基于煤质参数的恒温下混煤燃烧特性的新判定方法

岳 爽， 王春波， 司 桐， 李一鹏， 王子铭

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

基于目前国内煤炭供应的现状，混煤掺烧是燃煤电厂普遍存在的现象。在掺混过程中，良好的掺烧方案有利于优化煤粉燃烧以及提高锅炉的经济性，但不合理的配煤方式容易造成燃烧不稳定、锅炉效率下降等问题。因此，迫切需要对混煤的燃烧特性进行研究。

热分析法是近年来广泛使用的一种研究混煤燃烧特性的方法，在研究煤的可燃性能及氧化反应性能方面已有广泛应用[1-4]。Lee等[5]利用热天平(TGA)对混煤进行了热重分析，发现低阶煤的燃烧特性受挥发分的影响较大，而高阶煤主要受反应表面形态的影响。Sarkar等[6]结合TGA与滴管炉(DTF)研究了混煤及其组分煤的燃烧特性，发现混煤可燃部分所占比例与燃烧指数有一定的二次相关性。周俊虎等[7]通过TGA对混煤燃烧动力学特性进行了研究，结果表明混煤燃烧表观活化能随高活性煤掺混比例的增大而下降。王长安等[8]利用TGA对低氧状态下混煤燃烧特性进行研究后发现，在低氧状态下煤阶对燃烧反应的影响减弱。方立军等[9]同样利用TGA研究了混煤的燃尽特性，并提出了混煤燃尽特性综合判定指数，对混煤燃尽特性进行了初步预测。肖三霞[10]通过建立燃烧模型对混煤的热天平燃烧特性进行研究，并预测了煤粉的燃烧速率，这对模拟锅炉内的燃烧过程有一定的借鉴意义。

TGA是研究混煤燃烧特性的常用工具。但采用此工具时，煤粉处于程序升温环境中(升温速率通常为20～30 K/min)，与实际情况中煤粉突然置于高温炉膛内的燃烧有本质的不同。王春波等[11]提出了煤粉恒温热重分析法，将该方法用于混煤燃烧特性的研究更符合实际。基于此实验台，邵欢等[12]研究了恒定高温下煤质等对混煤燃烧的影响。王春波等[13]研究了恒温下煤粉燃烧的热重特性，结果表明掺烧低阶煤对单煤在初始反应阶段的平均失重速率影响较大，整体平均失重速率与掺混比具有良好的线性相关性。

在煤粉的恒温热重实验中，常采用失重百分比及燃烧速率随时间的变化趋势作为混煤燃烧特性的表征方法。该方法可以描述不同煤种在恒温环境下的实时燃烧速率、失重百分比、燃尽时间等，但这些参数在准确定量化描述煤粉燃烧强弱程度方面还有很多不足。另外，在研究煤质变化对燃烧特性的影响时，常采用单一煤质参数进行评判，如灰分含量影响燃料的着火和燃尽，水分增加会影响燃料着火，挥发分含量直接影响煤粉的燃烧速率，忽略了上述煤质因素之间的相互影响。采用单一煤质参数不能全面反映混煤的燃烧特性。

为了定量化、更全面地描述混煤燃烧特性及其与煤质的关系，笔者引入煤质判定指数FZ及燃烧判定指数D1、D2、S。FZ作为反映煤质中挥发分、水分与固定碳含量的综合指数，可以定量反映煤粉的煤质特性，代替常规分析中以单一煤质因素判断燃烧特性的方法。综合燃烧速率、燃尽时间等因素，提出适合恒温燃烧状态下的煤粉燃烧判定指数——挥发分析出特性指数D1、焦炭燃烧特性指数D2和煤粉燃烧综合判定指数S，以定量反映煤粉燃烧过程中不同阶段的燃烧程度，弥补常规方法中以燃烧速率或燃尽时间等单一因素难以判断燃烧情况的不足。

