基于热重分析法的烟煤掺烧褐煤特性研究

杨志斌，马　莹，戴　新，赵建军，关彦军，张　锴

(1. 内蒙古京隆发电有限责任公司，内蒙古丰镇012100； 2. 华北电力大学 热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京102206)

基于热重分析法的烟煤掺烧褐煤特性研究

杨志斌1，马莹2，戴新1，赵建军1，关彦军2，张锴2

(1. 内蒙古京隆发电有限责任公司，内蒙古丰镇012100； 2. 华北电力大学 热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室，北京102206)

摘要：针对电厂掺烧褐煤缺乏相关理论指导的技术需求，采用热重分析方法系统考察了包煤、准煤和褐煤的单独燃烧特性，并将两种烟煤分别以10%、30%、50%和70%的比例在相同条件下与褐煤混合燃烧，根据各燃料燃烧特征参数计算了单一煤种及其不同掺混比例的着火指数、燃尽指数和综合燃烧指数。结果表明，褐煤最易着火和燃尽；包煤着火特性较好，但在550～660℃范围内出现难燃峰致使燃尽特性变差；准煤的着火特性最差，燃尽特性略优于包煤；将包煤和准煤与褐煤掺混后燃烧特性有所改善，各燃烧特征温度降低，且综合燃烧指数随褐煤掺烧比例的增加而增加。建议在电厂实际应用时，褐煤的掺烧比例控制在30%-50%之间。

关键词：混煤；热重分析；着火指数；燃尽指数；综合燃烧指数

中图分类号：TK16

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.001

收稿日期：2015-01-31。

基金项目：国家自然科学基金(91434120)。

作者简介：杨志斌(1967-)，男，高级经济师，研究方向为煤燃烧发电，Email：yzbncepu@163.com。

Abstract：Based on the actual requirement for fundamental theory of blending lignite in coal-fired power stations, combustion characteristics of lignite, bituminous coal and their blends were investigated by using thermogravimetric method (TGA) in this paper. Lignite was blended with two types of bituminous coals in proportions of 10%, 30%, 50% and 70%, respectively. The ignition index, burnout index and comprehensive combustion index of single and mixed fuels were calculated by means of combustion characteristic parameters. The results show that lignite displays the best ignition and burnout performace, Bao coal is easier to ignite but hard to burn out in the temperature range of 550 and 660℃. Compared to Bao coal, Zhun coal is the hardest to ignite but better to burn out. The performance of combustion can be improved after blending lignite, which is largely because the comprehensive combustion index of blended coals increases with the increasing ratio of lignite. Therefore, the blending ratio of lignite suggested lignite ration should be controlled between 30% and 50%.

Keywords：coal blends；thermogravimetric analysis；ignition index；burnout index；comprehensive combustion index

0引言

中国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是当今世界上几乎唯一以煤为主的能源消费大国[1]。随着燃煤发电装机容量和年发电量的迅猛增长，以烟煤和无烟煤为主的动力煤储量呈逐年减少的趋势，面临优质煤炭资源难以满足国民经济长期稳定发展的瓶颈问题。另一方面，褐煤资源丰富，已探明的褐煤储量为1 311.42亿吨，约占煤炭总保有储量的13%[2]。但是在褐煤的燃烧发电的研发和应用方面远远落后于烟煤和无烟煤等优质动力煤，因电厂燃烧的煤种与设计煤种差别较大，若随机掺烧必会引起燃烧不稳定、煤耗增加等问题[3]。因此，需要褐煤掺烧的燃烧特性的相关基础研究，以实现对品质相对较差的褐煤资源充分利用。

与单煤相比，混煤的燃烧特性更为复杂，通常情况下混煤的燃烧性能介于掺混的单煤种之间，但其燃烧特性与组煤种的燃烧特性也并不是简单的线性叠加关系[4]。混煤的燃烧特性与锅炉等设备的运行密切相关，混煤着火特性反映了混煤着火的难易程度，在防止煤粉的制粉系统着火方面起着重要作用[5]。方立军等[6]使用热重分析仪研究混煤的燃烧特性，认为煤质差异较大的煤种掺烧要尤其注意掺烧比例，发现燃烧性能类似的煤种混合燃烧，其着火特性与相对难燃的煤接近。邱建荣等[7]利用热重研究了混煤的燃烧性能，发现相同挥发分含量的混煤比单煤的着火特性差，且组分煤的含量和种类很大程度上影响了混煤的燃烧性能。胡文斌等[8]采用热重法分析了七种不同煤样的着火特性，并提出了判别煤种燃烧难易程度的指标。Arenillas等[9]探究了挥发分含量不同的烟煤、次烟煤及其混煤的着火特性，发现掺混比例不同，着火机理也不相同。上述研究表明，组分煤的比例、种类决定了混煤的燃烧性能，采用热重法可分析比较各混煤的燃烧特性。热重实验法、一维沉降炉燃烧试验和锅炉现场试验都是主要研究混煤着火特性的方法[5]，本文针对两种烟煤及一种褐煤为研究对象，采用热重法进行实验研究，利用热天平分析单煤及烟煤与褐煤掺混混煤的燃烧特性，通过各燃烧特征参数计算出着火指数、燃尽指数及综合燃烧指数以评价煤样的燃烧性能，进而为电厂掺烧混煤提供基础数据。

