第39卷第1期煤炭轉(zhuǎn)化Vol,39 No. 12016年1月COAL CONVERSIONJan. 2016燃煤電廠褐煤的氧化特性張磊曾彬]秦嶺2)陸超”汪后港3)李小江”摘要針對(duì)燃煤電廠煤場(chǎng)燃料損耗,在電廠煤場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了褐煤存儲(chǔ)氧化特性的實(shí)驗(yàn)研究.煤場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著現(xiàn)場(chǎng)煤堆堆放時(shí)間增加,煤的熱值和水分含量減小,灰分含量增大;煤的大顆粒減小,小顆粒增加,平均粒度減小;實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著褐煤存放時(shí)間增加,TG曲線變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致,DTG曲線向低溫段偏移,失重峰值增大,動(dòng)力學(xué)參數(shù)表觀活化能E減小，頻率因子A增大.關(guān)鍵詞燃煤電廠 ,褐煤,煤質(zhì),氧化特性,熱重分析中圖分類(lèi)號(hào)TQ531. 6.云南某電廠常用褐煤在正常堆放下煤堆粒度、水分、0引言灰分和熱值的變化進(jìn)行測(cè)定,另在實(shí)驗(yàn)室中將少量褐煤在相同條件下存放,并用熱重分析法研究其氧為防止缺煤停機(jī)的危險(xiǎn),發(fā)電企業(yè)通常在煤場(chǎng)化燃燒特性,為電廠獲取真實(shí)的煤炭?jī)?chǔ)存過(guò)程中的存儲(chǔ)一定量的煤炭,但是煤炭在存儲(chǔ)過(guò)程中易造成煤質(zhì)變化情況及存儲(chǔ)過(guò)程中氧化燃燒特性變化情況損失,使得發(fā)電成本升高.特別是褐煤具有煤化程度提供參考,以期為電站合理存儲(chǔ)褐煤、降低存儲(chǔ)損失低、熱穩(wěn)定性差、易風(fēng)化等特點(diǎn)，在儲(chǔ)存過(guò)程中更易及改善鍋爐燃燒效率提供指導(dǎo).因氧化而發(fā)熱、自燃,對(duì)發(fā)電企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失,導(dǎo)致煤場(chǎng)存在安全隱患.蘇攀等[1對(duì)褐煤存儲(chǔ)自燃及1實(shí)驗(yàn)部分升溫特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，李春艷等[2]對(duì)煤存儲(chǔ)過(guò)程中升溫特性及煤質(zhì)變化做了大量實(shí)驗(yàn)，王繼仁1.1 實(shí)驗(yàn)煤樣等0對(duì)煤自燃氧化過(guò)程中水分生成機(jī)理進(jìn)行了研究,還有學(xué)者對(duì)褐煤燃燒特性進(jìn)行了大量研究[4+7],實(shí)驗(yàn)煤樣為該廠設(shè)計(jì)常用煤種,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為一但是對(duì)褐煤存儲(chǔ)過(guò)程中緩慢氧化特性與燃燒特性之個(gè)月(31 d) ,實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析.元素分析及發(fā)熱間的相互關(guān)系研究較少.本實(shí)驗(yàn)對(duì)褐煤在煤場(chǎng)堆放量等煤質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.由表1可以看出,實(shí)驗(yàn)煤樣在.及實(shí)驗(yàn)室存放過(guò)程中的氧化特性開(kāi)展研究,通過(guò)對(duì)存放過(guò)程中煤質(zhì)發(fā)生了變化,對(duì)比實(shí)驗(yàn)始末,煤樣的表1實(shí)驗(yàn)煤堆煤質(zhì)數(shù)據(jù)Table 1 Coal quality analysis dataProximate analysis(ad) w/%Ultimate analysis(ad) w/%StateQr.a/(J.g-1)MAVFCCHNS0Beginning13.9310. 9731.61 43. 491.0151. 985.06 1. 2414. 8122 546Completion13. 2312. 5036.470.9749. 983.121.213. 2220 718空氣干燥基水分、空氣干燥基固定碳含量減小,空氣1.2實(shí)驗(yàn)煤堆干燥基揮發(fā)分和空氣干燥基灰分增加.元素分析結(jié)果顯示,隨著堆放時(shí)間增加,碳、氫元素比例減少,而對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行清理平整,確保實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地沒(méi)有煤的發(fā)熱量主要來(lái)源就是煤的碳、氫元素,故發(fā)熱量陳舊煤.