1 实验系统及煤种

1.1 实验系统

采用的恒温热重实验系统如图1所示。煤粉置于刚玉舟(长130 mm、宽15 mm)内，其燃烧过程中的质量变化通过质量采集系统实时记录并保存于计算机中。

图1 恒温热重实验台

实验过程如下：将管式炉升温至指定温度，通入体积流量为0.16 m3/h的氧气与氮气的混合气体(除特殊说明外，O2和N2的体积比皆为1∶4)，并稳定30 min；每次称取0.08 g左右的煤样，均匀铺于刚玉舟内，然后将刚玉舟放于质量采集系统的支架上，快速移动位于滑轨上的管式炉，使铺有煤粉的刚玉舟迅速到达管式炉的中心。质量变化被传感器实时记录，实验的重复误差在2%以内[14-16]。

1.2 实验煤种

实验中所用4种单煤的工业分析及元素分析结果见表1。

将上述煤种的原煤置于微型制样机中破碎，再利用80～120目(即180～120 μm)标准筛多次筛分，得到粒径范围为125～175 μm的4种单煤煤粉。由表1可以看出，煤种A与B皆为高挥发分煤种，煤种C与D为低挥发分煤种，将单煤A与B、A

表1 单煤的工业分析及元素分析

与C、C与D、B与D分别按照质量比为1∶3、1∶1、3∶1进行掺混，以配制所得12种混煤及以上4种单煤煤种作为实验煤种。为了便于表示混煤样品，用符号A、B、C、D表示煤种，其后紧随的数字为二者的比例，如按照1∶1比例配制的煤种A与煤种B的混煤记为A1B1。

2 实验结果分析

2.1 判定指数

2.1.1 煤质判定指数

为更全面反映煤质对燃烧特性的影响，引入煤质判定指数FZ[17]作为煤质特性的表征，其定义式如下：

FZ=[w(Vad)+w(Mad)]2×w(FCad)×100-2

(1)

式中：w(Vad)为空气干燥基下的挥发分质量分数；w(Mad)为空气干燥基下的水分质量分数；w(FCad)为空气干燥基下的固定碳质量分数。

FZ可用来判断煤粉着火的难易程度，是煤质特性的综合反映，可以克服只用单一煤质成分(如挥发分)来判断燃烧特性的缺点，并能定量反映掺烧煤粉的煤质特性，便于更加全面地分析煤质特性对燃烧特性的影响。

2.1.2 燃烧判定指数

目前，对燃烧特性的描述集中于对燃烧速率、燃尽时间等参数的分析上，其中燃烧速率定义如下：

(2)

式中：v为燃烧速率，%/s；m0为试样的初始质量，g；mt为实验过程中t时刻的试样质量，g；mA为试样燃尽后的质量，g。

虽然燃烧速率v能反映恒温下煤粉失重的快慢情况，但其只代表燃烧特性的某一方面。而燃烧特性包括不同阶段的燃烧速率v及相应的燃烧时间、燃烧剧烈程度等特征量，燃烧特性越好说明相同燃烧阶段的燃烧速率v更大，燃烧所需时间更短，燃烧更剧烈。因此，仅通过燃烧速率v表示燃烧特性过于片面，需要寻找同时包含燃烧速率v、燃烧时间、燃烧剧烈程度的判定指数，将其作为燃烧特性的综合反映。

为此，笔者提出了3个燃烧判定指数D1、D2和S，其定义式分别为：

D1=vmax/(tmax·Δt1/2)

(3)

D2=v1/2,2/(Δt1/2,2·Δt2)

(4)

(5)

式中：v0为煤粉燃烧开始时刻的燃烧速率；vmax为煤粉的最大燃烧速率；tmax为最大燃烧速率对应的时间；v1/2,2为半峰速率；Δt1/2为燃烧开始至v1/2,2所需时间；Δt1/2,2为从vmax至v1/2,2所需时间；Δt2为从燃烧峰值至燃尽所需时间；vave为燃烧反应过程的平均燃烧速率；Δt为从开始燃烧至燃尽所需时间。

