平傳娟 鐘英杰 徐 璋

（浙江工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程研究所，浙江省杭州市，310014）

煤粉粒度對(duì)神華煤熱解及燃燒特性的影響＊

平傳娟 鐘英杰 徐 璋

（浙江工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程研究所，浙江省杭州市，310014）

采用瑞士梅特勒公司生產(chǎn)的TGA／SDTA851e熱重分析儀器研究了4種不同煤粉粒度神華煤的熱解、燃燒特性，考察了粒徑及升溫速率對(duì)熱解和燃燒的影響。采用不同的升溫速率制取兩組焦樣，進(jìn)行熱天平燃燒實(shí)驗(yàn)。用特征溫度表征燃燒過程特性，分析燃燒規(guī)律的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著制焦時(shí)煤粉粒徑的減小，煤焦的著火溫度提前，燃燒的劇烈程度增加，燃燒的穩(wěn)定性和燃燼程度得到了改善。由于揮發(fā)分的存在，煤粉燃燒過程中粒徑對(duì)于難燃質(zhì)燃燒的影響較小。

煤粉粒度 熱重分析 特征溫度 燃燒 熱解

顆粒粒度是煤粉物理結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對(duì)煤粉的微觀結(jié)構(gòu)有直接影響，是決定煤粉傳質(zhì)、傳熱特性的重要因素。煤粉是一種寬篩分組成，理論上包含有最大粒徑下任意大小的煤粉顆粒。在確定的煤粉粒度分布特性下，煤粉的燃燒性能是不同顆粒粒度的煤粉燃燒特性的綜合體現(xiàn)。眾多學(xué)者就顆粒粒度變化對(duì)煤粉氣化、燃燒及灰污染的影響開展了廣泛的研究，對(duì)粒度小于20μm的超細(xì)煤粉的低NOx排放也很關(guān)注，有的學(xué)者還從元素組成入手研究煤粉顆粒的物化特性。本文采用熱重分析法，著重研究常規(guī)煤粉爐燃用粒度范圍內(nèi)，煤粉顆粒粒度變化對(duì)燃燒性能的影響，探討顆粒粒度變化在熱解過程中的表現(xiàn)，同時(shí)還就升溫速率變化對(duì)煤粉熱解、燃燒性能的影響進(jìn)行了初步分析。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

本文研究的對(duì)象是神華煤經(jīng)過篩分后的4種不同粒度分布的煤粉顆粒，煤粉的工業(yè)分析及元素分析如表1所示。在瑞士梅特勒公司生產(chǎn)的TGA／SDTA851e型熱天平上對(duì)4種不同顆粒度的煤樣分別進(jìn)行熱解和燃燒實(shí)驗(yàn)。熱解實(shí)驗(yàn)溫度范圍50～1200℃，采用30℃／min和50℃／min兩種升溫速率，反應(yīng)氣體是高純氮?dú)猓瑲怏w流量90ml／min；燃燒實(shí)驗(yàn)溫度范圍50～1000℃，采用30℃／min和50℃／min兩種升溫速率，反應(yīng)氣體氧氣∶高純氮?dú)猓?∶2，氣體流量90ml／min。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 顆粒粒度對(duì)煤粉燃燒的影響

神華煤的工業(yè)分析結(jié)果見表1，煤粉燃燒分布曲線見圖1，可以看出，神華煤燃燒過程中有兩個(gè)失重速率高峰，我們將低溫時(shí)的速率高峰稱之為易燃峰，高溫時(shí)的速率高峰稱之為難燃峰。易燃峰反應(yīng)了燃燒初期揮發(fā)分和焦炭中易燃部分的燃燒狀況，難燃峰則主要反應(yīng)焦炭中難燃部分的燃燒狀況。易燃質(zhì)的燃燒在480℃左右達(dá)到最大失重速率，難燃質(zhì)的燃燒在560℃左右達(dá)到最大失重速率，兩次速率高峰出現(xiàn)的間隔最大相差80℃左右。煤粉顆粒粒度較粗時(shí)，煤粉燃燒的雙峰現(xiàn)象很明顯，隨著煤粉細(xì)度的增加易燃峰漸漸變?nèi)?，難燃峰逐漸增強(qiáng)。當(dāng)煤粉細(xì)度小于40μm時(shí)，燃燒的雙峰現(xiàn)象已經(jīng)基本消失。煤粉著火主要是揮發(fā)分析出著火而引燃焦炭顆粒著火，煤粉顆粒越細(xì)，煤粒的比表面積越大，熱反應(yīng)也就更加迅速，有利于揮發(fā)分的析出和煤粉顆粒的非均相著火。因此煤粉細(xì)度增加，難燃峰的起始失重提前，易燃質(zhì)的燃燒與難燃質(zhì)的燃燒的分界愈發(fā)不明顯，焦炭的燃燒劇烈程度增加，但是最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度變化并不明顯。

