基于煤粉活化能及着火温度对燃烧调整的指导

彭志福

(大唐华东电力试验研究院，合肥 230088)

某电厂由于效益等问题而并不使用锅炉的设计煤种，在参与深度调峰时经常变换负荷，造成锅炉在燃烧的过程中出现各种问题[1]。对煤粉的燃烧反应特性研究可以在理论上指导电站锅炉的煤粉燃烧，对电站锅炉的安全经济运行有着重要的意义。煤粉燃烧的反应动力学以及着火特性，会影响煤粉在锅炉中的燃烧速率以及炉膛火焰中心位置，很多学者采用热重分析实验对煤的燃烧反应动力学及着火的特性进行研究，Yong Chen等[2]利用TG(热重分析仪)和DTA(差式热分析仪)研究了不同煤阶的煤粉着火机理，研究指出，随着煤阶的上升，煤粉的着火机理逐渐从均相着火再到均相-异相联合着火再到异相着火，着火温度也随着煤阶的上升而增加。本文通过改变热重试验升温速率，求解煤粉燃烧的反应动力学以及着火温度，找出煤粉的反应动力学特性与着火特性的升温速率之间的关系，并分析在不同的燃烧条件下，电厂锅炉在运行时的调整方向。

1 热重试验

1.1 样品准备

某电厂常用的煤种有三种，按煤阶的从低到高分别为电厂用褐煤(以下简称褐煤)、电厂用烟煤(以下简称烟煤)和电厂用贫煤(以下简称贫煤)，实验用煤粉直径在62～75μm，三种煤粉的工业分析及元素分析见表1。

表1 三种煤粉的工业分析及元素分析

1.2 实验过程及数据

采用NETZSCH STA 449F3热重仪对三种煤粉进行TG-DSC试验，每种样品的实验采用6种不同的升温速率，分别为2、5、10、20、40、50 K/min，每组实验都进行空白样实验以消除实验仪器误差。对实验数据进行处理，定义X为燃尽度，表达式为：

(1)

其中TG为煤粉的TG数据，TGmin为TG的最小值。煤粉燃烧过程的燃尽度、DSC曲线如图1-图3所示。

图1 褐煤煤粉的燃尽率(上)、DSC(下)与温度的关系

图2 烟煤煤粉的燃尽率(上)、DSC(下)与温度的关系

图3 贫煤煤粉的燃尽率(上)、DSC(下)与温度的关系

2 不同升温速率下的煤粉燃烧反应动力学

2.1 反应动力学模型

煤粉燃烧反应的反应速率与煤粉的浓度以及煤粉燃烧反应动力学参数有关，煤粉燃烧的活化能是表征煤粉燃烧反应速率的一个重要指标。通过质量定律以及Arrhenius方程可得[3,4]：

(2)

式中A为煤粉燃烧反应的指前因子，E为反应的活化能，R为气体常数，取值为8.314J/(mol·K)。对式左边项与1/T进行直线拟合，通过直线斜率与截距可求得反应活化能以及指前因子。

2.2 反应动力学参数求解

图4是贫煤煤粉在2K/min的升温速率条件下的实验数据的拟合直线，由图4中可以看出，拟合直线与实验数据的点的相关系数为0.998，故该拟合直线能够具有代表性，图4中拟合直线的斜率为-22267，则求解该条件下煤粉燃烧反应的活化能为185.13kJ/mol。

图4 贫煤煤粉在2K/min的升温速率下的活化能求解

对三种煤粉的实验数据进行图所示的数据处理，求得在不同升温速率下的煤粉燃烧反应的活化能，并将三种煤粉在不同升温速率下的活化能数据总结于表2、表3和表4中。

表2 褐煤活化能以及拟合直线相关系数

表3 烟煤活化能以及拟合直线相关系数

表4 贫煤活化能以及拟合直线相关系数

通过表2、3、4可以发现拟合直线相关系数都在0.98以上，故直线拟合较为准确。在相同的升温速率下，贫煤煤粉的燃烧反应活化能均为最高，烟煤煤粉次之，褐煤煤粉最低，正好对应三种煤粉的煤阶排序，故可以得出，在相同的升温速率下，煤阶越高，煤燃烧的反应活化能越高。煤阶越高，煤的挥发分含量越低，煤粉越不易着火燃烧，反应活性越低，故对应的燃烧反应活化能越高，煤粉燃烧反应速率越慢。

通过对比同一煤粉在不同升温速率下的反应活化能来看，升温速率越高，煤粉反应的活化能越低。升温速率越高，煤粉从室温增加到实验结束的时间更短，煤粉反应加速越快，煤粉燃烧的速率越快，煤粉的反应活性越高，煤粉燃烧反应的活化能越低。

3 煤粉燃烧特性研究

3.1 着火温度的确定方法

1934年Semenov根据对均相系统的热自燃理论的研究，提出著名的热爆炸理论(也就是TET理论)[5]：

(3)

其中Q1为煤粉系统反应放热热量，Q2为系统的散热损失能量，当煤粉系统的反应放热热量大于系统的散热能量，且能量对温度的一阶导数大于等于0时，认为煤颗粒能够发生着火。

对于DSC仪器有：

cθ=q1-q2

(4)