各项参数的物理意义如图2所示。

图2 各项参数的物理意义

由式(3)～式(5)可知，D1、D2、S表达式包含了不同阶段的燃烧速率和燃烧时间2项参数，其值定量地反映了挥发分析出的剧烈程度、焦炭燃烧的剧烈程度及煤粉整体燃烧的剧烈程度，综合表征了煤粉不同阶段燃烧特性的好坏。

2.2 常规方法分析

为便于比较，首先利用常用的燃烧速率v方法，分析煤质、温度及氧气体积分数3种因素对燃烧特性的影响。1 300 ℃下4种煤的燃烧情况如图3(a)所示；不同温度下煤种A的燃烧情况如图3(b)所示；不同氧气体积分数下煤种A的燃烧情况如图3(c)所示。

由表1可知：单煤A、B、C、D挥发分质量分数逐渐降低；煤种C的固定碳质量分数最高，煤种B的固定碳质量分数最低。图3(a)表明，随挥发分质量分数增大，燃烧速率峰值vmax增大，燃尽时间缩短，燃烧速率曲线趋于平缓。由图3(b)与图3(c)可知，随着温度升高或氧气体积分数增大，燃烧速率峰值vmax增大，燃尽时间缩短，燃烧速率曲线趋于陡峭。

(a)不同煤种燃烧速率与时间曲线

(b)不同温度下燃烧速率与时间曲线

(c)不同氧气体积分数下燃烧速率与时间曲线

由图3也可以发现，虽然煤B与煤C的挥发分质量分数相差较大，但燃尽时间却差别很小，说明仅采用单一煤质参数研究燃烧特性可能是不全面的。同时，研究温度或氧气体积分数的影响时，无法直接比较不同煤质在温度或氧气体积分数改变的条件下，其燃烧速率、燃烧时间和燃烧剧烈程度等特征量的差异，且利用燃烧速率与时间曲线无法定量表示煤质变化对燃烧特性的影响程度。

2.3 新判定方法分析

为解决常规方法存在的问题，表征煤质变化对燃烧特性的影响，笔者提出绘制判定指数曲线图的新分析方法。即以煤质判定指数FZ为横轴，作为煤质参数的综合反映，以燃烧判定指数D1、D2、S为纵轴，作为燃烧特性的定量化表征，对D1、D2、S分别采用最小二乘法进行线性拟合得到判定指数曲线，分析D1、D2、S随FZ的变化关系。图4给出了温度为1 300 ℃、氧气体积分数为20%的条件下，单煤A、B、C、D及A1B1、A1C1、B1D1、C1D1混煤试样的燃烧判定指数曲线。其中实验所用煤种的FZ指数见表2。

图4 判定指数曲线

由图4可以看出，随FZ的增大，D1、D2与S皆呈线性增大；曲线D2、S的斜率明显大于曲线D1的斜率。这说明FZ指数与燃烧判定指数D1、D2、S间存在正相关关系；提高掺烧煤种中挥发分、水分及固定碳的综合含量，能够明显改善不同阶段的燃烧特性，加快反应速率，缩短挥发分析出及焦炭燃烧时间；当煤质特性发生变化时，其对焦炭燃烧段的影响程度高于挥发分析出段。

新判定方法采用FZ来综合反映多项煤质参数，便于全面描述掺烧煤粉的煤质特性；利用D1、D2、S能够综合表征挥发分析出及焦炭燃烧的剧烈程度、燃烧速率、燃烧时间等特征参数，定量反映燃烧特性。同时，判定指数曲线斜率反映了煤质变化对不同阶段燃烧特性的影响程度。相比于常规方法，新判定方法能更加综合且定量地表示煤质变化对燃烧特性的影响规律。

