基于熱重分析法的煙煤摻燒褐煤特性研究

第31卷第3期電力科學(xué)與工程Vol 31. No. 32015年3月Electric Power Science and engineerinMar,2015基于熱重分析法的煙煤摻燒褐煤特性研究楊志斌!,馬瑩2,戴新',趙建軍,關(guān)彥軍2,張鍇(1.內蒙古京隆發(fā)電有限責任公司,內蒙古豐鎮012100;2.華北電力大學(xué)熱電生產(chǎn)過(guò)程污染物監測與控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗室,北京10206)摘要:針對電廠(chǎng)摻燒褐煤缺乏相關(guān)理論指導的技術(shù)需求,釆用熱重分祈方法系統考察了包煤、準煤和褐煤的單獨燃燒特性,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,根據各燃料燃燒特征參數計算了單一煤種及其不冏摻混比例的著(zhù)火指數、燃盡指教和綜合燃燒指數結果表明,褐煤最易著(zhù)火和燃盡;包煤著(zhù)火特性較妤,但在550~660℃范圍內岀現難燃峰致使燃盡特性變差;準煤的著(zhù)火特性最差,燃盡特性略?xún)?yōu)亍包煤;將包煤和準煤與褐煤摻混后燃燒特性有所改善,各燃燒特征溫度降低,且綜合燃燒指數隨祃煤摻燒比例的増加而増加。建議在電廠(chǎng)實(shí)際應用時(shí),煤的摻燒比例控制在30%-50%之間。關(guān)鍵詞:混煤;熱重分析;著(zhù)火指數;燃盡指數;綜合然燒指數中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:ADO1:10.3969/jisn.1672-0792.2015.03.001的線(xiàn)性疊加關(guān)系?；烀旱娜紵匦耘c鍋爐等設0引言備的運行密切相關(guān),混煤著(zhù)火特性反映了混煤著(zhù)火的難易程度,在防止煤粉的制粉系統著(zhù)火方面中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國,也起著(zhù)重要作用。方立軍等使用熱重分析儀研是當今世界上幾乎唯一以煤為主的能源消費大究混煤的燃燒特性,認為煤質(zhì)差異較大的煤種摻國。隨著(zhù)燃煤發(fā)電裝機容量和年發(fā)電量的迅猛燒要尤其注意摻燒比例,發(fā)現燃燒性能類(lèi)似的煤增長(cháng),以煙煤和無(wú)煙煤為主的動(dòng)力煤儲量昰逐年種混合燃燒,其著(zhù)火特性與相對難燃的煤接近。減少的趨勢,面臨優(yōu)質(zhì)煤炭資源難以滿(mǎn)足國民經(jīng)邱建榮等ˉ利用熱重硏究了混煤的燃燒性能,發(fā)濟長(cháng)期穩定發(fā)展的瓶頸冋題。另一方面,褐煤資現相冋同揮發(fā)分含量的混煤比單煤的著(zhù)火特性差,源豐富,已探明的褐煤儲量為1311.42億旽,約且組分煤的含量和種類(lèi)很大程度上影響了混煤的占煤炭總保有儲量的13%。但是在褐煤的燃燒燃燒性能。胡文斌等”采用熱重法分析了七種不發(fā)電的硏發(fā)和應用方面遠遠落后于煙煤和無(wú)煙煤同煤樣的著(zhù)火特性,并提岀了判別煤種燃燒難易等優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤,因電廠(chǎng)燃燒的煤種與設計煤種差程度的指標。 arenillas等ˇ探究了揮發(fā)分含量不別較大,若隨機摻燒必會(huì )引起燃燒不穩定、煤耗冋的煙煤、次煙煤及其混煤的著(zhù)火特性,發(fā)現摻增加等問(wèn)題。因此,需要褐煤摻燒的燃燒特性混比例不同,著(zhù)火機理也不相同。上述研究表明的相關(guān)基礎研究,以實(shí)現對品質(zhì)相對較差的褐煤組分煤的比例、種類(lèi)決定了混煤的燃燒性能,采資源充分利用。用熱重法可分析比較各混煤的燃燒特性。