高碳灰与混煤燃烧特性的热分析研究

何洪浩，陈一平，程刚，李文军，于鹏峰，吕当振，李良路

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.湖南紫云科技发展有限公司，湖南娄底417500)

高碳灰与混煤燃烧特性的热分析研究

何洪浩1，陈一平1，程刚1，李文军1，于鹏峰1，吕当振1，李良路2

（1.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007；2.湖南紫云科技发展有限公司，湖南娄底417500)

采用同步热分析的方法对高碳灰的燃烧特性进行实验研究，通过对比高碳灰与其他混煤的热分析实验结果发现，掺混其他煤种的方法可有效改善高碳灰的燃烧特性，综合燃烧特性指数得以提高；文中同时给出了高碳灰的掺烧比例推荐值。

高碳灰；混煤；热分析；燃烧；特性

在300 MW及以上容量等级机组未大量投产以前，国内火电机组主要以低参数小容量为主，其中200 MW以下的机组占到了火电总装机容量的61.61%〔1〕。由于设计和运行水平的原因，小容量机组的锅炉燃烧效率普遍较低，此外入炉煤种多样、粒径大，这些因素进一步降低了锅炉燃烧效率，其中飞灰含碳量高是主要原因。在 “上大压小”的火电发展政策引导下，许多电厂采用高参数大容量的新机组，淘汰低参数小容量的小机组，而这些小机组所遗留下来的飞灰由于含碳量高，综合利用空间有限〔2〕，大多只能储存于灰库中。

湖南某发电公司为了实现淘汰的小容量机组的飞灰综合利用，降低在运新建机组的发电成本，拟对这些含碳量高的飞灰(燃用本地无烟煤产生的飞灰)进行了分选，将分选后的高碳灰送至新厂进行掺烧。由于新厂的入炉煤为混煤，为了保证再掺入高碳灰后锅炉燃烧的稳定性，需了解高碳灰及掺入高碳灰后的入炉煤的燃烧特性。对该公司提供的高碳灰及不同配比的混合燃料进行了燃烧特性的对比实验研究，研究结果对高碳灰的掺烧有指导意义，也为其他电厂的飞灰利用提供借鉴。

1 实验部分

1.1 实验煤样

根据该公司新厂平时所燃用的煤种及采购情况，对各原煤和高碳灰进行配比，并制成实验煤样。各原煤的工业和元素分析及实验煤样的掺配比例分别见表1和表2。

表1 煤样元素分析及工业分析%

表2 实验混煤样配比%

1.2 实验条件及过程

实验在德国NETZSCH公司的STA449型热重分析仪上进行。为了模拟实际的炉内燃烧，将实验气氛设计为O2与N2的比例为21∶79，流量100 ml/min。实验的起始温度为30℃，升温速率为15℃/min，25℃/min，35℃/min，终止温度为1 350℃，样品质量为10 mg左右，细度小于100 μm。将10±1 mg的样品放入仪器的坩埚中，且保证样品堆积厚度均匀，在恒定升温速率和助燃气氛下加热氧化、燃烧，记录实验过程中样品质量随温度的变化。

2 结果与讨论

2.1 TG与DTG曲线比较分析

燃烧分为3个阶段:首先是水分的析出，该阶段内失重较缓慢；随着温度的增加，煤粉析出挥发分，并开始着火，失重速率曲线快速下降；随着燃烧的进行，煤粉的可燃质消耗殆尽，燃烧过程进入燃尽阶段，失重速率曲线也趋于水平。

图1为各煤样的TG曲线，由图1可知，样品1—3的燃烧失重的温度区间基本相似，在450℃之前为水分的蒸发过程，450～900℃为挥发份析出着火及固定碳燃烧过程，900℃之后为煤样燃尽阶段。由于高碳灰曾经过了一次炉内燃烧，其挥发份较低，使得样品4的TG曲线明显区别于其他样品。从样品4的TG曲线可发现，挥发分析出所造成的失重微小，在TG曲线上无明显表现，当温度达到600℃之后才开始有明显的失重，此时的温度已落入其他样品的固定碳燃烧区域。此外，样品4的可燃质占比为81.4%，大于其他样品，可见筛选出来的高碳灰有很高的燃烧利用价值。

图2为各样品的DTG图，从DTG曲线的对比可发现，样品1—3均出现了2个峰值，分别在600℃和740℃左右，即出现了两次燃烧，而样品4的DTG曲线只有1个峰值，且与前3个样品的第2个峰值出现的温度点相同。可见，掺混了高碳灰后的煤样在燃烧过程中出现的二次燃烧为高碳灰的燃烧。

图1 各煤样燃烧失重曲线 （TG)

图2 各样品燃烧失重速率曲线 （DTG)