表1 煤樣的工業(yè)分析與元素分析

圖1 燃燒失重速率曲線

2.2 顆粒粒度對(duì)焦炭燃燒的影響

由于燃煤揮發(fā)分的析出著火只是形成煤粉穩(wěn)定燃燒的必要條件，由此可能引起煤焦的著火（對(duì)于高揮發(fā)分煤），但也可能不能發(fā)展成為穩(wěn)定的燃燒（對(duì)于低揮發(fā)分煤），因此煤焦的著火才是煤粉穩(wěn)定著火燃燒的充分條件，同時(shí)煤焦的燃燒也決定著煤粉燃燒的燃盡程度。為了更清晰的描述焦炭的燃燒，以熱天平為制焦設(shè)備，在50～1100℃的溫度范圍內(nèi)，分別以30℃／min和50℃／min的升溫速率進(jìn)行加熱，氣體為高純氮?dú)猓瑲怏w流量90ml／min，制備共7個(gè)焦樣。然后觀察焦樣以50℃／min的升溫速率從50℃加熱到900℃的燃燒狀況，反應(yīng)氣體氧氣∶高純氮?dú)猓?∶2，氣體流量90ml／min。

圖2 煤焦的燃燒失重速率曲線

圖2所示的是在50℃／min的升溫速率下制備的焦樣的燃燒分布曲線，可以看出，顆粒粒度對(duì)煤焦燃燒的影響非常明顯。煤粉顆粒越細(xì)則焦炭的著火溫度越低，燃燒越劇烈，焦樣的最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度越低，焦樣越容易燃盡。這和煤粉燃燒時(shí)難燃峰的燃燒規(guī)律是一致的。焦樣的燃燒最大速率對(duì)應(yīng)的溫度隨顆粒粒度的變化比較明顯，有別于煤粉難燃峰階段的燃燒，這是因?yàn)槊悍壑泻械膿]發(fā)分的燃燒為焦炭的燃燒提供了熱量，在一定的程度上縮小了焦炭燃燒階段煤粉顆粒粒度的影響。

2.3 燃燒的特征溫度分析

著火溫度是指開始燃燒反應(yīng)時(shí)的溫度，在熱重曲線上表現(xiàn)為開始失重時(shí)的溫度，反應(yīng)了煤種開始燃燒的難易程度。本實(shí)驗(yàn)4種不同粒度的煤粉的著火性能相近，均在430℃左右開始。50%有機(jī)質(zhì)燃盡溫度為煤粉燃燒過程中失重量為總失重量一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，這一特征溫度和最大反應(yīng)速率對(duì)應(yīng)的溫度都反應(yīng)了煤粉燃燒的劇烈程度。燃盡溫度反應(yīng)了焦炭燃燒的性能，燃盡溫度越高，則焦炭的燃燒越困難。本實(shí)驗(yàn)將煤粉燃燒轉(zhuǎn)化率達(dá)99%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度作為燃盡溫度。幾種特征溫度的數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示。其中T1為最大反應(yīng)速率對(duì)應(yīng)的溫度，T2為50%有機(jī)質(zhì)燃盡溫度，T3為燃盡溫度。