熱重實(shí)與單煤相比,混煤的燃燒特性更為復雜,通驗法降爐燃燒試驗和鍋爐現場(chǎng)試驗都是常情況下混煤的燃燒性能介于摻混的單煤種之間,主要τ中國煤化工法,本文針對兩種但其燃燒特性與組煤種的燃燒特性也并不是簡(jiǎn)單煙煤CNMHG1,采用熱重法進(jìn)行實(shí)收稿日期:2015-01-31基金項目:國家自然科學(xué)基金(91434120)作者簡(jiǎn)介:楊志斌(1967-),男,高級經(jīng)濟師,研究方向為煤燃燒發(fā)電,Emai:yzbncepu@163.com。電力科學(xué)與工程2015年驗硏究,利用熱天平分析單煤及煙煤與褐煤摻混褐煤),其元素分析和工業(yè)分析如表1所示?？梢曰烀旱娜紵匦?通過(guò)各燃燒特征參數計算岀著(zhù)發(fā)現,褐煤的揮發(fā)分含量極高,灰分較少且水分火指數、燃盡指數及綜合燃燒指數以評價(jià)煤樣的含量最大,三種原煤的含硫量均較低。將褐煤分燃燒性能,進(jìn)而為電廠(chǎng)摻燒混煤提供基礎數據。別與包煤和準煤以1:9,3:7,5:5和7:3的質(zhì)量比混合;包煤混煤編號分別為1號、2號、3實(shí)驗樣品與方法號、4號,準煤混煤為5號、6號、7號、8號根據單煤的分析結果和在混煤中的比例加權計算1.1實(shí)驗樣品出不同比例混煤的元素分析和工業(yè)分析,如表2實(shí)驗樣品為內蒙古的3種原煤(包煤、準煤、所示。表1煤樣的元素分析和工業(yè)分析元素分析/%工業(yè)分析/%樣品FCad包煤3.9711.850.935.15準煤10.027.53褐煤28.2318.070.307.974.7145.3642.04表2混煤的元橐分析和工業(yè)分析樣品1號4號31.3833.7536.128.9831.88工業(yè)分析/%A14.6248.5747.156.4339.8342.29元素分析/%4.164.4.314.4212.4713.7214.9616.2010.840.550.780.710.6300.870.740.0.330.321.2實(shí)驗方法將煤樣在空氣中干燥后研磨至100目,再于熱重分析法(TG或TGA)是指在程序控制10℃恒溫條件下干燥20h。取10±0.2mg樣品溫度下測量待測樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一置于A(yíng)2O3坩堝中,以20℃/min的升溫速率從室種技術(shù),是使用最多最廣泛的一種熱分析技術(shù)之溫升至800℃,氣氛為空氣,流量60mL/min。準熱重分析法所使用的儀器是熱重分析儀,備好硏磨干燥篩分處理后的煤樣,將包煤和準煤當被測物質(zhì)在加熱過(guò)程中釋放出氣體時(shí),被測物分別中國煤化工7:3的比例與褐煤均質(zhì)的質(zhì)量就會(huì )發(fā)生變化。本實(shí)驗以煤為樣品,煤勻淮CNMHG樣品置于三氧化二鋁燃燒過(guò)程中會(huì )釋放出大量揮發(fā)性氣體,通過(guò)分析坩堝中,實(shí)驗條件與單煤相同。熱重曲線(xiàn),就可以知道燃燒的特征溫度,分析著(zhù)1.3實(shí)驗數據處理火特性及燃盡特性,而根據失重量也可以得到煤通過(guò)分析熱重曲線(xiàn),可以得到燃燒過(guò)程中的樣的熱變化,進(jìn)而分析熱物性各特征參數,如圖1所示,確定方式如下第3期楊志斌,等基于熱重分析法的煙煤摻燒褐煤特性硏究著(zhù)火溫度T:著(zhù)火點(diǎn)指煤樣開(kāi)始燃燒的點(diǎn),該點(diǎn)的溫度是衡量煤粉著(zhù)火特性的重要特征點(diǎn),能夠直觀(guān)反應出煤樣燃燒的難易程度。本文采用TG-DTG切線(xiàn)法確定著(zhù)火點(diǎn),在DTG曲線(xiàn)上,過(guò)受峰值點(diǎn)作一垂線(xiàn)與TG曲線(xiàn)交于一點(diǎn),過(guò)交點(diǎn)作TG曲線(xiàn)的切線(xiàn),該切線(xiàn)與失重開(kāi)始平行線(xiàn)的交點(diǎn)所對應的溫度定義為著(zhù)火溫度T揮發(fā)分最大析出速率DTGm及其對應溫度00200300400500600700800:DTGa和T為樣品的揮發(fā)分最大析出燃燒速溫度℃率及其對應溫度。T越低,說(shuō)明揮發(fā)分析出越圖1確定燃燒特征參數的示意圖早;DG灬越大,說(shuō)明揮發(fā)分析出燃燒過(guò)程越劇烈。