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        無煙煤與石油焦燃燒特性的對比試驗研究

        2013-11-25 02:44:42呂當(dāng)振李文軍段學(xué)農(nóng)于鵬峰
        湖南電力 2013年2期
        關(guān)鍵詞:可燃性石油焦無煙煤

        呂當(dāng)振,李文軍,段學(xué)農(nóng),于鵬峰

        (國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院,湖南 長沙410007)

        近年來,裝機容量不斷增加,原煤供應(yīng)日趨緊張,大量電站鍋爐實際燃用煤種嚴重偏離設(shè)計煤種,使得鍋爐排煙溫度升高,飛灰、爐渣含碳量顯著上升,嚴重影響了電廠燃燒經(jīng)濟性。此外,為了深度利用煤炭資源,煤矸石、極低揮發(fā)分無煙煤、劣質(zhì)無煙煤以及石油焦等大量難燃燃料投入使用,進一步降低了鍋爐燃燒經(jīng)濟性,更為嚴重的是燃燒不穩(wěn)、結(jié)焦結(jié)渣、全爐膛滅火等已嚴重影響鍋爐安全穩(wěn)定運行。研究選用4 種無煙煤其中2 種極低揮發(fā)分無煙煤和石油焦,通過熱重研究著火與可燃性、燃盡特性、綜合燃燒特性等,同時對比研究了無煙煤與石油焦在著火與燃燒特性方面的差異,進而闡述無煙煤與石油焦燃燒特性,為進一步利用低揮發(fā)分無煙煤與石油焦提供參考。

        1 試驗

        1.1 實驗煤種

        選用4 種無煙煤其中2 種極低揮發(fā)分無煙煤和1 種石油焦作為研究對象,其工業(yè)、元素及發(fā)熱量分析見表1。從表中數(shù)據(jù)可知,無煙煤A/B 干燥無灰基揮發(fā)分低,僅在5%左右,無煙煤C 揮發(fā)分較高,無煙煤D 發(fā)熱量低,且灰分明顯高于其他3種無煙煤;石油焦較無煙煤有明顯差別,其特點為灰分低(5.42%),發(fā)熱量明顯高于無煙煤,固定碳含量高(87.03%),但其燃盡性差。

        表1 無煙煤與石油焦工業(yè)、元素及發(fā)熱量分析

        1.2 實驗儀器與實驗過程

        試驗在德國NETZSCH 公司的STA449 型同分析儀上進行,試驗氣氛為O2∶ N2為21∶ 79,流量為100 ml/min,用于模擬實際爐內(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,樣品細度小于100 μm。試驗過程描述: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,對比研究無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。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 無煙煤與石油焦TG 與DTG 曲線分析

        圖1,2 為無煙煤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,進入燃盡階段,最終TG 曲線趨于水平。

        雖然無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,石油焦最先開始失重析出揮發(fā)分,而無煙煤A 和無煙煤D 最后開始析出揮發(fā)分,揮發(fā)分析出越早,越有利于初期著火燃燒,說明石油焦更易著火燃燒;同樣代表燃燒強度的最大失重速率DTG 曲線,也有明顯差異,石油焦最先達到最大失重速率,意味著其最先達到快速燃燒區(qū),而無煙煤C 失重速率最大,說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,這對高效利用低揮煤以及石油焦是遠遠不夠的。本文將借助于分析軟件和經(jīng)驗公式,深入研究其綜合燃燒性能。

        2.2 著火與可燃特性

        采用熱重TG -DTG 法來確定煤的著火溫度,即在DTG 燃燒失重速率曲線上,過峰值點做垂線與熱失重曲線TG 交于一點,過交點做TG 的切線,該切線與失重開始時平行線交于一點,此點對應(yīng)的溫度為著火溫度Ti。表2 為無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,無煙煤C 次之,無煙煤B 和無煙煤D 相似,無煙煤A 最差。

        為了進一步研究煤粉著火特性,本文利用文獻〔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,著火溫度最低,保持一致;其次是無煙煤C,這同樣與其著火溫度保持一致;雖然無煙煤D 著火溫度不是最高,但其可燃性指數(shù)最小,說明煤粉燃燒初期反應(yīng)能力不僅受著火溫度影響,同時也受其自身構(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 無煙煤與石油焦著火溫度與可燃性指數(shù)

        2.3 燃盡特性分析

        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、爐渣含碳量也是運行經(jīng)濟性關(guān)鍵指標(biāo),不同的煤種在同一種爐型燃燒時,其燃盡特性有顯著差別,因此進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為煤粉燃燒從開始到燃燒98%可燃質(zhì)的時間定義為燃盡時間,min;f1為著火溫度Ti對應(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,無煙煤C 可燃性指數(shù)最大,其燃盡性能最好,無煙煤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%,勢必其燃盡時間增長,導(dǎo)致燃盡性能變差,這與鍋爐實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,通過調(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 無煙煤與石油焦燃盡特性指數(shù)

        2.4 綜合燃燒特性

        為進一步研究煤粉著火、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〕。定義過程如下:對于緩慢加熱燃燒過程(熱重燃燒過程),燃燒反應(yīng)初期即著火階段可認為由化學(xué)動力學(xué)因素控制,可近似用阿累尼烏斯定律表達燃燒速率,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,無煙煤B 和無煙煤C 綜合燃燒特性最佳,其次是石油焦,再則是無煙煤A,無煙煤D 最差,這與上述分析D 可燃性與燃盡特性最差保持一致,也說明了綜合燃燒特性指數(shù)能夠準確反映可燃質(zhì)綜合燃燒特性。

        表4 無煙煤與石油焦綜合燃燒特性指數(shù)

        3 結(jié)論

        利用進口的STA449 型同步熱分析儀對4 種無煙煤和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行了研究,結(jié)果闡明了無煙煤與石油焦著火與燃盡特性,為電站鍋爐燃用無煙煤及石油焦,尤其是低揮發(fā)分無煙煤,提供重要參考。同時文章重點對比研究了無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 種無煙煤相比,石油焦著火燃燒特性與無煙煤類似,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),因此在利用過程中需重點考慮。

        〔1〕相光大,姚偉. 煤粉氣流著火溫度的試驗測定〔D〕. 1990.

        〔2〕Essenhigh R H. Ignition of Coal Particles:A Review 〔J〕.Combustion and Flame,1989,77 (1):3-30.

        〔3〕聶其紅,孫紹增,李爭起,等. 褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究〔J〕. 燃燒科學(xué)與技術(shù),2001,7 (1):72-76.

        〔4〕孫學(xué)信. 燃煤鍋爐燃燒試驗技術(shù)與方法〔M〕. 北京:中國電力出版社,2002.

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