為排除天氣下雨等原因?qū)?shí)驗(yàn)的影響,將煤隨著堆放時(shí)間增加而減小.煤質(zhì)發(fā)生變化表明煤樣堆置于干煤棚內(nèi),煤樣粒度大于100 mm,質(zhì)量分?jǐn)?shù)在存放過(guò)程中發(fā)生了緩慢氧化.不大于5%.實(shí)驗(yàn)煤的堆放形狀見(jiàn)第18頁(yè)圖1.煤堆中國(guó)煤化工。國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目I (2013DFG61490).MYHCNMHG1)碩士、助理工程師;2)高級(jí)工程師;3)工程師;4)博士.教授級(jí)高級(jí)工程師,華電電;收稿日期:2015-05- 04;修回日期:2015-09-07.18煤炭轉(zhuǎn)化2016年四面梯形,組成底部約為20 mX20 m,按自然堆積置.初次采樣完成后,對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，下一次的角(約60°)堆放,高度為6 m,頂部平整.實(shí)驗(yàn)用煤量采樣點(diǎn)位置應(yīng)位于上一次采樣點(diǎn)的附近,但兩次采大約為1 000 t.樣點(diǎn)不能重復(fù),采樣坑及時(shí)覆蓋.實(shí)驗(yàn)煤堆在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每3 d采樣1次,每次采樣時(shí),分別采集外層(深度0.2 m~1.0 m)煤樣和內(nèi)層(深度2.0 m~4.0 m)煤樣,將采集相同深度的子樣合并成一個(gè)總樣.采集完的樣品立即密封保存,按要求進(jìn)行樣品的6m編碼.采集完的煤樣當(dāng)天完成制樣工作.依據(jù)，GB474-2008進(jìn)行制樣,首先應(yīng)進(jìn)行全水分煤樣的_20m制取,后制取一般分析煤樣.圖1實(shí)驗(yàn)用煤組堆示意圖2結(jié)果與討論Fig. l Schematie diagram of experimental coal pile2.1粒度分析1.3煤樣采集與 制備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)煤堆在實(shí)驗(yàn)始末的粒度分布情況見(jiàn)表2.按GB475-2008的采樣要求進(jìn)行采樣點(diǎn)的布由表2可以看出,實(shí)驗(yàn)褐煤的較大顆粒煤樣與堆放表2實(shí)驗(yàn)煤堆粒度分析Table 2 Coal particle size analysis of experimental coal pileDitribution of particle size/%State>25mm13 mm~25 mm6 mm~13 mm 3 mm~6 mm<3mmAverage particle size/ mmBeginning29.1414. 8816. 8613. 2825. 8421. 20Completion23. 3213. 5717. 0814. 07.31. 9617.61時(shí)間呈負(fù)相關(guān)性，而較小顆粒煤樣與堆放時(shí)間呈正外層和內(nèi)層的全水分發(fā)生了較大幅度減小.煤堆外相關(guān)性,且大顆粒的煤塊(粒度> 25 mm)含量降低層全水分含量均比內(nèi)層全水分含量小,表明外層與最為明顯,實(shí)驗(yàn)褐煤的平均粒度呈減小趨勢(shì).因?yàn)槊嚎諝饨佑|,受外界環(huán)境影響較大,水分含量減少量較堆在堆放過(guò)程中受到空氣及外界環(huán)境的影響而產(chǎn)生風(fēng)內(nèi)層水分含量減少量大.但是外層水分下降趨勢(shì)較化作用,煤堆內(nèi)部緩慢氧化產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)排除,內(nèi)層水分下降趨勢(shì)小,斜率較內(nèi)層斜率稍小,主要是煤溫升高加劇了煤樣氧化過(guò)程,造成煤堆粒度減小.因?yàn)殡S著堆放時(shí)間增加,煤堆內(nèi)層先發(fā)生氧化,而氧化產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)排出,導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高,加2.2煤質(zhì)變化劇水分蒸發(fā),造成煤堆內(nèi)層水分損失速率增大.實(shí)驗(yàn)期間天氣多為晴天,大氣溫度2.6 C~根據(jù)圖2中煤堆外層與內(nèi)層全水分w(M,)隨25.6 C,平均14.2 C;相對(duì)濕度30. 7%~88.8%，時(shí)間的變化趨勢(shì)擬合的函數(shù)關(guān)系式,通過(guò)體積、質(zhì)量平均相對(duì)濕度65. 7%.