第21卷第2期電站系統(tǒng)工程VoL 21 No2005年3月Power System EngineeringMar,2005文章編號(hào):1005006X(2005020008-03煤著火特性的熱重分析研究?jī)跞A大學(xué)胡文斌楊海瑞呂俊復(fù)岳光溪張建勝墑要:利用程序升溫的熱重分析法對(duì)7種不同煤樣進(jìn)行著火特性硏究,表明由 TG-DTG曲線可方便快捷地得到煤種的著火溫度,并定性地判斷各煤種燃燒的難易程度。分析了著火溫度和揮發(fā)分活化能等的關(guān)系,并自定義了參數(shù)R,發(fā)現(xiàn)R能很好地表征煤種的著火特性。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和在小型流化床上研究得到的著火特性參數(shù)比較,發(fā)現(xiàn)結(jié)果趨勢(shì)一致,但數(shù)值偏小。理論上存在一個(gè)加熱速率值,使由TGA測(cè)得的著火溫度和由小型流化床上得到的著火溫度一致,因此TGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于指導(dǎo)大型電站鍋爐及燃燒裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。關(guān)鍵詞:著火特性;熱重分析;流化床中圖分類號(hào):TQ533文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy on Ignition Properties of Coals by Using ThermogravimetryU Wen-bin, YANG Hai-rui, LU Jun-fu, et aL.Abstract: The ignition properties of seven kinds of coals are investigated by using thermogravimetry. From the TG-DTGcombustion of coals. The relations between the ignition properties and the volatile fraction, the ignition properties andactive energy, the ignition properties and definedeter are analyzed Compared with the results in the labscale fluidized bed, the tendencies of the experimental results are uniform and even identical when the heating rate inTGA increases to an appropriate value. Therefore, experimental results in TGA can be considered as the reference indesigning and operating of station boilers and other combustion devicesKey words: coal ignition; thermogravimetry; fluidized bed煤的著火特性是煤的重要性質(zhì),了解和掌握煤的著火特表1不同煤種的元素分析性對(duì)于正確掌握啟動(dòng)點(diǎn)火過(guò)程和正確運(yùn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制具成分%C, Har Oar Nr Sar M, Aar Vdr @.a/M,kg有極其重要的作用,而且對(duì)于燃燒設(shè)備的啟動(dòng)燃燒器的容量煤種160.771.842.140.682.44824.139.1022.190煤種255653.755.830992.008.9922.7740.7222.180設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)意義。如果不了解煤的著火特性而投煤過(guò)煤種352.301.040.830.711.1212003203.2019070早,會(huì)引起燃料爆燃;而投煤過(guò)晩,則會(huì)增加點(diǎn)火時(shí)間和啟煤種455.382.046.421.120.508.026.5417.4821.375煤種524.002.4011.530.710.1419.75409558609236動(dòng)的燃油(氣)量,造成效率的降低和啟動(dòng)燃料的浪費(fèi)煤種650.932.533.740.6314370033.74391019090目前研究煤的著火特性的主要方法有煤種748.582.572.540962.476.8036.0814.7718650(1)通過(guò)測(cè)定助燃劑(O2或CO2等)的消耗或燃燒產(chǎn)1.2實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備物CO和CO等的生成來(lái)反推煤的燃燒過(guò)程實(shí)驗(yàn)中采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的TA2100型熱重分析儀(2)小型流化床等實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)定對(duì)上述7個(gè)煤種進(jìn)行著火特性的試驗(yàn)研究。