熱值隨堆放時(shí)間的無(wú)量綱變化關(guān)系式:式中:著(zhù)火溫中國煤化工;門(mén)確定:燃盡溫度T,定MH。CNMHG時(shí)對應的溫Qgr.d= -17.2t十22 546(3)山心八生.20煤炭轉化2016年度;(dw/dt)mx為最大燃燒速率; (dw/dt)man為平均. 表4實(shí)驗室煤樣的動(dòng)力學(xué)參數燃燒速率,其值越大,燃盡越快.; Table 4Dynamic parameters of experimental coal piles實(shí)驗煤樣在實(shí)驗開(kāi)始和結束時(shí)的燃燒特性參數tateT/K， E/(kJ. mol-')A/s~1見(jiàn)表3.由表3可以看出，隨著(zhù)煤樣存放時(shí)間的增.Beginning 656-9162. 25X10* 0. 991Completion 732 869]87. 5472.17X10 0.993加,煤樣的著(zhù)火溫度和燃盡溫度降低最大燃燒速率反應所需能量減小，反應阻力減小，而此時(shí)頻率因子增大且對應溫度降低,綜合燃燒特性指數增大,表明也減小,表明表觀(guān)活化能與頻率因子之間具有良好煤樣燃燒條件改善,煤樣在存放過(guò)程中發(fā)生氧化,水的動(dòng)力學(xué)補償作用.原因在于表觀(guān)活化能變大時(shí),煤分減小,煤分子結構改變,官能團鏈接斷裂，降低了樣要發(fā)生燃燒反應需要吸收更多的熱量,但此時(shí)頻反應阻力,增大了煤樣反應速率.率因子也較大,具有促進(jìn)煤樣燃燒的條件.表3實(shí)驗窒煤樣 的燃燒特性參數Table 3 Parameters of combustion characteristic of3結論experimental coal pile1)隨著(zhù)堆放時(shí)間增加，煤樣水分、固定碳含量StatT:/ Tad/ T%/ (de/d)mx/ (au/)*mm S/(0-10.mge .減少,揮發(fā)分、灰分含量增加，干基高位發(fā)熱量減小，: K K (%.s51) (%.s51) K-3.s~2)煤堆的平均粒度逐漸減小，且大粒度減小趨勢最顯著(zhù).Beginning 656 732 9160. 3790.2218. 881Completion 539 726 860.4320.22812. 2832)煤堆煤質(zhì)在堆放過(guò)程中外層與內層變化不2.3.2 動(dòng)力學(xué)參數的計算同.內層水分損失速率大于外層水分損失速率,內層利用非等溫反應動(dòng)力學(xué)方法[0]求得實(shí)驗開(kāi)始和灰分增加速率大于外層灰分增加速率,內層發(fā)熱量結束時(shí)煤樣的表觀(guān)活化能及頻率因子,結果見(jiàn)表4.降低速率大于外層發(fā)熱量降低速率.溫度段選取著(zhù)火溫度到燃盡溫度,由表4可以看出，3)實(shí)驗室煤樣存放始末對比,燃燒條件得到改相關(guān)系數R均大于0.991,擬合效果良好.善,表觀(guān)活化能減小，頻率因子減小，表觀(guān)活化能與隨著(zhù)存放時(shí)間增加，表觀(guān)活化能減小,表明煤樣頻率因子之間具有良好的動(dòng)力學(xué)補償作用.參考文獻攀,王,張琨,等.燃煤電廠(chǎng)印尼褐煤氧化自燃過(guò)程實(shí)驗研究[J].煤炭轉化,2014,37(4) :58-63.李春艷:劉志秋,感春林，霍林河福雄街儲龍汞生九旌脂新理重研生口共集生0220:010195 56.王物仁，環(huán)科，年主，.的的研本路生樓校2001,7(1):72-76.[01 聶其紅孫組增。褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究中在的您司技本∞:工20270249-2499.299[5] 李永華陳鴻偉,劉吉臻,等褐媒及煙煤混煤綜合燃燒特性的試驗研究[].動(dòng)力工程，200行鄒學(xué)權，王新紅，吳建軍，等用熱重差熱-紅外光請技術(shù)研究煤粉的燃燒特性[口，媒炭轉化，20[8]文虎,徐精彩，薛韓玲，等. 煤自燃氧化放熱效應的影響因素分析[J].煤炭轉化,2001 ,24(4) :59-63.9] 胡榮祖,史啟禎.熱分析動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,001.99-100.OXIDATION CHARACTERISTICS OF LIGNITEIN COAL-FIRED POWER PLANTZHANG Lei ZENG Bin QIN Ling LU Chao WANG Hougang and LI Xiaojiang(Huadian Electric Power Research Institute ，310030 Hangzhou)ABSTRACT To understand the fuel consumption in the coal storage yards of coal-fired pow-er plant better, experimental studies on the oxidation characteristics of lignite storage were car-ried out both in coal and laboratory. The field experimental results showed that the coal qualitychanged a lot with the storage time increased, which turns out to be less calorific value and mois-ture, more ash, and smaller average particle size for the decreasing of large particle and increasingof small particle. The experimental results also showed that with the increasing of laboratory lig-nite storage time, the trend of TG curve was consistent with the field testing results, while theDTG curve shifted to low temperature which results to a higher weight loss peak, the correspond-ing kinetic parameters, activation energy E decreased while frequencv factor A increased. The la-boratory experiment results were consistent with the field tes中國煤化工KEYWORDS coal-fired power plants， lignite, coal{Y片CNM H Gterstics,thermo-gravimetric analysis.