2.3.1 煤质的影响

煤质对混煤燃烧特性起决定性影响。为研究煤质变化对燃烧特性的影响，通过改变掺烧煤种的煤质，利用恒温热重实验得到相应的失重曲线，再采用上文提出的煤质判定指数FZ和燃烧判定指数D1、D2、S分别对煤质参数及热重数据进行定量化计算，将每种煤对应的计算结果绘制于图5中。

图5 不同煤质的判定指数曲线

在图5中，D1、D2、S随FZ增大而增大。其中,D1增大表明煤粉燃烧初始阶段的反应速率加快，挥发分释放时间缩短，析出程度更集中；D2增大意味着燃烧中后期反应速率增大，焦炭燃烧时间缩短，燃烧更加剧烈；S增大表明在煤粉燃烧过程中，平均燃烧速率增大，燃尽时间缩短，反应更加剧烈，燃烧特性得到优化。另外，曲线D2的斜率明显高于曲线D1的斜率，说明在燃烧的中后期，焦炭燃烧受煤质变化的影响程度更大，改变掺烧煤种的煤质参数，主要影响焦炭的燃烧，对挥发分析出的影响并不明显，这可能是由于挥发分析出时释放大量热量，使煤焦官能团等结构对燃烧特性的影响相对增强，导致焦炭燃烧段受到煤质变化的影响程度更大。另外，曲线S与曲线D2的斜率较为接近，说明在此工况下，焦炭燃烧过程在整体煤粉燃烧过程中起到决定性作用，即燃烧特性主要由焦炭燃烧阶段的燃烧特性决定。

由以上分析可知，采用判定指数曲线分析煤质对燃烧特性的影响时，可以通过D1、D2、S的大小判断不同阶段燃烧特性的优劣，曲线斜率能够反映出煤质变化对燃烧特性的影响程度。

2.3.2 温度的影响

为了研究不同温度工况下煤质对燃烧特性的影响，笔者在900 ℃、1 100 ℃和1 300 ℃下，对煤种A、B、C、D、A1B1、A1B3、A3B1、A1C1、A1C3、A3C1、B1D1、B1D3、B3D1、C1D1、C1D3、C3D1进行恒温下的对比实验，采用判定指数FZ、D1、D2、S对恒温热重实验结果进行分析，并绘制判定指数曲线图，如图6所示。

由图6可以看出，燃烧判定指数D1、D2、S随温

(a) 挥发分析出特性指数D1曲线

(b) 焦炭燃烧特性指数D2曲线

(c) 燃烧综合判定指数S曲线

度升高而增大，且1 300 ℃下的燃烧判定指数明显高于900 ℃与1 100 ℃下。这说明环境温度升高，有利于挥发分充分析出，使焦炭燃烧更剧烈，燃烧特性得以优化。在1 300 ℃工况下该现象更加明显，这可能是因为高温下固定碳与挥发分同时多相氧化燃烧产生相应的燃烧产物，反应速率明显加快，达到相同燃烧状态所需的时间缩短，导致燃烧更加剧烈。此外，1 300 ℃下D1、D2、S曲线的斜率明显高于1 100 ℃及900 ℃工况下，说明在1 300 ℃工况下，改变煤质对燃烧特性的影响程度更大，此时优化煤质参数，能够极大地优化煤粉挥发分析出及焦炭燃烧特性，使其反应速率加大，所需燃烧时间缩短，燃烧更加剧烈。另外，低FZ煤种在不同温度下的D2值几乎相同，但1 300 ℃下的D1值与其他温度下的D1值存在较大差距，说明升高温度对焦炭燃烧速率、燃烧时间、燃烧剧烈程度的影响很小，对挥发分析出的影响较大，这可能是因为低FZ煤种的灰分含量较高，在高温下灰分会出现熔融现象，矿物质迁移在煤颗粒表面形成灰壳，阻碍反应物在孔隙中的反应与传输，导致燃烧反应受阻，升高温度对燃烧特性的影响不大。

