邵 歡，劉睿瓊，黃星智，王 哲，王春波

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2. 太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

恒定高溫下煤粉燃燒特性及模型模擬

邵 歡1，劉睿瓊2，黃星智1，王 哲1，王春波1

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2. 太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

熱天平(TGA)是最常用的研究煤粉爐內(nèi)燃燒特性的設(shè)備，但由于設(shè)備本身需要逐步升溫的局限性，不能得到特定溫度下煤粉的燃燒動(dòng)力學(xué)。利用自制恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)幾種典型煤種進(jìn)行恒定高溫情況下的燃燒失重實(shí)驗(yàn)，研究了溫度、煤種等因素對(duì)煤粉燃燒特性的影響。結(jié)果表明：煤粉突然置于恒定高溫條件下燃燒，隨溫度的升高，失重速率逐漸增大，燃盡時(shí)間縮短，同時(shí)失重速率峰值升高，而且后移，使反應(yīng)初期更多的揮發(fā)分析出，燃燒更加劇烈。提高溫度可以改善煤粉著火與燃盡特性。煤種的煤化程度越低，揮發(fā)分含量越高，燃燒初期速率高，著火特性越好。揮發(fā)分析出燃燒和焦炭的燃燒存在時(shí)間上的重疊。利用一維均相反應(yīng)模型模擬計(jì)算恒定高溫下的煤粉燃燒過程，判定系數(shù)高達(dá)0.96，結(jié)果較精確，可為實(shí)際鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供一定的參考價(jià)值。

高溫；煤粉；燃燒特性；動(dòng)力學(xué)模型

0 引言

常規(guī)煤粉鍋爐工作時(shí)爐膛溫度多在1 100 ℃以上，局部溫度甚至高達(dá)1 500 ℃，同時(shí)煤粉燃燒的數(shù)學(xué)模型也逐漸應(yīng)用于鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行。因此，研究煤粉高溫下燃燒特性并精確的計(jì)算煤粉高溫下燃燒過程，尤其是動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對(duì)電站鍋爐有重大的實(shí)際意義。部分學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究，文獻(xiàn)[1]利用熱重實(shí)驗(yàn)研究了煤粉燃燒特性，發(fā)現(xiàn)低氧濃度下燃燒反應(yīng)TG和DTG曲線向高溫區(qū)靠近，著火溫度基本不變，燃盡溫度提高，燃燒速率下降。文獻(xiàn)[2]通過熱重分析研究顯示揮發(fā)分含量對(duì)于低階煤燃燒速率的影響較大，而高階煤主要受反應(yīng)表面形態(tài)的影響，熱解發(fā)生在煤燃燒的整個(gè)過程，但熱解過程對(duì)失重份額的增加貢獻(xiàn)較小，其并沒有直接提升燃燒反應(yīng)的整體速率。文獻(xiàn)[3]利用熱天平研究發(fā)現(xiàn)，隨溫度的升高，煤粉燃燒特性能夠改善，但溫度對(duì)煤粉燃燒性能的影響受氧氣濃度的制約，同時(shí)研究顯示煤粉燃燒時(shí)存在某個(gè)溫度區(qū)間，可以較大程度的改善燃燒性能。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為高溫會(huì)使煤焦結(jié)構(gòu)更加致密并發(fā)生結(jié)晶、石墨化導(dǎo)致后期燃燒速率下降。文獻(xiàn)[5]利用熱分析法將燃盡度引入化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)燃燒模型，對(duì)不同恒定溫度下的燃燒速率進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

以往的研究，多采用熱天平逐漸升溫的方法。熱天平逐漸升溫法，由于升溫速率較低(一般20～30 ℃/min)，且是從室溫開始，導(dǎo)致煤粉溫度逐步升高，從而出現(xiàn)明顯的水分、揮發(fā)分等的析出階段。實(shí)際工程應(yīng)用中，煤粉進(jìn)入爐膛后馬上處于高溫燃燒狀態(tài)，升溫速率達(dá)(0.5～1.0)×104℃/s，因此逐漸升溫方法與實(shí)際情況有較大出入。煤粉升溫過程中到開始燃燒前，實(shí)際上已發(fā)生熱解反應(yīng)，使得對(duì)煤粉燃燒特性的分析由于缺少了揮發(fā)分、水分等的影響而不完整。同時(shí)，1 300～ 1 500 ℃區(qū)間煤粉燃燒動(dòng)力學(xué)的研究，因?yàn)樵诘竭_(dá)該溫度前常規(guī)TGA研究方法煤粉已經(jīng)燃燒完畢，所以這方面的動(dòng)力學(xué)研究到目前為止幾乎為空白。本文利用自制恒溫?zé)嶂叵到y(tǒng)，克服常規(guī)TGA逐步升溫產(chǎn)生的上述問題，將煤粉突然置于恒定高溫環(huán)境，通過獲得實(shí)時(shí)燃燒特性曲線，得到空氣氣氛下各因素對(duì)煤粉燃燒的影響規(guī)律，并用模型計(jì)算和模擬燃燒過程。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。智能溫控管式爐能夠提供恒定的高溫環(huán)境，其溫度可調(diào)范圍為700～1 700 ℃，控溫精度±5 ℃，恒溫區(qū)長度200 mm。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)煤粉質(zhì)量實(shí)時(shí)變化情況進(jìn)行記錄，記錄頻率為1個(gè)/s。稱量精度為±1 mg，相對(duì)誤差±0.5 %。由于數(shù)據(jù)波動(dòng)需要進(jìn)行濾波處理，相對(duì)誤差在±0.5 %范圍內(nèi)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[6～8]，已證明該系統(tǒng)具有較高的精度和可靠性。

