煤着火特性的热重分析研究

第21卷第2期电站系统工程VoL 21 No2005年3月Power System EngineeringMar,2005文章编号:1005006X(2005020008-03煤着火特性的热重分析研究凊华大学胡文斌杨海瑞吕俊复岳光溪张建胜墒要:利用程序升温的热重分析法对7种不同煤样进行着火特性硏究,表明由 TG-DTG曲线可方便快捷地得到煤种的着火温度,并定性地判断各煤种燃烧的难易程度。分析了着火温度和挥发分活化能等的关系,并自定义了參数R,发现R能很好地表征煤种的着火特性。将实验结果和在小型流化床上研究得到的着火特性参数比较,发现结果趋势一致,但数值偏小。理论上存在一个加热速率值,使由TGA测得的着火温度和由小型流化床上得到的着火温度一致,因此TGA实验结果可用于指导大型电站锅炉及燃烧装置的设计和运行。关键词:着火特性;热重分析;流化床中图分类号:TQ533文献标识码:AStudy on Ignition Properties of Coals by Using ThermogravimetryU Wen-bin, YANG Hai-rui, LU Jun-fu, et aL.Abstract: The ignition properties of seven kinds of coals are investigated by using thermogravimetry. From the TG-DTGcombustion of coals. The relations between the ignition properties and the volatile fraction, the ignition properties andactive energy, the ignition properties and definedeter are analyzed Compared with the results in the labscale fluidized bed, the tendencies of the experimental results are uniform and even identical when the heating rate inTGA increases to an appropriate value. Therefore, experimental results in TGA can be considered as the reference indesigning and operating of station boilers and other combustion devicesKey words: coal ignition; thermogravimetry; fluidized bed煤的着火特性是煤的重要性质,了解和掌握煤的着火特表1不同煤种的元素分析性对于正确掌握启动点火过程和正确运行动态优化控制具成分%C, Har Oar Nr Sar M, Aar Vdr @.a/M,kg有极其重要的作用,而且对于燃烧设备的启动燃烧器的容量煤种160.771.842.140.682.44824.139.1022.190煤种255653.755.830992.008.9922.7740.7222.180设计有很大的指导意义。如果不了解煤的着火特性而投煤过煤种352.301.040.830.711.1212003203.2019070早,会引起燃料爆燃;而投煤过晩,则会增加点火时间和启煤种455.382.046.421.120.508.026.5417.4821.375煤种524.002.4011.530.710.1419.75409558609236动的燃油(气)量,造成效率的降低和启动燃料的浪费煤种650.932.533.740.6314370033.74391019090目前研究煤的着火特性的主要方法有煤种748.582.572.540962.476.8036.0814.7718650(1)通过测定助燃剂(O2或CO2等)的消耗或燃烧产1.2实验方法及设备物CO和CO等的生成来反推煤的燃烧过程实验中采用美国TA公司生产的TA2100型热重分析仪(2)小型流化床等实验台上测定对上述7个煤种进行着火特性的试验研究。研究过程中,对(3)用热重技术检测煤燃烧过程的失重曲线来研究分每一个煤种均采用相同的燃烧条件,即以10℃m的加热析煤的燃烧特性。