2實(shí)驗結果與討論燃盡溫度T:燃盡特性是評價(jià)燃料燃燒性能的一個(gè)重要指標,燃盡特性好,燃燒速率快,易2.1單煤燃燒特性燃盡。本文仍采用 TG-DTG法:在DTG曲線(xiàn)上過(guò)各單一煤樣在升溫速率(β)為20℃/min下峰值作垂線(xiàn)與TG曲線(xiàn)交于一點(diǎn),過(guò)這一點(diǎn)作TG的熱重曲線(xiàn)如圖2所示。TG曲線(xiàn)和DTG曲線(xiàn)分曲線(xiàn)的切線(xiàn),該切線(xiàn)與失重基本結束平行線(xiàn)的交別表明煤樣失重百分比( Weight)和失重變化率點(diǎn)所對應的溫度定義為燃盡溫度,以T表示。著(zhù)(Dei. Weight)隨溫度的變化。由上述各特征參火指數:為評價(jià)著(zhù)火特性,定義了著(zhù)火指數D數的定義計算出的值如表3所示?？梢钥闯?由著(zhù)火溫度T、燃盡溫度T,最大失重速率300℃之前各煤樣失重變化不大,為脫水階段,褐DrG確定,著(zhù)火指數越大表明煤樣燃燒的著(zhù)火煤和包煤較早開(kāi)始燃燒,著(zhù)火點(diǎn)分別為342.0℃性能越好2。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℃),這是因為褐煤DTG和包煤的揮發(fā)分較高,容易著(zhù)火。另外,褐煤和燃盡指數:為評價(jià)燃盡特性,定義了燃盡指包煤分別在550.0℃和450.0℃附近出現次峰,這數D,由半峰溫度范圍ΔT與ΔT確定,分別表示是包煤和褐煤釋放出的揮發(fā)分的二次反應造成的。揮發(fā)分和固定碳燃燒的溫度范圍,燃盡指數越低褐煤因揮發(fā)分極高而容易燃盡,燃盡溫度為表明固定碳的燃燒范圍越集中,煤樣的燃盡性能579.4℃。包煤在624.0℃出現一個(gè)小峰則可能是越好。焦炭發(fā)生了反應,表示包煤中難燃的部分。劉文珍把將要燃盡部分出現的峰稱(chēng)為難燃峰,第△T+△T個(gè)峰稱(chēng)為易燃峰,所以包煤的燃盡溫度及燃盡指綜合燃燒指數:對于煤質(zhì)特性差異較大的煤數時(shí)要以后面的難燃峰來(lái)計算,如表3所示。準摻燒,不僅要考慮單煤的性質(zhì),還應注意兩煤種煤的著(zhù)火點(diǎn)為44.5℃,峰值溫度為521.0℃,較之間的相互影響,許多文獻中提出一種判別指標,難燃燒,通過(guò)T和T計算出的著(zhù)火指數D也可以S表示為看出褐煤的著(zhù)火特性最好,準煤最差。根據DTG(d/dt)m·(dv/d)m曲線(xiàn)中國煤化工度計算出燃盡指數DHCNMH大越難燃盡,可以發(fā)式中:(dWd)。為最大燃燒速度;(dwt)-現包煤因岀現難燃峰而燃盡特性最差,燃盡溫度為平均燃燒速度,T為著(zhù)火溫度,T為燃盡溫度。T已達到680.5℃。準煤的燃盡溫度為622.4℃S是反映煤的著(zhù)火和燃盡的綜合性指標。S值越燃盡特性較差,褐煤的燃盡特性最好,燃盡指數大,煤的燃燒特性越佳。D僅為0.11。電力科學(xué)與工程2015年B-20C/min0-10溫度/℃40B=20C/min10020030040050060070080溫度℃圖2單煤的TG和DTG曲線(xiàn)表3三種原煤的燃燒特征參數Tm(%·min)10包煤(易燃峰353.3409.9包煤(難燃峰)623.5680.537.00.47準煤521.049.0390.010.792.2混煤著(zhù)火與燃盡特性相應的燃盡特性也不一樣。從表4也可以看出圖3為包煤和準煤與褐煤的混燃TG曲線(xiàn)。由隨摻燒比例的增大,包煤和準煤與褐煤混煤的燃圖可知,混煤的失重百分比隨褐煤摻混比例增加盡溫度冖均逐漸減小,但從圖3c可以看出,包煤而逐漸增大?；烀旱娜紵卣鳒囟热绫?所示?；烀涸诤置罕壤∮?0%時(shí)仍在50~660℃的范隨褐煤摻燒比例的増大,包煤與褐煤組成的混煤圍內存在難燃峰,致使燃盡指數很大,當褐煤比的著(zhù)火溫度變化不大,但最大燃燒速率逐漸増大,例為η0%時(shí)燃盡指數迅速減小到0.2。準煤摻混著(zhù)火指數增加的并不明顯。