U-GAS氣化爐高碳飛灰燃燒特性

第22卷第1期燃燒科學(xué)與技術(shù)Vol.22 No.12016 年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb. 2016DOI 10.115/skxjs.R201412033U-GAS氣化爐高碳飛灰燃燒特性郭衛杰'，馬名杰',黃山秀'，熊耀'，張傳祥'，李風(fēng)海1,2(1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作454000; 2. 菏澤學(xué)院化學(xué)化工系，菏澤274000)商要: .采用熱天平研究了U-GAS氣化爐高碳飛灰燃燒特性，考察了灰分以及不同升溫速率對飛灰燃燒特性的影響，探討了飛灰造粒后應用于流化床鍋爐燃燒的可行性.結果表明:與人爐煤粉相比，飛灰著(zhù)火溫度高、燃盡時(shí)間長(cháng)、反應性較差;飛灰中灰分對飛灰燃燒性能和反應性能產(chǎn)生不利影響;隨著(zhù)升溫速率增大，飛灰著(zhù)火溫度及燃盡溫度升高，燃盡時(shí)間縮短，反應性增強;造粒后飛灰顆粒著(zhù)火溫度、燃盡溫度均與煤粉接近，且它們的燃燒溫度區域基本重合，顆?？捎糜诹骰插仩t燃燒關(guān)鍵詞: U-GAS 氣化爐;高碳飛灰;燃燒特性中圖分類(lèi)號: TQ534文獻標志碼: A文章編號: 1006-8740(2016) 01-0091-05Combustion Property of High-Carbon Fly Ash Derivedfrom U-GAS GasifierGuo Weiie'，Ma Mingie'，Huang Shanxiu'，Xiong Yao'，Zhang Chuanxiang，Li Fenghai(1. School of Materials Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000，China;2. Department of Chemistry and Chemical Engineering, Heze University, Heze 274000，China)Abstract: Thermogravimetric analyzer was employed to investigate the combustion properties of high-carbon fly ashderived from U-GAS gasifier. The influence of ashes and different heating rates on combustion characteristics wereresearched. In addition, the combustion feasibility of granular fly ash in a fluidized bed boiler was discussed. Theresults indicate that fly ash has a higher ignition temperature, a longer burming time, and a lower reactivity than itscorresponding pulverized coal; the ashes of fly ash have a negative influence on combustion properties and combus-ion reactivity. With the increase of heating rate, the ignition and burnout temperature are increased, the burmouttime are shortened and the combustion reactivity are enhanced; the ignition and burmout temperature of granular flyash are close to those of pulverized