速率加热到900℃,空气流通速率为500mL/min。其中热重分析法可以在煤燃烧的过程中连续测量得到2实验结果及其分析讨论温度、重量、差热等多种信息,具有测量准确、可重复性好、操作简单、数据处理方便及可在消除外扩散的影响下操作等2.1实验结果及其分析优点,目前已成为研究煤燃烧动态特性的有力工具,用于指图1给出了4个煤种的失重曲线,这4个煤种分别为褐导大型电站锅炉及燃烧装置的工程设计。热分析是一项规煤、烟煤、贫煤和无烟煤。从图中可以看岀,褐煤开始迅速范性很强的试验,只有在相同实验条件下测定不同煤种的热失重的温度最低,主要是褐煤含有大量的挥发分,挥发分在重曲线,才能分析比较各种煤的燃烧特性。本文利用热重较低温度下便析出燃烧,而无烟煤含有的挥发分少,因此焦分析法对⑦种煤进行了着火特性的研究炭燃烧的温度高,因此无烟煤在500℃以上才开始迅速失重。总之,从不同煤种的失重曲线上可以定性地判定煤种燃烧的难易程度,对于褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤来讲,着火1.1实验样品及其元素分析(见表1)的难易程度由易到难依次为褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤图2给出了煤种1的失重曲线和相应的失重率曲线。煤收稿日期:2004-12-18文斌(1979-),男,硕土生。热能工程系,100084燃烧试验中着火的确宝有得动汁本文采用常用的*国家高新技术研究发展计划(863计划项目(2002AA529050TG-DTG法,在中国煤化工TG曲线交于CNMHG第2期胡文斌等:煤着火特性的热重分析研究点A,过A点作TG曲线的切线,该切线与失重开始平行设煤种挥发分含量为r,着火时对应的失重率为η,定线的交点B所对应的温度定义为着火温度。由图2可知煤义常数R=(rrn)y1,R表征了着火时煤粒的挥发分含量和比种1在TGA条件下着火温度为490℃,表2列出了全部7表面积等性质。将各煤种的着火点温度对R作图(图4),除个煤种在TGA中测量得到的着火温度。去一个畸形点后,T和R成非常好的线性关系,而且着火温度随着R值的增加而减小,其关系式为:T=490.4-40.34×R比较图3和图4,发现T和参数R的线性关系比T和V的线性关系更好,因此参数R更能表征不同煤种的着火特性00400600erature图1各煤种TGA曲线图4各煤种着火点温度和R的关系煤和空气的燃烧是一个非常复杂的过程,随着温度的升高,其表观动力学也分几个不同的阶段,本文用微分法研究了各煤种在其着火点附近的动力学,求得的活化能E和着火温度的关系如图5所示。由图可知着火温度和活化能大致呈线性关系,而且随着活化能的增加,着火温度升高。这是因为活化能越大,反应进行所必须的最低能量越大,因而着火温度越高。400Temperature, C图2煤种1着火温度的确定表2TGA条件下不同煤种的着火温度(℃)着火温度T490400520将不同煤种着火点温度对挥发分含量作图(图3),可知它们基本成线性关系,而且随着挥发分含量的增加着火点温度降低。这主要是因为挥发分越多,挥发分的燃烧就越能引燃煤颗粒;另外,挥发分析岀改变了焦炭的相结构,使剩余图5各煤种着火点温度和活化能E的关系焦炭呈多孔状,挥发分越多,剩下焦炭比表面积越大,和空2.2不同方法测得的着火温度的比较气接触面积越大,也就越容易点燃。除了用热重分析法来研究煤的燃烧特性外,本文还在电加热的小型流化床燃烧系统上采用热烟气炉下点火的方式来研究煤粒在流化床內燃烧特性,测定了各煤种的着火特性,小型流化床燃烧系统及实验方法见文献[。图6给出了TGA热分析仪、小型流化床实验台测得的不同煤种的着火温度和电厂锅炉实际投煤温度的比较图。发现TGA和实验台测得的着火温度都和挥发分的含量基本成线性关系,而且斜率基本一致对于那些挥发分较高,容易燃烧的煤种,流化床实验台测量的着火温度基本与实际投煤温度一致;对于低挥发分,高含碳量,高灰分的无烟煤,由于这些煤种着火温度高,不易燃烧,因此电厂田相时守叫·实际投煤温度高图3各煤种着火点温度和挥发分含量关系达750℃甚至82中国煤化工(下转第12页)CNMHG电站系统工程205年第21卷试验和数值模拟的结果表明,在较高的转速下,分离效率可以达到80%以上,能够满足再燃所需的煤粉量;同时适参考文献当的风粉比例能够满足再燃区过量空气系数的要求,从而解吴少华,刘辉,姜秀民,等.