研究過(guò)程中,對(duì)(3)用熱重技術(shù)檢測(cè)煤燃燒過(guò)程的失重曲線來(lái)研究分每一個(gè)煤種均采用相同的燃燒條件,即以10℃m的加熱析煤的燃燒特性。速率加熱到900℃,空氣流通速率為500mL/min。其中熱重分析法可以在煤燃燒的過(guò)程中連續(xù)測(cè)量得到2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析討論溫度、重量、差熱等多種信息,具有測(cè)量準(zhǔn)確、可重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理方便及可在消除外擴(kuò)散的影響下操作等2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析優(yōu)點(diǎn),目前已成為研究煤燃燒動(dòng)態(tài)特性的有力工具,用于指圖1給出了4個(gè)煤種的失重曲線,這4個(gè)煤種分別為褐導(dǎo)大型電站鍋爐及燃燒裝置的工程設(shè)計(jì)。熱分析是一項(xiàng)規(guī)煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤。從圖中可以看岀,褐煤開始迅速范性很強(qiáng)的試驗(yàn),只有在相同實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定不同煤種的熱失重的溫度最低,主要是褐煤含有大量的揮發(fā)分,揮發(fā)分在重曲線,才能分析比較各種煤的燃燒特性。本文利用熱重較低溫度下便析出燃燒,而無(wú)煙煤含有的揮發(fā)分少,因此焦分析法對(duì)⑦種煤進(jìn)行了著火特性的研究炭燃燒的溫度高,因此無(wú)煙煤在500℃以上才開始迅速失重。總之,從不同煤種的失重曲線上可以定性地判定煤種燃燒的難易程度,對(duì)于褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤來(lái)講,著火1.1實(shí)驗(yàn)樣品及其元素分析(見表1)的難易程度由易到難依次為褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤圖2給出了煤種1的失重曲線和相應(yīng)的失重率曲線。煤收稿日期:2004-12-18文斌(1979-),男,碩土生。熱能工程系,100084燃燒試驗(yàn)中著火的確寶有得動(dòng)汁本文采用常用的*國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃項(xiàng)目(2002AA529050TG-DTG法,在中國(guó)煤化工TG曲線交于CNMHG第2期胡文斌等:煤著火特性的熱重分析研究點(diǎn)A,過(guò)A點(diǎn)作TG曲線的切線,該切線與失重開始平行設(shè)煤種揮發(fā)分含量為r,著火時(shí)對(duì)應(yīng)的失重率為η,定線的交點(diǎn)B所對(duì)應(yīng)的溫度定義為著火溫度。由圖2可知煤義常數(shù)R=(rrn)y1,R表征了著火時(shí)煤粒的揮發(fā)分含量和比種1在TGA條件下著火溫度為490℃,表2列出了全部7表面積等性質(zhì)。將各煤種的著火點(diǎn)溫度對(duì)R作圖(圖4),除個(gè)煤種在TGA中測(cè)量得到的著火溫度。去一個(gè)畸形點(diǎn)后,T和R成非常好的線性關(guān)系,而且著火溫度隨著R值的增加而減小,其關(guān)系式為:T=490.4-40.34×R比較圖3和圖4,發(fā)現(xiàn)T和參數(shù)R的線性關(guān)系比T和V的線性關(guān)系更好,因此參數(shù)R更能表征不同煤種的著火特性00400600erature圖1各煤種TGA曲線圖4各煤種著火點(diǎn)溫度和R的關(guān)系煤和空氣的燃燒是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,隨著溫度的升高,其表觀動(dòng)力學(xué)也分幾個(gè)不同的階段,本文用微分法研究了各煤種在其著火點(diǎn)附近的動(dòng)力學(xué),求得的活化能E和著火溫度的關(guān)系如圖5所示。