煤著(zhù)火特性的熱重分析研究

第21卷第2期電站系統工程VoL 21 No2005年3月Power System EngineeringMar,2005文章編號:1005006X(2005020008-03煤著(zhù)火特性的熱重分析研究?jì)跞A大學(xué)胡文斌楊海瑞呂俊復岳光溪張建勝墑要:利用程序升溫的熱重分析法對7種不同煤樣進(jìn)行著(zhù)火特性硏究,表明由 TG-DTG曲線(xiàn)可方便快捷地得到煤種的著(zhù)火溫度,并定性地判斷各煤種燃燒的難易程度。分析了著(zhù)火溫度和揮發(fā)分活化能等的關(guān)系,并自定義了參數R,發(fā)現R能很好地表征煤種的著(zhù)火特性。將實(shí)驗結果和在小型流化床上研究得到的著(zhù)火特性參數比較,發(fā)現結果趨勢一致,但數值偏小。理論上存在一個(gè)加熱速率值,使由TGA測得的著(zhù)火溫度和由小型流化床上得到的著(zhù)火溫度一致,因此TGA實(shí)驗結果可用于指導大型電站鍋爐及燃燒裝置的設計和運行。關(guān)鍵詞:著(zhù)火特性;熱重分析;流化床中圖分類(lèi)號:TQ533文獻標識碼:AStudy on Ignition Properties of Coals by Using ThermogravimetryU Wen-bin, YANG Hai-rui, LU Jun-fu, et aL.Abstract: The ignition properties of seven kinds of coals are investigated by using thermogravimetry. From the TG-DTGcombustion of coals. The relations between the ignition properties and the volatile fraction, the ignition properties andactive energy, the ignition properties and definedeter are analyzed Compared with the results in the labscale fluidized bed, the tendencies of the experimental results are uniform and even identical when the heating rate inTGA increases to an appropriate value. Therefore, experimental results in TGA can be considered as the reference indesigning and operating of station boilers and other combustion devicesKey words: coal ignition; thermogravimetry; fluidized bed煤的著(zhù)火特性是煤的重要性質(zhì),了解和掌握煤的著(zhù)火特表1不同煤種的元素分析性對于正確掌握啟動(dòng)點(diǎn)火過(guò)程和正確運行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制具成分%C, Har Oar Nr Sar M, Aar Vdr @.a/M,kg有極其重要的作用,而且對于燃燒設備的啟動(dòng)燃燒器的容量煤種160.771.842.140.682.44824.139.1022.190煤種255653.755.830992.008.9922.7740.7222.180設計有很大的指導意義。