1实验样品与方法

1.1　实验样品

实验样品为内蒙古的3种原煤(包煤、准煤、褐煤)，其元素分析和工业分析如表1所示。可以发现，褐煤的挥发分含量极高，灰分较少且水分含量最大，三种原煤的含硫量均较低。将褐煤分别与包煤和准煤以1∶9，3∶7，5∶5和7∶3的质量比混合；包煤混煤编号分别为1号、2号、3号、4号，准煤混煤为5号、6号、7号、8号。根据单煤的分析结果和在混煤中的比例加权计算出不同比例混煤的元素分析和工业分析，如表2所示。

表1　煤样的元素分析和工业分析

表2　混煤的元素分析和工业分析

1.2　实验方法

热重分析法(TG或TGA)是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种技术，是使用最多最广泛的一种热分析技术之一[10]。热重分析法所使用的仪器是热重分析仪，当被测物质在加热过程中释放出气体时，被测物质的质量就会发生变化。本实验以煤为样品，煤燃烧过程中会释放出大量挥发性气体，通过分析热重曲线，就可以知道燃烧的特征温度，分析着火特性及燃尽特性，而根据失重量也可以得到煤样的热变化，进而分析热物性。

将煤样在空气中干燥后研磨至100目，再于110℃恒温条件下干燥20 h。取10±0.2 mg样品置于Al2O3坩埚中，以20℃/min的升温速率从室温升至800℃，气氛为空气，流量60 mL/min。准备好研磨干燥筛分处理后的煤样，将包煤和准煤分别以1∶9，3∶7，5∶5和7∶3的比例与褐煤均匀混合，取10±0.2 mg混煤样品置于三氧化二铝坩埚中，实验条件与单煤相同。

1.3　实验数据处理

通过分析热重曲线，可以得到燃烧过程中的各特征参数，如图1所示，确定方式如下：

着火温度Ti：着火点指煤样开始燃烧的点，该点的温度是衡量煤粉着火特性的重要特征点，能够直观反应出煤样燃烧的难易程度。本文采用TG-DTG切线法确定着火点，在DTG曲线上，过峰值点作一垂线与TG曲线交于一点，过交点作TG曲线的切线，该切线与失重开始平行线的交点所对应的温度定义为着火温度Ti[11]。

挥发分最大析出速率DTGmax及其对应温度Tm：DTGmax和Tm为样品的挥发分最大析出燃烧速率及其对应温度。Tm越低，说明挥发分析出越早；DTGmax越大，说明挥发分析出燃烧过程越剧烈。

燃尽温度Tb：燃尽特性是评价燃料燃烧性能的一个重要指标，燃尽特性好，燃烧速率快，易燃尽。本文仍采用TG-DTG法：在DTG 曲线上过峰值作垂线与TG曲线交于一点，过这一点作TG曲线的切线，该切线与失重基本结束平行线的交点所对应的温度定义为燃尽温度，以Tb表示。着火指数：为评价着火特性，定义了着火指数Di，由着火温度Ti、燃尽温度Tb，最大失重速率DTGmax确定，着火指数越大表明煤样燃烧的着火性能越好[12]。

燃尽指数：为评价燃尽特性，定义了燃尽指数Df，由半峰温度范围ΔTd与ΔTr确定，分别表示挥发分和固定碳燃烧的温度范围，燃尽指数越低表明固定碳的燃烧范围越集中，煤样的燃尽性能越好。

综合燃烧指数：对于煤质特性差异较大的煤掺烧，不仅要考虑单煤的性质，还应注意两煤种之间的相互影响，许多文献中提出一种判别指标，S表示为:

式中：(dW/dt)max为最大燃烧速度；(dW/dt)mean为平均燃烧速度，Ti为着火温度，Tb为燃尽温度。S是反映煤的着火和燃尽的综合性指标。S值越大，煤的燃烧特性越佳。