coal. In addition, the combustion temperature areas of granular fly ash and pul-verized coal are basically coincident，therefore, granular fly ash can be burned in a fluidized-bed boiler.Keywords: U-GAS gasifier; high-carbon fly ash; combustion propertyU-GAS氣化技術(shù)具有煤種適應性強.可利用劣填l4-5]、土壤改良"和化工環(huán)保17-]等領(lǐng)域.高碳飛灰質(zhì)煤、操作溫度低、氣化強度大、產(chǎn)品煤氣中不含焦由于具有一定燃燒利用價(jià)值,普遍以再燃為主.研究油和酚類(lèi)等優(yōu)點(diǎn),是目前比較先進(jìn)的氣化技術(shù)之一、發(fā)現，采用氣力輸灰方式將高碳飛灰送人爐膛進(jìn)行二但該工藝過(guò)程會(huì )產(chǎn)生大量含碳量較高的細粒飛灰,導次燃燒,可顯著(zhù)提高鍋爐熱效率{9),底飼回燃技術(shù)也致U-GAS氣化爐碳轉化率低.因此，飛灰能否合理利可有效降低循環(huán)流化床鍋爐飛灰含碳量,提高脫硫效用便成為制約UGAS氣化工藝發(fā)展的重要環(huán)節1-2.率[10].李社峰等川采用實(shí)驗室小型循環(huán)流化床進(jìn)行目前,低碳飛灰主要應用于建筑建材B、筑路回飛灰回燃實(shí)驗表明-K灰回襖H比.例增大，飛灰含碳量中國煤化工收稿日期: 2014-12-21.基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(U1361119).MHCNMH G作者簡(jiǎn)介:郭衛杰(1990- )， 男，碩士研究生，gwj900907@l63.com.通訊作者:黃山秀，女，碩士，講師，hsx3168@l63.com.●92.燒科學(xué)與技術(shù)第22卷第1期逐漸降低.梅琳等[12]在自行設計的純燃飛灰熱態(tài)試爐人爐長(cháng)焰煤煤粉以及U_GAS氣化爐高效旋風(fēng)分離驗臺上進(jìn)行飛灰脫碳實(shí)驗研究，飛灰最大脫碳率約器收集的高碳細粒飛灰為實(shí)驗樣品、飛灰粒徑較小，75%.雖然目前對鍋爐飛灰的回燃效果研究較多,但均在200 um以下，粒徑中值Do.s 僅為12.20 um,粒對U_GAS氣化爐高碳細粒飛灰的研究卻鮮有報徑38um以下含量為92.46%,100um以上含量?jì)H為道.文章以河南能源化工集團義煤綜能公司U-GAS1.88%.飛灰及煤粉煤質(zhì)分析如表1所示.由表1可氣化爐高碳細粒飛灰為實(shí)驗研究對象,采用熱分析方知，飛灰固定碳含量達50.49% ,較高的碳含量- -方法對~飛灰和人爐煤粉進(jìn)行了燃燒特性的比較,分析了面限制了飛灰在水泥、混凝土中的應用"3),另一方面飛灰中灰分以及不同升溫速率對飛灰燃燒特性的影也表明了飛灰燃燒再利用的必要性.響,探討了飛灰造粒后用于流化床鍋爐燃燒的可行性.1.2 實(shí)驗方法實(shí)驗采用鉑金埃爾默TGA4000熱重分析儀研究1實(shí)驗部分飛灰燃燒特性.燃燒氣氛為氧氣、氮氣混合氣,體積比為20 : 80,氣體流速為30 mL/min,溫度從室溫升1.1 實(shí)驗樣品至1000 C,升溫速率分別為10 °C/min 、20 C/min、以河南能源化工集團義煤綜能公司U-GAS氣化40 °C/min.表1煤質(zhì)分析工業(yè)分析%元素分析%發(fā)熱量/ .樣品Mas_AsF.adWC.adWH.adWN.adWs,ad(kJ.kg^")飛灰0.3947.092.0350.4951.150.480.280.1917 390煤粉6.5623.5830.1539.7152.03.164.790.4121 258s=. (dw/d1)x(dw/ d1)memTT2實(shí)驗結果與分析式中: (dw/dr)m .1/7?