水泥用煤燃烧特性评价的实践

杨德吉

（华润水泥控股有限公司， 广东 深圳 518057）

0 引言

国内外对煤的燃烧行为的研究主要针对电力和煤炭行业，着眼于煤的发热量和煤的着火点，而水泥行业对煤的要求：由于水泥行业分解炉结构的特殊性，不仅要求燃煤发热能力强，而且对煤的燃烧平稳性、易燃性、着火猛烈程度以及煤的燃尽时间要求也更高。一方面，煤粉在分解炉内的停留时间一般较短；另一方面分解炉内碳酸钙分解的吸热与燃料燃烧同时进行，则燃料的燃烧速度就会直接影响到碳酸钙的分解速度，影响分解炉的正常运行，使入窑碳酸钙分解率不能达到生产要求，从而增加窑系统热负荷，造成工况不稳，难于操作控制；同时由于其燃尽度低，未燃尽煤粉易被带入预热器，继续燃烧，造成预热器局部高温，从而引起预热器系统的结皮堵塞。这些问题的解决都依赖于对煤燃烧特性的认识和评价。

水泥工业中煤的燃烧行为比较复杂，本文通过三十余种烟煤、无烟煤等的差热分析试验， 从应用的角度， 结合本公司水泥工业分解炉炉型的特点， 在差热分析测得结果（主要包括着火温度、最大燃烧速率、峰值温度、燃尽温度、燃尽时间等）的基础上提出了煤的可燃性指数、燃烧稳定性指数、燃尽特性指数和燃烧特性指数四个评价指数。这些指数之间既有区别又有其内在的联系，分别表征煤炭燃烧过程中不同阶段的性能，而评价一种煤炭的综合性能时，我们必须同时考虑四种性能。这样我们引入了评分法对煤炭进行评价，构造了一个相对的可比性，即先将不同煤各特性指数看成独立的，根据独立的特性指数进行比较，得出该指数的排名以及对应的分数，再把各特性指数的分数相加，即可得到该煤的综合得分。同时进行了燃尽度的测定，进一步确定未燃尽煤粉对窑系统的影响，为本公司水泥工业用煤采购提供了较好的参考。

1 试验说明

1.1 试验条件:

差热分析:本实验采用HCT-2型差热分析仪，进行TG，DTG及DTA的同步热分析。燃烧实验采用氧化气氛，气体流量为120 mL／min。采用非等温法进行加热，升温速率为15 ℃／min，从室温开始升温，终止温度为1000℃，保温1min，实验样品质量为10 mg。

燃尽度的测定：本实验采用SDTGA-200灰挥测试仪，按GB/T 212 -2008 煤的工业分析方法称样，将灰挥测试仪设定快灰程序，放入试样于850℃保温10分钟，冷却后称量燃烧残余物质量得到Wr；重新放入马弗炉中继续保温30分钟，此时煤已经燃尽，取出冷却后再称取燃烧残余物质量，可得到 Wr2，则可求得Wra=Wr2/Wr。

1.2 试验数据

（1）差热分析

以一种常用无烟煤( 如图 1) 为例来说明差热分析试验中测得的参数及其意义：差热分析的数据主要包括着火温度、最大燃烧速率、、燃尽温度、燃尽时间、峰宽、后半峰宽、平均燃烧速率。

着火温度：DTG曲线上过第一峰值点 A 作垂线与TG曲线相交于一点B， 过B 点作 TG 曲线的切线， 切线与失重开始时水平线的交点 C 所对应的温度定义为着火温度 Ti( ℃)，表示煤的着火难易程度，反映了煤种着火性能的好坏。其数值越小，表明该煤种着火越容易。煤粉着火越容易，越有利于燃烧的稳定；最大燃烧速率和峰值温度： DTG曲线最低点及其所对应的温度，反映了煤着火后的后续燃烧情况，最大燃烧速度值越大，峰值温度越小，说明煤种着火后的燃烧速度越快，煤种的燃烧稳定性越强；燃尽温度和燃尽时间：定义为烧掉 98%燃料量时对应的温度和所需的时间，一般来说，燃尽所需时间越长，燃尽性能越差；

