燃煤电厂褐煤混烧特性的热重实验研究

张　磊，汪后港，陆　超，曾　彬，沈朝峰，李小江

(华电电力科学研究院，杭州　310030)

燃煤电厂褐煤混烧特性的热重实验研究

张磊，汪后港，陆超，曾彬，沈朝峰，李小江

(华电电力科学研究院，杭州310030)

摘要：采用热重分析方法研究了两种褐煤、一种烟煤燃烧特性及不同掺混比下的混烧特性，并对动力学参数进行了计算。结果表明两种褐煤及褐煤与烟煤按照一定比例掺混，有助于降低混煤着火温度，混烧特性得到改善，在掺混比较小时，有相互促进作用，随着掺混比增加，相对独立性占主导；不同掺混比下，活化能和频率因子介于各单一样品之间。

关键词：褐煤；掺配烧；热重分析；动力学参数

受限于我国煤炭资源分布不均匀及运输能力的不足，电站混煤掺烧是国内电站常用的做法，然而煤的燃烧特性对煤粉锅炉的安全经济运行有显著影响[1]。文献[2]对褐煤与烟煤在CRF热态试验台上进行了试验研究，文献[3]对两种褐煤混烧特性进行了热重分析并得到了两种煤燃烧差异性，文献[4]针对混煤的煤质特性和燃烧特性开展实验研究。

然而针对不同机组、不同煤质，混煤与设计煤质燃烧特性的差别及在混煤掺烧是否满足机组高效、经济、安全运行等问题亟需解决。国内电站仅仅依据挥发分、发热量及污染物含量等指标指导掺烧，对混煤掺烧的燃烧特性尚未有详尽的了解，然而混煤在锅炉中燃烧时的着火、燃尽及结渣特性相互间影响很大，因此有必要对混煤的燃烧特性进行试验研究。本文利用热重分析法对某电厂的两种不同品质的褐煤及一种烟煤按一定比例混合燃烧，研究其混烧特性，并对表观活化能、频率因子等动力学参数进行了计算分析。在不影响机组正常运行参数的基础上，掺配一定比例更经济的煤种，降低电厂运行成本，提高电厂利润空间，以期为电厂配煤掺烧提供指导和帮助，优化配煤方案。

1试验材料

实验采用PerkinElmer提供的PYRIS型TGA热分析仪。仪器升温范围：最高至1 550℃；升降温速率最高：50℃/min。TG解析度：0.2μg。

实验从30℃以20℃/min升温速率升至900℃，其后降至室温。样品质量约为5mg，反应气氛为空气，流量为20ml/min，实验煤样选自云南某发电企业煤种褐煤A、褐煤B和烟煤C。样品经过破碎、烘干、粉碎、干燥、筛分等步骤制成样本，粒径选用100～150μm。3种试样的工业分析、元素分析见表1。由表1可以看出，褐煤A与褐煤B空干基水分、含硫量及氧含量明显高于烟煤，而收到基低位发热量明显低于烟煤C。由此可见，两种褐煤与烟煤的组成成分及性质有明显差别，而两种褐煤之间差别较小。

表1　样品的工业分析及元素分析

2单一样品燃烧特性分析

各单样品TG、DTG特性曲线如图1所示。

图1　各单样品TG、DTG特性曲线

由图1可以看出，两种褐煤A、B的TG、DTG曲线相近，在低温阶段100～200℃均有一个失重过程，此过程是水分蒸发析出阶段，在200～600℃又有一个失重过程，此过程是挥发分析出、固定碳着火燃烧阶段。烟煤C的TG、DTG曲线与两种褐煤有较大差别，低温阶段水分蒸发阶段不明显，表明烟煤的水分含量较少，TG曲线400～700℃有一个明显的失重过程，表现在DTG曲线上有一个失重峰，挥发分析出、固定碳燃烧阶段，700～800℃又有一个失重过程，烟煤中的难燃尽物质着火燃烧，TG曲线超过800℃，几乎没有失重，DTG曲线趋于零。与两种褐煤相比，烟煤挥发分析出较晚，着火燃烧温度较高，固定碳燃烧阶段峰肩较窄，但峰值较大，反应较激烈。