圖3c中,包煤混煤隨褐煤后更易燃盡,當摻燒比例為10%時(shí),燃盡指褐煤摻燒比例的增加,次峰越來(lái)越明顯,當褐煤數仍很大,當摻混比例達30%以上時(shí),燃盡指數摻燒比例為50%時(shí)DTG曲線(xiàn)已出現三個(gè)峰,且峰在0.2左右,減小幅度并不大。值溫度不斷前移,而褐煤比例為70%時(shí)次峰消2.3合燃燒特性失,峰值溫度略有增加。從圖3d可以看出,準煤中國煤化工燒指數,最大燃燒速混煤的峰值溫度明顯前移,峰的范圍越來(lái)越寬。率(CNMH(複T越小,著(zhù)火特性表4顯示,準煤摻混褐煤后著(zhù)火指數隨褐煤比例越好,燃盡溫度冖越小,燃盡程度越好,煤粉燃的增加而逐漸增大,著(zhù)火特性得到較大改善,燒越劇烈,綜合燃燒指數S值越大,燃燒特性越燃盡特性對燃燒效率和運行的經(jīng)濟性有著(zhù)十好。圖4為綜合燃燒指數隨褐煤在混煤中比例的分重要的影響,煤樣不同,煤質(zhì)特性就存在差異,變化,可以看岀,隨褐煤摻燒比例的増加,混煤第3期楊志斌,等基于熱重分析法的煙煤摻燒褐煤特性硏究200500600700800溫度/℃溫度/C自9610020030040050060070度/℃溫度圖3混煤的TG和DTG曲線(xiàn)表4混煤的燃燒特征參數DTG/DTO℃(%min)(%min-1)(×10-3)(×10-3)號348.6441.8623.7688.550.28.851.540.612號349.7413.6632.5679.747.51.350.543號679.79.574號349.9406.8597.39,795號424.7530621.68.266號372.4600.67.380.237號374.0430.3598.98.451.720.28號343.4597.335.58.451.810.20的綜合燃燒指數增大,褐煤比例超過(guò)50%時(shí)增加速度變快,其中準煤與褐煤混煤的S值高于包煤與褐煤混煤。3 H中國煤化工CNMHG包煤混煤準煤混煤(1)在實(shí)驗選用的煤種中,褐煤最易著(zhù)火和燃盡,包煤著(zhù)火特性較好,但在550-660℃范圍褐煤的質(zhì)量分數內岀現難燃峰致使燃盡特性較差,準煤的著(zhù)火特圖4混煤的綜合燃燒指數性最差,燃盡特性略?xún)?yōu)于包煤。6電力科學(xué)與工程2015年(2)將準煤與褐煤摻混后燃燒特性得到較互作用與動(dòng)力學(xué)特性研究[J].電力科學(xué)與工程,大改善,各燃燒特征溫度明顯降低,且綜合燃燒013,29(2):5662指數逐漸增加。包煤的混煤中隨著(zhù)褐煤比例的增6]方立軍,高正陽(yáng),周健,等.利用熱天平對電廠(chǎng)混煤燃盡特性的試驗研究[J].華北電力技術(shù),2001,1加,燃燒曲線(xiàn)的變化較大,盡管綜合燃燒指數逐7-9,24漸增加,但應分別考慮著(zhù)火和燃盡特性。7]邱建榮,馬毓義,曾漢才,等.混煤燃燒特性及污染(3)褐煤的水分較大,考慮到實(shí)際的工程應物形成規律的研究[J].華中理工大學(xué)學(xué)報,1993,21(S1):106-110用,建議電廠(chǎng)分別以30%和50%的比例將褐煤與8]胡文斌,楊海瑞,呂俊復,等.煤著(zhù)火特性的熱重分煙煤摻混進(jìn)行燃燒試驗,觀(guān)測燃燒過(guò)程中出現的析研究[J].電站系統工程,2005,21(2):8實(shí)際問(wèn)題[9] Arenillas A, Rubiera F, Arias B. A Tg/ Dta Study on the參考文獻Effect of Coal Blending on Ignition Behaviour [J]. Journalof Thermal Analysis and Calorimetry, 2004, 76(21): 603Ⅰ]肖毅,李瑛.褐煤及其混煤燃燒特性試驗硏究〔J.「l0]劉振海,徐國華,張洪林,等.熱分析與量熱儀及其能源工程,2012,(5):1-5應用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20112]李少華,車(chē)德勇,張學(xué)斌,等.松木屑與褐煤共熱解[11]魯光武,陳海平.