為可燃性指數,反映物料在燃燒反應前的反應能力,其值越大,物料可燃性越好;2.1 飛灰 與煤粉燃燒特性分析利用燃燒特性參數,包括著(zhù)火溫度Ti、 最大燃燒(dw/dt)mean /T 為燃盡指數,其值越大,物料燃盡時(shí)間速率(dw/d)max及其對應溫度Tmx、平均燃燒速率越短,兩者乘積s越大,表明物料綜合燃燒反應性越(dw/dr) mean和燃盡溫度Th, 可在- -定程度上判斷飛灰佳.燃燒特性指數如表2所示.的燃燒特性.其溫度特征值的確定方法如圖1所示，00過(guò)DTG曲線(xiàn)峰值點(diǎn)做橫坐標軸垂線(xiàn)與TG曲線(xiàn)交于.... DTG點(diǎn)A,過(guò)A點(diǎn)做TG曲線(xiàn)的切線(xiàn)，切線(xiàn)與失重開(kāi)始時(shí)平行線(xiàn)L的交點(diǎn)所對應的溫度定義為著(zhù)火溫度T,g 60f與失重基本結束時(shí)平行線(xiàn)M的交點(diǎn)對應的溫度定義40-10為燃盡溫度7T14.為全面評價(jià)飛灰燃燒特性,引人綜2012合燃燒特性指數S進(jìn)行描述'5),其定義為500700900圖1溫度特征值確定原理圖表2 20 C/min升溫速率下飛灰與煤粉燃燒特性參數T/CTma/C TV"C (dw/dr) me/(%●min") |(dw/dt) men/(%● min )| (dw/d) mas 7?(dw/d) mee/下53257461515.7110.485.55 x 10~*17.04x10~3| 9.46x 10-737242350512.699.059.17x 10-517.92x10-3| 16.43 x 10-7圖2為20 C/min升溫速率下飛灰和煤粉TG-顯失重，630中國煤化工灰揮發(fā)分僅為DTG曲線(xiàn).由圖1可知,由于飛灰中水分較低,飛灰2.03% ,其揮TYHCN MH G曲線(xiàn)中沒(méi)有凸在450 C之前質(zhì)量無(wú)明顯變化, 480 C時(shí)飛灰開(kāi)始明顯，DTG曲線(xiàn)中只有一個(gè)明顯的固定碳燃燒失重2016年2月郭衛杰等: U-GAS氣化爐高碳飛灰燃燒特性峰.由煤粉的TG-DTG曲線(xiàn)可知,煤粉在100 C以前大燃燒速率遠遠大于飛灰最大燃燒速率,這說(shuō)明飛灰由于水分揮發(fā)有一微小失重, 300 C時(shí)煤粉開(kāi)始失重中灰 分對飛灰燃燒性能產(chǎn)生不利的影響.飛灰中過(guò)明顯，520 C以后煤粉基本燃燒完全, TG曲線(xiàn)趨于平高的灰含量阻礙了顆粒內部有機質(zhì)與氧氣的接觸,抑穩.煤粉DTG曲線(xiàn)存在兩個(gè)失重峰值點(diǎn),由于煤粉制了飛灰中固定碳的燃燒,導致飛灰著(zhù)火溫度高,燃含有30.15% 的揮發(fā)分,而揮發(fā)分先于固定碳開(kāi)始劇盡時(shí)間長(cháng),反應性差.這說(shuō)明飛灰中灰分含量高是導烈燃燒,產(chǎn)生- -個(gè)較大的DTG峰值點(diǎn),固定碳在揮致飛灰反應性較差的主要原因,因此脫除飛灰中灰分發(fā)分著(zhù)火釋放熱量的促進(jìn)作用下燃燒,產(chǎn)生- - 個(gè)稍小可提高其反應性能.的DTG峰值點(diǎn),揮發(fā)分與固定碳燃燒峰相互重疊形2.3 升溫速率對飛灰燃燒特性的影響成較寬的DTG峰[6].由表2可知,飛灰最大燃燒速實(shí)驗采用10 C/min、20 C/min和40“C/min共率與平均燃燒速率均比煤粉大,原因是飛灰顆粒較3種不同升溫速率研究了升溫速率對飛灰燃燒特性細,粒徑38 μm以下的顆粒占92.46%,比表面積大，的影響. 不同升溫速率下飛灰TG、DTG曲線(xiàn)如圖4氧擴散能力較強,使得飛灰著(zhù)火后燃燒速率較快7.所示， 燃燒特性參數如表3所示.由綜合飛灰燃燒曲然而飛灰著(zhù)火溫度與燃盡溫度較高、燃盡時(shí)間長(cháng),綜.線(xiàn)與燃燒特性參數可知,隨著(zhù)升溫速率的提高,飛灰.