式中θ为加热速率，θ=dTs/dt，Ts为煤粉颗粒温度。c为煤粉的比热，q1单位质量的煤粉在单位时间内所释放的热量(kJ/(kg·s))，q2单位质量的煤粉在单位时间内所散失的热量。煤粉向环境散失的热量q2=k(T-T∞)，k为折算的系数，T∞为环境温度。

基于Semenov热爆炸理论，对于热流型DSC中，转化为热功率的煤粉着火临界条件为：

(5)

煤粉的着火是煤粉反应加速的结果，故在着火过程中，煤粉的反应速率增加，煤粉的热量变化加速，即在煤粉着火阶段，煤粉反应的热量曲线应该是凹型的，因q=-DSC，故在DSC图形上，着火阶段为凸型。图5为煤粉燃烧的DSC曲线以及煤粉DSC对煤粉颗粒温度的一次导数与煤粉颗粒温度之间的关系。

从图5中可以看出，DSC曲线上有着多重拐点，其中拐点B与拐点C之间所对应的关系为：

(6)

图5 DSC法确定最低临界着火温度和最高临界着火温度的图示

在B点到C点之间，煤粉系统的吸热大于散热，且在这一阶段煤粉的反应速率增加，煤粉的产热增加，并且产热速率增快，满足Semenov的着火理论，在其他阶段并不满足，故本文认为煤粉着火是一个过程，着火发生在B点到C点之间，定义B点所对应的温度为最小临界着火温度Tmin，C点所对应的温度为最大临界着火温度Tmax。煤粉从最小临界着火温度开始着火过程，到最大临界着火温度着火完全。

3.2 三种煤粉的着火温度

同时对三种煤粉的TG数据用传统的切线法求解出煤粉每个升温速率下的TG着火温度作为对比；并对DSC数据进行如图5的处理，求解每个升温速率下的最小临界着火温度及最大临界着火温度，图分别是神华褐煤、黄石电厂烟煤、黄石电厂贫煤的TG着火温度、最小临界着火温度、最大临界着火温度。

图6 三种煤粉的切线法及DSC临界着火温度法测定的着火温度

本文认为着火是一个过程，从最低临界着火温度开始着火，直至最高临界着火温度着火完成。从图可以看出，三种煤粉在各升温速率条件下的TG-DTG法测定的着火温度都介于DSC最低临界着火温度和最高临界着火温度之间，这能够反映出本文所提出来的DSC临界着火温度法的合理性。

通过对比分析，在各个升温速率下，贫煤的DSC最低临界着火温度、最高临界着火温度和TG-DTG法着火温要远远高于烟煤和褐煤的，同时烟煤的各个着火温度也大多要高于褐煤的。这是因为贫煤的挥发分含量要远远少于其他两种煤粉，烟煤的挥发分含量略高于褐煤的挥发分含量，挥发分含量越多的煤粉，煤粉的着火越容易，煤粉的着火温度越低。可以得出结论，在相同的升温条件下煤粉的煤阶越高，煤粉的着火温度越高。

从图中可以看出，三种煤粉的DSC最低临界着火温度、最高临界着火温度和TG-DTG法着火温度都随着升温速率的升高而增高，由于在实验的升温过程中，煤粉在实验仪器的坩埚中的受热并非完全均匀，且煤粉的表面温度和内部温度之间会有一个温度差，导致煤粉的内部不能及时的升温挥发，煤粉的着火会延迟，受热不均匀现象在高升温速率下尤为明显，导致煤粉在高升温速率的着火温度越高。煤粉的着火温度的上升曲线随着升温速率的增高而平缓。三种煤粉在2～5K/min的条件下的升温速率变化速率均在40～50K/min条件下的升温速率变化速率的十倍以上，也就是在高升温速率条件下，升温速率对煤粉的着火温度影响越来越小，由此趋势可以推断，存在一个临界的升温速率，在此临界升温速率以上，煤粉的着火温度不再发生变化，而是一个恒定值。

4 燃烧调整分析

当锅炉降负荷时，炉膛内的温度降低，则煤粉的升温速率降低，但是此时的升温速率仍然很大，认为在临界升温速率以上，煤粉的着火温度几乎不变，但是煤粉的着火时间增长，在相同的风速下，煤粉的着火行程增长，并且煤粉的活化能变大，反应速率变慢，煤粉的火焰中心上移，易造成过热、再热蒸汽超温，排烟温度高。故在锅炉运行时，要尽量采用下层燃烧器或者降低风速来降低火焰中心高度。

当锅炉升负荷时，炉膛内温度升高，煤粉的升温速率升高，煤粉的着火时间缩短，着火行程缩短，并且煤粉的反应活化能变小，反应速率增快，火焰中心下移，易造成再热蒸汽温度低。锅炉运行时，要尽量投上层燃烧器或者提高风速来提高火焰中心高度。

当锅炉运行时变换煤种时，当换高阶煤时，煤粉着火温度升高，同时活化能升高，反应速率下降，火焰中心上移，要尽量采用下层燃烧器或者降低风速来降低火焰中心高度；当换低阶煤种时，着火温度降低，同时活化能降低，反应速率增快，火焰中心下移，要尽量投上层燃烧器或者提高风速来提高火焰中心高度。