圖1 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

選取4種典型煤種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各單煤的工業(yè)分析與元素分析如表1所示，粒徑范圍120～180 μm。實(shí)驗(yàn)時(shí)每次稱取80±2mg試樣，均勻平鋪于長約100 mm，內(nèi)寬為9 mm的剛玉舟內(nèi)。通入空氣總流量為0.16 Nm3/h，前期性實(shí)驗(yàn)表明，該流量已經(jīng)能有效消除反應(yīng)過程中氣體擴(kuò)散的影響(再增加流量同一工況下煤粉的動(dòng)力學(xué)特性不再發(fā)生明顯變化)。各工況試驗(yàn)流程如下：首先根據(jù)工況要求將管式爐膛升溫至某一恒定溫度(如1 250 ℃)，接著用空氣吹掃10 min(溫度會(huì)保持恒定)，將裝有80±2 mg的剛玉舟放入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，然后將裝有導(dǎo)軌的管式爐膛快速推向剛玉舟，使剛玉舟處于爐膛內(nèi)的恒溫區(qū)(實(shí)測(cè)小于1 s)，最后通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在電腦上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到樣品的重量信號(hào)。

表1 原煤的工業(yè)分析和元素分析

1.2 實(shí)驗(yàn)分析方法

煤樣燃燒特性采用失重余額百分比α(t)進(jìn)行分析。失重余額百分比等于t時(shí)刻試樣剩余質(zhì)量與初始質(zhì)量之比。定義當(dāng)失重余額百分比變化量小于2%時(shí)為燃盡時(shí)刻。

式中：m0表示試樣的初始質(zhì)量；mt表示燃燒過程中的瞬時(shí)質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 恒溫?zé)嶂嘏c常規(guī)熱重對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在空氣氣氛下，選取新疆褐煤在自制恒溫?zé)嶂嘏c常規(guī)TGA上進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。

從圖2中可以看出，恒溫1 100 ℃，與逐漸升溫到1 100 ℃失重曲線存在明顯不同。恒溫實(shí)驗(yàn)過程，將煤粉突然置于高溫下，揮發(fā)分瞬間析出燃燒，焦炭也同時(shí)燃燒，更加接近工程實(shí)際(煤粉進(jìn)入爐膛燃燒的過程)。從圖2(a)逐漸升溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)看出，初期溫度低水分最先析出，隨著溫度的升高揮發(fā)分析出，大約在400 ℃時(shí)揮發(fā)分大量釋放，然后到達(dá)煤粉著火點(diǎn)，焦炭燃燒直至燃盡(大約700 ℃煤粉已燃盡)，同時(shí)由于升溫速率的不同，導(dǎo)致TGA曲線有差異。圖2(b)發(fā)現(xiàn)恒溫實(shí)驗(yàn)失重曲線有一個(gè)轉(zhuǎn)折(失重余額為60 %)，可能是因?yàn)閷⒚悍弁蝗恢糜? 100 ℃的恒溫環(huán)境，煤粉中揮發(fā)分迅速析出燃燒，揮發(fā)分初期燃燒劇烈，焦炭燃燒受限所致，這有別于圖2(a)逐漸升溫?zé)崽炱綄?shí)驗(yàn)水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出燃燒、焦炭燃燒比較分明的階段。

圖2 常規(guī)TGA和恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)曲線

2.2 反應(yīng)溫度影響

根據(jù)阿累尼烏斯定律知，燃燒反應(yīng)速率與溫度呈指數(shù)關(guān)系。首先本文選用1 150 ℃、1 250 ℃、1 350 ℃、1 450 ℃和1 550 ℃五個(gè)溫度研究了空氣條件下溫度對(duì)新疆褐煤燃燒特性的影響，如圖3所示。其中失重百分比速率是失重百分比的導(dǎo)數(shù)，為更好顯示煤粉高溫燃燒的特征，失重速率曲線的橫坐標(biāo)為失重百分比。