圖3 特征溫度分析

煤粉燃燒過程中，T2遠(yuǎn)小于T1，隨煤粉顆粒粒度的減小，T2明顯呈增大的趨勢(shì)，T1有微弱的下降，T1和T2兩個(gè)特征溫度的差異減小。煤焦燃燒過程中，隨煤粉細(xì)度的增加T1、T2均降低，T2的降幅更大，二者的差異也呈下降的趨勢(shì)，但是和煤粉燃燒不同，T2要高于T1。煤粉燃燒過程中，50%有機(jī)質(zhì)燃盡時(shí)主要是揮發(fā)分的燃燒，因此T2和樣品的揮發(fā)分含量關(guān)系密切，揮發(fā)分含量越高，T2相應(yīng)越低；而煤焦的燃燒則主要是固定碳的燃燒，細(xì)顆粒更有利于熱量和氣體的擴(kuò)散，加速了燃燒的進(jìn)程，因此，制焦顆粒越細(xì)T2越低。從燃盡溫度圖4上可以更為明顯的看出顆粒粒度變化對(duì)煤焦燃盡溫度的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)煤粉燃盡溫度的影響，顆粒粒度越細(xì)，燃盡溫度越低。煤粉的燃燒特征溫度均低于煤焦的燃燒特征溫度，可見揮發(fā)分的存在對(duì)燃燒所起的重大作用。

圖4 燃盡溫度對(duì)比

2.4 顆粒粒度對(duì)煤粉熱解的影響

煤的熱解是燃燒、氣化等過程的第一步，雖然在這些高溫過程中熱解在很短的時(shí)間內(nèi)就完成了，但它對(duì)整個(gè)過程都有影響。為了更好地理解燃燒的進(jìn)程，本文研究了不同粒度的煤粉的熱解過程。

圖5 熱解揮發(fā)分析出速率曲線

從揮發(fā)分析出速度曲線圖5可以看出熱解過程大致分為3個(gè)階段。200℃以前是干燥脫氣階段，主要析出水分和脫除吸附氣體。300℃以后出現(xiàn)的雙峰分別對(duì)應(yīng)以解聚和分解反應(yīng)為主的半焦形成階段和以縮聚為主的熟化成焦階段。煤粉熱解的最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度基本上不受煤粉顆粒粒度變化的影響，但是揮發(fā)分的析出速率受顆粒粒度變化影響較大。隨著煤粉顆粒粒度的減小，半焦形成階段揮發(fā)分的析出速率減小，熟化成焦階段揮發(fā)分的析出速率增大。大約在480℃附近，形成了半焦峰，隨后粗顆粒的析出速率急劇下降，而細(xì)顆粒的下降則相對(duì)緩慢。熟化成焦峰在690℃附近形成，細(xì)顆粒的揮發(fā)分析出速率高于粗顆粒的析出速率，并且在隨后的溫度范圍內(nèi)一直保持較高的析出速率，可見煤粉細(xì)度改善熱解特性主要體現(xiàn)在熟化成焦階段，這也就是細(xì)顆粒揮發(fā)分析出總產(chǎn)量大的原因。煤粉熱解揮發(fā)分析出速率曲線可以直觀地解釋煤粉的燃燒曲線變化。

圖6 燃燒轉(zhuǎn)化速率曲線

2.5 加熱速率對(duì)熱解、燃燒的影響

不同的升溫速率下，顆粒粒度對(duì)燃燒的影響規(guī)律基本相似，見圖1。由圖6可以看出，升溫速率增加，同一粒度的煤粉燃燒時(shí)易燃峰和難燃峰的燃燒速率降低，對(duì)應(yīng)的特征溫度相應(yīng)提高；易燃峰的后延略大于難燃峰的后延，兩峰之間的溫度差距有所減小；燃盡溫度提高。制焦時(shí)升溫速率增加制得的焦炭的燃燒性能變差，最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度提高，最大燃燒轉(zhuǎn)化速率降低，燃盡溫度也隨之提高。熱解失重速率曲線見圖7。分析表明，在較高的加熱速率下，揮發(fā)分的析出速度較快，相應(yīng)制得的焦樣的純度較大，因此高加熱速率下制得的焦樣的燃燒更能反應(yīng)焦炭燃燒的本質(zhì)特性。本文研究的兩種加熱速率都是在慢速加熱的范圍內(nèi)，僅用于說明熱天平實(shí)驗(yàn)條件的改變對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

