煤粉微富氧条件下燃烧特性的实验研究

陆泓羽，王春波，雷 鸣，邢晓娜

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

富氧燃烧技术是一种既能直接获得高浓度的CO2，又能综合控制燃煤污染物排放的新一代燃烧技术，但相对于常规空气燃烧模式，其经济性较差，发电成本较高[1]。这主要是由于富氧燃烧需要的大量纯氧由ASU空分装置制取，而ASU空分制氧能耗及投资都很高。

Zanganeh和 Shafeen[2]探讨了用空气替代富氧燃烧中一部分纯氧来完成煤的燃烧。Zanganeh和Y.Huang等人[2～3]对改进的富氧燃烧方式采用低温蒸馏脱除 CO2技术进行了经济性模拟。A.Doukelis等人[4]对这种改进的富氧燃烧方式采用MEA脱除CO2技术进行了经济性模拟，发现发电成本与富氧燃烧相比有所降低。

本文中定义的微富氧燃烧技术通过调节添加空气量的多少将烟气中CO2的体积分数限制在30%～40%。之所以选择该CO2浓度范围，是基于如下的技术路线:PSA变压吸附是一项高效率、低能耗的分离提纯CO2技术，已逐渐成为颇具竞争力的一种回收 CO2技术[5]。PSA 技术[6]是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力的变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程来实现气体的分离或提纯。日本是利用 PSA 技术分离 CO2的先驱[7，8]，该应用主要集中在日本电厂和制造业。国内PSA在合成氨原料气脱碳工艺中已实现了工业化[9]。一般原料气中CO2浓度为30% ～40%左右，十分适合采用PSA变压吸附技术脱除微富氧燃烧烟气中的。因此，在此CO2浓度下寻求合适的脱碳方式，将可能是提高其经济性一条有效的途径。

本文对两种煤在微富氧气氛条件下进行了热重分析实验，并和空气、富氧燃烧条件下的燃烧特性进行了比对研究。这对于微富氧燃烧技术进一步的工业应用，提供了一定的参考。

1 实验过程

实验在热重-差热天平上进行。称取约10 mg煤样放入坩埚，N2吹扫15 min后开始实验。气量为100 mL/min，升温速率20℃/min，由室温升至850℃。为研究不同煤种在微富氧下的燃烧特性，实验选取无烟煤、烟煤两种典型煤样，粒径为74～92 μm。煤质分析见表1。

表1 煤样的工业分析与元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal samples

为比较研究微富氧下和空气、富氧等条件下燃烧特性的差异，实验选用了几种典型气氛配比，见表2。

表2 实验气氛配比 (总通气量=100 mL/min)Tab.2 Experimental atmosphere ratios(Total ventilation=100 mL/min)

2 结果与讨论

图1、2为无烟煤在不同气氛条件下的TG，DTG和DTA曲线。如图所示，随着氧浓度的增加，煤粉的燃烧特性曲线向低温区发生明显偏移，燃烧最大失重率加快且放热峰逐渐增强。这表明氧浓度的增加可提高煤样的燃烧速率，提高放热强度，从而使煤的反应活性得到改善[11～12]。在同样的氧浓度下，微富氧燃烧TG曲线所处温度区间较富氧燃烧的要低，而其最大失重速率和放热强度则要略高于富氧燃烧的，这说明微富氧气氛下的燃烧效果较好。由于N2的摩尔质量要比CO2小，因此，将反应气氛中的CO2部分替换成N2后，混合气体的密度降低，加上CO2的比热要高于N2，同样体积下的两种气体相比，N2储热量更少，因而微富氧燃烧的反应升温更迅速，燃烧速率更快[13～14]。

为了进行验证及比对研究，对烟煤也进行了类似图1中工况下的实验，结果见图3。与无烟煤的情况类似，随着氧浓度的增加，烟煤的燃烧特性曲线均向低温区移动，其最大失重率加快，放热增强，说明氧浓度的增加可使煤的反应活性得到改善。在相同的氧浓度下，由于N2和CO2物性的差异，煤样微富氧气氛下的燃烧效果也同样好于富氧气氛下的。

对比以上图1～3可以看出，两种煤样的DTG曲线形式基本一致，但DTA曲线之间却有所不同。无烟煤只有一个比较明显的放热峰，说明其发生的是非均相着火，而烟煤则有两个放热峰，说明其可能发生了均相着火。氧浓度升高后，虽然两种煤样的DTA曲线都向低温区偏移，但曲线形式没有发生大的变化，即煤粉的着火机理并没有因为气氛的改变而发生变化[15]。

