恒定高温下煤粉燃烧特性及模型模拟

邵 欢，刘睿琼，黄星智，王 哲，王春波

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2. 太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024)

恒定高温下煤粉燃烧特性及模型模拟

邵 欢1，刘睿琼2，黄星智1，王 哲1，王春波1

(1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2. 太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024)

热天平(TGA)是最常用的研究煤粉炉内燃烧特性的设备，但由于设备本身需要逐步升温的局限性，不能得到特定温度下煤粉的燃烧动力学。利用自制恒温热重实验台，对几种典型煤种进行恒定高温情况下的燃烧失重实验，研究了温度、煤种等因素对煤粉燃烧特性的影响。结果表明：煤粉突然置于恒定高温条件下燃烧，随温度的升高，失重速率逐渐增大，燃尽时间缩短，同时失重速率峰值升高，而且后移，使反应初期更多的挥发分析出，燃烧更加剧烈。提高温度可以改善煤粉着火与燃尽特性。煤种的煤化程度越低，挥发分含量越高，燃烧初期速率高，着火特性越好。挥发分析出燃烧和焦炭的燃烧存在时间上的重叠。利用一维均相反应模型模拟计算恒定高温下的煤粉燃烧过程，判定系数高达0.96，结果较精确，可为实际锅炉设计与运行提供一定的参考价值。

高温；煤粉；燃烧特性；动力学模型

0 引言

常规煤粉锅炉工作时炉膛温度多在1 100 ℃以上，局部温度甚至高达1 500 ℃，同时煤粉燃烧的数学模型也逐渐应用于锅炉设计和运行。因此，研究煤粉高温下燃烧特性并精确的计算煤粉高温下燃烧过程，尤其是动力学参数，对电站锅炉有重大的实际意义。部分学者对此进行了一些研究，文献[1]利用热重实验研究了煤粉燃烧特性，发现低氧浓度下燃烧反应TG和DTG曲线向高温区靠近，着火温度基本不变，燃尽温度提高，燃烧速率下降。文献[2]通过热重分析研究显示挥发分含量对于低阶煤燃烧速率的影响较大，而高阶煤主要受反应表面形态的影响，热解发生在煤燃烧的整个过程，但热解过程对失重份额的增加贡献较小，其并没有直接提升燃烧反应的整体速率。文献[3]利用热天平研究发现，随温度的升高，煤粉燃烧特性能够改善，但温度对煤粉燃烧性能的影响受氧气浓度的制约，同时研究显示煤粉燃烧时存在某个温度区间，可以较大程度的改善燃烧性能。文献[4]认为高温会使煤焦结构更加致密并发生结晶、石墨化导致后期燃烧速率下降。文献[5]利用热分析法将燃尽度引入化学动力学参数燃烧模型，对不同恒定温度下的燃烧速率进行了预测。

以往的研究，多采用热天平逐渐升温的方法。热天平逐渐升温法，由于升温速率较低(一般20～30 ℃/min)，且是从室温开始，导致煤粉温度逐步升高，从而出现明显的水分、挥发分等的析出阶段。实际工程应用中，煤粉进入炉膛后马上处于高温燃烧状态，升温速率达(0.5～1.0)×104℃/s，因此逐渐升温方法与实际情况有较大出入。煤粉升温过程中到开始燃烧前，实际上已发生热解反应，使得对煤粉燃烧特性的分析由于缺少了挥发分、水分等的影响而不完整。同时，1 300～ 1 500 ℃区间煤粉燃烧动力学的研究，因为在到达该温度前常规TGA研究方法煤粉已经燃烧完毕，所以这方面的动力学研究到目前为止几乎为空白。本文利用自制恒温热重系统，克服常规TGA逐步升温产生的上述问题，将煤粉突然置于恒定高温环境，通过获得实时燃烧特性曲线，得到空气气氛下各因素对煤粉燃烧的影响规律，并用模型计算和模拟燃烧过程。

1 实验部分

1.1 实验系统与装置

恒温热重实验系统如图1所示。智能温控管式炉能够提供恒定的高温环境，其温度可调范围为700～1 700 ℃，控温精度±5 ℃，恒温区长度200 mm。通过数据采集系统对煤粉质量实时变化情况进行记录，记录频率为1个/s。称量精度为±1 mg，相对误差±0.5 %。由于数据波动需要进行滤波处理，相对误差在±0.5 %范围内。经过多次实验验证[6～8]，已证明该系统具有较高的精度和可靠性。

