单一及混合煤种燃烧的热重分析

马树贵 梁洪韫

(云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650217)

1 前言

不同的煤，其燃烧性能相差很大，煤的燃烧性能决定了燃煤锅炉的设计。然而，对于火力发电厂的大型燃煤锅炉，近几年由于受到煤炭市场的影响，设计煤种要么价格过高，无法购买用来发电，要么减量供应，火电厂不得不以市场上能买到的煤来进行混煤掺烧，锅炉实际燃煤已经偏离了设计煤种。而不同的煤种发热量、挥发份、硫份、结焦特性等均不相同。在进行混煤掺烧时，一方面要考虑锅炉能够带满负荷，另一方面还要兼顾锅炉的经济稳定运行及环保达标排放，这就对火电厂配煤工作提出了更高的要求，必须掌握混煤的实际燃烧特性，不能单纯的以发热量、挥发份、硫份等指标进行粗略的配煤。以下对某电厂一台200MW机组常用煤种按照质量比1:1混合而成的混煤进行热重试验研究，利用热天平分析不同的煤种在燃烧过程中的不同特性以及由两种单一煤种混合而成的混煤的燃烧特性。

2 试验方法

试验所用煤样在煤场进行多点采样后充分混合均匀进行缩分，缩分后的煤样分为两份，一份送检进行煤质工业分析，另一份在室温下自然风干，然后进行制样，用于热重试验的煤粉样为通过160目筛子的煤粉样。热重试验所用的反应气分为三种，分别为氮气做平衡气的5%的氧气、氮气做平衡气的10%的氧气、氮气做平衡气的15%的氧气。反应气流量均为50ml/min，保护气为高纯氮气，流量均为50ml/min。热重试验的升温曲线从40℃开始，针对不同的样品分析曲线，用不同的升温速率升温至105℃，在105℃恒温10min，以干燥水分，然后继续以相应的升温速率升温至900℃，每条样品分析曲线都减去对应的分析方法下的空白曲线，见表1。

表1 煤质分析

3 试验结果及分析

1)当反应气为10%氧气，升温速率分别为5℃/min及20℃/min时的TG曲线如图一10%氧时不同升温速率下的TG曲线所示:

图1 10%氧时不同升温速率下的TG曲线

由于图1中对比曲线较多，现将每条曲线计算出的外推起始温度罗列如下:曲线1为330.03℃、曲线2为353.33℃、曲线3为344.85℃、曲线4为373.50℃、曲线5为447.88℃、曲线6为528.29℃。从图中可以看出，升温速率的改变并未从本质上改变曲线的基本形状，在相同的氧量下，随着升温速率的增加，曲线向高温侧移动，并且这种趋势在温度越高时越明显。三种煤样的外推起始温度分别从330.03℃、344.85℃、447.88℃ 增 加 到 353.33℃、373.50℃、528.29℃，终点温度的增加更加明显。从表面看，随着升温速率的增加，煤样的外推起始温度增加，终点温度也向高温侧移动，并且移动量较外推起始温度更加明显。从这些表象看，随着升温速率的增加，煤样变得更加难以着火并且更加难以燃烬，这显然与燃烧理论不符。出现这种情况是因为仪器的热惯性造成的曲线迟滞。因此，在利用热天平求取某一煤种外推起始温度、终点温度等温度点时，应尽量采用较低的升温速率，减小升温速率对其造成的影响。在不对特定煤样进行准确外推起始温度计算时，升温速率的影响可不予考虑。