加權(quán)平均可求得實(shí)驗(yàn)煤堆水分隨堆放時(shí)間的無(wú)量綱2.2.1煤堆全水分變化實(shí)驗(yàn)煤堆全水分M隨堆放時(shí)間的變化趨勢(shì)見(jiàn)變化關(guān)系式:w(M,)=-0. 067t+ 38. 6(1)圖2.由圖2可以看出,隨著堆放時(shí)間的增加,煤堆2.2.2煤堆灰分變 化0實(shí)驗(yàn)煤堆干基灰分A。隨堆放時(shí)間的變化趨勢(shì)y=-0.073 5*+38.59直888-_0°。見(jiàn)第19頁(yè)圖3.由圖3可以看出，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加,煤堆外層和內(nèi)層的灰分均呈線性增加,內(nèi)層灰yr=- 0.064 6x+38.59分較外層灰分含量高,內(nèi)層灰分增加趨勢(shì)較外層灰分增加趨勢(shì)明顯.這主要是因?yàn)閮?nèi)層氧化放出的熱2565101520253035量難以及時(shí)排出,導(dǎo)致煤堆內(nèi)部溫度逐漸升高,溫度Time/d升高又加速了煤的氧化自燃過(guò)程,而煤堆外部與外圖2煤堆水分變化界熱交換中國(guó)煤化工量較外層高,增Fig. 2 Moisture change of coal pile加趨勢(shì)較MYHCNMH G .0- - Outer layer;O- Inner layer根據(jù)圖3中煤堆外層與內(nèi)層灰分隨時(shí)間的變化.第1期張磊等燃煤電廠褐煤的氧化特性19趨勢(shì)擬合的函數(shù)關(guān)系式,通過(guò)體積、質(zhì)量加權(quán)平均2.3氧化特性可求得實(shí)驗(yàn)煤堆灰分隨堆放時(shí)間的無(wú)量綱變化關(guān)系式:2.3.1熱重分析w(AJ)=0.061+11.4(2)熱重分析煤樣是現(xiàn)場(chǎng)煤堆堆放時(shí)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)14。2要求采取的煤樣,制備煤樣時(shí)用二分器將煤樣分成.1300769+14。06口兩份,第一份煤樣在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)試,另- -份煤樣模擬現(xiàn)場(chǎng)情況保存,待現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)試,采用PYRIS型TGA熱分析儀對(duì)煤樣在實(shí)驗(yàn)始末的燃燒。8口口--0.0539+11.411特性進(jìn)行了分析.儀器升溫范圍:最高溫度1550C.升降溫速率最高50 C/min. TG解析度0.2限實(shí)驗(yàn)1°5101520253035由30 C開(kāi)始,以20 C/min升溫速率升至900 C,其后降至室溫.樣品質(zhì)量約為5 mg,反應(yīng)氣氛為空氣，圖3煤堆灰分變化流量20mL/min,實(shí)驗(yàn)煤樣經(jīng)過(guò)干燥、破碎、烘干、Fig.3 Ash content change of coal pile粉碎.篩分等步驟制成樣本.O- Outer layer;O- Inner layer實(shí)驗(yàn)始末煤樣的燃燒TG和DTG曲線見(jiàn)圖5.2.2.3煤堆熱值變 化采用干基高位熱值Qe.d代表實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤質(zhì)由圖5可以看出,與實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)煤樣TG曲線相比，熱值變化情況,因?yàn)橹挥懈苫呶粺嶂挡拍荏w現(xiàn)煤在水分析出階段,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)煤樣TG曲線較平緩，質(zhì)的凈變化，按照采制化方案,實(shí)驗(yàn)始末煤堆外層與失重量較小,在揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段稍有提內(nèi)層的干基高位熱值變化情況見(jiàn)圖4.由圖4可以前，在燃盡階段,失重量有所減小，表明煤樣在存放過(guò)程中水分含量減少,煤質(zhì)發(fā)生了變化,灰分含量增加.22.s0 o2.2°088°08g。21.9-=19.883+22 546。s 21.6402120-0.421.05 5101520253035Time/d200 400 600 800 1000Temperature/ C圖4煤堆熱值變化圖5實(shí)驗(yàn)煤樣的 TG和DTG曲線Fig. 