如果不了解煤的著(zhù)火特性而投煤過(guò)煤種352.301.040.830.711.1212003203.2019070早,會(huì )引起燃料爆燃;而投煤過(guò)晩,則會(huì )增加點(diǎn)火時(shí)間和啟煤種455.382.046.421.120.508.026.5417.4821.375煤種524.002.4011.530.710.1419.75409558609236動(dòng)的燃油(氣)量,造成效率的降低和啟動(dòng)燃料的浪費煤種650.932.533.740.6314370033.74391019090目前研究煤的著(zhù)火特性的主要方法有煤種748.582.572.540962.476.8036.0814.7718650(1)通過(guò)測定助燃劑(O2或CO2等)的消耗或燃燒產(chǎn)1.2實(shí)驗方法及設備物CO和CO等的生成來(lái)反推煤的燃燒過(guò)程實(shí)驗中采用美國TA公司生產(chǎn)的TA2100型熱重分析儀(2)小型流化床等實(shí)驗臺上測定對上述7個(gè)煤種進(jìn)行著(zhù)火特性的試驗研究。研究過(guò)程中,對(3)用熱重技術(shù)檢測煤燃燒過(guò)程的失重曲線(xiàn)來(lái)研究分每一個(gè)煤種均采用相同的燃燒條件,即以10℃m的加熱析煤的燃燒特性。速率加熱到900℃,空氣流通速率為500mL/min。其中熱重分析法可以在煤燃燒的過(guò)程中連續測量得到2實(shí)驗結果及其分析討論溫度、重量、差熱等多種信息,具有測量準確、可重復性好、操作簡(jiǎn)單、數據處理方便及可在消除外擴散的影響下操作等2.1實(shí)驗結果及其分析優(yōu)點(diǎn),目前已成為研究煤燃燒動(dòng)態(tài)特性的有力工具,用于指圖1給出了4個(gè)煤種的失重曲線(xiàn),這4個(gè)煤種分別為褐導大型電站鍋爐及燃燒裝置的工程設計。熱分析是一項規煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤。從圖中可以看岀,褐煤開(kāi)始迅速范性很強的試驗,只有在相同實(shí)驗條件下測定不同煤種的熱失重的溫度最低,主要是褐煤含有大量的揮發(fā)分,揮發(fā)分在重曲線(xiàn),才能分析比較各種煤的燃燒特性。本文利用熱重較低溫度下便析出燃燒,而無(wú)煙煤含有的揮發(fā)分少,因此焦分析法對⑦種煤進(jìn)行了著(zhù)火特性的研究炭燃燒的溫度高,因此無(wú)煙煤在500℃以上才開(kāi)始迅速失重?？傊?從不同煤種的失重曲線(xiàn)上可以定性地判定煤種燃燒的難易程度,對于褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤來(lái)講,著(zhù)火1.1實(shí)驗樣品及其元素分析(見(jiàn)表1)的難易程度由易到難依次為褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤圖2給出了煤種1的失重曲線(xiàn)和相應的失重率曲線(xiàn)。煤收稿日期:2004-12-18文斌(1979-),男,碩土生。熱能工程系,100084燃燒試驗中著(zhù)火的確寶有得動(dòng)汁本文采用常用的*國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃項目(2002AA529050TG-DTG法,在中國煤化工TG曲線(xiàn)交于CNMHG第2期胡文斌等:煤著(zhù)火特性的熱重分析研究點(diǎn)A,過(guò)A點(diǎn)作TG曲線(xiàn)的切線(xiàn),該切線(xiàn)與失重開(kāi)始平行設煤種揮發(fā)分含量為r,著(zhù)火時(shí)對應的失重率為η,定線(xiàn)的交點(diǎn)B所對應的溫度定義為著(zhù)火溫度。由圖2可知煤義常數R=(rrn)y1,R表征了著(zhù)火時(shí)煤粒的揮發(fā)分含量和比種1在TGA條件下著(zhù)火溫度為490℃,表2列出了全部7表面積等性質(zhì)。將各煤種的著(zhù)火點(diǎn)溫度對R作圖(圖4),除個(gè)煤種在TGA中測量得到的著(zhù)火溫度。去一個(gè)畸形點(diǎn)后,T和R成非常好的線(xiàn)性關(guān)系,而且著(zhù)火溫度隨著(zhù)R值的增加而減小,其關(guān)系式為:T=490.4-40.34×R比較圖3和圖4,發(fā)現T和參數R的線(xiàn)性關(guān)系比T和V的線(xiàn)性關(guān)系更好,因此參數R更能表征不同煤種的著(zhù)火特性00400600erature圖1各煤種TGA曲線(xiàn)圖4各煤種著(zhù)火點(diǎn)溫度和R的關(guān)系煤和空氣的燃燒是一個(gè)非常復雜的過(guò)程,隨著(zhù)溫度的升高,其表觀(guān)動(dòng)力學(xué)也分幾個(gè)不同的階段,本文用微分法研究了各煤種在其著(zhù)火點(diǎn)附近的動(dòng)力學(xué),求得的活化能E和著(zhù)火溫度的關(guān)系如圖5所示。