峰宽：峰宽温度差所对应的DTG曲线下所包围的面积，为煤中可燃质聚集燃烧份额的大小，峰宽越大，煤可燃质聚集份额越多。

后半峰宽及其与峰宽的比值：后半峰宽反映煤炭燃尽的集中耗时程度，它与峰宽的比值可以间接反映煤后期燃烧的快慢，也就是燃尽程度。比值越小，表明煤燃尽所需时间越短，后期燃烧所需时间越少；反之，后期燃烧所需时间越长，燃尽情况越差；

表1 一种无烟煤的差热分析参数

图1 一种无烟煤差热分析曲线

（2）燃尽度

燃尽度是指在一定条件下煤粉中燃烧掉的可燃组分的质量分数，在客观意义上讲就是反应的完全程度，燃尽度的计算公式为：

公式中 Rc为燃尽度，Wr和 Wra分别为在一定的实验条件下的煤燃烧残余物质量和灰分的质量分数，Wc和Wca分别为试样的质量和相应灰分的质量百分数。

2 评价参数的建立

利用煤的热分析曲线所能测得的基本参数，定义了以下评价指数：

（一）煤的可燃性指数Cb：综合考虑了煤的最大失重速率和着火温度两因素对煤着火性能的影响，煤的可燃性指数反应了煤着火的难易程度，其值越大，煤的可燃性越好。

（二）煤的燃烧稳定性指数G：煤样的最大失重速率越大，挥发分释放的就会越强烈；峰值温度越低，挥发分释放的高峰期出现得越早，着火温度越低，着火就越容易，这有利于形成较高的燃烧温度，燃烧就越稳定、越充分，煤粉的燃烧性能越好。从这个意义出发定义燃烧稳定性指数：煤粉燃烧稳定性是煤粉着火难易和燃烧强弱的综合反映。煤的燃烧稳定性指数定义为：

公式中：Tmax为峰值温度，K；其他参数同上。

（三）燃尽特性指数 Hj：燃尽特性指数的大小反映了煤燃尽性能的好坏，其值越大，燃尽性能越好。

（四）燃烧特性指数 SN：煤的活性、着火猛烈程度、最大燃烧速度、燃尽性能等的综合指标，较全面的反映了整个燃烧过程的特性。SN值越大，表明煤的燃烧特性越佳。一般而言，由褐煤到无烟煤，着火与燃尽是由易变难，而其值则由大变小，SN值相差较大的煤种，燃烧性能差异也大；SN值相近的煤种，燃烧性能则比较接近。

其他参数同上。

表 3列出了几种典型的烟煤、无烟煤的可燃性指数、燃烧稳定性指数、燃尽特性指数和燃烧特性指数，然后根据独立的特性指数进行比较，相应的得出该指数的排名以及对应的分数，再把各特性指数的分数相加到的综合评分。

3 实际煤样分析

从表2 可知， 从水泥行业用煤角度来讲， 内蒙煤的四个指数都较高， 特别是燃尽特性指数和燃烧特性指数较其它煤都要好，可算是优质煤； 总的来说无烟煤的可燃性指数和燃烧稳定性指数比烟煤的低， 基本上都小于1；燃尽特性指数和燃烧特性指数低得更多，使得差热分析试验中燃尽时间较长， 跟众多烟煤比较来看， 它的综合燃烧性能较差; 而混煤的四个指数基本上是介于两者之间；云南烟煤的可燃性指数、燃烧稳定性指数虽然不太好，但其燃尽特性还可以。贵州烟煤由于灰分较高变质程度较深，其四个指数均较其它烟煤差，其可燃性指数、燃烧稳定性指数与无烟煤差不多，只是燃尽特性指数和燃烧特性指数比无烟煤要好；散装蒸汽煤的四个指数均比较差，可算是劣质煤。

表2 典型煤样的评价指数及综合评分

表 3 给出了对三种燃尽特性差别较大的煤进行的燃尽度试验数据，以更好地进行比较说明。

表3 三种无烟煤的差热与燃尽度测试数据

4 结论

（一）在差热分析测得结果得出了煤的可燃性指数、燃烧稳定性指数、燃尽特性指数和燃烧特性指数四个评价指数，并引入了评分法对煤炭进行评价，构造了一个相对的可比性，为本公司水泥工业用煤采购提供了较好的参考。

（二）对在差热分析试验中发现的燃尽特性较差的煤，进行了燃尽度的测定，进一步确定避免未燃尽煤粉对窑系统的影响。