4 Calorific value change of coal pile口-Outer layer;O- Inner layerFig.5 TG and DTG curves of the coalO - Beginning of experiment;O- End of experiment看出,隨著堆放時(shí)間的增加,干基高位熱值呈減小趨由圖5還可以看出,與實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)煤樣的DTG勢(shì)，且內(nèi)層干基熱值減小趨勢(shì)較外層干基熱值減少曲線相比,在水分析出階段,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)煤樣的趨勢(shì)大,主要是因?yàn)槊憾淹鈱优c空氣接觸,與周?chē)h(huán)DTG曲線稍有增大，揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段境熱交換較容易,緩慢氧化放出的熱量及時(shí)排到了向低溫端偏移,燃燒速率有所增大,但DTG峰肩變周?chē)h(huán)境中,沒(méi)有蓄熱條件,也就不易自燃,而內(nèi)層.窄,燃盡時(shí)間縮短.表明煤樣在存放過(guò)程中煤的分子煤樣由于不能及時(shí)與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交換,內(nèi)層由結(jié)構(gòu)發(fā)生了官能團(tuán)破裂°等變化,造成煤樣化學(xué)反于氧化導(dǎo)致溫度升高,進(jìn)一步促進(jìn)了煤樣氧化自燃應(yīng)速率增大,對(duì)氧的物理及化學(xué)吸附作用增強(qiáng)，過(guò)程,導(dǎo)致灰分含量增加較外層灰分含量增加明顯，DTG曲線向低溫段偏移,燃盡時(shí)間縮短.熱值下降顯著.采用綜合燃燒特性指數(shù)S[8]對(duì)煤樣的燃燒情況根據(jù)圖4中煤堆外層與內(nèi)層發(fā)熱量隨時(shí)間的變進(jìn)行全面評(píng)價(jià).化趨勢(shì)擬合的函數(shù)關(guān)系式,通過(guò)體積、質(zhì)量加權(quán)平均(dw/ dt) max (dw/ dt)men可求得實(shí)驗(yàn)煤堆干基高位熱值隨堆放時(shí)間的無(wú)量綱變化關(guān)系式:式中:著火溫中國(guó)煤化工;門(mén)確定:燃盡溫度T,定MH。CNMHG時(shí)對(duì)應(yīng)的溫Qgr.d= -17.2t十22 546(3)山心八生.20煤炭轉(zhuǎn)化2016年度;(dw/dt)mx為最大燃燒速率; (dw/dt)man為平均. 表4實(shí)驗(yàn)室煤樣的動(dòng)力學(xué)參數(shù)燃燒速率,其值越大,燃盡越快.; Table 4Dynamic parameters of experimental coal piles實(shí)驗(yàn)煤樣在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的燃燒特性參數(shù)tateT/K， E/(kJ. mol-')A/s~1見(jiàn)表3.由表3可以看出，隨著煤樣存放時(shí)間的增.Beginning 656-9162. 25X10* 0. 991Completion 732 869]87. 5472.17X10 0.993加,煤樣的著火溫度和燃盡溫度降低最大燃燒速率反應(yīng)所需能量減小，反應(yīng)阻力減小，而此時(shí)頻率因子增大且對(duì)應(yīng)溫度降低,綜合燃燒特性指數(shù)增大,表明也減小,表明表觀活化能與頻率因子之間具有良好煤樣燃燒條件改善,煤樣在存放過(guò)程中發(fā)生氧化,水的動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償作用.原因在于表觀活化能變大時(shí),煤分減小,煤分子結(jié)構(gòu)改變,官能團(tuán)鏈接斷裂，降低了樣要發(fā)生燃燒反應(yīng)需要吸收更多的熱量,但此時(shí)頻反應(yīng)阻力,增大了煤樣反應(yīng)速率.率因子也較大,具有促進(jìn)煤樣燃燒的條件.表3實(shí)驗(yàn)窒煤樣 的燃燒特性參數(shù)Table 3 Parameters of combustion characteristic of3結(jié)論experimental coal pile1)隨著堆放時(shí)間增加，煤樣水分、固定碳含量StatT:/ Tad/ T%/ (de/d)mx/ (au/)*mm S/(0-10.mge .減少,揮發(fā)分、灰分含量增加，干基高位發(fā)熱量減小，: K K (%.s51) (%.s51) K-3.s~2)煤堆的平均粒度逐漸減小，且大粒度減小趨勢(shì)最顯著.Beginning 656 732 9160. 3790.2218. 881Completion 539 726 860.4320.22812. 2832)煤堆煤質(zhì)在堆放過(guò)程中外層與內(nèi)層變化不2.3.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算同.