图1　确定燃烧特征参数的示意图

2实验结果与讨论

2.1　单煤燃烧特性

各单一煤样在升温速率(β)为20℃/min下的热重曲线如图2所示。TG曲线和DTG曲线分别表明煤样失重百分比(Weight)和失重变化率(Deriv. Weight)随温度的变化。由上述各特征参数的定义计算出的值如表3所示。可以看出，300℃之前各煤样失重变化不大，为脱水阶段，褐煤和包煤较早开始燃烧，着火点分别为342.0℃和353.3℃，挥发分最大析出速率较大且发生在较低温度(390.0℃和409.9℃)，这是因为褐煤和包煤的挥发分较高，容易着火。另外，褐煤和包煤分别在550.0℃和450.0℃附近出现次峰，这是包煤和褐煤释放出的挥发分的二次反应造成的。褐煤因挥发分极高而容易燃尽，燃尽温度为579.4℃。包煤在624.0℃出现一个小峰则可能是焦炭发生了反应，表示包煤中难燃的部分。刘文珍[13]把将要燃尽部分出现的峰称为难燃峰，第一个峰称为易燃峰，所以包煤的燃尽温度及燃尽指数时要以后面的难燃峰来计算，如表3所示。准煤的着火点为441.5℃,峰值温度为521.0℃，较难燃烧，通过Ti和Tb计算出的着火指数Di也可以看出褐煤的着火特性最好，准煤最差。根据DTG曲线上升和下降段的半峰温度计算出燃尽指数Df，和着火指数相反，Df越大越难燃尽，可以发现包煤因出现难燃峰而燃尽特性最差，燃尽温度Tb已达到680.5℃。准煤的燃尽温度为622.4℃，燃尽特性较差，褐煤的燃尽特性最好，燃尽指数Df仅为0.11。

表3　三种原煤的燃烧特征参数

2.2　混煤着火与燃尽特性

图3为包煤和准煤与褐煤的混燃TG曲线。由图可知，混煤的失重百分比随褐煤掺混比例增加而逐渐增大。混煤的燃烧特征温度如表4所示。随褐煤掺烧比例的增大，包煤与褐煤组成的混煤的着火温度变化不大，但最大燃烧速率逐渐增大，着火指数增加的并不明显。图3c中，包煤混煤随褐煤掺烧比例的增加，次峰越来越明显，当褐煤掺烧比例为50%时DTG曲线已出现三个峰，且峰值温度不断前移，而褐煤比例为70%时次峰消失，峰值温度略有增加。从图3d可以看出，准煤混煤的峰值温度明显前移，峰的范围越来越宽。表4显示，准煤掺混褐煤后着火指数随褐煤比例的增加而逐渐增大，着火特性得到较大改善。

图3　混煤的TG和DTG曲线

表4　混煤的燃烧特征参数

燃尽特性对燃烧效率和运行的经济性有着十分重要的影响，煤样不同，煤质特性就存在差异，相应的燃尽特性也不一样。从表4也可以看出，随掺烧比例的增大，包煤和准煤与褐煤混煤的燃尽温度Tb均逐渐减小，但从图3c可以看出，包煤混煤在褐煤比例小于50%时仍在550～660℃的范围内存在难燃峰，致使燃尽指数很大，当褐煤比例为70%时燃尽指数迅速减小到0.2。准煤掺混褐煤后更易燃尽，当掺烧比例为10%时，燃尽指数仍很大，当掺混比例达30%以上时，燃尽指数在0.2左右，减小幅度并不大。

2.3　混煤综合燃烧特性

实验部分定义了综合燃烧指数，最大燃烧速率(dw/dt)max越大，着火温度Ti越小，着火特性越好，燃尽温度Tb越小，燃尽程度越好，煤粉燃烧越剧烈, 综合燃烧指数S值越大，燃烧特性越好。图4为综合燃烧指数随褐煤在混煤中比例的变化，可以看出，随褐煤掺烧比例的增加，混煤的综合燃烧指数增大，褐煤比例超过50%时增加速度变快，其中准煤与褐煤混煤的S值高于包煤与褐煤混煤。

图4　混煤的综合燃烧指数

3结论

(1)在实验选用的煤种中，褐煤最易着火和燃尽，包煤着火特性较好，但在550-660℃范围内出现难燃峰致使燃尽特性较差，准煤的着火特性最差，燃尽特性略优于包煤。

(2)将准煤与褐煤掺混后燃烧特性得到较大改善，各燃烧特征温度明显降低，且综合燃烧指数逐渐增加。包煤的混煤中随着褐煤比例的增加，燃烧曲线的变化较大，尽管综合燃烧指数逐渐增加，但应分别考虑着火和燃尽特性。

(3)褐煤的水分较大，考虑到实际的工程应用，建议电厂分别以30%和50%的比例将褐煤与烟煤掺混进行燃烧试验，观测燃烧过程中出现的实际问题。

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Combustion Characteristics of Bituminous Coal Blended with Lignite Using Thermo-gravimetric Method

Yang Zhibin1， Ma Ying2， Dai Xin1， Zhao Jianjun1， Guan Yanjun2， Zhang Kai2(1. Neimenggu Jinglong Power Co.Ltd., Fengzhen 012100, China; 2. Beijing Key Laboratory of Emission Surveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)