李長(zhǎng)平/方大炭素新材料科技股份有限公司

4種無(wú)煙煤和1種石油焦燃燒特性的同步熱分析試驗(yàn)研究

李長(zhǎng)平/方大炭素新材料科技股份有限公司

本研究在對(duì)4種無(wú)煙煤和1種石油焦試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分析它們的燃燒特性以及其著火、燃盡特性。以熱分析曲線為依據(jù)，計(jì)算著火與可燃性指數(shù)以及燃盡特性指數(shù)，同時(shí)計(jì)算非等溫燃燒過(guò)程中的綜合燃燒特性指數(shù)。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，石油焦燃燒特性與無(wú)煙煤具有相似性，較低揮發(fā)分無(wú)煙煤比較容易著火、燃燒，而燃盡性能卻相對(duì)較差。

石油焦；燃燒；特性；無(wú)煙煤

前言

當(dāng)前，裝機(jī)容量呈上升趨勢(shì)，原煤供應(yīng)變得緊張，很多電站鍋爐實(shí)際用的燃煤與原本設(shè)計(jì)的相差甚遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致鍋爐排煙溫度和飛灰、爐渣含碳量都不斷升高，最終破壞了電廠燃燒經(jīng)濟(jì)性[1]。除此之外，為了使煤炭資源得到深度利用，使用了大量煤矸石、劣質(zhì)無(wú)煙煤等難燃燃料，這致使鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性被進(jìn)一步降低，出現(xiàn)的燃燒不穩(wěn)定、全爐膛滅火等已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1煤種

本研究的對(duì)象是無(wú)煙煤A、B、C、D和1種石油焦，無(wú)煙煤A、B是極低揮發(fā)分無(wú)煙煤。根據(jù)表1，無(wú)煙煤中，揮發(fā)分最低的為A、B兩種無(wú)煙煤，約4.9℅，其次為C種無(wú)煙煤，對(duì)于D種無(wú)煙煤來(lái)說(shuō)，它的發(fā)熱量雖然相對(duì)較低，但灰分最高。與無(wú)煙煤相比，石油焦自身的著特點(diǎn)即灰分低，燃盡性差，發(fā)熱量與固定碳含量相對(duì)較高。

表1　4種無(wú)煙煤和1種石油焦工業(yè)、元素、發(fā)熱量

1.2儀器與過(guò)程

本研究使用的儀器是STA449型同分析儀[2]，使用O2：N2是21:79的氣氛，100ml/min的流量對(duì)爐內(nèi)燃燒進(jìn)行實(shí)際模擬，同時(shí)要求25℃/min的升溫速度，30℃的起始溫度，1350℃的終止溫度，約10mg的樣品量以不得大于100μ m的樣品細(xì)度。

在儀器的坩堝里置于規(guī)定量的樣品，然后加熱氧化、燃燒，但升溫的速率一定要恒定。與此同時(shí)要把不同溫度下樣品的具體情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，制成熱重曲線，然后使用Thermal Analysis 對(duì)數(shù)據(jù)分析，最后在比較無(wú)煙煤與石油焦的綜合燃燒特性等。

2　結(jié)果

2.1TG與DTG曲線分析

從圖1、圖2中我們知道O2：N2是21：79。將燃燒劃分成三個(gè)階段：開(kāi)始階段，在溫度上升的條件下，水分析出，因而內(nèi)在水分不斷減少；其中階段，出現(xiàn)了著火，而且失重速率曲線呈現(xiàn)出非常明顯的下降趨勢(shì)，出現(xiàn)最大值；最后階段，可燃質(zhì)已經(jīng)幾乎被燃盡，此時(shí)失重速率曲線則趨于平緩。

圖1　失重曲線（TG）

圖2　失重速率曲線（DTG）

無(wú)煙煤與石油焦既具有相似性，又存在一定差異性。根據(jù)失重曲線，這5種樣品失重呈現(xiàn)出明顯的順序性，第一個(gè)是石油焦，居于最后的是A、D兩種無(wú)煙煤，而揮發(fā)分析出的時(shí)間較早的樣品，它的初期著火燃燒效果也較好，因此，最易于著火燃燒的是石油焦。而失重速率曲線的差異同樣較為顯著，第一個(gè)達(dá)到最大失重速率的是石油焦，也就是說(shuō)石油焦第一個(gè)達(dá)到快速燃燒區(qū)域，失重速率最大的是C種無(wú)煙煤，充分說(shuō)明它在后期燃燒更加劇烈。所以，從失重曲線和失重速率曲線能夠?qū)γ悍N的燃燒難易程度做出定性判斷，而定量判斷它的可燃特性、綜合燃燒特性、燃盡特性是無(wú)法做出的。