合燃燒特性指數s遠小于煤粉,說(shuō)明飛灰反應性較煤著(zhù)火溫度、燃盡溫度以及最大燃燒速率溫度升高,粉差.為保證飛灰的充分燃燒,需要較高的燃燒溫度DTG 曲線(xiàn)失重峰變寬,燃燒曲線(xiàn)向高溫區移動(dòng).原因和充足的燃燒時(shí)間.在于升溫速率過(guò)快,飛灰顆粒獲得的熱量無(wú)法從表面及時(shí)傳遞到內部,導致內外溫度不均,產(chǎn)生熱滯后現00一象"8].然而，隨著(zhù)升溫速率增大,飛灰單位時(shí)間獲得soM一煤粉的熱量增加，所以最大失重速率和平均失重速率增查60大,燃盡時(shí)間縮短,綜合燃燒特性指數s值變大,表10-12明飛灰著(zhù)火后燃燒更為劇烈、穩定,說(shuō)明增大升溫速率能顯著(zhù)提高飛灰反應性.t -1600TI'C90-- 10 C/min--.20C/min圖2飛灰和煤粉 TG-DTG曲線(xiàn)8(.40 C/min三70f2.2灰分對飛灰燃燒特性的影響60為研究灰分對-飛灰燃燒特性的影響,采用HCI50酸洗脫灰方法處理飛灰, HCI濃度為6 mol/L,室溫下40100300s00700 900浸泡1h,飛灰經(jīng)蒸餾水洗滌過(guò)濾至中性后,在105rrc°C烘干.酸洗后飛灰灰分為12.20%. 其TG_DTG曲(a) TG曲線(xiàn)線(xiàn)如圖3所示.0tg-I:. 10 C/min-18- -.. 20 C/min40 "C/min20-酸洗飛灰.+-2-21....飛灰30500 700 900J -3TrC900(b) DTG曲線(xiàn)圖3飛灰和酸洗 飛灰TG-DTG曲線(xiàn)圖4不同升溫速率下飛灰TG和DTG曲線(xiàn)中國煤化工由圖3可知,酸洗后飛灰的著(zhù)火溫度與燃盡溫度2.4飛灰造:YH明顯低于飛灰的值,酸洗飛灰DTG峰較尖銳,且最U-GASCN MH G性能差,不經(jīng)然燒科學(xué)與技術(shù)第22卷第1期表3不同升溫速率下飛灰燃燒特性參數升溫速率/(C . min')T/CTm/'CTVC(dw/dr)mx/(%● min-)| (dw/d) me/(% . min-)15155505955.292.61 x 10-72057461515.7110.489.46x 1074610_65520.5017.1717.96 x 10-7加工處理進(jìn)人流化床后,容易被煙氣帶出床層,難以參數如表4所示.達到充分燃燒的效果[19.為延長(cháng)飛灰在爐內停留時(shí)100間,實(shí)現飛灰的充分燃燒,將飛灰與粒徑0.2 mm以80下煤粉以1 : 1質(zhì)量比例摻混,添加一-定量水玻璃作..腺燥為粘結劑后制備成粒徑5 mm大小的顆粒.由于顆粒60f粒徑較小,無(wú)法進(jìn)行常規強度檢測,將顆粒干燥后置40-10 蘭于羅加轉鼓中,以50 r/min的轉速轉5 min,重復31220-14次后用1mm圓孔篩篩分,所得篩上物質(zhì)量占原顆粒30088% ,表明顆粒具有一定冷強度.圖5為顆粒與煤粉在20 C/min升溫速率下燃燒特性曲線(xiàn),其燃燒特性圖5顆粒與煤粉 TG-DTG曲線(xiàn)表4顆粒與煤粉燃燒特性參數樣品Tmw/C TVC |(dw/d) mx/(%●min-')| (/dm)me/(% . min-)| (dw/dt) m/ (dw/d) me/ Th顆3563955099.617.087.58x 10~513.91 x 10-310.54x 10-7煤粉724235052.699.059.17x 10517.92 x 10-316.43x 10-7由圖5可知,顆粒最大燃燒速率低于煤粉的值，火后燃燒更為劇烈、穩定,增大升溫速率能顯著(zhù)提高且顆粒燃燒后殘余量較煤粉高,但顆粒與煤粉燃燒曲飛灰反應性.線(xiàn)同步變化,燃燒溫度區域基本重合.由表4可知,(4) 飛灰與煤粉混合造粒后顆粒燃燒工況與煤顆粒與煤粉著(zhù)火溫度相差16 C,燃盡溫度相差4粉相同, 可與煤粉摻混或單獨用于流化床鍋爐燃燒C,考慮到誤差的存在,兩者著(zhù)火溫度與燃盡溫度呈現高度一致性.飛灰與煤粉摻混造粒接近于原料煤參考文獻:粒,其燃燒工況與煤粉相同,且顆粒強度較原煤低，[1] 王同章.