3不同掺混比下燃烧特性分析

褐煤A掺混褐煤B的DTG曲线如图2所示。图2中，掺混比M1定义为褐煤A:褐煤B，M1分别为1:4、1:2、1:1、2:1、4:1，随着掺混比M1增大，混煤中褐煤A的含量增加。

由图2中可以看出，不同掺混比下的混烧曲线皆有两个失重峰，100～200℃水分蒸发析出阶段，不同掺混比下此阶段变化不大。200～600℃为挥发分析出、固定碳燃烧阶段，随着掺混比M1增大,DTG曲线峰值减小，峰肩变窄，曲线向低温端偏移，表明褐煤A的添加，有助于着火，降低了着火温度，但是峰值减小，反应激烈程度降低。

图3是褐煤A掺混烟煤C的DTG曲线，掺混比M2定义为褐煤A:烟煤C，M2分别为1∶4、1∶2、1∶1、2∶1、4∶1，随着掺混比M2增大，混煤中褐煤A的含量增加。

图3　不同M2下的DTG特性曲线

由图3中可以看出，不同掺混比下的混烧曲线皆有3个失重峰，100～200℃水分蒸发析出阶段，峰值随着掺混比M2增大而增大。200～600℃为挥发分析出、固定碳燃烧阶段，随掺混比M2增大，峰值减小并向低温端偏移，着火提前。700～800℃为褐煤难燃尽物质着火燃烧阶段，随着掺混比M2增大，DTG曲线峰值减小，峰肩变宽，表明烟煤的添加，增大了混煤反应激烈程度，当掺混比1:1时，200～600℃有两个峰，第一个峰为褐煤A着火燃烧，第二个峰为烟煤C着火燃烧。综上表明，褐煤A掺混烟煤C燃烧过程中有相互促进作用的同时又保持相对独立性。

表2　各单样品和不同掺混比下混样的燃烧特性参数表

4燃烧特性参数分析

着火温度是指燃料达到连续燃烧的最低温度，是着火性能的主要指标，着火温度越低，表明着火性能越好。采用TG-DTG[5]方法确定煤样着火温度Ti、，而燃尽温度Th定义为试样失重占总失重98%时对应的温度。

综合燃烧特性指数全面反映了试样的着火和燃尽性能，越大，则试样的综合燃烧性能越好。采用综合燃烧特性指数S来表征综合燃烧性能[6]。

(1)

式中(dw/dτ)max——最大燃烧速率；

(dw/dτ)mean——为平均燃烧速率，其值越大，表明燃尽越快；

Ti——着火温度；

Th——燃尽温度。

各单样品和不同掺混比下混样的燃烧特性参数见表2所示。褐煤A着火温度最低，褐煤B次之，烟煤C最高，表明褐煤A最易着火。褐煤B最大燃烧速率、平均燃烧速率、综合燃烧特性指数优于褐煤A，燃尽温度低于褐煤A燃尽温度。烟煤C的着火温度、燃尽温度较褐煤高，最大燃烧速率、平均燃烧速率、综合燃烧特性指数优于褐煤，表明烟煤C燃烧反应激烈程度剧烈。

当褐煤A掺混褐煤B及烟煤C时，着火温度、燃尽温度均介于两种褐煤单独燃烧之间，随着褐煤A掺混比增加，混煤着火温度、最大燃烧速率对应温度、燃尽温度均降低，但是反应激烈程度降低，综合燃烧特性指数也降低。当褐煤A掺混褐煤B比例为1:4时，综合燃烧特性指数高于两种褐煤单独燃烧时的综合特性指数，表明两种褐煤在相互掺混燃烧过程中有一定的相互促进燃烧作用。当褐煤A掺混烟煤C比例为1:4、2:1时，综合燃烧特性指数均高于单一样品燃烧时，表明褐煤A掺混烟煤C在一定掺混比例下有相互促进燃烧作用。

5动力学参数的计算(活化能、频率因子)

非等温反应动力学方程为[7]：

(2)

转化率α定义为：α=(w-w1)/(w0-w1)，w为燃尽时刻固体质量，w0为初始质量，w1为反应结束时固体残余质量。T为热力学温度。

k遵循Arrhenius定律，考虑氧气浓度影响后表达式为：

k=Aexp(-E/RT)

