U-GAS气化炉高碳飞灰燃烧特性

第22卷第1期燃烧科学与技术Vol.22 No.12016 年2月Journal of Combustion Science and TechnologyFeb. 2016DOI 10.115/skxjs.R201412033U-GAS气化炉高碳飞灰燃烧特性郭卫杰'，马名杰',黄山秀'，熊耀'，张传祥'，李风海1,2(1.河南理工大学材料科学与工程学院，焦作454000; 2. 菏泽学院化学化工系，菏泽274000)商要: .采用热天平研究了U-GAS气化炉高碳飞灰燃烧特性，考察了灰分以及不同升温速率对飞灰燃烧特性的影响，探讨了飞灰造粒后应用于流化床锅炉燃烧的可行性.结果表明:与人炉煤粉相比，飞灰着火温度高、燃尽时间长、反应性较差;飞灰中灰分对飞灰燃烧性能和反应性能产生不利影响;随着升温速率增大，飞灰着火温度及燃尽温度升高，燃尽时间缩短，反应性增强;造粒后飞灰颗粒着火温度、燃尽温度均与煤粉接近，且它们的燃烧温度区域基本重合，颗粒可用于流化床锅炉燃烧关键词: U-GAS 气化炉;高碳飞灰;燃烧特性中图分类号: TQ534文献标志码: A文章编号: 1006-8740(2016) 01-0091-05Combustion Property of High-Carbon Fly Ash Derivedfrom U-GAS GasifierGuo Weiie'，Ma Mingie'，Huang Shanxiu'，Xiong Yao'，Zhang Chuanxiang，Li Fenghai(1. School of Materials Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000，China;2. Department of Chemistry and Chemical Engineering, Heze University, Heze 274000，China)Abstract: Thermogravimetric analyzer was employed to investigate the combustion properties of high-carbon fly ashderived from U-GAS gasifier. The influence of ashes and different heating rates on combustion characteristics wereresearched. In addition, the combustion feasibility of granular fly ash in a fluidized bed boiler was discussed. Theresults indicate that fly ash has a higher ignition temperature, a longer burming time, and a lower reactivity than itscorresponding pulverized coal; the ashes of fly ash have a negative influence on combustion properties and combus-ion reactivity. With the increase of heating rate, the ignition and burnout temperature are increased, the burmouttime are shortened and the combustion reactivity are enhanced; the ignition and burmout temperature of granular flyash are close to those of pulverized coal. In addition, the combustion temperature areas of granular fly ash and pul-verized coal are basically coincident，therefore, granular fly ash can be burned in a fluidized-bed boiler.Keywords: U-GAS gasifier; high-carbon fly ash; combustion propertyU-GAS气化技术具有煤种适应性强.可利用劣填l4-5]、土壤改良"和化工环保17-]等领域.