煤粉在富氧条件下燃烧特性的实验研究

北极星电力网技术频道作者:佚名 2008/6/4 18:38:00

关键词: 燃烧富氧

：259樊越胜，邹峥，高巨宝，曹子栋

（西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省西安市710049）

[摘要]：燃烧煤粉的锅炉在其点火和低负荷稳定运行时，需消耗大量的燃料油，因此有必要寻找更经济实用的解决办法。研究煤粉在富氧条件下的燃烧特性，不论对煤粉局部富氧的助燃还是煤粉的富氧点火技术都具有重要意义。该文采用德国Netzsch公司生产的STA409C型热天平研究了神木煤和蒲白煤3个不同粒度下的煤样在不同体积氧浓度下（20、30、40、60、100）的燃烧行为。实验结果表明，随着氧浓度的增大，煤样燃烧分布曲线向低温区移动，煤样的着火温度及燃尽温度均呈下降趋势，着火时间提前且燃烧时间缩短，煤粉的综合燃烧特性指数有较大提高，并且，随煤粉粒径的增大，综合燃烧特性的改善更加明显。

[关键词]：热能动力工程；煤粉；燃烧特性；粒径；氧浓度

1引言

煤粉燃烧是发电厂锅炉的主要燃烧方式，燃烧煤粉的锅炉在其点火和低负荷稳定运行时，需消耗大量的燃料油，因此研究人员一直都在积极寻找更经济实用的解决办法。随着膜法富氧技术的成熟发展[1-2]，研究煤粉在富氧条件下的燃烧特性，不论对煤粉局部富氧的助燃还是煤粉的富氧点火技术研究都具有重要意义。

为了准确、方便地预测煤的燃烧性能，人们不断开发出新颖的测试技术，热分析法是近年来广泛使用的一种研究燃烧特性的手段，在研究煤的可燃性能及氧化反应性能方面已有广泛应用^[3-10]。人们发现不同煤种的热分析曲线，在实际炉中的燃烧性能也不同，相反当煤种的热分析曲线相近时，在实际炉中的燃烧性能会基本相同^[3]。本文采用热重分析法研究了氧浓度变化对神木烟煤和蒲白二类烟煤燃烧特性的影响，得到了一些可供开发应用的结论。

2实验设计

实验在德国Netzsch公司生产的STA409C型热天平上进行，采用SIC质平坩埚^[11]，以利于样层表面的气体扩散。热分析程序：升温速率为20℃/min，从室温升至1100℃，样品重10±0.1mg，炉内气氛：氮气和氧气的混合气体（180mL/min）；天平保护气：氮气（20mL/min）。试验时尽量将煤样摊平，减少加热和燃烧时煤样内部的温差引起的对TG曲线的负面影响。

实验煤粉直接取自电厂炉前的制粉车间，其工业分析和元素分析列于表1。煤样采用振动筛进行分级，选取3个不同的粒径范围进行实验，即：88~105mm，63~74mm和<45mm。

3实验结果及分析

3.1燃烧失重曲线的分析

TG曲线表示试样随温度变化时质量的变化，而DTG曲线是根据TG曲线计算出的瞬时失重速度，表示某一时刻发生分解、燃烧从而失重的剧烈程度。

图1、图2为神木和蒲白煤的部分DTG曲线。从图中可看出，氧浓度的增加使得试样的DTG曲线向低温区移动。表2为两种煤样在不同氧浓度下的燃烧时间（燃尽温度和着火温度相对应的时间差）和失重率数据，从实验结果可看出，煤样燃烧的最大和平均失重速率都随氧浓度的增加而增大，这说明氧浓度的增加，提高了煤中易燃物质整体燃烧速率，使煤样从开始燃烧到燃尽所需的时间缩短，煤烧活性得到增强^[12]。从表2中还可看出，神木煤的燃烧时间较蒲白煤的短，整体燃烧速率较蒲白煤的大，也即神木煤的DTG曲线较蒲白煤的陡峭，说明神木煤比蒲白煤燃烧活性好且易于燃尽。另外，实验整理得到的燃烧特征数据还显示：粒径越大，氧浓度对煤样的平均燃烧速率的影响就越大。

3.2氧浓度及煤粉粒度对着火温度和燃尽温度的影响

着火温度反映了煤样着火的难易程度，在工程实际中，掌握着火温度对于煤的点燃和稳定燃烧有重要的指导意义。燃尽温度是煤样基本燃尽时的温度，燃尽温度越低，表明燃尽时间越短，煤样越容易燃尽，残炭中的可燃剩余量就越少。煤燃烧试验中着火点和燃尽点的确定有很多种方法^[3,11]，本文采用常用的TG-DTG法。图3给出了粒径范围在63~74mm的神木煤在20体积氧浓度下的失重曲线和相应的失重率曲线，在DTG曲线上过峰值作垂线与TG曲线交于一点A,过A点作TG曲线的切线，该切线与失重开始平行线的交点C所对应的温度定义为着火温度Ti；与失重基本结束平行线的交点E所对应的温度定义为燃尽温度Tb^[3]。