2.2 燃烧特性比较分析

表3为各样品燃烧过程中的某些特性参数的对比，其中着火温度Tb采用TG－DTG法进行确定〔3〕。由表3可知，总体上看样品1—3的着火温度相当，而全部为高碳灰的样品4的着火温度较前3种样品要高100℃左右，达到了635℃。为了进一步说明样品燃烧着火初期的反应能力，引入可燃性指数〔4－5〕，表示为(dw/dt)max/Tb2。从计算结果看，随着样品中高碳灰比重的增加，样品的可燃性指数不断降低。相对来说，样品1与样品2的可燃性指数相差较小，这主要是因为样品2中高碳灰比重增加的同时，也新增了挥发分较高的烟煤成分的原因。样品4的可燃性指数最小，说明高碳灰着火初期的反应能力较差。可见，通过掺混其他煤种的方法，可有效解决高碳灰着火初期反应能力差的问题，改善高碳灰的可燃性。

表3 样品的着火温度与可燃性指数

对于燃煤锅炉而言，燃料的燃尽特性关系到锅炉的效率及炉膛后部高温受热面(屏式过热器、高温过热器和高温再热器等)的超温问题，因此对样品的燃尽特性进行了研究。定义燃尽特性指数为〔6〕:

式中 燃尽时间t0为从开始到燃烧98%可燃质的时间(min)初始燃尽率f1为着火温度对应的失重量与可燃质含量的比值，后期燃尽率为f2＝98%－f1。由表4可知，样品1—3的燃尽特性指数相差不大，且均小于样品4，说明高碳灰的燃尽性能要优于其他混煤。此外，样品4的初期燃尽率也要高于其他样品。可见，虽然高碳灰着火困难，可燃性差，但着火后，其燃烧非常迅速，样品4的最大燃烧速率较其余样品高也正好说明了这一现象。在经过了一次炉内燃烧后，挥发份的析出会在高碳灰颗粒的表面留下许多空隙，使得高碳灰的比表面积增加，这是高碳灰燃烧速率快、燃尽性好的主要原因。

表4 燃尽特性指数及最大燃烧速率

从样品的可燃性指数和燃尽特性指数均难以综合比较出各试样的燃烧特性，因此，采用了综合燃烧特性指数SN，以表征各试样的着火与燃尽特性〔3〕，定义过程如下:对于缓慢加热的燃烧过程，其燃烧反应初期反应速率由化学动力因素控制，并可近似用阿累尼乌斯定律表达

对式(2)在煤粉着火点T＝Ti处求导并整理得:

表5为综合燃烧特性指数，由表5中各试验样品的综合燃烧特性指数结果比较可知，样品2的综合燃烧特性相对最优，样品1的次之，再则是样品3，样品4的最差。虽然样品4的燃尽特性最佳，但由于可燃性较差，其综合燃烧特性表现并不理想；相比而言，样品2的可燃性及燃尽特性都不是最佳的，但其综合燃烧特性却最优。因此，建议采用样品2的配比掺烧高碳灰。示燃烧速率峰值/着火时燃烧速度，其值越大，表示燃烧后期燃烧越剧烈；

表5 综合燃烧特性指数

3 总结

利用STA449型热重分析仪对高碳灰与混煤的燃烧特性进行了试验研究。研究结果显示，高碳灰可燃质占比为81.4%，具有较高的燃烧利用价值，但着火初期反应能力较差，着火困难，可燃性指数低，可一旦着火，其燃烧则非常迅速，燃尽性好，燃尽特性指数为37.83。采用掺烧的方法可有效改善高碳灰的燃烧特性，综合燃烧特性指数得以提高。通过热分析实验结果的对比，样品2的掺配比例，即本地无烟煤∶高碳灰∶贫瘦煤∶烟煤掺烧比例为64∶11∶22∶3最优，建议采用该配比掺烧高碳灰。

〔1〕张景培.国外大型火电厂及我国火电发展概况 〔J〕.东方电气评论，1992，6(2):95-107.

〔2〕张守玉，王文选，杨玉来，等.锅炉飞灰燃烧特性实验研究〔J〕.煤炭转化，2003，26(4):65-68.

〔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〕姚伟，相光大，高海宁.煤粉气流着火温度的试验测定 〔R〕.能源部西安热工研究所，1990.

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

〔6〕吕当振，李文军，段学农.无烟煤与石油焦燃烧特性的对比试验研究 〔J〕.湖南电力，2013，33(2):38-40.

Thermo Gravimetric Analysis and Study on Combustion Characteristics of High-Carbon Ash and Mixed Coal

HE Honghao1，CHEN Yiping1，CHENG Gang1，LI Wenjun1，YU Pengfeng1，LV Dangzhen1，LI Lianglu2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；2.Hunan Ziyun Technology Development Co.，Ltd.，Loudi 417500，China)

This paper uses thermogravimetric analysis to study the combustion characteristics of high-carbon ash.By comparing thermogravimetric result of high-carbon and mixed coal，it is found that the combustion characteristics of high-carbon ash can be improved effectively by blending and the combustion characteristic index of mixture has been enhanced.This paper proposes a suggested proportion of high-carbon ash.

high-carbon ash；mixed coal；thermogravimetric analysis；combustion；characteristics

TK227.1

B

1008-0198(2017)04-0018-03

何洪浩(1983)，男，广西桂林人，工程师，博士，主要从事锅炉燃烧调整与优化控制工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.006

2016-12-22 改回日期:2017-05-03