煤粉粒度对神华煤热解及燃烧特性的影响＊

平传娟 钟英杰 徐 璋

（浙江工业大学能源与动力工程研究所，浙江省杭州市，310014）

煤粉粒度对神华煤热解及燃烧特性的影响＊

平传娟 钟英杰 徐 璋

（浙江工业大学能源与动力工程研究所，浙江省杭州市，310014）

采用瑞士梅特勒公司生产的TGA／SDTA851e热重分析仪器研究了4种不同煤粉粒度神华煤的热解、燃烧特性，考察了粒径及升温速率对热解和燃烧的影响。采用不同的升温速率制取两组焦样，进行热天平燃烧实验。用特征温度表征燃烧过程特性，分析燃烧规律的变化。实验结果表明，随着制焦时煤粉粒径的减小，煤焦的着火温度提前，燃烧的剧烈程度增加，燃烧的稳定性和燃烬程度得到了改善。由于挥发分的存在，煤粉燃烧过程中粒径对于难燃质燃烧的影响较小。

煤粉粒度 热重分析 特征温度 燃烧 热解

颗粒粒度是煤粉物理结构的重要参数，对煤粉的微观结构有直接影响，是决定煤粉传质、传热特性的重要因素。煤粉是一种宽筛分组成，理论上包含有最大粒径下任意大小的煤粉颗粒。在确定的煤粉粒度分布特性下，煤粉的燃烧性能是不同颗粒粒度的煤粉燃烧特性的综合体现。众多学者就颗粒粒度变化对煤粉气化、燃烧及灰污染的影响开展了广泛的研究，对粒度小于20μm的超细煤粉的低NOx排放也很关注，有的学者还从元素组成入手研究煤粉颗粒的物化特性。本文采用热重分析法，着重研究常规煤粉炉燃用粒度范围内，煤粉颗粒粒度变化对燃烧性能的影响，探讨颗粒粒度变化在热解过程中的表现，同时还就升温速率变化对煤粉热解、燃烧性能的影响进行了初步分析。

1 实验设备及条件

本文研究的对象是神华煤经过筛分后的4种不同粒度分布的煤粉颗粒，煤粉的工业分析及元素分析如表1所示。在瑞士梅特勒公司生产的TGA／SDTA851e型热天平上对4种不同颗粒度的煤样分别进行热解和燃烧实验。热解实验温度范围50～1200℃，采用30℃／min和50℃／min两种升温速率，反应气体是高纯氮气，气体流量90ml／min；燃烧实验温度范围50～1000℃，采用30℃／min和50℃／min两种升温速率，反应气体氧气∶高纯氮气＝1∶2，气体流量90ml／min。

2 数据处理与分析

2.1 颗粒粒度对煤粉燃烧的影响

神华煤的工业分析结果见表1，煤粉燃烧分布曲线见图1，可以看出，神华煤燃烧过程中有两个失重速率高峰，我们将低温时的速率高峰称之为易燃峰，高温时的速率高峰称之为难燃峰。易燃峰反应了燃烧初期挥发分和焦炭中易燃部分的燃烧状况，难燃峰则主要反应焦炭中难燃部分的燃烧状况。易燃质的燃烧在480℃左右达到最大失重速率，难燃质的燃烧在560℃左右达到最大失重速率，两次速率高峰出现的间隔最大相差80℃左右。煤粉颗粒粒度较粗时，煤粉燃烧的双峰现象很明显，随着煤粉细度的增加易燃峰渐渐变弱，难燃峰逐渐增强。当煤粉细度小于40μm时，燃烧的双峰现象已经基本消失。煤粉着火主要是挥发分析出着火而引燃焦炭颗粒着火，煤粉颗粒越细，煤粒的比表面积越大，热反应也就更加迅速，有利于挥发分的析出和煤粉颗粒的非均相着火。因此煤粉细度增加，难燃峰的起始失重提前，易燃质的燃烧与难燃质的燃烧的分界愈发不明显，焦炭的燃烧剧烈程度增加，但是最大燃烧速率对应的温度变化并不明显。