采用超细煤某粉再燃技术降低氮氧化物决了再燃系统的煤粉来源问题排放[中国电力,2003(2:1-4[2]欧大武,方磊、池作和,等.利用三次风再燃降低NO3排放研究[5结论电站系统工程,2003(1[3]张国宏,杨素萍,牛雅莉.制粉系统三次风对锅炉内工况影响的分采用离心式旋转煤粉浓缩器可以有效地对三次风进行析[.电力学报,2002(2:142~14浓缩,解决了再燃燃料的来源问题,同时弱化了三次风对机田4小川明.气体中颗粒的分离M.化学工业出版社,191组运行的不良影响。实际应用中可以将陶瓷、特种钢材等材沈阳鼓风机研究所离心式通风机M机械工业出版社,1980料应用到风机的叶片上,有效地避免吸附现象的发生;同时李之光相似与模化(理论及应用)M国防工业出版社192「7]吴双应,李友容,卢啸风,等.再燃烧技术原理及其影响因素分析可以采用外置的电机布置方式,规避试验过程中内置电机对门.冶金能源,2002(3:24~27离心力场的不良影响,从而有效地改善浓缩器内的空气流编辑:巨川力,得到更高的分离效率。(上接第9页)烧的难易程度,对于褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤来讲,着火的难易程度由易到难依次为褐煤、烟煤、贫煤和无烟煤。(3)分析了不同煤种的着火点温度和其挥发分含量、活△电厂投煤温度化能的关系,发现着火温度随挥发分含量的增大而减小,随实验台着火温度着火点附近活化能的增大而增大,并分别和二者基本成线性关系。(4)设煤种挥发分含量为r,着火时对应的失重率为定义常数R=(rn1),则T和R成非常好的线性关系,其关系式为:T=490.4-40.34×R。而且R比挥发分含量更能表征煤种的着火特性。(5)利用合适的小型流化床燃烧系统来研究各煤种的着火特性,结果表明和实际投煤温度基本一致,尤其是挥发分含量较高,容易燃烧的煤种,符合得很好。图6不同方法测得的着火点温度比较(6)TGA热分析方法测试得到煤种的着火特性,和用而TGA中测得的着火温度与实验室流化床条件下得到小型流化床研究得到的结果趋势一致,但是结果都偏小。如的着火温度相比要小,这和其他很多学者的试验结果是一致果提高加热速率值,可以使得TGA测量的着火温度与流化的。有的学者认为这是因为在TGA试验条件下挥发分能够实验台测量的着火温度一致也就和电厂实际投煤温度充分燃烧而流化床条件下由于其独特的气固结构使挥发分致,因此TGA实验结果能用于指导大型电站锅炉及燃烧装较难在密相区燃烧而导致的。这种观点有一定道理,但是本置的设计和运行文认为这是由多种原因造成的,主要是由于TGA和流化床两参考文献种不同的实验条件所致,在rGA程序升温过程中外界温度始毛玉如,方梦祥OO2气氛下煤焦热重试验研究J电站系统工程,2004,20(5:17~18终高于煤粒温度,煤粒吸热,而流化床内恰好相反;另外-2]朱群益,秦裕琨.不同热天平煤粉燃烧特性试验差异的原因分析个原因是流化床内升温快,使得反应尚未来得及进行便进入.热能动力工程,2002,17(4)363~366更高的温度,造成反应滞后。3]方立军,刘彦丰煤焦燃烧模型的热重实验硏究门燃烧科学与技通过以上不同方法测得的着火温度的比较证明,理论上术,2003,9(6:535~538存在一个加热速率值,使得程序升温的热重分析法测得的着4喻秋梅、庞亚军煤燃烧试验中着火点确定方法的探讨华北电火温度与流化床实验台测量的着火温度一致。因此可以利用力技术,2001(7):9~10.[5]张晓杰,聂其红.李振中,等.混煤着火过程试验研究.电站系实验室TGA测量煤种的着火特性来模拟或预测电厂锅炉内统工程,199,15(6):41~44煤的着火特性,并将其应用于指导大型电站锅炉及燃烧装置6]廖洪强,李保庆,煤-焦炉气共热解半焦燃烧动力学特性研究燃的设计和运行中,达到简洁方便而不失准确的目的烧模型的建立及其表观活化能动态描述[.燃料化学学报,19927(13):246~2503结论「η]薛雷,杨海瑞、岳光溪.流化床内煤着火特性实验研究卩煤炭转化,2004,27(2):51~53(1)采用 TG-DTG法来研究煤粒的着火特性,可以在81王智微,张朝阳循环流化床煤着火特性的试验研究燃烧科学TG和DTG曲线上方便快捷地得到煤种的着火温度与技术,2002(2)从不同煤种的失重曲线上可以定性地判定煤种燃中国煤化工辑:康德CNMHG