图1 试验装置系统图

选取4种典型煤种进行实验，各单煤的工业分析与元素分析如表1所示，粒径范围120～180 μm。实验时每次称取80±2mg试样，均匀平铺于长约100 mm，内宽为9 mm的刚玉舟内。通入空气总流量为0.16 Nm3/h，前期性实验表明，该流量已经能有效消除反应过程中气体扩散的影响(再增加流量同一工况下煤粉的动力学特性不再发生明显变化)。各工况试验流程如下：首先根据工况要求将管式炉膛升温至某一恒定温度(如1 250 ℃)，接着用空气吹扫10 min(温度会保持恒定)，将装有80±2 mg的刚玉舟放入数据采集系统中，然后将装有导轨的管式炉膛快速推向刚玉舟，使刚玉舟处于炉膛内的恒温区(实测小于1 s)，最后通过数据采集系统在电脑上实时监测到样品的重量信号。

表1 原煤的工业分析和元素分析

1.2 实验分析方法

煤样燃烧特性采用失重余额百分比α(t)进行分析。失重余额百分比等于t时刻试样剩余质量与初始质量之比。定义当失重余额百分比变化量小于2%时为燃尽时刻。

式中：m0表示试样的初始质量；mt表示燃烧过程中的瞬时质量。

2 结果与分析

2.1 恒温热重与常规热重对比实验

在空气气氛下，选取新疆褐煤在自制恒温热重与常规TGA上进行了对比实验研究。

从图2中可以看出，恒温1 100 ℃，与逐渐升温到1 100 ℃失重曲线存在明显不同。恒温实验过程，将煤粉突然置于高温下，挥发分瞬间析出燃烧，焦炭也同时燃烧，更加接近工程实际(煤粉进入炉膛燃烧的过程)。从图2(a)逐渐升温热重实验看出，初期温度低水分最先析出，随着温度的升高挥发分析出，大约在400 ℃时挥发分大量释放，然后到达煤粉着火点，焦炭燃烧直至燃尽(大约700 ℃煤粉已燃尽)，同时由于升温速率的不同，导致TGA曲线有差异。图2(b)发现恒温实验失重曲线有一个转折(失重余额为60 %)，可能是因为将煤粉突然置于1 100 ℃的恒温环境，煤粉中挥发分迅速析出燃烧，挥发分初期燃烧剧烈，焦炭燃烧受限所致，这有别于图2(a)逐渐升温热天平实验水分蒸发、挥发分析出燃烧、焦炭燃烧比较分明的阶段。

图2 常规TGA和恒温热重实验曲线

2.2 反应温度影响

根据阿累尼乌斯定律知，燃烧反应速率与温度呈指数关系。首先本文选用1 150 ℃、1 250 ℃、1 350 ℃、1 450 ℃和1 550 ℃五个温度研究了空气条件下温度对新疆褐煤燃烧特性的影响，如图3所示。其中失重百分比速率是失重百分比的导数，为更好显示煤粉高温燃烧的特征，失重速率曲线的横坐标为失重百分比。

由图3(a)可以看出燃烧基本分为两个阶段。煤粉突然置于高温环境，水分和挥发分迅速析出，挥发分着火燃烧，初期失重速率较大，为初始燃烧；然后进入一个失重速率较低的主燃烧阶段，直至燃尽。主燃烧阶段时间较长，主要为焦炭燃烧。另外，随温度的升高，失重速率逐渐增大，燃尽时间缩短。图3(a)还可看出温度由1 150 ℃提高到1 550 ℃，新疆褐煤燃尽时间缩短了一半多。图3(b)表明随温度提高，失重速率峰值升高，而且后移，意味着反应初期更多的挥发分析出，燃烧更加剧烈，而主燃烧过程时间则有所缩短。图3(b)表明温度升高，整个燃烧过程燃烧初期速率增大的幅度更大，而焦炭燃烧阶段燃烧速率增加的幅度较小，所以通过提高温度可以很好的改善煤粉着火特性。文献[4]研究显示燃烧后期氧量充足，燃烧受化学动力控制，导致不同煤焦燃烧速率基本相同。此外，可推断出温度升高煤粉燃尽特性得到改善，主要因为高温下生成更多的挥发分，而以焦炭形式剩余的可燃质逐渐减少，从而燃尽时间缩短。图3(b)显示温度由1 450 ℃到1 550 ℃，燃烧初期峰值部分增加的幅度较其他温度低，即相比在这一温度段增加温度挥发分增加量有限，同时也表明在这一温度段扩散影响更加明显。

图3 新疆褐煤不同温度下燃烧特性曲线

2.3 煤种影响

由于挥发分对煤粉燃烧有重要作用，选取4种挥发分差别较大的新疆褐煤、云南褐煤、塔山烟煤、阳泉无烟煤研究了空气条件下煤种对高温燃烧特性的影响，实验时高温炉温度控制在1 250 ℃，结果如图4所示。