表1 煤样的工业分析与元素分析

图1 燃烧失重速率曲线

2.2 颗粒粒度对焦炭燃烧的影响

由于燃煤挥发分的析出着火只是形成煤粉稳定燃烧的必要条件，由此可能引起煤焦的着火（对于高挥发分煤），但也可能不能发展成为稳定的燃烧（对于低挥发分煤），因此煤焦的着火才是煤粉稳定着火燃烧的充分条件，同时煤焦的燃烧也决定着煤粉燃烧的燃尽程度。为了更清晰的描述焦炭的燃烧，以热天平为制焦设备，在50～1100℃的温度范围内，分别以30℃／min和50℃／min的升温速率进行加热，气体为高纯氮气，气体流量90ml／min，制备共7个焦样。然后观察焦样以50℃／min的升温速率从50℃加热到900℃的燃烧状况，反应气体氧气∶高纯氮气＝1∶2，气体流量90ml／min。

图2 煤焦的燃烧失重速率曲线

图2所示的是在50℃／min的升温速率下制备的焦样的燃烧分布曲线，可以看出，颗粒粒度对煤焦燃烧的影响非常明显。煤粉颗粒越细则焦炭的着火温度越低，燃烧越剧烈，焦样的最大燃烧速率对应的温度越低，焦样越容易燃尽。这和煤粉燃烧时难燃峰的燃烧规律是一致的。焦样的燃烧最大速率对应的温度随颗粒粒度的变化比较明显，有别于煤粉难燃峰阶段的燃烧，这是因为煤粉中含有的挥发分的燃烧为焦炭的燃烧提供了热量，在一定的程度上缩小了焦炭燃烧阶段煤粉颗粒粒度的影响。

2.3 燃烧的特征温度分析

着火温度是指开始燃烧反应时的温度，在热重曲线上表现为开始失重时的温度，反应了煤种开始燃烧的难易程度。本实验4种不同粒度的煤粉的着火性能相近，均在430℃左右开始。50%有机质燃尽温度为煤粉燃烧过程中失重量为总失重量一半时所对应的温度，这一特征温度和最大反应速率对应的温度都反应了煤粉燃烧的剧烈程度。燃尽温度反应了焦炭燃烧的性能，燃尽温度越高，则焦炭的燃烧越困难。本实验将煤粉燃烧转化率达99%时对应的温度作为燃尽温度。几种特征温度的数据如图3和图4所示。其中T1为最大反应速率对应的温度，T2为50%有机质燃尽温度，T3为燃尽温度。

图3 特征温度分析

煤粉燃烧过程中，T2远小于T1，随煤粉颗粒粒度的减小，T2明显呈增大的趋势，T1有微弱的下降，T1和T2两个特征温度的差异减小。煤焦燃烧过程中，随煤粉细度的增加T1、T2均降低，T2的降幅更大，二者的差异也呈下降的趋势，但是和煤粉燃烧不同，T2要高于T1。煤粉燃烧过程中，50%有机质燃尽时主要是挥发分的燃烧，因此T2和样品的挥发分含量关系密切，挥发分含量越高，T2相应越低；而煤焦的燃烧则主要是固定碳的燃烧，细颗粒更有利于热量和气体的扩散，加速了燃烧的进程，因此，制焦颗粒越细T2越低。从燃尽温度图4上可以更为明显的看出颗粒粒度变化对煤焦燃尽温度的影响要远远大于对煤粉燃尽温度的影响，颗粒粒度越细，燃尽温度越低。煤粉的燃烧特征温度均低于煤焦的燃烧特征温度，可见挥发分的存在对燃烧所起的重大作用。

图4 燃尽温度对比

2.4 颗粒粒度对煤粉热解的影响

煤的热解是燃烧、气化等过程的第一步，虽然在这些高温过程中热解在很短的时间内就完成了，但它对整个过程都有影响。为了更好地理解燃烧的进程，本文研究了不同粒度的煤粉的热解过程。