图4、图5为煤粉试样的着火温度和燃尽温度随氧浓度的变化关系，样本的重复性实验中，温度差别不超过±1.5℃。从图中可看出，随着氧浓度的增加，煤粉燃烧的着火温度和燃尽温度均呈下降趋势，燃尽温度的下降幅度较着火温度更大，说明富氧可使煤粉的燃烧在较低的温度区完成，对煤粉的充分燃烧有较大影响。也就是说，随着氧浓度的增加，在较低温度下就能满足煤粉稳定燃烧的条件。

同时，神木煤着火温度随粒径的减小而降低，而蒲白煤粒径对着火温度几乎没有影响。

图6、图7为燃烧时间（即从开始着火到燃尽的时间）随氧浓度的变化，图中显示在氧浓度从20变化到40时，燃烧时间减少较快，其后变化趋缓。因此，在采用富氧燃烧或助燃时，过高的氧浓度是不经济的，根据膜法富氧的成本，选取氧浓度在30~40之间为佳。

3.3氧浓度及煤粉粒度对综合燃烧特性指数的影响

文献[4]引入一个综合参数——燃烧特性指数S来表征煤粉的整体燃烧特征，即

式中(dw/dt)max为最大燃烧速度；(dw/dt)mean为平均燃烧速度；(dw/dt)T=Ti为着火温度下的燃烧速度。在综合参数S中，R/E表示煤的活性，E值越小，反应能力越高；d/d(d/d)TTiTwt=为燃烧速度在着火点的转化率，其值越大，表明着火越猛烈；(dw/dt)max/(dw/dt)T=Ti为燃烧速度峰值与着火时燃烧速度之比；(dw/dt)mean/Tb为平均燃烧速度与燃尽温度之比，其值越大，表明燃尽越快。几项的乘积包含了燃烧反应开始、快速进行和结束时的主要特征量，综合反映了煤粉的燃烧特性，其值越大，表明煤粉的燃烧特性越好。图8为根据本实验数据求出的3种粒径下神木煤和蒲白煤的燃烧特性指数随氧

浓度的变化关系。从图8中可看出，综合燃烧特性指数S随空气中氧浓度的增加而增大，对高挥发性的神木煤，处于中间粒径的煤样，表现出更大的燃烧速率，因此S值也更大，同时煤样粒径越大，S的增长幅度越大；而挥发物含量较少的蒲白煤，S值随粒径的减小而增大，同时随氧浓度的增大，不同粒径的煤样表现出相同的增大规律。由此可见，富氧可极大地提高煤粉的综合燃烧特性。

煤粉颗粒的燃烧不仅依赖于反应条件，而且也取决于煤的物理结构。神木煤与蒲白煤表现出的差异，是由于煤种的成煤条件不同形成其内部孔隙结构不同所造成的。一般来说，孔隙越多，吸附表面积越大，会为氧气与煤颗粒表面的接触提供更多的接触面，加大了反应的机会，对燃烧就越有利。但不同煤的孔隙结构分布不同，文献[13]测得的合山煤和晋城煤吸附表面积与煤样颗粒粒度之间的关系就表现出不同的规律。因此，对煤粉的富氧点火，鉴于煤种物理结构的复杂性，从技术、经济等角度考虑，其适宜的煤粉粒径有待进一步研究。

4结论

（1）随着氧浓度的增加，煤粉燃烧热重曲线向低温区移动，最大燃烧速率增大且出现得早。蒲白煤随氧浓度的变化，其DTG曲线的变化更明显一些。

（2）随着氧浓度的增加，煤粉的着火温度和燃尽温度均降低，煤粉越易着火燃烧，氧浓度对燃尽温度的影响更大一些。结果显示随氧浓度的增加，

着火提前且燃烧时间缩短，当氧浓度超过40时，这种趋势变缓。但两种煤样的部分燃烧特性，随粒径的变化却表现出不同的规律。

（3）随着氧浓度的增加，表征煤粉综合燃烧特性的指数S增大。但不同的煤种，S随粒径的变化关系不同，蒲白煤的S数随粒径的增大而减小，而神木煤的S值随粒径的变化关系不明显。

（4）煤粉颗粒粒径对其燃烧特性有重大影响，粒径越大，氧浓度对煤样的平均燃烧速率的影响就越大，也即燃烧特性会得到更大的改善。

参考文献

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