(3)

式中A，E——频率因子、活化能；

R——常数8.314J/mol·K。

于是有：

(4)

移项并取对数得：

(5)

f(α)的表达式一般选用：f(α)=(1-α)n

因此，最后可得：

令式(5)左边为y，x=1/T，a=ln(A/β)，b=-E/R,方程变为y=a+bx。假定一个n值，采用最小二乘法原理对数据进行一元线性拟合，根据拟合方程可得到a、b，进而可求出表观活化能E(E=-b×R)、相关系数r等参数。

表3　各单样及不同掺混比下混样的动力学参数

计算实现上采用在Origin8.5.1中编制用户自定义函数方式来实现线性拟合，温度区间选取挥发分析出、固定碳燃烧阶段：即从着火温度到燃尽温度区间。n的取值区间为(0,10)，程序中n从0开始，每次递增0.1，最后选择使相关系数r最大的n作为最优反应级数。计算结果见表3。

从表3可以看出，相关系数R均大于0.972 1，线性拟合效果良好。褐煤B的表观活化能和频率因子是三种煤样中最小的，表明褐煤B着火燃烧所需能量最少，反应激烈程度最弱。烟煤C的活化能和频率因子都是最高的，表明烟煤C着火燃烧所需能量最多，反应激烈程度最强。褐煤A与褐煤B掺混，掺混燃烧活化能、频率因子介于两种单样之间。随着褐煤A掺混比增加，反应所需活化能减小，频率因子减小，当表观活化能变小时，要发生燃烧反应需要吸收能量较少，此时频率因子也较小，表明频率因子与表观活化能之间具有补偿作用。褐煤A与烟煤C掺混，随着褐煤A掺混比增加，反应活化能减小，频率因子也减小，当掺混比4:1时，反应活化能为92.925 3kJ/mol，小于褐煤A单独燃烧活化能，表明褐煤A与烟煤C掺混时有一定相互促进作用，与燃烧特性相一致。

6结语

两种褐煤工业分析及元素分析之间差异较小，与烟煤工业分析及元素分析差异较大。工业分析与TG、DTG曲线相对应。两种褐煤水分含量较多，在低温阶段有明显的失重峰，而烟煤没有。与烟煤挥发分析出及固定碳燃烧阶段相比，两种褐煤挥发分析出及固定碳燃烧阶段对应温度较低，峰值较小，反应激烈程度较弱。当两种褐煤掺混燃烧及褐煤掺混烟煤燃烧，在一定掺混比例下，均表现出燃烧相互促进作用。动力学参数计算结果表明频率因子与表观活化能之间具有补偿作用，动力学参数结果与燃烧特性参数结果相一致。综上，在电站高负荷运行时，可适当将少量褐煤A掺混褐煤B送进锅炉燃烧，增加反应激烈程度，降低燃尽温度，提高机组运行效率，减机组运行成本。在电站低负荷运行时，可适当多掺混褐煤A，有助于降低电厂燃料成本，提高经济效益。

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(本文编辑：赵艳粉)

Thermo-gravimetric Experimentation on Co-combustion Characteristics of Lignites in Coal-Fired Power Plant

ZHANG Lei, WANG Hou-gang, LU Chao, ZENG Bin, SHEN Chao-feng, LI Xiao-jiang

(HuadianElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou310030,China)

Abstract:The respective combustion characteristics of two lignites and one bituminous coal and the co-combustion characteristics with different blending ratio were studied in thermo-gravimetric analysis method, and the kinetic parameters were calculated. The research reveals that the blending of two kinds of two kinds of lignite or the mixture of lignite and bituminous coal according to certain blending ratio help to lower the ignition temperature of the blended coal, and improve burning performance. With the low blending ratio, the mixtures mutually promote the combustion process. With the growth of mixing ratio, it shows the relative independence. Under the different mixing ratio, activation energy and frequency factor are in between those of the single sample combustion.

Key words:lignite; blending burn; thermo-gravimetric analysis; kinetic parameters

DOI：10.11973/dlyny201603020

作者简介：张磊(1985)，男，硕士，从事电站系统节能减排及燃料应用技术研究。

中图分类号：TQ534

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0349-05

收稿日期：2016-01-15