內(nèi)層水分損失速率大于外層水分損失速率,內(nèi)層利用非等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法[0]求得實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和灰分增加速率大于外層灰分增加速率,內(nèi)層發(fā)熱量結(jié)束時(shí)煤樣的表觀活化能及頻率因子,結(jié)果見(jiàn)表4.降低速率大于外層發(fā)熱量降低速率.溫度段選取著火溫度到燃盡溫度,由表4可以看出，3)實(shí)驗(yàn)室煤樣存放始末對(duì)比,燃燒條件得到改相關(guān)系數(shù)R均大于0.991,擬合效果良好.善,表觀活化能減小，頻率因子減小，表觀活化能與隨著存放時(shí)間增加，表觀活化能減小,表明煤樣頻率因子之間具有良好的動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償作用.參考文獻(xiàn)攀,王,張琨,等.燃煤電廠印尼褐煤氧化自燃過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2014,37(4) :58-63.李春艷:劉志秋,感春林，霍林河福雄街儲(chǔ)龍汞生九旌脂新理重研生口共集生0220:010195 56.王物仁，環(huán)科，年主，.的的研本路生樓校2001,7(1):72-76.[01 聶其紅孫組增。褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究中在的您司技本∞:工20270249-2499.299[5] 李永華陳鴻偉,劉吉臻,等褐媒及煙煤混煤綜合燃燒特性的試驗(yàn)研究[].動(dòng)力工程，200行鄒學(xué)權(quán)，王新紅，吳建軍，等用熱重差熱-紅外光請(qǐng)技術(shù)研究煤粉的燃燒特性[口，媒炭轉(zhuǎn)化，20[8]文虎,徐精彩，薛韓玲，等. 煤自燃氧化放熱效應(yīng)的影響因素分析[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2001 ,24(4) :59-63.9] 胡榮祖,史啟禎.熱分析動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,001.99-100.OXIDATION CHARACTERISTICS OF LIGNITEIN COAL-FIRED POWER PLANTZHANG Lei ZENG Bin QIN Ling LU Chao WANG Hougang and LI Xiaojiang(Huadian Electric Power Research Institute ，310030 Hangzhou)ABSTRACT To understand the fuel consumption in the coal storage yards of coal-fired pow-er plant better, experimental studies on the oxidation characteristics of lignite storage were car-ried out both in coal and laboratory. The field experimental results showed that the coal qualitychanged a lot with the storage time increased, which turns out to be less calorific value and mois-ture, more ash, and smaller average particle size for the decreasing of large particle and increasingof small particle. The experimental results also showed that with the increasing of laboratory lig-nite storage time, the trend of TG curve was consistent with the field testing results, while theDTG curve shifted to low temperature which results to a higher weight loss peak, the correspond-ing kinetic parameters, activation energy E decreased while frequencv factor A increased. The la-boratory experiment results were consistent with the field tes中國(guó)煤化工KEYWORDS coal-fired power plants， lignite, coal{Y片CNM H Gterstics,thermo-gravimetric analysis.