呂當(dāng)振,李文軍,段學(xué)農(nóng),于鵬峰
(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院,湖南 長(zhǎng)沙410007)
近年來(lái),裝機(jī)容量不斷增加,原煤供應(yīng)日趨緊張,大量電站鍋爐實(shí)際燃用煤種嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤種,使得鍋爐排煙溫度升高,飛灰、爐渣含碳量顯著上升,嚴(yán)重影響了電廠燃燒經(jīng)濟(jì)性。此外,為了深度利用煤炭資源,煤矸石、極低揮發(fā)分無(wú)煙煤、劣質(zhì)無(wú)煙煤以及石油焦等大量難燃燃料投入使用,進(jìn)一步降低了鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性,更為嚴(yán)重的是燃燒不穩(wěn)、結(jié)焦結(jié)渣、全爐膛滅火等已嚴(yán)重影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。研究選用4 種無(wú)煙煤其中2 種極低揮發(fā)分無(wú)煙煤和石油焦,通過(guò)熱重研究著火與可燃性、燃盡特性、綜合燃燒特性等,同時(shí)對(duì)比研究了無(wú)煙煤與石油焦在著火與燃燒特性方面的差異,進(jìn)而闡述無(wú)煙煤與石油焦燃燒特性,為進(jìn)一步利用低揮發(fā)分無(wú)煙煤與石油焦提供參考。
選用4 種無(wú)煙煤其中2 種極低揮發(fā)分無(wú)煙煤和1 種石油焦作為研究對(duì)象,其工業(yè)、元素及發(fā)熱量分析見(jiàn)表1。從表中數(shù)據(jù)可知,無(wú)煙煤A/B 干燥無(wú)灰基揮發(fā)分低,僅在5%左右,無(wú)煙煤C 揮發(fā)分較高,無(wú)煙煤D 發(fā)熱量低,且灰分明顯高于其他3種無(wú)煙煤;石油焦較無(wú)煙煤有明顯差別,其特點(diǎn)為灰分低(5.42%),發(fā)熱量明顯高于無(wú)煙煤,固定碳含量高(87.03%),但其燃盡性差。
表1 無(wú)煙煤與石油焦工業(yè)、元素及發(fā)熱量分析
試驗(yàn)在德國(guó)NETZSCH 公司的STA449 型同分析儀上進(jìn)行,試驗(yàn)氣氛為O2∶ N2為21∶ 79,流量為100 ml/min,用于模擬實(shí)際爐內(nèi)燃燒,升溫速率為25 ℃/min,起始溫度30 ℃,終止溫度為1 350℃,樣品量為10 mg 左右,樣品細(xì)度小于100 μm。試驗(yàn)過(guò)程描述:將一定質(zhì)量樣品放入儀器的坩堝中,在恒定升溫速率下加熱氧化、燃燒,記錄樣品質(zhì)量隨溫度的變化,得到熱重曲線,并利用Thermal Analysis 軟件分析,對(duì)比研究無(wú)煙煤與石油焦在著火與可燃性、燃盡特性和綜合燃燒特性方面的差異。
圖1,2 為無(wú)煙煤A-D 以及石油焦的失重曲線(TG)和失重速率曲線(DTG)。從圖中可知,O2∶N2為21∶ 79。燃燒主要分為3 個(gè)階段:第1 階段,隨著溫度的升高,水分不斷析出,失去內(nèi)在水;第2 階段:揮發(fā)分析出,并發(fā)生著火,失重速率曲線快速下降,并達(dá)到最大值;第3 階段:隨著可燃質(zhì)逐漸消耗殆盡,失重速率曲線逐漸平緩,進(jìn)入燃盡階段,最終TG 曲線趨于水平。
雖然無(wú)煙煤與石油焦燃燒曲線相似,但也存在顯著差異,從失重曲線上看,5 種樣品失重有明顯先后順序,石油焦最先開(kāi)始失重析出揮發(fā)分,而無(wú)煙煤A 和無(wú)煙煤D 最后開(kāi)始析出揮發(fā)分,揮發(fā)分析出越早,越有利于初期著火燃燒,說(shuō)明石油焦更易著火燃燒;同樣代表燃燒強(qiáng)度的最大失重速率DTG 曲線,也有明顯差異,石油焦最先達(dá)到最大失重速率,意味著其最先達(dá)到快速燃燒區(qū),而無(wú)煙煤C 失重速率最大,說(shuō)明其后期燃燒更加劇烈。因此,從TG 和DTG 曲線中,可以定性地判定煤種燃燒的難易程度,但不能定量分析其可燃特性、燃盡特性以及綜合燃燒特性,這對(duì)高效利用低揮煤以及石油焦是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文將借助于分析軟件和經(jīng)驗(yàn)公式,深入研究其綜合燃燒性能。
采用熱重TG -DTG 法來(lái)確定煤的著火溫度,即在DTG 燃燒失重速率曲線上,過(guò)峰值點(diǎn)做垂線與熱失重曲線TG 交于一點(diǎn),過(guò)交點(diǎn)做TG 的切線,該切線與失重開(kāi)始時(shí)平行線交于一點(diǎn),此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度為著火溫度Ti。表2 為無(wú)煙煤與石油焦著火溫度,從表中數(shù)據(jù)可知,石油焦的著火溫度最低,其著火性能最好,無(wú)煙煤C 次之,無(wú)煙煤B 和無(wú)煙煤D 相似,無(wú)煙煤A 最差。