生物質(zhì)與煤摻燒燃燒特性的實(shí)驗研特性及動(dòng)力學(xué)分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2013,40究[J.電站系統工程,2013,209(4)(4):90-9512] Zhang K H, Zhang K, Cao Y, et al. Co-combustion char-3]方占正,黃孝彬,梁飛龍,等.火電廠(chǎng)混煤摻燒配煤acteristics and blending optimizati on of tobacco stem and軟件的開(kāi)發(fā)和應用[J].華電技術(shù),2013,35(11)high-sulfur bituminous coal based on thermogravimetric and2629.32mass spectrometry analyses [J. Bioresource Technology4]孫云,王長(cháng)安,劉京燕,等.混煤燃燒技術(shù)研究進(jìn)[J].電站系統工程,2009,27(2):1-3,7.[13]劉文珍,陳孟麗.動(dòng)力用煤熱分析特征指標的研究5]馬國偉,張曉明,劉建華,等.混煤燃燒過(guò)程中的交J].熱力發(fā)電,1991,(6):16Combustion Characteristics of Bituminous Coal Blended with Lignite UsingThermo-gravimetric MethodYang Zhibin, Ma Ying, Dai Xin, Zhao Jianjun, Guan Yanjun, Zhang Kai(1. Neimenggu Jinglong Power Co. Ltd., Fengzhen 012100, China; 2. Beijing Key Laboratory of EmissionSurveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)Abstract: Based on the actual requirement for fundamental theory of blending lignite in coal - fired power stationscombustion characteristics of lignite, bituminous coal and their blends were investigated by using thermogravimetricmethod(TGA)in this paper. Lignite was blended with two types of bituminous coals in proportions of 10%,30%, 50%0 and 70%, respectively. The ignition index, burnout index and comprehensive combustion index ofsingle 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 tem-perature range of 550 and 660C. Compared to Bao coal, ZhuHrest toThe performance of combustion can be improved after blending li中國煤化工 e comprehensivecombustion index of blended coals increases with the increasingCNMH GnIng ratio of ligite suggested lignite ration should be controlled between 30%Keywords: coal blends; thermogravimetric analysis; ignition index; burnout index; comprehensivebustion index