无烟煤与石油焦燃烧特性的对比试验研究

吕当振，李文军，段学农，于鹏峰

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙410007)

近年来，装机容量不断增加，原煤供应日趋紧张，大量电站锅炉实际燃用煤种严重偏离设计煤种，使得锅炉排烟温度升高，飞灰、炉渣含碳量显著上升，严重影响了电厂燃烧经济性。此外，为了深度利用煤炭资源，煤矸石、极低挥发分无烟煤、劣质无烟煤以及石油焦等大量难燃燃料投入使用，进一步降低了锅炉燃烧经济性，更为严重的是燃烧不稳、结焦结渣、全炉膛灭火等已严重影响锅炉安全稳定运行。研究选用4 种无烟煤其中2 种极低挥发分无烟煤和石油焦，通过热重研究着火与可燃性、燃尽特性、综合燃烧特性等，同时对比研究了无烟煤与石油焦在着火与燃烧特性方面的差异，进而阐述无烟煤与石油焦燃烧特性，为进一步利用低挥发分无烟煤与石油焦提供参考。

1 试验

1.1 实验煤种

选用4 种无烟煤其中2 种极低挥发分无烟煤和1 种石油焦作为研究对象，其工业、元素及发热量分析见表1。从表中数据可知，无烟煤A/B 干燥无灰基挥发分低，仅在5%左右，无烟煤C 挥发分较高，无烟煤D 发热量低，且灰分明显高于其他3种无烟煤;石油焦较无烟煤有明显差别，其特点为灰分低(5.42%)，发热量明显高于无烟煤，固定碳含量高(87.03%)，但其燃尽性差。

表1 无烟煤与石油焦工业、元素及发热量分析

1.2 实验仪器与实验过程

试验在德国NETZSCH 公司的STA449 型同分析仪上进行，试验气氛为O2∶ N2为21∶ 79，流量为100 ml/min，用于模拟实际炉内燃烧，升温速率为25 ℃/min，起始温度30 ℃，终止温度为1 350℃，样品量为10 mg 左右，样品细度小于100 μm。试验过程描述:将一定质量样品放入仪器的坩埚中，在恒定升温速率下加热氧化、燃烧，记录样品质量随温度的变化，得到热重曲线，并利用Thermal Analysis 软件分析，对比研究无烟煤与石油焦在着火与可燃性、燃尽特性和综合燃烧特性方面的差异。

2 结果与讨论

2.1 无烟煤与石油焦TG 与DTG 曲线分析

图1，2 为无烟煤A-D 以及石油焦的失重曲线(TG)和失重速率曲线(DTG)。从图中可知，O2∶N2为21∶ 79。燃烧主要分为3 个阶段:第1 阶段，随着温度的升高，水分不断析出，失去内在水;第2 阶段:挥发分析出，并发生着火，失重速率曲线快速下降，并达到最大值;第3 阶段:随着可燃质逐渐消耗殆尽，失重速率曲线逐渐平缓，进入燃尽阶段，最终TG 曲线趋于水平。

虽然无烟煤与石油焦燃烧曲线相似，但也存在显著差异，从失重曲线上看，5 种样品失重有明显先后顺序，石油焦最先开始失重析出挥发分，而无烟煤A 和无烟煤D 最后开始析出挥发分，挥发分析出越早，越有利于初期着火燃烧，说明石油焦更易着火燃烧;同样代表燃烧强度的最大失重速率DTG 曲线，也有明显差异，石油焦最先达到最大失重速率，意味着其最先达到快速燃烧区，而无烟煤C 失重速率最大，说明其后期燃烧更加剧烈。因此，从TG 和DTG 曲线中，可以定性地判定煤种燃烧的难易程度，但不能定量分析其可燃特性、燃尽特性以及综合燃烧特性，这对高效利用低挥煤以及石油焦是远远不够的。本文将借助于分析软件和经验公式，深入研究其综合燃烧性能。

2.2 着火与可燃特性

采用热重TG -DTG 法来确定煤的着火温度，即在DTG 燃烧失重速率曲线上，过峰值点做垂线与热失重曲线TG 交于一点，过交点做TG 的切线，该切线与失重开始时平行线交于一点，此点对应的温度为着火温度Ti。表2 为无烟煤与石油焦着火温度，从表中数据可知，石油焦的着火温度最低，其着火性能最好，无烟煤C 次之，无烟煤B 和无烟煤D 相似，无烟煤A 最差。