由圖可知著火溫度和活化能大致呈線性關(guān)系,而且隨著活化能的增加,著火溫度升高。這是因?yàn)榛罨茉酱?反應(yīng)進(jìn)行所必須的最低能量越大,因而著火溫度越高。400Temperature, C圖2煤種1著火溫度的確定表2TGA條件下不同煤種的著火溫度(℃)著火溫度T490400520將不同煤種著火點(diǎn)溫度對(duì)揮發(fā)分含量作圖(圖3),可知它們基本成線性關(guān)系,而且隨著揮發(fā)分含量的增加著火點(diǎn)溫度降低。這主要是因?yàn)閾]發(fā)分越多,揮發(fā)分的燃燒就越能引燃煤顆粒;另外,揮發(fā)分析岀改變了焦炭的相結(jié)構(gòu),使剩余圖5各煤種著火點(diǎn)溫度和活化能E的關(guān)系焦炭呈多孔狀,揮發(fā)分越多,剩下焦炭比表面積越大,和空2.2不同方法測(cè)得的著火溫度的比較氣接觸面積越大,也就越容易點(diǎn)燃。除了用熱重分析法來(lái)研究煤的燃燒特性外,本文還在電加熱的小型流化床燃燒系統(tǒng)上采用熱煙氣爐下點(diǎn)火的方式來(lái)研究煤粒在流化床內(nèi)燃燒特性,測(cè)定了各煤種的著火特性,小型流化床燃燒系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[。圖6給出了TGA熱分析儀、小型流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的不同煤種的著火溫度和電廠鍋爐實(shí)際投煤溫度的比較圖。發(fā)現(xiàn)TGA和實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的著火溫度都和揮發(fā)分的含量基本成線性關(guān)系,而且斜率基本一致對(duì)于那些揮發(fā)分較高,容易燃燒的煤種,流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量的著火溫度基本與實(shí)際投煤溫度一致;對(duì)于低揮發(fā)分,高含碳量,高灰分的無(wú)煙煤,由于這些煤種著火溫度高,不易燃燒,因此電廠田相時(shí)守叫·實(shí)際投煤溫度高圖3各煤種著火點(diǎn)溫度和揮發(fā)分含量關(guān)系達(dá)750℃甚至82中國(guó)煤化工(下轉(zhuǎn)第12頁(yè))CNMHG電站系統(tǒng)工程205年第21卷試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果表明,在較高的轉(zhuǎn)速下,分離效率可以達(dá)到80%以上,能夠滿足再燃所需的煤粉量;同時(shí)適參考文獻(xiàn)當(dāng)?shù)娘L(fēng)粉比例能夠滿足再燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的要求,從而解吳少華,劉輝,姜秀民,等.采用超細(xì)煤某粉再燃技術(shù)降低氮氧化物決了再燃系統(tǒng)的煤粉來(lái)源問(wèn)題排放[中國(guó)電力,2003(2:1-4[2]歐大武,方磊、池作和,等.利用三次風(fēng)再燃降低NO3排放研究[5結(jié)論電站系統(tǒng)工程,2003(1[3]張國(guó)宏,楊素萍,牛雅莉.制粉系統(tǒng)三次風(fēng)對(duì)鍋爐內(nèi)工況影響的分采用離心式旋轉(zhuǎn)煤粉濃縮器可以有效地對(duì)三次風(fēng)進(jìn)行析[.電力學(xué)報(bào),2002(2:142~14濃縮,解決了再燃燃料的來(lái)源問(wèn)題,同時(shí)弱化了三次風(fēng)對(duì)機(jī)田4小川明.氣體中顆粒的分離M.化學(xué)工業(yè)出版社,191組運(yùn)行的不良影響。實(shí)際應(yīng)用中可以將陶瓷、特種鋼材等材沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)研究所離心式通風(fēng)機(jī)M機(jī)械工業(yè)出版社,1980料應(yīng)用到風(fēng)機(jī)的葉片上,有效地避免吸附現(xiàn)象的發(fā)生;同時(shí)李之光相似與?；?理論及應(yīng)用)M國(guó)防工業(yè)出版社192「7]吳雙應(yīng),李友容,盧嘯風(fēng),等.再燃燒技術(shù)原理及其影響因素分析可以采用外置的電機(jī)布置方式,規(guī)避試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)置電機(jī)對(duì)門.冶金能源,2002(3:24~27離心力場(chǎng)的不良影響,從而有效地改善濃縮器內(nèi)的空氣流編輯:巨川力,得到更高的分離效率。