2)升温速率为15℃/min，反应气分别为5%氧气和15%氧气时的TG曲线如图2所示。

图2 升温速率15℃/min时不同氧量下的TG曲线

经计算，上图中六条TG曲线的外推起始温度分别为:曲线 1为 348.31℃、曲线 2为350.23℃、曲线 3为 356.80℃、曲线 4为372.82℃、曲线5为508.52℃、曲线6为525.65为℃。在相同的升温速率下，随着反应气氛中氧气比例的增加，外推起始温度有所降低。三种煤样的外推起始温度由5%氧气时的350.23℃、372.82℃、525.65℃ 降 低 至 15% 氧 气 时 的348.31℃、356.80℃、508.52℃。随着反应气氛中氧气比例的增加，终点温度下降幅度较外推起始温度更大。三种煤样的终点温度由5%氧气时的700℃、800℃、850℃左右下降至15%氧气时的630℃、700℃、750℃左右。说明燃烧过程中，含氧量的多少对煤粉的着火温度有一定的影响，对煤粉的燃烬性影响很大，高氧量能够降低煤粉的燃烧终点温度，利于煤粉燃烬。尤其是在炉膛中，煤粉燃烧的时间很短，更需要及时的补氧以利于煤粉尽快燃烬。

3)反应气氛为15%氧气，升温速率为15℃/min时，三种煤样的TG曲线及DSC曲线如图3所示。

图3 升温速率15℃/min，氧15%TG及DSC曲线

图3中，曲线4由曲线1和曲线2合成，合成方法为曲线1的一半加曲线2的一半。从上图中不难看出，顺通煤与万泰煤的燃烧进程是完全不同的，顺通煤由于挥发份高，其外推起始温度及终点温度都比低挥发份的万泰煤低很多，顺通煤可燃物在550℃基本达到燃烬，而万泰煤可燃物在700℃左右才基本达到燃烬。而顺通煤和万泰煤1:1组成的混合煤的燃烧进程被拉长，终点温度基本与万泰煤一致，起始温度则与顺通煤基本一致。合成曲线4不论是TG曲线还是DSC曲线，都基本与混合煤的曲线重合。以上均说明在混煤的燃烧过程中，混煤并非以一种新的煤种形式存在，而只是单纯的以两种煤的混合形态进行各自的燃烧进程。易燃煤能够对难燃煤的提前着火起到一定的促进作用，加速难燃煤的燃烬速度，而燃烬温度仍然由难燃煤决定。

4)由求解活化能的Ozawa法，在等转化率时由P函数的Doyle近似式，得到以下计算式:

式中:T—等转化率时与升温速率Φ1、Φ2、Φ3……对应的温度T1、T2、T3……，K

E—表观活化能，kJ.mol－1

R—气体常数，8.314J.mol－1.K－1

根据上式，对四条以上不同升温速率曲线的lgΦ－1/T作图求出斜率，便可求出E值

在转化率为15%时求得三种煤样的活化能分别为顺通煤:116.59 kJ.mol－1、万泰煤:123.20 kJ.mol－1、混合煤:119.20 kJ.mol－1。挥发份较高的易燃顺通煤活化能最低，万泰煤最高，混合煤介于两种煤之间。

4 结束语

1)燃煤的TG曲线及DSC曲线受升温速率的影响，随着升温速率的增加，起始温度及终点温度均增大，终点温度增大更加明显。

2)燃煤的TG曲线及DSC曲线受反应气氛的影响，随着氧气含量的增加，起始温度及终点温度均减小，终点温度的减小幅度更大。

3)混煤的活化能介于两种单一煤质之间，燃烧进程是两种单一煤种的混合，整个进程相互独立又相互影响，易燃煤促进难燃煤着火并加速难燃煤的燃烬速度但不能降低难燃煤的燃烬温度。

［1］GB/T 6425－2008热分析术语［S］.

［2］刘振海 畠山立子主编，分析化学手册(第二版)［M］.第八分册热分析.

［3］高正阳等，混煤燃烧特性的热重试验研究［J］.动力工程，2002，22(3).

［4］刘建忠等，煤燃烧反应活化能的两种研究方法的比较［J］.动力工程，2006，26(1).

［5］王俊宏等，西部煤的热解特性及动力学研究［J］.煤炭转化，2009，32(3).

［6］刘剑等，煤的活化能理论研究［J］.煤炭学报，1999，24(3).

［7］舒朝晖等，煤及其低温灰的热重实验研究［J］.中国电机工程学报，2007，27(14).