高碳飞灰质煤、操作温度低、气化强度大、产品煤气中不含焦由于具有一定燃烧利用价值,普遍以再燃为主.研究油和酚类等优点,是目前比较先进的气化技术之一、发现，采用气力输灰方式将高碳飞灰送人炉膛进行二但该工艺过程会产生大量含碳量较高的细粒飞灰,导次燃烧,可显著提高锅炉热效率{9),底饲回燃技术也致U-GAS气化炉碳转化率低.因此，飞灰能否合理利可有效降低循环流化床锅炉飞灰含碳量,提高脱硫效用便成为制约UGAS气化工艺发展的重要环节1-2.率[10].李社峰等川采用实验室小型循环流化床进行目前,低碳飞灰主要应用于建筑建材B、筑路回飞灰回燃实验表明-K灰回袄H比.例增大，飞灰含碳量中国煤化工收稿日期: 2014-12-21.基金项目:国家自然科学基金资助项目(U1361119).MHCNMH G作者简介:郭卫杰(1990- )， 男，硕士研究生，gwj900907@l63.com.通讯作者:黄山秀，女，硕士，讲师，hsx3168@l63.com.●92.烧科学与技术第22卷第1期逐渐降低.梅琳等[12]在自行设计的纯燃飞灰热态试炉人炉长焰煤煤粉以及U_GAS气化炉高效旋风分离验台上进行飞灰脱碳实验研究，飞灰最大脱碳率约器收集的高碳细粒飞灰为实验样品、飞灰粒径较小，75%.虽然目前对锅炉飞灰的回燃效果研究较多,但均在200 um以下，粒径中值Do.s 仅为12.20 um,粒对U_GAS气化炉高碳细粒飞灰的研究却鲜有报径38um以下含量为92.46%,100um以上含量仅为道.文章以河南能源化工集团义煤综能公司U-GAS1.88%.飞灰及煤粉煤质分析如表1所示.由表1可气化炉高碳细粒飞灰为实验研究对象,采用热分析方知，飞灰固定碳含量达50.49% ,较高的碳含量- -方法对~飞灰和人炉煤粉进行了燃烧特性的比较,分析了面限制了飞灰在水泥、混凝土中的应用"3),另一方面飞灰中灰分以及不同升温速率对飞灰燃烧特性的影也表明了飞灰燃烧再利用的必要性.响,探讨了飞灰造粒后用于流化床锅炉燃烧的可行性.1.2 实验方法实验采用铂金埃尔默TGA4000热重分析仪研究1实验部分飞灰燃烧特性.燃烧气氛为氧气、氮气混合气,体积比为20 : 80,气体流速为30 mL/min,温度从室温升1.1 实验样品至1000 C,升温速率分别为10 °C/min 、20 C/min、以河南能源化工集团义煤综能公司U-GAS气化40 °C/min.表1煤质分析工业分析%元素分析%发热量/ .样品Mas_AsF.adWC.adWH.adWN.adWs,ad(kJ.kg^")飞灰0.3947.092.0350.4951.150.480.280.1917 390煤粉6.5623.5830.1539.7152.03.164.790.4121 258s=. (dw/d1)x(dw/ d1)memTT2实验结果与分析式中: (dw/dr)m .1/7?为可燃性指数,反映物料在燃烧反应前的反应能力,其值越大,物料可燃性越好;2.1 飞灰 与煤粉燃烧特性分析利用燃烧特性参数,包括着火温度Ti、 最大燃烧(dw/dt)mean /T 为燃尽指数,其值越大,物料燃尽时间速率(dw/d)max及其对应温度Tmx、平均燃烧速率越短,两者乘积s越大,表明物料综合燃烧反应性越(dw/dr) mean和燃尽温度Th, 可在- -定程度上判断飞灰佳.燃烧特性指数如表2所示.的燃烧特性.其温度特征值的确定方法如图1所示，00过DTG曲线峰值点做横坐标轴垂线与TG曲线交于.... DTG点A,过A点做TG曲线的切线，切线与失重开始时平行线L的交点所对应的温度定义为着火温度T,g 60f与失重基本结束时平行线M的交点对应的温度定义40-10为燃尽温度7T14.为全面评价飞灰燃烧特性,引人综2012合燃烧特性指数S进行描述'5),其定义为500700900图1温度特征值确定原理图表2 20 C/min升温速率下飞灰与煤粉燃烧特性参数T/CTma/C TV"C (dw/dr) me/(%●min") |(dw/dt) men/(%● min )| (dw/d) mas 7?(dw/d) mee/下53257461515.7110.485.55 x 10~*17.04x10~3| 9.46x 10-737242350512.699.059.17x 10-517.92x10-3| 16.43 x 10-7图2为20 C/min升温速率下飞灰和煤粉TG-显失重，630中国煤化工灰挥发分仅为DTG曲线.由图1可知,由于飞灰中水分较低,飞灰2.03% ,其挥TYHCN MH G曲线中没有凸在450 C之前质量无明显变化, 480 C时飞灰开始明显，DTG曲线中只有一个明显的固定碳燃烧失重2016年2月郭卫杰等: U-GAS气化炉高碳飞灰燃烧特性峰.