由圖3(a)可以看出燃燒基本分為兩個(gè)階段。煤粉突然置于高溫環(huán)境，水分和揮發(fā)分迅速析出，揮發(fā)分著火燃燒，初期失重速率較大，為初始燃燒；然后進(jìn)入一個(gè)失重速率較低的主燃燒階段，直至燃盡。主燃燒階段時(shí)間較長，主要為焦炭燃燒。另外，隨溫度的升高，失重速率逐漸增大，燃盡時(shí)間縮短。圖3(a)還可看出溫度由1 150 ℃提高到1 550 ℃，新疆褐煤燃盡時(shí)間縮短了一半多。圖3(b)表明隨溫度提高，失重速率峰值升高，而且后移，意味著反應(yīng)初期更多的揮發(fā)分析出，燃燒更加劇烈，而主燃燒過程時(shí)間則有所縮短。圖3(b)表明溫度升高，整個(gè)燃燒過程燃燒初期速率增大的幅度更大，而焦炭燃燒階段燃燒速率增加的幅度較小，所以通過提高溫度可以很好的改善煤粉著火特性。文獻(xiàn)[4]研究顯示燃燒后期氧量充足，燃燒受化學(xué)動(dòng)力控制，導(dǎo)致不同煤焦燃燒速率基本相同。此外，可推斷出溫度升高煤粉燃盡特性得到改善，主要因?yàn)楦邷叵律筛嗟膿]發(fā)分，而以焦炭形式剩余的可燃質(zhì)逐漸減少，從而燃盡時(shí)間縮短。圖3(b)顯示溫度由1 450 ℃到1 550 ℃，燃燒初期峰值部分增加的幅度較其他溫度低，即相比在這一溫度段增加溫度揮發(fā)分增加量有限，同時(shí)也表明在這一溫度段擴(kuò)散影響更加明顯。

圖3 新疆褐煤不同溫度下燃燒特性曲線

2.3 煤種影響

由于揮發(fā)分對(duì)煤粉燃燒有重要作用，選取4種揮發(fā)分差別較大的新疆褐煤、云南褐煤、塔山煙煤、陽泉無煙煤研究了空氣條件下煤種對(duì)高溫燃燒特性的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)高溫爐溫度控制在1 250 ℃，結(jié)果如圖4所示。

圖4 1 250 ℃時(shí)不同煤種燃燒特性曲線

由圖4(a)可看出，相比初始階段，4種煤種的主燃燒階段時(shí)間均較長，主要為焦炭燃燒，速率較為緩慢，煤化程度越高這一時(shí)間占的比例越大。同時(shí)由圖4(b)可看出，新疆褐煤和云南褐煤速率峰值較大，塔山煙煤速率峰值較小，而陽泉無煙煤在燃燒初期基本上沒有速率峰值。主要原因是，煤種的煤化程度越低，揮發(fā)分含量越高，因而燃燒初期速率高，著火特性越好。圖4(b)還表明，揮發(fā)分較高的兩種褐煤，當(dāng)失重余額百分比達(dá)到工業(yè)分析中揮發(fā)分值之前時(shí)，其燃燒速率已經(jīng)下降到較低水平，同時(shí)結(jié)合圖4(a)中兩種褐煤燃燒過程的失重曲線過渡平滑，可以推斷：煤粉突然置于恒定的高溫環(huán)境，揮發(fā)分析出燃燒和焦炭的燃燒存在重疊。這是因?yàn)閷⒚悍弁蝗恢糜诟邷丨h(huán)境，煤粉顆粒升溫速率很快，會(huì)使得揮發(fā)分和焦炭同時(shí)燃燒，但初期揮發(fā)分析出、燃燒消耗大量的氧氣，焦炭表面的氧量幾乎為零[9]，導(dǎo)致焦炭的失重受限，對(duì)總失重貢獻(xiàn)較少[10]，但隨著反應(yīng)的進(jìn)行，揮發(fā)分析出量減少，焦炭燃燒份額增加。從圖4(b)還可以看出，隨煤種不同，主燃燒階段焦炭燃燒速率略有不同，兩種褐煤基本一致，速率較高，塔山煙煤和陽泉無煙煤基本一致，速率較低。說明揮發(fā)分的含量對(duì)燃燒后期焦炭燃燒過程有一定影響。揮發(fā)分析出后劇烈燃燒導(dǎo)致焦炭表面形成大量孔結(jié)構(gòu)[11]，利于氧氣擴(kuò)散，加速了燃燒反應(yīng)，煤中揮發(fā)分含量高，這一促進(jìn)作用更加明顯。因此褐煤主燃燒階段的焦炭燃燒速率要比煙煤和無煙煤的高。