由圖可知著(zhù)火溫度和活化能大致呈線(xiàn)性關(guān)系,而且隨著(zhù)活化能的增加,著(zhù)火溫度升高。這是因為活化能越大,反應進(jìn)行所必須的最低能量越大,因而著(zhù)火溫度越高。400Temperature, C圖2煤種1著(zhù)火溫度的確定表2TGA條件下不同煤種的著(zhù)火溫度(℃)著(zhù)火溫度T490400520將不同煤種著(zhù)火點(diǎn)溫度對揮發(fā)分含量作圖(圖3),可知它們基本成線(xiàn)性關(guān)系,而且隨著(zhù)揮發(fā)分含量的增加著(zhù)火點(diǎn)溫度降低。這主要是因為揮發(fā)分越多,揮發(fā)分的燃燒就越能引燃煤顆粒;另外,揮發(fā)分析岀改變了焦炭的相結構,使剩余圖5各煤種著(zhù)火點(diǎn)溫度和活化能E的關(guān)系焦炭呈多孔狀,揮發(fā)分越多,剩下焦炭比表面積越大,和空2.2不同方法測得的著(zhù)火溫度的比較氣接觸面積越大,也就越容易點(diǎn)燃。除了用熱重分析法來(lái)研究煤的燃燒特性外,本文還在電加熱的小型流化床燃燒系統上采用熱煙氣爐下點(diǎn)火的方式來(lái)研究煤粒在流化床內燃燒特性,測定了各煤種的著(zhù)火特性,小型流化床燃燒系統及實(shí)驗方法見(jiàn)文獻[。圖6給出了TGA熱分析儀、小型流化床實(shí)驗臺測得的不同煤種的著(zhù)火溫度和電廠(chǎng)鍋爐實(shí)際投煤溫度的比較圖。發(fā)現TGA和實(shí)驗臺測得的著(zhù)火溫度都和揮發(fā)分的含量基本成線(xiàn)性關(guān)系,而且斜率基本一致對于那些揮發(fā)分較高,容易燃燒的煤種,流化床實(shí)驗臺測量的著(zhù)火溫度基本與實(shí)際投煤溫度一致;對于低揮發(fā)分,高含碳量,高灰分的無(wú)煙煤,由于這些煤種著(zhù)火溫度高,不易燃燒,因此電廠(chǎng)田相時(shí)守叫·實(shí)際投煤溫度高圖3各煤種著(zhù)火點(diǎn)溫度和揮發(fā)分含量關(guān)系達750℃甚至82中國煤化工(下轉第12頁(yè))CNMHG電站系統工程205年第21卷試驗和數值模擬的結果表明,在較高的轉速下,分離效率可以達到80%以上,能夠滿(mǎn)足再燃所需的煤粉量;同時(shí)適參考文獻當的風(fēng)粉比例能夠滿(mǎn)足再燃區過(guò)量空氣系數的要求,從而解吳少華,劉輝,姜秀民,等.采用超細煤某粉再燃技術(shù)降低氮氧化物決了再燃系統的煤粉來(lái)源問(wèn)題排放[中國電力,2003(2:1-4[2]歐大武,方磊、池作和,等.利用三次風(fēng)再燃降低NO3排放研究[5結論電站系統工程,2003(1[3]張國宏,楊素萍,牛雅莉.制粉系統三次風(fēng)對鍋爐內工況影響的分采用離心式旋轉煤粉濃縮器可以有效地對三次風(fēng)進(jìn)行析[.電力學(xué)報,2002(2:142~14濃縮,解決了再燃燃料的來(lái)源問(wèn)題,同時(shí)弱化了三次風(fēng)對機田4小川明.氣體中顆粒的分離M.化學(xué)工業(yè)出版社,191組運行的不良影響。實(shí)際應用中可以將陶瓷、特種鋼材等材沈陽(yáng)鼓風(fēng)機研究所離心式通風(fēng)機M機械工業(yè)出版社,1980料應用到風(fēng)機的葉片上,有效地避免吸附現象的發(fā)生;同時(shí)李之光相似與?；?理論及應用)M國防工業(yè)出版社192「7]吳雙應,李友容,盧嘯風(fēng),等.再燃燒技術(shù)原理及其影響因素分析可以采用外置的電機布置方式,規避試驗過(guò)程中內置電機對門(mén).冶金能源,2002(3:24~27離心力場(chǎng)的不良影響,從而有效地改善濃縮器內的空氣流編輯:巨川力,得到更高的分離效率。