图4 1 250 ℃时不同煤种燃烧特性曲线

由图4(a)可看出，相比初始阶段，4种煤种的主燃烧阶段时间均较长，主要为焦炭燃烧，速率较为缓慢，煤化程度越高这一时间占的比例越大。同时由图4(b)可看出，新疆褐煤和云南褐煤速率峰值较大，塔山烟煤速率峰值较小，而阳泉无烟煤在燃烧初期基本上没有速率峰值。主要原因是，煤种的煤化程度越低，挥发分含量越高，因而燃烧初期速率高，着火特性越好。图4(b)还表明，挥发分较高的两种褐煤，当失重余额百分比达到工业分析中挥发分值之前时，其燃烧速率已经下降到较低水平，同时结合图4(a)中两种褐煤燃烧过程的失重曲线过渡平滑，可以推断：煤粉突然置于恒定的高温环境，挥发分析出燃烧和焦炭的燃烧存在重叠。这是因为将煤粉突然置于高温环境，煤粉颗粒升温速率很快，会使得挥发分和焦炭同时燃烧，但初期挥发分析出、燃烧消耗大量的氧气，焦炭表面的氧量几乎为零[9]，导致焦炭的失重受限，对总失重贡献较少[10]，但随着反应的进行，挥发分析出量减少，焦炭燃烧份额增加。从图4(b)还可以看出，随煤种不同，主燃烧阶段焦炭燃烧速率略有不同，两种褐煤基本一致，速率较高，塔山烟煤和阳泉无烟煤基本一致，速率较低。说明挥发分的含量对燃烧后期焦炭燃烧过程有一定影响。挥发分析出后剧烈燃烧导致焦炭表面形成大量孔结构[11]，利于氧气扩散，加速了燃烧反应，煤中挥发分含量高，这一促进作用更加明显。因此褐煤主燃烧阶段的焦炭燃烧速率要比烟煤和无烟煤的高。

3 动力学模型

3.1 动力学参数

为了了解恒定高温下煤粉燃烧本质，精确计算煤粉高温下燃烧过程，利用一维均相模型计算燃烧动力学参数。动力学方程表示如下：

式中：α为试样的转化率；t为反应时间；A为频率因子；E为活化能；R为气体反应常数；T为反应温度。该模型数学处理较简单，在煤燃烧动力学研究中被广泛应用。通过积分与线性拟合求出A与E的值，再代入以下式子求出不同温度下的α-t模拟曲线：

模型计算结果如表2所示。从中可知煤阶程度越低，活化能越低，燃烧越容易进行。在相同温度下析出挥发分的含量越多，则挥发分分子间碰撞就越剧烈，更容易形成活化分子，因此燃烧越容易进行。

表2 恒定高温条件下煤粉燃烧模型计算结果

3.2 模拟结果

为了直观判断模型模拟的准确度，在不同工况下对比实验曲线与模拟曲线，如图5所示。

图5 不同工况下实验曲线与模拟曲线对比

判定系数[12]主要反映的是模型缺欠和实验误差等因素对模型模拟的影响程度，因此常用来检验一个模型模拟好坏的程度，计算结果如表3所示。

表3 不同工况下模型的判定系数

由图5可知，采用一维均相模型计算得到的模拟曲线与实验曲线重合度较高，同时从表3可看出模型的判定系数均在0.96以上，更加说明该模型能够较精确地计算恒定高温下煤粉燃烧过程。

4 结论

(1)热天平(TGA)是最常用的研究煤粉炉内燃烧特性的设备，但由于设备本身需要逐步升温的局限性，不能得到特定温度下煤粉的燃烧动力学。煤粉突然置于恒定高温条件下燃烧，随温度的升高，失重速率逐渐增大，燃尽时间缩短，同时失重速率峰值升高，而且后移，使反应初期更多的挥发分析出，燃烧更加剧烈。提高温度可以很好地改善煤粉着火与燃尽特性。

(2)煤种的煤化程度越低，挥发分含量越高，燃烧初期速率高，着火特性越好。挥发分析出燃烧和焦炭的燃烧存在重叠。

(3)利用一维均相反应模型模拟计算恒定高温下的煤粉燃烧过程，判定系数高达0.96，结果较精确，可为实际锅炉设计与运行提供一定的参考价值。

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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。

河北省自然科学基金 (E2013502292)。

邵欢(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为煤的洁净燃烧及污染物控制，E-mail：shaohuan3688@163.com。

TK16

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.001