由煤粉的TG-DTG曲线可知,煤粉在100 C以前大燃烧速率远远大于飞灰最大燃烧速率,这说明飞灰由于水分挥发有一微小失重, 300 C时煤粉开始失重中灰 分对飞灰燃烧性能产生不利的影响.飞灰中过明显，520 C以后煤粉基本燃烧完全, TG曲线趋于平高的灰含量阻碍了颗粒内部有机质与氧气的接触,抑稳.煤粉DTG曲线存在两个失重峰值点,由于煤粉制了飞灰中固定碳的燃烧,导致飞灰着火温度高,燃含有30.15% 的挥发分,而挥发分先于固定碳开始剧尽时间长,反应性差.这说明飞灰中灰分含量高是导烈燃烧,产生- -个较大的DTG峰值点,固定碳在挥致飞灰反应性较差的主要原因,因此脱除飞灰中灰分发分着火释放热量的促进作用下燃烧,产生- - 个稍小可提高其反应性能.的DTG峰值点,挥发分与固定碳燃烧峰相互重叠形2.3 升温速率对飞灰燃烧特性的影响成较宽的DTG峰[6].由表2可知,飞灰最大燃烧速实验采用10 C/min、20 C/min和40“C/min共率与平均燃烧速率均比煤粉大,原因是飞灰颗粒较3种不同升温速率研究了升温速率对飞灰燃烧特性细,粒径38 μm以下的颗粒占92.46%,比表面积大，的影响. 不同升温速率下飞灰TG、DTG曲线如图4氧扩散能力较强,使得飞灰着火后燃烧速率较快7.所示， 燃烧特性参数如表3所示.由综合飞灰燃烧曲然而飞灰着火温度与燃尽温度较高、燃尽时间长,综.线与燃烧特性参数可知,随着升温速率的提高,飞灰.合燃烧特性指数s远小于煤粉,说明飞灰反应性较煤着火温度、燃尽温度以及最大燃烧速率温度升高,粉差.为保证飞灰的充分燃烧,需要较高的燃烧温度DTG 曲线失重峰变宽,燃烧曲线向高温区移动.原因和充足的燃烧时间.在于升温速率过快,飞灰颗粒获得的热量无法从表面及时传递到内部,导致内外温度不均,产生热滞后现00一象"8].然而，随着升温速率增大,飞灰单位时间获得soM一煤粉的热量增加，所以最大失重速率和平均失重速率增查60大,燃尽时间缩短,综合燃烧特性指数s值变大,表10-12明飞灰着火后燃烧更为剧烈、稳定,说明增大升温速率能显著提高飞灰反应性.t -1600TI'C90-- 10 C/min--.20C/min图2飞灰和煤粉 TG-DTG曲线8(.40 C/min三70f2.2灰分对飞灰燃烧特性的影响60为研究灰分对-飞灰燃烧特性的影响,采用HCI50酸洗脱灰方法处理飞灰, HCI浓度为6 mol/L,室温下40100300s00700 900浸泡1h,飞灰经蒸馏水洗涤过滤至中性后,在105rrc°C烘干.酸洗后飞灰灰分为12.20%. 其TG_DTG曲(a) TG曲线线如图3所示.0tg-I:. 10 C/min-18- -.. 20 C/min40 "C/min20-酸洗飞灰.+-2-21....飞灰30500 700 900J -3TrC900(b) DTG曲线图3飞灰和酸洗 飞灰TG-DTG曲线图4不同升温速率下飞灰TG和DTG曲线中国煤化工由图3可知,酸洗后飞灰的着火温度与燃尽温度2.4飞灰造:YH明显低于飞灰的值,酸洗飞灰DTG峰较尖锐,且最U-GASCN MH G性能差,不经然烧科学与技术第22卷第1期表3不同升温速率下飞灰燃烧特性参数升温速率/(C . min')T/CTm/'CTVC(dw/dr)mx/(%● min-)| (dw/d) me/(% . min-)15155505955.292.61 x 10-72057461515.7110.489.46x 1074610_65520.5017.1717.96 x 10-7加工处理进人流化床后,容易被烟气带出床层,难以参数如表4所示.达到充分燃烧的效果[19.为延长飞灰在炉内停留时100间,实现飞灰的充分燃烧,将飞灰与粒径0.2 mm以80下煤粉以1 : 1质量比例掺混,添加一-定量水玻璃作..腺燥为粘结剂后制备成粒径5 mm大小的颗粒.由于颗粒60f粒径较小,无法进行常规强度检测,将颗粒干燥后置40-10 兰于罗加转鼓中,以50 r/min的转速转5 min,重复31220-14次后用1mm圆孔筛筛分,所得筛上物质量占原颗粒30088% ,表明颗粒具有一定冷强度.图5为颗粒与煤粉在20 C/min升温速率下燃烧特性曲线,其燃烧特性图5颗粒与煤粉 TG-DTG曲线表4颗粒与煤粉燃烧特性参数样品Tmw/C TVC |(dw/d) mx/(%●min-')| (/dm)me/(% . min-)| (dw/dt) m/ (dw/d) me/ Th颗3563955099.617.087.58x 10~513.91 x 10-310.54x 10-7煤粉724235052.699.059.17x 10517.92 x 10-316.43x 10-7由图5可知,颗粒最大燃烧速率低于煤粉的值，火后燃烧更为剧烈、稳定,增大升温速率能显著提高且颗粒燃烧后残余量较煤粉高,但颗粒与煤粉燃烧曲飞灰反应性.