李慧靈,焦有宙,潘曉慧,張全國

(1.河南教育學(xué)院化學(xué)系,河南鄭州 450046;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河南鄭州 450002)

電廠煤粉爐直接聯(lián)產(chǎn)水泥熟料,可以使粉煤灰化學(xué)、礦物組成及性能接近水泥熟料,實現(xiàn)粉煤灰的資源利用.而煤粉爐聯(lián)產(chǎn) Q相水泥熟料方案是比較科學(xué)、合理的[1,2].煤粉爐聯(lián)產(chǎn)水泥熟料過程中,混合煤粉摻入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鈣基等添加劑,添加劑的摻入可能會影響混合煤粉的著火溫度、燃燒速率、燃盡以及吸放熱特性等,進(jìn)而影響鍋爐的正常出力.因此,開展混合煤粉燃燒特性研究對提升煤粉爐聯(lián)產(chǎn)水泥熟料技術(shù)研究有著重要的基礎(chǔ)意義.劉豪等[3]曾開展了鈣基復(fù)合添加劑與煤粉混燒的燃燒特性研究,李梅等[4,5]開展了石灰石、高嶺石等對煤炭燃燒特性影響的研究,肖海平等[6]開展了有機(jī)鈣助燃特性研究,張中林等[7]開展了煤、石油焦摻混石灰石燃燒特性的熱重分析研究.但其研究是為了實現(xiàn)和提高增鈣混合煤粉的脫硫效果而探究混合煤粉的燃燒特性變化規(guī)律,由于煤粉爐聯(lián)產(chǎn)水泥熟料過程混合煤粉中添加劑的種類與比例、混合煤粉制備方式等與增鈣脫硫混合煤粉有較大不同,目前的增鈣混合煤粉燃燒特性研究結(jié)論對認(rèn)識煤粉爐聯(lián)產(chǎn)水泥熟料過程中混合煤粉燃燒特性變化規(guī)律參考意義較少.為進(jìn)一步探究煤粉爐聯(lián)產(chǎn)水泥熟料過程中混合煤粉燃燒特性變化規(guī)律,研究以低硫兗州煤為試驗煤種,分析測定混合煤粉中添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對燃燒特性影響規(guī)律的研究.

1 試驗原料、設(shè)備及方案

試驗煤種選用兗州煤,其煤質(zhì)分析見表 1.由于 CaCO3的摻入會導(dǎo)致熟料礦物生成反應(yīng)不徹底,且會較大程度的降低混合煤粉中煤粉所占比例,混合煤粉熱值可能大大降低.在現(xiàn)有條件下,利用 CaCO3替代 CaO聯(lián)產(chǎn)水泥熟料還不是最佳選擇[8].因此,添加劑選用化學(xué)分析純 CaO,MgO.

試驗采用美國 TA公司 SDTQ600型熱重 -差熱分析儀,其基本結(jié)構(gòu)包括:氣路系統(tǒng)、重量傳感器、熱電偶、樣品盤、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng).按照表2配料方案編號和制備混合煤粉.在 SDTQ600型熱重分析儀上對各混合煤粉試樣進(jìn)行燃燒特性試驗.工作氣氛為空氣,流量為 120 mL?min-1;升溫速率為 20℃?min-1;溫度變化范圍為 10～850℃;每個樣品質(zhì)量約為 6.0 mg;終溫保留時間10 min.

表1 試驗煤種煤質(zhì)分析Table1 Analyses of experiment coal

表2 配料方案Table2 Scheme of preparation of materials

2 結(jié)果與分析

2.1 熱重曲線

由圖 1～圖 7可以看出,隨著混合煤粉中添加劑 CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,Y1～Y7試樣 TG曲線燃燒失重段平緩趨勢加大.Y1～Y7試樣的 DTG曲線變化也較大.Y1試樣的 DTG曲線整體分析只有 1個尖峰區(qū)域,只是在尖峰區(qū)域包含 2個相連的尖峰,其峰值分別出現(xiàn)在 456.98,502.69℃;Y2試樣的DTG曲線亦有1個兩峰相連的尖峰區(qū)域,2個峰間隔較 Y1試樣減小,其峰值分別出現(xiàn)在 466.08和497.61℃.Y2～Y7試樣 DTG曲線整體變化規(guī)律明顯分為 2個階段.且隨著混合煤粉中添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,Y2～Y7試樣的前期燃燒強(qiáng)度降低,燃燒逐漸向第 2階段后移.Y1～Y7試樣不同燃燒階段所占比例見表 3.

2.2 著火特性分析

將試樣 DTG曲線上迅速失重的開始點作為著火點,以該點對應(yīng)的溫度作為熱分析的著火溫度Ti.各試樣的著火溫度見表 3.從表 3可以看出,隨著混和煤粉添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,試樣的著火溫度都有所升高.這是由于混合煤粉中添加劑的加入,增加了混合煤粉中的灰分,相對減少了混合煤粉中揮發(fā)分的含量;同時,加入添加劑后,在同樣的條件下還需要吸收較多的熱量,造成著火延遲,著火溫度升高.但兗州煤各試樣,其著火溫度的增長幅度都不是太大.兗州煤試樣著火溫度變化范圍為338.65～355.9℃.這可能由于本試驗中鈣基添加劑采用的是分析純 CaO,其不同于 CaCO3等其它鈣基質(zhì),在混合煤粉燃燒過程中不需吸收熱量用于分解.且 CaO在混合煤粉的燃燒過程中能起到一定的催化作用.

混合煤粉著火后的火焰穩(wěn)定性分析,可以用可燃性指數(shù) C來表示,其定義為

式中:(dw/dt)max為燃燒失重的最大速率;Ti為著火溫度.

