4种无烟煤和1种石油焦燃烧特性的同步热分析试验研究

李长平/方大炭素新材料科技股份有限公司

4种无烟煤和1种石油焦燃烧特性的同步热分析试验研究

李长平/方大炭素新材料科技股份有限公司

本研究在对4种无烟煤和1种石油焦试验研究的基础上，分析它们的燃烧特性以及其着火、燃尽特性。以热分析曲线为依据，计算着火与可燃性指数以及燃尽特性指数，同时计算非等温燃烧过程中的综合燃烧特性指数。最终实验结果表明，石油焦燃烧特性与无烟煤具有相似性，较低挥发分无烟煤比较容易着火、燃烧，而燃尽性能却相对较差。

石油焦；燃烧；特性；无烟煤

前言

当前，装机容量呈上升趋势，原煤供应变得紧张，很多电站锅炉实际用的燃煤与原本设计的相差甚远，从而导致锅炉排烟温度和飞灰、炉渣含碳量都不断升高，最终破坏了电厂燃烧经济性[1]。除此之外，为了使煤炭资源得到深度利用，使用了大量煤矸石、劣质无烟煤等难燃燃料，这致使锅炉燃烧经济性被进一步降低，出现的燃烧不稳定、全炉膛灭火等已经严重阻碍了锅炉的安全稳定运行。

1　实验

1.1煤种

本研究的对象是无烟煤A、B、C、D和1种石油焦，无烟煤A、B是极低挥发分无烟煤。根据表1，无烟煤中，挥发分最低的为A、B两种无烟煤，约4.9℅，其次为C种无烟煤，对于D种无烟煤来说，它的发热量虽然相对较低，但灰分最高。与无烟煤相比，石油焦自身的著特点即灰分低，燃尽性差，发热量与固定碳含量相对较高。

表1　4种无烟煤和1种石油焦工业、元素、发热量

1.2仪器与过程

本研究使用的仪器是STA449型同分析仪[2]，使用O2：N2是21:79的气氛，100ml/min的流量对炉内燃烧进行实际模拟，同时要求25℃/min的升温速度，30℃的起始温度，1350℃的终止温度，约10mg的样品量以不得大于100μ m的样品细度。

在仪器的坩埚里置于规定量的样品，然后加热氧化、燃烧，但升温的速率一定要恒定。与此同时要把不同温度下样品的具体情况进行详细记录，制成热重曲线，然后使用Thermal Analysis 对数据分析，最后在比较无烟煤与石油焦的综合燃烧特性等。

2　结果

2.1TG与DTG曲线分析

从图1、图2中我们知道O2：N2是21：79。将燃烧划分成三个阶段：开始阶段，在温度上升的条件下，水分析出，因而内在水分不断减少；其中阶段，出现了着火，而且失重速率曲线呈现出非常明显的下降趋势，出现最大值；最后阶段，可燃质已经几乎被燃尽，此时失重速率曲线则趋于平缓。

图1　失重曲线（TG）

图2　失重速率曲线（DTG）

无烟煤与石油焦既具有相似性，又存在一定差异性。根据失重曲线，这5种样品失重呈现出明显的顺序性，第一个是石油焦，居于最后的是A、D两种无烟煤，而挥发分析出的时间较早的样品，它的初期着火燃烧效果也较好，因此，最易于着火燃烧的是石油焦。而失重速率曲线的差异同样较为显著，第一个达到最大失重速率的是石油焦，也就是说石油焦第一个达到快速燃烧区域，失重速率最大的是C种无烟煤，充分说明它在后期燃烧更加剧烈。所以，从失重曲线和失重速率曲线能够对煤种的燃烧难易程度做出定性判断，而定量判断它的可燃特性、综合燃烧特性、燃尽特性是无法做出的。

2.2着火与可燃性

通过热重TG-DTG法对样品的着火温度进行判定。经过失重曲线上的峰值点画一条垂线，然后经这条垂线和失重曲线的交点做失重曲线的切线，我们把这条切线和失重开始平行线相交的点规定为着火温度Ti。从表2中可以看出，根据着火温度由低到高排列分别是：石油焦、C、B、D 、A种无烟煤[3]，其中石油焦的着火性能最好。

通过可燃性指数对煤燃烧初期的反应能力进行研究。其中可燃性指数被标记为(dw/dτ)maxT2i。从表2可以看出，关于燃烧初期反应能力，相较于无烟煤，最强的是石油焦，然后是C种无烟煤，与它的着火温度同样具有一致性，D种无烟煤的着火温度尽管不是最高的，但它的可燃指数小，充分证明火的温度以及煤粉自身的构成都会影响煤粉燃烧初期的反应能力。

表2　着火温度与可燃性指数

2.3燃尽特性

着火温度、可燃性指数只是把燃烧初期的着火和燃烧特性显现出来。然而在锅炉燃煤的具体过程中，不仅要对这两方面进行关注，可燃质的飞灰以及炉渣含碳量同样也是判定这一过程是否具有经济性的重要指标。即使炉型相同，不同可燃质的燃尽特性依然会存在很大差别。根据煤粉燃尽特性指数公式进行计算得出表3。从中我们可以看出，可燃性指数最大是C种无烟煤，它的燃尽性能最好，燃尽指数最小的是D种无烟煤以及石油焦，它们的燃尽性最差，石油焦的固定碳含量很高，空干基达到87.03％，因此它的燃尽时间延长，燃尽性能变差。对此，对煤化程度高且固定碳含量较大的煤时，需要调节配风，使炉膛温度升高并且把燃尽没从底层送入，从而使它的燃尽率提升。

表3　燃尽性指数

2.4综合燃烧特性

通过综合燃烧特性指数SN对煤的着火与燃烧特性进行表征，并制定出表4。从表4中可以看出，B、C两种无烟煤的综合燃烧特性最好，然后以此为石油焦、D、A无烟煤。

表4　综合燃烧特性指数

无烟6097301.60001.12986.60煤B无烟5296701.38000.98227.00煤C无烟6208091.05190.58192.00煤D石油4906991.37110.72106.01焦

3　结论

本研究在对4种无烟煤和1种石油焦试验研究的基础上，分析它们的燃烧特性以及其着火、燃尽特性，所使用的仪器为STA449。同时又以热分析曲线为依据，计算着火与可燃性指数以及燃尽特性指数，同时计算非等温燃烧过程中的综合燃烧特性指数。结果表明，石油焦燃烧特性与无烟煤具有相似性，较低挥发分无烟煤比较容易着火、燃烧，而燃尽性能却相对较差，所以在使用过程应要注意。

[1]吕当振. 无烟煤与石油焦燃烧特性的对比试验研究[J]. 湖南电力,2013,S2:38-40.

[2]廖正祝. 石油焦与煤混烧特性及动力学[J]. 洁净煤技术,2013,06:71-75.

[3]颜淑娟. 无烟煤水煤浆燃烧特性和气化特性研究[J]. 洁净煤技术,2014,05:93-96.