由图1至图3可得两种煤样在不同气氛的下燃烧特性参数，见表3。从中可以看出，对任一种煤样，在相同的氧浓度下，微富氧燃烧的最大失重率和平均失重率均要高于富氧燃烧的，其燃烬时间也较短。但随着氧浓度的升高，微富氧和富氧燃烧特性参数之间的差异逐渐减小，即在氧浓度较高时将富氧燃烧中的CO2替换成N2后，反应速率变化不大。这说明在氧浓度升高后，由于燃烧反应速率较快，气氛的影响逐渐减弱。从表3中还可以看出，在反应条件一致时，烟煤的平均和最大失重率比无烟煤高，其燃烬时间也最短，说明烟煤的反应活性较高。

表3 煤样的燃烧特性参数Tab.3 Weight loss rate and combustion time

3 燃烧特性参数

3.1 着火温度和燃烬温度

着火温度和燃烬温度能够反映燃料着火和完全燃烧的难易程度。在实际应用中，充分了解着火温度和燃烬温度对于煤的着火及完全燃烧有着重要指导意义。

图4为两种煤在不同反应条件下的着火温度和燃烬温度。其中，着火温度 (Ti)采用TG-DTG法确定[16]，燃烬温度 (Th)则定义为可燃物消耗98%时对应的温度[17]。

图4 不同气氛条件对着火温度和燃烬温度的影响Fig.4 Different atmosphere conditions on the influence of Tiand Th

由图4可知，随着反应气氛中氧浓度的升高，两种煤的着火温度和燃烬温度都呈下降趋势。但在相同的氧浓度下，微富氧燃烧的着火和燃烬温度要比富氧燃烧的低 (条件2、3之间和条件4、5之间对比)。如前所述，由于N2和CO2物性的差异，N2更有利于燃烧的进行，因而在相同的氧浓度下，将富氧燃烧中的部分CO2替换为N2形成微富氧燃烧后其着火和燃烬温度有所降低。在氧浓度为30%时，两种煤的微富氧和富氧燃烧的着火和燃烬温度相差较大，但在更高的氧浓度下(O2=40%)其着火和燃烬温度却相差较小，即高氧浓度下，燃烧反应速率加快后，气氛的影响逐渐减弱。

在同样的反应条件下，无烟煤的着火和燃烬温度较高，烟煤偏低。由于烟煤都是均相着火，其挥发分首先析出着火，因而其着火温度相对于无烟煤的非均相着火温度要低，而无烟煤由于挥发分含量低，燃烧速率慢，故其燃烬温度是最高的[15]。

3.2 燃烧特性指数

为进一步评价煤质燃烧特性优劣，采用文献[18]的燃烧特性指数S来进行分析。

图5给出了两种煤样燃烧特性指数S随反应条件变化的关系曲线。

图5 煤样在不同气氛下的SFig.5 S of coals in different atmosphere ratios

两种煤样的S都随着氧浓度的增加而逐渐上升，说明氧浓度的升高可有效改善煤粉的综合燃烧性能。在相同的氧浓度下，微富氧燃烧的燃烧特性指数S要比富氧燃烧的高，说明将富氧燃烧中的部分CO2替换成N2后，煤粉的燃烧性能有所改善。在同样的条件下，由于烟煤燃烧速率快，燃烬时间短 (见表3)，着火温度和燃烬温度低(见图4)，所以烟煤的反应活性较高，因而其综合燃烧特性指数S要明显高于无烟煤，说明烟煤的综合燃烧性能较佳。

4 结论

随着氧浓度的增加，煤粉的着火和燃烬温度逐渐降低，燃烬过程缩短，放热增强，燃烧特性指数S和表观活化能逐渐增大，煤粉的燃烧特性得到改善。在相同的氧浓度下，由于N2和CO2的物性差异，微富氧的燃烧效果要好于富氧燃烧，但在较高的氧浓度下，燃烧反应速率较快，气氛的改变对反应影响较小，因而两种气氛的燃烧特性相差不多。在反应条件发生改变后，两种煤样燃烧特性参数的变化趋势虽基本一致，但不同煤种之间还略有差异。烟煤的着火和燃烬温度较低，反应活性较高，其综合燃烧特性指数S也要明显高于无烟煤，而且随氧浓度的升高，S上升幅度也较大，说明在同样的反应条件下烟煤的燃烧性能更佳。