3 動(dòng)力學(xué)模型

3.1 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

為了了解恒定高溫下煤粉燃燒本質(zhì)，精確計(jì)算煤粉高溫下燃燒過程，利用一維均相模型計(jì)算燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)。動(dòng)力學(xué)方程表示如下：

式中：α為試樣的轉(zhuǎn)化率；t為反應(yīng)時(shí)間；A為頻率因子；E為活化能；R為氣體反應(yīng)常數(shù)；T為反應(yīng)溫度。該模型數(shù)學(xué)處理較簡單，在煤燃燒動(dòng)力學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。通過積分與線性擬合求出A與E的值，再代入以下式子求出不同溫度下的α-t模擬曲線：

模型計(jì)算結(jié)果如表2所示。從中可知煤階程度越低，活化能越低，燃燒越容易進(jìn)行。在相同溫度下析出揮發(fā)分的含量越多，則揮發(fā)分分子間碰撞就越劇烈，更容易形成活化分子，因此燃燒越容易進(jìn)行。

表2 恒定高溫條件下煤粉燃燒模型計(jì)算結(jié)果

3.2 模擬結(jié)果

為了直觀判斷模型模擬的準(zhǔn)確度，在不同工況下對(duì)比實(shí)驗(yàn)曲線與模擬曲線，如圖5所示。

圖5 不同工況下實(shí)驗(yàn)曲線與模擬曲線對(duì)比

判定系數(shù)[12]主要反映的是模型缺欠和實(shí)驗(yàn)誤差等因素對(duì)模型模擬的影響程度，因此常用來檢驗(yàn)一個(gè)模型模擬好壞的程度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同工況下模型的判定系數(shù)

由圖5可知，采用一維均相模型計(jì)算得到的模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線重合度較高，同時(shí)從表3可看出模型的判定系數(shù)均在0.96以上，更加說明該模型能夠較精確地計(jì)算恒定高溫下煤粉燃燒過程。

4 結(jié)論

(1)熱天平(TGA)是最常用的研究煤粉爐內(nèi)燃燒特性的設(shè)備，但由于設(shè)備本身需要逐步升溫的局限性，不能得到特定溫度下煤粉的燃燒動(dòng)力學(xué)。煤粉突然置于恒定高溫條件下燃燒，隨溫度的升高，失重速率逐漸增大，燃盡時(shí)間縮短，同時(shí)失重速率峰值升高，而且后移，使反應(yīng)初期更多的揮發(fā)分析出，燃燒更加劇烈。提高溫度可以很好地改善煤粉著火與燃盡特性。

(2)煤種的煤化程度越低，揮發(fā)分含量越高，燃燒初期速率高，著火特性越好。揮發(fā)分析出燃燒和焦炭的燃燒存在重疊。

(3)利用一維均相反應(yīng)模型模擬計(jì)算恒定高溫下的煤粉燃燒過程，判定系數(shù)高達(dá)0.96，結(jié)果較精確，可為實(shí)際鍋爐設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供一定的參考價(jià)值。

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The Combustion Characteristics of Pulverized Coal at Constant High Temperature and Model Simulation

Shao Huan1，Liu Ruiqiong2，Huang Xingzhi1，Wang Zhe1，Wang Chunbo1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China；2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Thermogravimetric analyzer is the most common equipment to investigate characteristics of pulverized-coal furnace. Because of limitations of gradually heating, TGA cannot get combustion dynamics at particular temperature. The effects of temperature and coal types on the combustion characteristics of pulverized coal at constant high temperature were investigated using a customized thermogravimetric analysis system. The results showed that with the increase of temperature, the coal combustion speeded up and the burnout time of coal reduced, when coal was suddenly injected into the furnace. At the same time, the rate of weight loss would rise and backward, indicating that more volatiles released at the initial stage of combustion. It also demonstrates that the characteristics of ignition and burnout would be greatly improved by increasing temperature. The volatile contents and the combustion rate at the initial stage were higher for lower quality coal, which means the characteristics of ignition were improved. And the combustion process of volatile and char overlaps. In addition, one-dimensional homogeneous reaction model was used to simulate the combustion process of coal at constant high temperature.The results show that the determination coefficient was more than 0.96 and the simulated profiles and experimental profiles could be fitted well, which could provide certain reference values for boiler design and operation.

high temperature; pulverized coal; combustion characteristics; dynamic model

2015-07-14。

河北省自然科學(xué)基金 (E2013502292)。

邵歡(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槊旱臐崈羧紵拔廴疚锟刂?，E-mail：shaohuan3688@163.com。

TK16

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.001