2.2著火與可燃性

通過(guò)熱重TG-DTG法對(duì)樣品的著火溫度進(jìn)行判定。經(jīng)過(guò)失重曲線上的峰值點(diǎn)畫一條垂線，然后經(jīng)這條垂線和失重曲線的交點(diǎn)做失重曲線的切線，我們把這條切線和失重開(kāi)始平行線相交的點(diǎn)規(guī)定為著火溫度Ti。從表2中可以看出，根據(jù)著火溫度由低到高排列分別是：石油焦、C、B、D 、A種無(wú)煙煤[3]，其中石油焦的著火性能最好。

通過(guò)可燃性指數(shù)對(duì)煤燃燒初期的反應(yīng)能力進(jìn)行研究。其中可燃性指數(shù)被標(biāo)記為(dw/dτ)maxT2i。從表2可以看出，關(guān)于燃燒初期反應(yīng)能力，相較于無(wú)煙煤，最強(qiáng)的是石油焦，然后是C種無(wú)煙煤，與它的著火溫度同樣具有一致性，D種無(wú)煙煤的著火溫度盡管不是最高的，但它的可燃指數(shù)小，充分證明火的溫度以及煤粉自身的構(gòu)成都會(huì)影響煤粉燃燒初期的反應(yīng)能力。

表2　著火溫度與可燃性指數(shù)

2.3燃盡特性

著火溫度、可燃性指數(shù)只是把燃燒初期的著火和燃燒特性顯現(xiàn)出來(lái)。然而在鍋爐燃煤的具體過(guò)程中，不僅要對(duì)這兩方面進(jìn)行關(guān)注，可燃質(zhì)的飛灰以及爐渣含碳量同樣也是判定這一過(guò)程是否具有經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。即使?fàn)t型相同，不同可燃質(zhì)的燃盡特性依然會(huì)存在很大差別。根據(jù)煤粉燃盡特性指數(shù)公式進(jìn)行計(jì)算得出表3。從中我們可以看出，可燃性指數(shù)最大是C種無(wú)煙煤，它的燃盡性能最好，燃盡指數(shù)最小的是D種無(wú)煙煤以及石油焦，它們的燃盡性最差，石油焦的固定碳含量很高，空干基達(dá)到87.03％，因此它的燃盡時(shí)間延長(zhǎng)，燃盡性能變差。對(duì)此，對(duì)煤化程度高且固定碳含量較大的煤時(shí)，需要調(diào)節(jié)配風(fēng)，使?fàn)t膛溫度升高并且把燃盡沒(méi)從底層送入，從而使它的燃盡率提升。

表3　燃盡性指數(shù)

2.4綜合燃燒特性

通過(guò)綜合燃燒特性指數(shù)SN對(duì)煤的著火與燃燒特性進(jìn)行表征，并制定出表4。從表4中可以看出，B、C兩種無(wú)煙煤的綜合燃燒特性最好，然后以此為石油焦、D、A無(wú)煙煤。

表4　綜合燃燒特性指數(shù)

無(wú)煙6097301.60001.12986.60煤B無(wú)煙5296701.38000.98227.00煤C無(wú)煙6208091.05190.58192.00煤D石油4906991.37110.72106.01焦

3　結(jié)論

本研究在對(duì)4種無(wú)煙煤和1種石油焦試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分析它們的燃燒特性以及其著火、燃盡特性，所使用的儀器為STA449。同時(shí)又以熱分析曲線為依據(jù)，計(jì)算著火與可燃性指數(shù)以及燃盡特性指數(shù)，同時(shí)計(jì)算非等溫燃燒過(guò)程中的綜合燃燒特性指數(shù)。結(jié)果表明，石油焦燃燒特性與無(wú)煙煤具有相似性，較低揮發(fā)分無(wú)煙煤比較容易著火、燃燒，而燃盡性能卻相對(duì)較差，所以在使用過(guò)程應(yīng)要注意。

[1]呂當(dāng)振. 無(wú)煙煤與石油焦燃燒特性的對(duì)比試驗(yàn)研究[J]. 湖南電力,2013,S2:38-40.

[2]廖正祝. 石油焦與煤混燒特性及動(dòng)力學(xué)[J]. 潔凈煤技術(shù),2013,06:71-75.

[3]顏淑娟. 無(wú)煙煤水煤漿燃燒特性和氣化特性研究[J]. 潔凈煤技術(shù),2014,05:93-96.