综上所述，在研究温度对燃烧特性的影响时，采用新判定方法可以定量化反映不同温度下不同煤质所对应的燃烧特性，从而进一步分析不同温度工况下改变煤质对燃烧特性的影响程度。

2.3.3 氧气体积分数的影响

氧气体积分数是影响煤粉燃烧的重要因素之一。为了研究当氧气体积分数发生变化时，煤质对燃烧特性变化情况的影响程度，采用判定指数FZ、D1、D2、S对恒温1 300 ℃及氧气体积分数分别为10%、15%、20%、30%条件下，煤种A、B、C、D、A1B1、A1B3、A3B1、A1C1、A1C3、A3C1、B1D1、B1D3、B3D1、C1D1、C1D3、C3D1的恒温热重实验结果进行分析，并绘制判定指数曲线，结果如图7所示。

由图7可以看出，判定指数D1、D2、S随氧气体积分数增大而增大，判定指数曲线上移，这说明增大氧气体积分数有利于挥发分析出与焦炭燃烧，增大燃烧速率，使燃尽时刻提前，煤粉的燃烧更加剧烈，燃烧特性得以优化；相较于低氧气体积分数(20%及以下)工况，氧气体积分数为30%时曲线D1、D2的斜率较小，说明在低氧气体积分数工况下优化掺烧煤种的煤质参数，对燃烧特性的影响更加明显，能够显著提高挥发分的析出速率，缩短焦炭燃烧时间，增加煤粉燃烧的剧烈程度。这可能是因为当氧气体积分数增大至30%时，煤粉的着火温度降低，且燃尽程度增大，燃烧初期不再因着火温度不同而发生抢风现象，燃烧所需氧量充足。在氧气体积分数为30%的工况下，低FZ煤种的D1、D2、S与低氧气体积分数工况下的差别比较明显。这就说明当氧气体积分数达到30%时，低FZ煤种的燃烧特性得以明显改善，挥发分的析出更加集中，焦炭燃烧更加剧烈，反应速率增大,燃尽时间缩短，但随掺烧煤种挥发分与固定碳含量的增大，这种差别逐渐减小。当氧气体积分数为30%时，高FZ煤种的D1、D2、S与氧气体积分数为20%时差别不大，对于此类煤种，提高氧气体积分数对其燃烧特性的影响不大。

由此可以看出，在研究氧气体积分数对燃烧特性的影响时，采用判定指数曲线便于比较不同混煤煤种在不同氧气体积分数下燃烧特性的差异，可通过D1、D2、S的大小反映燃烧特性的好坏，曲线斜率反映了煤质变化对燃烧特性的影响程度。

(a) 挥发分析出特性指数D1曲线

(b) 焦炭燃烧特性指数D2曲线

(c) 燃烧综合判定指数S曲线

3 结 论

(1)在新判定方法中，燃烧判定指数D1、D2、S包含燃烧速率、燃烧时间、燃烧剧烈程度这3项燃烧特性的特征量，能定量反映不同阶段的燃烧特性；煤质判定指数FZ能综合表征煤质特性；根据上述指数绘制出的判定指数曲线，可以直观地反映煤质变化对燃烧特性的影响程度，能弥补常规分析方法中的缺点。

(2)D1、D2、S随温度升高而增大，且1 300 ℃下D1、D2、S曲线的斜率明显增大，说明升高温度有利于改善各阶段的燃烧特性，温度升高至1 300 ℃后，燃烧特性受煤质的影响程度增大；对于低FZ煤种，不同温度下的D1差别较大，D2较为接近，说明升高温度主要影响低FZ煤种挥发分的析出特性。

(3)增大氧气体积分数，D1、D2、S随之增大，相较于低氧体积分数工况，富氧气氛下曲线D1、D2的斜率较小，说明增大氧气体积分数有利于改善燃烧特性，达到富氧气氛时，改变煤质对燃烧特性的影响较小；对于低FZ煤种，氧气体积分数达到30%时，D1、D2、S与低氧气体积分数工况下的差别比较明显。

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