图5 热解挥发分析出速率曲线

从挥发分析出速度曲线图5可以看出热解过程大致分为3个阶段。200℃以前是干燥脱气阶段，主要析出水分和脱除吸附气体。300℃以后出现的双峰分别对应以解聚和分解反应为主的半焦形成阶段和以缩聚为主的熟化成焦阶段。煤粉热解的最大失重速率对应的温度基本上不受煤粉颗粒粒度变化的影响，但是挥发分的析出速率受颗粒粒度变化影响较大。随着煤粉颗粒粒度的减小，半焦形成阶段挥发分的析出速率减小，熟化成焦阶段挥发分的析出速率增大。大约在480℃附近，形成了半焦峰，随后粗颗粒的析出速率急剧下降，而细颗粒的下降则相对缓慢。熟化成焦峰在690℃附近形成，细颗粒的挥发分析出速率高于粗颗粒的析出速率，并且在随后的温度范围内一直保持较高的析出速率，可见煤粉细度改善热解特性主要体现在熟化成焦阶段，这也就是细颗粒挥发分析出总产量大的原因。煤粉热解挥发分析出速率曲线可以直观地解释煤粉的燃烧曲线变化。

图6 燃烧转化速率曲线

2.5 加热速率对热解、燃烧的影响

不同的升温速率下，颗粒粒度对燃烧的影响规律基本相似，见图1。由图6可以看出，升温速率增加，同一粒度的煤粉燃烧时易燃峰和难燃峰的燃烧速率降低，对应的特征温度相应提高；易燃峰的后延略大于难燃峰的后延，两峰之间的温度差距有所减小；燃尽温度提高。制焦时升温速率增加制得的焦炭的燃烧性能变差，最大燃烧速率对应的温度提高，最大燃烧转化速率降低，燃尽温度也随之提高。热解失重速率曲线见图7。分析表明，在较高的加热速率下，挥发分的析出速度较快，相应制得的焦样的纯度较大，因此高加热速率下制得的焦样的燃烧更能反应焦炭燃烧的本质特性。本文研究的两种加热速率都是在慢速加热的范围内，仅用于说明热天平实验条件的改变对于实验数据的影响。

图7 热解转化率曲线

3 结论

（1）随着煤粉颗粒粒度的减小，神华煤不同筛分的样品灰分含量增加，挥发分含量有所降低。

（2）随着煤粉颗粒粒度的减小，神华煤失重速率曲线的双峰现象趋于消失，非均相着火现象明显。煤粉的50%有机质燃尽温度提高，逐渐接近煤粉的最大燃烧速率对应的温度。

（3）随着制焦时煤粉颗粒粒度的减小，焦炭的着火温度降低，燃烧的剧烈程度增加，燃尽温度明显降低。

（4）随着颗粒粒度的减小，熟化成焦阶段的挥发分析出速度增加，这可以说明燃烧过程中焦炭的着火和燃烧稳定性随颗粒粒度的减小而改善的现象。

（5）随着升温速率的增加，挥发分的燃烧和焦炭的燃烧时间间隔缩小，趋于同步。煤粉燃烧的特征温度有所提高。

（6）制焦时升温速率增加制得的焦样的燃烧性能有所降低，是由于焦样的纯度较高造成的，更能反应焦炭本身的燃烧特性。

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Influence of coal particle size on pyrolysis and combustion characteristics of coal samples from Shenhua Group

Ping Chuanjuan，Zhong Yingjie，Xu Zhang
（Energy and Power Engineering Institute，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

The characteristics of pyrolysis and combustion of coal samples from Shenhua Group in four different particle sizes were analyzed on a TGA／SDTA851ethermogravi metric analyzer made by Mettler company.Moreover，the effect of particle size and heating rate on the pyrolysis and the combustion were discussed.Two coke samples were obtained at the different heating rates and then burned on the ther mobalance.The characteristic temperatures were used to characterize the co mbustion and analyze its variation law.The results showed that the decrease of particle size promoted the start of combustion，enhanced the violence of combustion，and improved the stability of combustion and the degree of burn－out.Owing to the volatile matters，the particle size had little influence on the combustion of non－flammable matters.

coal particle size，thermogravimetric analysis，characteristic temperatures，combustion，pyrolysis

TQ534

A

浙江省教育厅科研项目（200803830）

平传娟（1978－），女，山东日照人，讲师、博士，主要从事优化动力配煤及混煤洁净燃烧技术的研究。

（责任编辑 梁子荣）