可燃性指數(shù) C是一個放大了的反應(yīng)性能指數(shù),它主要反映煤在燃燒前期的反應(yīng)能力,其值越小,煤的可燃性越差,因而煤粉火焰就越不穩(wěn)定[6].從表 3可以看出,Y1的可燃性指數(shù)為 5.644.隨著添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,試樣的可燃性指數(shù)也逐漸下降.

表3 試樣不同燃燒階段所占比例、著火溫度及可燃性指數(shù)Table3 The proportion at different combustion stages,ignition temperature and flammability index of samples

2.3 最大燃燒速率和燃盡特性分析

由 DTG曲線上的最大極值點可確定試樣的最大燃燒速率(dw/dt)max,其所對應(yīng)的溫度為 Tmax.在650℃以后,兗州煤試樣 TG曲線趨于平直,DTG曲線波動于零值附近.將 650℃作為特征溫度,以此溫度下的熱重試驗數(shù)據(jù)來表征兗州煤燃盡特性.用 f表示燃盡率,其定義為

式中:TG650為 650℃時的殘余物質(zhì)量;TA為燃料總折算灰分.

表4 試樣DTG曲線最大失重速率及燃盡特性參數(shù)Table4 The maximum weight loss rate and burn parameters of samples'DSC curve

由圖 1～7曲線和表 4可以看出,混合煤粉燃燒有后移的趨勢.Y7較 Y1,其燃燒初次最大失重率所對應(yīng)的溫度要提高 55.6℃.Y1試樣在 650℃時,99.6%左右的可燃質(zhì)基本燃盡;而加入添加劑后,兗州煤各試樣在 650℃時的燃盡率逐漸降低,Y7試樣在 650℃時的燃盡率為 87.7%,當(dāng)溫度處于 700～750℃時基本燃盡.混合煤粉試樣燃燒前期燃燒強(qiáng)度有所降低,可能是添加劑的加入造成了混合煤粉灰分含量增大所致;在燃燒后期,溫度處于 680～780℃,試樣燃燒失重率有所增加,并且當(dāng)溫度處于 750℃時,又出現(xiàn) 1個明顯的失重峰.這可能受被添加劑包裹的碳粒燃燒,以及混合煤粉中少量碳酸鹽分解和化合物脫羥基所致.

2.4 吸放熱特性分析

由圖 8～14中的 DSC曲線和表 5可以看出,Y1試樣 DSC曲線峰值較高,且在最高放熱峰的位置,曲線近乎水平且持續(xù)時間較長.這說明Y1燃燒放熱集中,放熱量較大.而摻入添加劑后混合煤粉放熱峰相對較窄,放熱量較少.原煤燃燒時的 DSC放熱峰值明顯高于摻入添加劑后混合煤粉試樣的燃燒,原煤的放熱曲線圍成的峰面積要比摻入添加劑后混合煤粉試樣燃燒的峰面積大的多.這是由于摻入添加劑后的混合煤粉的折算灰分增大,混合煤粉的發(fā)熱量減小的緣故.各試樣發(fā)熱量的測定值見表 6.試樣 DSC曲線在燃燒后期均出現(xiàn)了 1個吸熱失重峰.且隨著添加劑比例的增加,此吸熱失重峰峰值變大,峰面積增加.分析此吸熱失重峰失重出現(xiàn)的緣由,可能由于混合煤粉中添加劑包裹的炭粒在較高溫度下燃燒,以及試樣中存在的少量碳酸鹽分解和化合物脫羥基所致;而由于混合煤粉燃燒釋放的熱量小于其低溫灰中無機(jī)礦物反應(yīng)的吸熱量,DSC曲線在此階段表現(xiàn)為吸熱峰.并隨著混合煤粉中的可燃質(zhì)和無機(jī)礦物質(zhì)比例的減少,吸熱峰值增大,吸熱峰面積增加.表 5給出了初始煤灰、低溫灰中礦物質(zhì)在熱分析曲線上的反應(yīng)及其熱效應(yīng)[9].試樣 DSC曲線特征數(shù)據(jù)見表 6,表 6中DSCmax和 Tmax分別表示放熱峰峰值及對應(yīng)溫度,Tend分別表示放熱峰終止點對應(yīng)溫度.

表5 初始煤灰、低溫灰中礦物質(zhì)在熱分析曲線上的反應(yīng)Table5 Mineral reaction of initial ash and low temperature ash in thermal analysis curve

表6 試樣DSC曲線特征數(shù)據(jù)及發(fā)熱量測定Table6 The characteristics data and determination of calorific value of samples'DSC curve

3 結(jié)論

1)混合煤粉燃燒特性試驗結(jié)果表明,在摻入鈣基等添加劑后的混合煤粉燃燒熱失重速率曲線都有明顯的改變.摻入鈣基等添加劑后的混合煤粉燃燒熱失重曲線相對于原狀煤粉而言變得平緩,且隨著鈣基等添加劑比例的增加,燃燒熱失重曲線變得更加平緩.加入鈣基等添加劑且隨著鈣基等添加劑比例的增大,試樣的燃燒速率降低,燃燒明顯分為 2個階段,且試樣燃燒后移趨熱增大.

2)隨著混合煤粉鈣基等添加劑比例的增加,混合煤粉的著火溫度都有所升高,著火延遲時間變長,混合煤粉的穩(wěn)定性降低.但其著火溫度的增長幅度都不是太大,著火溫度變化范圍為 0～10℃.

3)隨著混合煤粉鈣基等添加劑比例的增加,由于混合燃料的可燃組分變少,總折算灰分增大,試樣的放熱量降低,燃盡時間延長.

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