为了进一步研究煤粉着火特性，本文利用文献〔1 -2〕提出的可燃性指数(dw/dτ)max/T2i ，研究煤燃烧初期的反应能力。从表2 中可知，石油焦在燃烧初期反应能力最强，着火温度最低，保持一致;其次是无烟煤C，这同样与其着火温度保持一致;虽然无烟煤D 着火温度不是最高，但其可燃性指数最小，说明煤粉燃烧初期反应能力不仅受着火温度影响，同时也受其自身构成影响。

式中 E 为活化能，kJ/mol;R 为气体常数，R =8.31 J/ (mol·K);dw/dτ 为燃烧速率，mg/min;(dw/dτ)max为最大燃烧速率，mg/min;(dw/dτ)i为着火温度下燃烧速率，mg/min;(dw/dτ)mean为平均燃烧速率，mg/min。

表2 无烟煤与石油焦着火温度与可燃性指数

2.3 燃尽特性分析

从前文2.1 分析可知，着火温度Ti以及可燃性指数(dw/dτ)max/T2i 仅仅反映了可燃质燃烧初期的着火特性和燃烧特性，但对于燃煤锅炉而言，除应关注煤粉着火、稳定燃烧外，煤粉燃烧飞灰、炉渣含碳量也是运行经济性关键指标，不同的煤种在同一种炉型燃烧时，其燃尽特性有显著差别，因此进一步研究煤粉燃尽特性十分必要〔6〕。定义煤粉燃尽特性指数为:

式中 τ0为煤粉燃烧从开始到燃烧98%可燃质的时间定义为燃尽时间，min;f1为着火温度Ti对应的失重量/可燃质含量，定义为初始燃尽率;f2=98% - f1为定义为后期燃尽率;f1代表了挥发分含量对着火特性的影响，其值越大，可燃性越好;f2代表了煤中碳的燃尽性能，与煤化程度、碳赋存形式、固定碳含量、燃烧中间产物焦炭结构等有关，其值越大，后期燃尽性能越好。从表3 可知，无烟煤C 可燃性指数最大，其燃尽性能最好，无烟煤D与石油焦燃尽性指数最小，其燃尽性能最差，石油焦燃尽指数低，主要是其固定碳含量极高，空干基为87.03%，势必其燃尽时间增长，导致燃尽性能变差，这与锅炉实际燃烧石油焦飞灰含碳量高一致。鉴于此，在燃用煤化程度高、固定碳含量大的煤种时，通过调节配风、提高炉膛温度以及将难燃煤从底层燃烧器送入方式，提高其燃尽率。

表3 无烟煤与石油焦燃尽特性指数

2.4 综合燃烧特性

为进一步研究煤粉着火、稳燃与燃尽特性，为电厂燃用煤种提供综合参考，本文采用了综合燃烧特性指数SN表征煤的着火与燃尽特性〔6-7〕。定义过程如下:对于缓慢加热燃烧过程(热重燃烧过程)，燃烧反应初期即着火阶段可认为由化学动力学因素控制，可近似用阿累尼乌斯定律表达燃烧速率，即:

式中 A 为指前因子，min-1;T 为煤粉颗粒温度，K。

对上式求导，并取T = Ti，整理后:

经整理后可得:

从表4 可知，无烟煤B 和无烟煤C 综合燃烧特性最佳，其次是石油焦，再则是无烟煤A，无烟煤D 最差，这与上述分析D 可燃性与燃尽特性最差保持一致，也说明了综合燃烧特性指数能够准确反映可燃质综合燃烧特性。

表4 无烟煤与石油焦综合燃烧特性指数

3 结论

利用进口的STA449 型同步热分析仪对4 种无烟煤和1 种石油焦的着火与可燃性、燃尽性、综合燃烧特性等方面进行了研究，结果阐明了无烟煤与石油焦着火与燃尽特性，为电站锅炉燃用无烟煤及石油焦，尤其是低挥发分无烟煤，提供重要参考。同时文章重点对比研究了无烟煤与石油焦的着火与可燃性、燃尽性、综合燃烧特性，与选用的4 种无烟煤相比，石油焦着火燃烧特性与无烟煤类似，其着火温度低，可燃性较好，综合燃烧特性居中，但其燃尽特性较差，这与其固定碳含量高，以及燃烧中形成的中间产物焦炭结构有关，因此在利用过程中需重点考虑。

〔1〕相光大，姚伟. 煤粉气流着火温度的试验测定〔D〕. 1990.

〔2〕Essenhigh R H. Ignition of Coal Particles:A Review 〔J〕.Combustion and Flame，1989，77 (1):3-30.

〔3〕聂其红，孙绍增，李争起，等. 褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究〔J〕. 燃烧科学与技术，2001，7 (1):72-76.

〔4〕孙学信. 燃煤锅炉燃烧试验技术与方法〔M〕. 北京:中国电力出版社，2002.