為了進(jìn)一步研究煤粉著火特性,本文利用文獻(xiàn)〔1 -2〕提出的可燃性指數(shù)(dw/dτ)max/T2i ,研究煤燃燒初期的反應(yīng)能力。從表2 中可知,石油焦在燃燒初期反應(yīng)能力最強(qiáng),著火溫度最低,保持一致;其次是無(wú)煙煤C,這同樣與其著火溫度保持一致;雖然無(wú)煙煤D 著火溫度不是最高,但其可燃性指數(shù)最小,說(shuō)明煤粉燃燒初期反應(yīng)能力不僅受著火溫度影響,同時(shí)也受其自身構(gòu)成影響。
式中 E 為活化能,kJ/mol;R 為氣體常數(shù),R =8.31 J/ (mol·K);dw/dτ 為燃燒速率,mg/min;(dw/dτ)max為最大燃燒速率,mg/min;(dw/dτ)i為著火溫度下燃燒速率,mg/min;(dw/dτ)mean為平均燃燒速率,mg/min。
表2 無(wú)煙煤與石油焦著火溫度與可燃性指數(shù)
從前文2.1 分析可知,著火溫度Ti以及可燃性指數(shù)(dw/dτ)max/T2i 僅僅反映了可燃質(zhì)燃燒初期的著火特性和燃燒特性,但對(duì)于燃煤鍋爐而言,除應(yīng)關(guān)注煤粉著火、穩(wěn)定燃燒外,煤粉燃燒飛灰、爐渣含碳量也是運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性關(guān)鍵指標(biāo),不同的煤種在同一種爐型燃燒時(shí),其燃盡特性有顯著差別,因此進(jìn)一步研究煤粉燃盡特性十分必要〔6〕。定義煤粉燃盡特性指數(shù)為:
式中 τ0為煤粉燃燒從開(kāi)始到燃燒98%可燃質(zhì)的時(shí)間定義為燃盡時(shí)間,min;f1為著火溫度Ti對(duì)應(yīng)的失重量/可燃質(zhì)含量,定義為初始燃盡率;f2=98% - f1為定義為后期燃盡率;f1代表了揮發(fā)分含量對(duì)著火特性的影響,其值越大,可燃性越好;f2代表了煤中碳的燃盡性能,與煤化程度、碳賦存形式、固定碳含量、燃燒中間產(chǎn)物焦炭結(jié)構(gòu)等有關(guān),其值越大,后期燃盡性能越好。從表3 可知,無(wú)煙煤C 可燃性指數(shù)最大,其燃盡性能最好,無(wú)煙煤D與石油焦燃盡性指數(shù)最小,其燃盡性能最差,石油焦燃盡指數(shù)低,主要是其固定碳含量極高,空干基為87.03%,勢(shì)必其燃盡時(shí)間增長(zhǎng),導(dǎo)致燃盡性能變差,這與鍋爐實(shí)際燃燒石油焦飛灰含碳量高一致。鑒于此,在燃用煤化程度高、固定碳含量大的煤種時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)配風(fēng)、提高爐膛溫度以及將難燃煤從底層燃燒器送入方式,提高其燃盡率。
表3 無(wú)煙煤與石油焦燃盡特性指數(shù)
為進(jìn)一步研究煤粉著火、穩(wěn)燃與燃盡特性,為電廠燃用煤種提供綜合參考,本文采用了綜合燃燒特性指數(shù)SN表征煤的著火與燃盡特性〔6-7〕。定義過(guò)程如下:對(duì)于緩慢加熱燃燒過(guò)程(熱重燃燒過(guò)程),燃燒反應(yīng)初期即著火階段可認(rèn)為由化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素控制,可近似用阿累尼烏斯定律表達(dá)燃燒速率,即:
式中 A 為指前因子,min-1;T 為煤粉顆粒溫度,K。
對(duì)上式求導(dǎo),并取T = Ti,整理后:
經(jīng)整理后可得:
從表4 可知,無(wú)煙煤B 和無(wú)煙煤C 綜合燃燒特性最佳,其次是石油焦,再則是無(wú)煙煤A,無(wú)煙煤D 最差,這與上述分析D 可燃性與燃盡特性最差保持一致,也說(shuō)明了綜合燃燒特性指數(shù)能夠準(zhǔn)確反映可燃質(zhì)綜合燃燒特性。
表4 無(wú)煙煤與石油焦綜合燃燒特性指數(shù)
利用進(jìn)口的STA449 型同步熱分析儀對(duì)4 種無(wú)煙煤和1 種石油焦的著火與可燃性、燃盡性、綜合燃燒特性等方面進(jìn)行了研究,結(jié)果闡明了無(wú)煙煤與石油焦著火與燃盡特性,為電站鍋爐燃用無(wú)煙煤及石油焦,尤其是低揮發(fā)分無(wú)煙煤,提供重要參考。同時(shí)文章重點(diǎn)對(duì)比研究了無(wú)煙煤與石油焦的著火與可燃性、燃盡性、綜合燃燒特性,與選用的4 種無(wú)煙煤相比,石油焦著火燃燒特性與無(wú)煙煤類似,其著火溫度低,可燃性較好,綜合燃燒特性居中,但其燃盡特性較差,這與其固定碳含量高,以及燃燒中形成的中間產(chǎn)物焦炭結(jié)構(gòu)有關(guān),因此在利用過(guò)程中需重點(diǎn)考慮。
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