(上接第9頁(yè))燒的難易程度,對于褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤來(lái)講,著(zhù)火的難易程度由易到難依次為褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤。(3)分析了不同煤種的著(zhù)火點(diǎn)溫度和其揮發(fā)分含量、活△電廠(chǎng)投煤溫度化能的關(guān)系,發(fā)現著(zhù)火溫度隨揮發(fā)分含量的增大而減小,隨實(shí)驗臺著(zhù)火溫度著(zhù)火點(diǎn)附近活化能的增大而增大,并分別和二者基本成線(xiàn)性關(guān)系。(4)設煤種揮發(fā)分含量為r,著(zhù)火時(shí)對應的失重率為定義常數R=(rn1),則T和R成非常好的線(xiàn)性關(guān)系,其關(guān)系式為:T=490.4-40.34×R。而且R比揮發(fā)分含量更能表征煤種的著(zhù)火特性。(5)利用合適的小型流化床燃燒系統來(lái)研究各煤種的著(zhù)火特性,結果表明和實(shí)際投煤溫度基本一致,尤其是揮發(fā)分含量較高,容易燃燒的煤種,符合得很好。圖6不同方法測得的著(zhù)火點(diǎn)溫度比較(6)TGA熱分析方法測試得到煤種的著(zhù)火特性,和用而TGA中測得的著(zhù)火溫度與實(shí)驗室流化床條件下得到小型流化床研究得到的結果趨勢一致,但是結果都偏小。如的著(zhù)火溫度相比要小,這和其他很多學(xué)者的試驗結果是一致果提高加熱速率值,可以使得TGA測量的著(zhù)火溫度與流化的。有的學(xué)者認為這是因為在TGA試驗條件下?lián)]發(fā)分能夠實(shí)驗臺測量的著(zhù)火溫度一致也就和電廠(chǎng)實(shí)際投煤溫度充分燃燒而流化床條件下由于其獨特的氣固結構使揮發(fā)分致,因此TGA實(shí)驗結果能用于指導大型電站鍋爐及燃燒裝較難在密相區燃燒而導致的。這種觀(guān)點(diǎn)有一定道理,但是本置的設計和運行文認為這是由多種原因造成的,主要是由于TGA和流化床兩參考文獻種不同的實(shí)驗條件所致,在rGA程序升溫過(guò)程中外界溫度始毛玉如,方夢(mèng)祥OO2氣氛下煤焦熱重試驗研究J電站系統工程,2004,20(5:17~18終高于煤粒溫度,煤粒吸熱,而流化床內恰好相反;另外-2]朱群益,秦裕琨.不同熱天平煤粉燃燒特性試驗差異的原因分析個(gè)原因是流化床內升溫快,使得反應尚未來(lái)得及進(jìn)行便進(jìn)入.熱能動(dòng)力工程,2002,17(4)363~366更高的溫度,造成反應滯后。3]方立軍,劉彥豐煤焦燃燒模型的熱重實(shí)驗硏究門(mén)燃燒科學(xué)與技通過(guò)以上不同方法測得的著(zhù)火溫度的比較證明,理論上術(shù),2003,9(6:535~538存在一個(gè)加熱速率值,使得程序升溫的熱重分析法測得的著(zhù)4喻秋梅、龐亞軍煤燃燒試驗中著(zhù)火點(diǎn)確定方法的探討華北電火溫度與流化床實(shí)驗臺測量的著(zhù)火溫度一致。因此可以利用力技術(shù),2001(7):9~10.[5]張曉杰,聶其紅.李振中,等.混煤著(zhù)火過(guò)程試驗研究.電站系實(shí)驗室TGA測量煤種的著(zhù)火特性來(lái)模擬或預測電廠(chǎng)鍋爐內統工程,199,15(6):41~44煤的著(zhù)火特性,并將其應用于指導大型電站鍋爐及燃燒裝置6]廖洪強,李保慶,煤-焦爐氣共熱解半焦燃燒動(dòng)力學(xué)特性研究燃的設計和運行中,達到簡(jiǎn)潔方便而不失準確的目的燒模型的建立及其表觀(guān)活化能動(dòng)態(tài)描述[.燃料化學(xué)學(xué)報,19927(13):246~2503結論「η]薛雷,楊海瑞、岳光溪.流化床內煤著(zhù)火特性實(shí)驗研究卩煤炭轉化,2004,27(2):51~53(1)采用 TG-DTG法來(lái)研究煤粒的著(zhù)火特性,可以在81王智微,張朝陽(yáng)循環(huán)流化床煤著(zhù)火特性的試驗研究燃燒科學(xué)TG和DTG曲線(xiàn)上方便快捷地得到煤種的著(zhù)火溫度與技術(shù),2002(2)從不同煤種的失重曲線(xiàn)上可以定性地判定煤種燃中國煤化工輯:康德CNMHG