线同步变化,燃烧温度区域基本重合.由表4可知,(4) 飞灰与煤粉混合造粒后颗粒燃烧工况与煤颗粒与煤粉着火温度相差16 C,燃尽温度相差4粉相同, 可与煤粉掺混或单独用于流化床锅炉燃烧C,考虑到误差的存在,两者着火温度与燃尽温度呈现高度一致性.飞灰与煤粉掺混造粒接近于原料煤参考文献:粒,其燃烧工况与煤粉相同,且颗粒强度较原煤低，[1] 王同章.煤炭气化原理与设备[M]. 北京:机械工业在流化床锅炉中呈剥层状燃烧,外部灰分的剥落使内出版社，2001.部黑芯碳露出,有利于燃料的稳定燃烧.虽然由于水Wang Tongzhang. The Principle and Equipment of Coal玻璃的添加导致颗粒成分中Na2O 含量增大,使得颗Gasification[M]. Bijing: China Machine Press ，粒灰熔点较原煤灰熔点(1304 C)有所降低,但颗粒200 (in Chinese).灰熔点为1 220 C,高于流化床850~ 1050 C的操作[2] 董文博. U-GAS粉煤气化技术[J].广州化工, 2013,41(22): 155-157.温度范围,不会引起锅炉结渣问题,表明颗粒可与原.Dong Wenbo. U-GAS pulverized coal gasification tech-料煤掺混或单独用于流化床锅炉燃烧.nology[J]. Guangzhou Chemical Industry， 2013 ,41 (2): 155-157 (in Chinese) .3结论[3] Sua-iam G, Makul N. Utilization of high volumes ofunprocessed lignite-coal fly ash and rice husk ash in self-consolidating concrete[J]. Journal of Cleaner Produc-(1) U-GAS气化炉飞灰着火温度高,燃尽时间tion, 2014, 78(9): 184-194.长，反应性差,飞灰充分燃烧需要较高的燃烧温度和[4] Aysen Lav M，Hilmi Lav A. Effects of stabilization on充足的燃烧时间.resilient characteristics of fly ash as pavement material(2)灰分含量高是导致飞灰反应性较差的主要Construction and Building Materials， 2014，原因,脱灰处理可大幅度提高飞灰反应性.54(3)中国煤化工(3)随着升温速率的增加,飞灰最大燃烧速率增[5] Mishraaysico-chemical and:YHCNMH(大,燃尽时间缩短,综合燃烧特性指数s值变大,着minerarugrca propeiuoui saiviu woal fly ash for stow-2016年2月郭卫杰等: U-GAS 气化炉高碳飞灰燃烧特性●95●ing in underground coal mines[J]. Materials Characteri-2014，34 (26): 4454-4461 (in Chinese)zation, 2010, 61(11): 1252-1259.[ 13]于广辉,路霁鸽，郭庆杰，等.循环流化床锅炉飞灰6] Shaheen S M, Hooda P S, Tsadilas C D. Opportunities残碳生成机理研究[J].煤炭转化，2000, 23(3): 19-and challenges in the use of coal fly ash for soil im-provements: A review[J]. Journal of EnvironmentalYu Guanghui, Lu Jiling, Guo Qingjie， et al. Genera-Management, 2014， 145(12): 249-267.tion mechanism of residual carbon in fly ash of CFB[7]陈彦广， 陆佳， 韩洪晶，等.粉煤灰作为廉价吸附boiler[J]. 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