圖7 熱解轉(zhuǎn)化率曲線

3 結(jié)論

（1）隨著煤粉顆粒粒度的減小，神華煤不同篩分的樣品灰分含量增加，揮發(fā)分含量有所降低。

（2）隨著煤粉顆粒粒度的減小，神華煤失重速率曲線的雙峰現(xiàn)象趨于消失，非均相著火現(xiàn)象明顯。煤粉的50%有機(jī)質(zhì)燃盡溫度提高，逐漸接近煤粉的最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度。

（3）隨著制焦時(shí)煤粉顆粒粒度的減小，焦炭的著火溫度降低，燃燒的劇烈程度增加，燃盡溫度明顯降低。

（4）隨著顆粒粒度的減小，熟化成焦階段的揮發(fā)分析出速度增加，這可以說明燃燒過程中焦炭的著火和燃燒穩(wěn)定性隨顆粒粒度的減小而改善的現(xiàn)象。

（5）隨著升溫速率的增加，揮發(fā)分的燃燒和焦炭的燃燒時(shí)間間隔縮小，趨于同步。煤粉燃燒的特征溫度有所提高。

（6）制焦時(shí)升溫速率增加制得的焦樣的燃燒性能有所降低，是由于焦樣的純度較高造成的，更能反應(yīng)焦炭本身的燃燒特性。

［1］ Hanson S，Patrick JW，Walker A.The effect of coal particle size on pyrolysis and stea m gasification［J］.Fuel，2002（5）

［2］ 姜秀民，楊海平，劉輝等.粉煤顆粒粒度對(duì)燃燒特性影響熱分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002（12）

［3］ Jiang Xiumin，Zheng Chuguang.Physical structure and co mbustion properties of super fine pulverized coal particle［J］.Fuel，2002（6）

［4］ 呂建焱，李定凱.不同粒徑煤粉燃燒后灰顆粒物的特性研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2005（5）

［5］ 王毅，趙陽(yáng)升，馮增朝.單軸應(yīng)力狀態(tài)下貧瘦煤熱解產(chǎn)氣規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)煤炭，2010（10）

［6］ 呂建焱，李晶欣.煤粉物化特性對(duì)燃燒后灰顆粒物的影響［J］.燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）

［7］ 賈艷艷，畢明樹，柳智.煤粉粒度對(duì)超細(xì)煤粉再燃脫硝效率影響的數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2008（11）

［8］ 姜秀民，魏礫宏，黃庠永等.超細(xì)煤粉在氧化條件下NOx的釋放特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2008（3）

［9］ 李永華，董建勛，馮兆興等.不同粒度煤粉顆粒元素含量變化特性研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007（23）

Influence of coal particle size on pyrolysis and combustion characteristics of coal samples from Shenhua Group

Ping Chuanjuan，Zhong Yingjie，Xu Zhang
（Energy and Power Engineering Institute，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

The characteristics of pyrolysis and combustion of coal samples from Shenhua Group in four different particle sizes were analyzed on a TGA／SDTA851ethermogravi metric analyzer made by Mettler company.Moreover，the effect of particle size and heating rate on the pyrolysis and the combustion were discussed.Two coke samples were obtained at the different heating rates and then burned on the ther mobalance.The characteristic temperatures were used to characterize the co mbustion and analyze its variation law.The results showed that the decrease of particle size promoted the start of combustion，enhanced the violence of combustion，and improved the stability of combustion and the degree of burn－out.Owing to the volatile matters，the particle size had little influence on the combustion of non－flammable matters.

coal particle size，thermogravimetric analysis，characteristic temperatures，combustion，pyrolysis

TQ534

A

浙江省教育廳科研項(xiàng)目（200803830）

平傳娟（1978－），女，山東日照人，講師、博士，主要從事優(yōu)化動(dòng)力配煤及混煤潔凈燃燒技術(shù)的研究。

（責(zé)任編輯 梁子榮）