煤粉富氧燃烧热分析试验研究

2010-11-15李文华黄永杰翁善勇

浙江电力 2010年6期

李文华，黄永杰，翁善勇

（1.浙能温州发电有限公司，浙江温州 325602；2.浙江大学热能工程研究所，杭州 310027）

影响煤粉燃烧的关键因素是温度及煤粉和氧气的浓度。由于空气中有79%是惰性氮气，燃烧时也需要吸收大量热能，制约了反应温度的进一步提高。同时，随着反应的进行，氧气浓度不断下降，制约了燃烧反应的进一步进行，特别是煤粉挥发分析出后剩余的焦炭难以燃尽。而采用煤粉富氧燃烧技术，一旦局部着火，燃烧反应就会迅速扩散，使煤粉燃尽率大为提高。

通过实验室热分析以及沉降炉、卧式燃烧试验炉的研究，在温州电厂135 MW机组上实现了煤粉富氧冷态直接点火的工业应用。

用热分析对煤粉富氧燃烧的研究已有不少文献报道[1-4]，数据处理及分析各有侧重。不同煤种对富氧的敏感性不同，本文以温州电厂4个常用煤种为对象，介绍富氧燃烧热分析研究结果。

1 试验工况及分析方法

1.1 试验煤样

试验煤样工业分析数据见表1，其中的富动23和神混8号是典型的神木侏罗纪煤种，富动12和优混则是山西大同侏罗纪煤炭典型煤种，因此研究的结果具有广泛的应用价值。

表1 试验煤样的工业分析主要结果 %

1.2 试验分析方法

试验采用NETZSCH STA 449C型热重分析仪。为减少反应气体浮力变化对样品失重过程的影响，改变氧气浓度时保持总的流量不变，通过调整氧气和氮气的比例，获得不同氧气浓度条件下的分析曲线。

各工况均采用10℃/min升温速率，升温范围为50～700℃，样品质量为10 mg左右，其平均粒度基本接近。由于反应气中氧气浓度的变化依靠调整不同气种的流量实现，为了读数方便和提高氧气浓度准确性，试验氧气浓度分别取16.7%，33.3%，50%，66.7%，83.3%5种，记为工况1-5。

根据如图1所示的热重曲线TG和微商热重曲线DTG，可以得到以下热分析特征点：

（1）挥发分初析点。取DTG曲线开始出现恒定负值的点，将该点温度记做Ts，它是衡量煤质挥发份析出难易的一个重要因素。

（2）着火点。在DTG曲线上，过峰值点作垂线与TG曲线交于一点，过该点作TG曲线的切线，该切线与失重开始时平行线的交点所对应的温度定义为着火温度Ti，该点温度是衡量煤粉着火特性的重要特征点。

（3）最大燃烧速率点。在DTG曲线上表现为最低峰值点，对应反应过程中最快反应速度点，此点温度和燃烧速率分别记为T1max和W1max。

（4）燃尽点。以烧掉98%可燃质时的点为燃尽点，其对应温度为燃尽温度Th。

图1 热重曲线主要特征值点确定示意图

2 试验结果及分析

2.1 氧浓度影响燃烧的总体描述

图2-5分别为4个煤样在不同氧浓度下的TG曲线。

由图可见，随着氧浓度的提高，TG曲线都向左移，表明在相同升温速率下，挥发分析出着火和剧烈燃烧均明显提前。当氧浓度为16.7%和33.3%时，4个煤样的线形基本一致，没有出现明显的分段燃烧，而当氧浓度提高到50%及以上后，不同的煤种表现出不同特性，其中2个神木侏罗纪煤样对氧浓度变化比2个优混侏罗纪煤样更为敏感。

图2 富动23在不同氧浓度下热重曲线

图3 神混8号在不同氧浓度下热重曲线

图4 优混在不同氧浓度下热重曲线

图5 富动12在不同氧浓度下热重曲线

2.2 氧浓度对着火的影响

图6和图7分别是4个煤样在不同氧浓度下的Ts和Ti变化曲线。

由图可见，在氧浓度为50%以前，挥发分初始析出温度Ts随着氧浓度的增加以－5℃/10%的斜率下降，而当氧浓度高于50%后，Ts曲线开始变得平缓。

图6 4个煤样Ts变化曲线

图7 4个煤样Ti变化曲线

着火温度Ti的变化较为特殊，从煤样的着火段热重曲线随氧浓度升高逐渐往左移判断，着火温度应该随之逐渐降低。但用作图法求取的着火温度Ti因不同的线形之间存在一定误差，氧浓度升高后出现了明显的分段燃烧，富动23和神混8号的着火温度规律性差，而优混和富动12则呈指数关系下降，氧气浓度从16.7%到33.3%，优混和富动12的Ti分别下降了12.9℃和15.9℃。