(上接第9頁(yè))燒的難易程度,對(duì)于褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤來(lái)講,著火的難易程度由易到難依次為褐煤、煙煤、貧煤和無(wú)煙煤。(3)分析了不同煤種的著火點(diǎn)溫度和其揮發(fā)分含量、活△電廠投煤溫度化能的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)著火溫度隨揮發(fā)分含量的增大而減小,隨實(shí)驗(yàn)臺(tái)著火溫度著火點(diǎn)附近活化能的增大而增大,并分別和二者基本成線性關(guān)系。(4)設(shè)煤種揮發(fā)分含量為r,著火時(shí)對(duì)應(yīng)的失重率為定義常數(shù)R=(rn1),則T和R成非常好的線性關(guān)系,其關(guān)系式為:T=490.4-40.34×R。而且R比揮發(fā)分含量更能表征煤種的著火特性。(5)利用合適的小型流化床燃燒系統(tǒng)來(lái)研究各煤種的著火特性,結(jié)果表明和實(shí)際投煤溫度基本一致,尤其是揮發(fā)分含量較高,容易燃燒的煤種,符合得很好。圖6不同方法測(cè)得的著火點(diǎn)溫度比較(6)TGA熱分析方法測(cè)試得到煤種的著火特性,和用而TGA中測(cè)得的著火溫度與實(shí)驗(yàn)室流化床條件下得到小型流化床研究得到的結(jié)果趨勢(shì)一致,但是結(jié)果都偏小。如的著火溫度相比要小,這和其他很多學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果是一致果提高加熱速率值,可以使得TGA測(cè)量的著火溫度與流化的。有的學(xué)者認(rèn)為這是因?yàn)樵赥GA試驗(yàn)條件下?lián)]發(fā)分能夠?qū)嶒?yàn)臺(tái)測(cè)量的著火溫度一致也就和電廠實(shí)際投煤溫度充分燃燒而流化床條件下由于其獨(dú)特的氣固結(jié)構(gòu)使揮發(fā)分致,因此TGA實(shí)驗(yàn)結(jié)果能用于指導(dǎo)大型電站鍋爐及燃燒裝較難在密相區(qū)燃燒而導(dǎo)致的。這種觀點(diǎn)有一定道理,但是本置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行文認(rèn)為這是由多種原因造成的,主要是由于TGA和流化床兩參考文獻(xiàn)種不同的實(shí)驗(yàn)條件所致,在rGA程序升溫過(guò)程中外界溫度始毛玉如,方夢(mèng)祥OO2氣氛下煤焦熱重試驗(yàn)研究J電站系統(tǒng)工程,2004,20(5:17~18終高于煤粒溫度,煤粒吸熱,而流化床內(nèi)恰好相反;另外-2]朱群益,秦裕琨.不同熱天平煤粉燃燒特性試驗(yàn)差異的原因分析個(gè)原因是流化床內(nèi)升溫快,使得反應(yīng)尚未來(lái)得及進(jìn)行便進(jìn)入.熱能動(dòng)力工程,2002,17(4)363~366更高的溫度,造成反應(yīng)滯后。3]方立軍,劉彥豐煤焦燃燒模型的熱重實(shí)驗(yàn)硏究門燃燒科學(xué)與技通過(guò)以上不同方法測(cè)得的著火溫度的比較證明,理論上術(shù),2003,9(6:535~538存在一個(gè)加熱速率值,使得程序升溫的熱重分析法測(cè)得的著4喻秋梅、龐亞軍煤燃燒試驗(yàn)中著火點(diǎn)確定方法的探討華北電火溫度與流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量的著火溫度一致。因此可以利用力技術(shù),2001(7):9~10.[5]張曉杰,聶其紅.李振中,等.混煤著火過(guò)程試驗(yàn)研究.電站系實(shí)驗(yàn)室TGA測(cè)量煤種的著火特性來(lái)模擬或預(yù)測(cè)電廠鍋爐內(nèi)統(tǒng)工程,199,15(6):41~44煤的著火特性,并將其應(yīng)用于指導(dǎo)大型電站鍋爐及燃燒裝置6]廖洪強(qiáng),李保慶,煤-焦?fàn)t氣共熱解半焦燃燒動(dòng)力學(xué)特性研究燃的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,達(dá)到簡(jiǎn)潔方便而不失準(zhǔn)確的目的燒模型的建立及其表觀活化能動(dòng)態(tài)描述[.燃料化學(xué)學(xué)報(bào),19927(13):246~2503結(jié)論「η]薛雷,楊海瑞、岳光溪.流化床內(nèi)煤著火特性實(shí)驗(yàn)研究卩煤炭轉(zhuǎn)化,2004,27(2):51~53(1)采用 TG-DTG法來(lái)研究煤粒的著火特性,可以在81王智微,張朝陽(yáng)循環(huán)流化床煤著火特性的試驗(yàn)研究燃燒科學(xué)TG和DTG曲線上方便快捷地得到煤種的著火溫度與技術(shù),2002(2)從不同煤種的失重曲線上可以定性地判定煤種燃中國(guó)煤化工輯:康德CNMHG