煤炭氣化原理與設備[M]. 北京:機械工業(yè)在流化床鍋爐中呈剝層狀燃燒,外部灰分的剝落使內出版社，2001.部黑芯碳露出,有利于燃料的穩定燃燒.雖然由于水Wang Tongzhang. The Principle and Equipment of Coal玻璃的添加導致顆粒成分中Na2O 含量增大,使得顆Gasification[M]. Bijing: China Machine Press ，?；胰埸c(diǎn)較原煤灰熔點(diǎn)(1304 C)有所降低,但顆粒200 (in Chinese).灰熔點(diǎn)為1 220 C,高于流化床850~ 1050 C的操作[2] 董文博. U-GAS粉煤氣化技術(shù)[J].廣州化工, 2013,41(22): 155-157.溫度范圍,不會(huì )引起鍋爐結渣問(wèn)題,表明顆?？膳c原.Dong Wenbo. U-GAS pulverized coal gasification tech-料煤摻混或單獨用于流化床鍋爐燃燒.nology[J]. Guangzhou Chemical Industry， 2013 ,41 (2): 155-157 (in Chinese) .3結論[3] Sua-iam G, Makul N. Utilization of high volumes ofunprocessed lignite-coal fly ash and rice husk ash in self-consolidating concrete[J]. Journal of Cleaner Produc-(1) U-GAS氣化爐飛灰著(zhù)火溫度高,燃盡時(shí)間tion, 2014, 78(9): 184-194.長(cháng)，反應性差,飛灰充分燃燒需要較高的燃燒溫度和[4] Aysen Lav M，Hilmi Lav A. Effects of stabilization on充足的燃燒時(shí)間.resilient characteristics of fly ash as pavement material(2)灰分含量高是導致飛灰反應性較差的主要Construction and Building Materials， 2014，原因,脫灰處理可大幅度提高飛灰反應性.54(3)中國煤化工(3)隨著(zhù)升溫速率的增加,飛灰最大燃燒速率增[5] Mishraaysico-chemical and:YHCNMH(大,燃盡時(shí)間縮短,綜合燃燒特性指數s值變大,著(zhù)minerarugrca propeiuoui saiviu woal fly ash for stow-2016年2月郭衛杰等: U-GAS 氣化爐高碳飛灰燃燒特性●95●ing in underground coal mines[J]. Materials Characteri-2014，34 (26): 4454-4461 (in Chinese)zation, 2010, 61(11): 1252-1259.[ 13]于廣輝,路霽鴿，郭慶杰，等.循環(huán)流化床鍋爐飛灰6] Shaheen S M, Hooda P S, Tsadilas C D. Opportunities殘碳生成機理研究[J].煤炭轉化，2000, 23(3): 19-and challenges in the use of coal fly ash for soil im-provements: A review[J]. Journal of EnvironmentalYu Guanghui, Lu Jiling, Guo Qingjie， et al. Genera-Management, 2014， 145(12): 249-267.tion mechanism of residual carbon in fly ash of CFB[7]陳彥廣， 陸佳， 韓洪晶，等.粉煤灰作為廉價(jià)吸附boiler[J]. 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