《煤炭加工与综合利用》:煤化工神府煤粉燃烧特性的研究

时间:2017年05月16日 编辑:李增林,刘锐利,庞青涛,曹文,赵鹏, 颜喜龙 信息来源:《煤炭加工与给定利用》 点击:次 【 字体:

《煤炭加工与给定利用》:神府煤粉燃烧特性的研究

李增林,刘锐利,庞青涛,曹文,赵鹏, 颜喜龙

(威尼斯官方网站登录,陕西 西安 710100)

摘要:为了给煤粉锅炉用户提供煤粉优选理论依据,以煤粉锅炉主要用煤神府煤制备的煤粉为研究对象,采用TG—DTG对煤粉的燃烧特性进行研究,分析了不同煤粉及升温速率对煤粉燃烧特性的影响。结果表明:在空气气氛下,升温速率提高,TGDTG曲线向高温方向移动,煤粉的着火温度升高,最大失重速率增大,最大失重温度提高,燃尽指数增大;随着灰分和粒径改变,升温速率为10 /min20 /min时,煤粉的着火温度变化不显著,燃尽指数及综合燃烧特性指数均有影响。灰分减小,粒径不变时,D煤粉的综合燃烧指数为1.51,优于粒径74μm,灰分9.5%P煤粉。

关键词:煤粉;着火温度;燃尽指数;综合燃烧特性指数;煤粉锅炉

TK229.63 

Study on Combustion Features of ShenfuPulverizedCoal

Li Zenglin,Liu Ruili,Pang Qingtao, Cao Wen,Zhao Peng,

Yan Xilong

Shaanxi Coal and Chemical Industry New Energy Group CO.,Ltd, xian710100,Shaanxixian,China

 

AbstractIn order to provide a theoretical basis for coal-fired boiler users,Pulverized coal produced from coal - fired boiler prepared with shenfu coal was set as the object of study,studyed on combustion characteristics of pulverized coal by TG-DTG,andanalyzed the different types of coal powder and rate oftemperature rising speed affectionon the combustion features of the pulverized coal.The results showed that,with the increase of heating rate, TG, DTG curve shifted to high temperatures, pulverized coal ignition temperature increased, maximum weightlossrateincreased,maximumweightlosstemperatureraisedand burnout index increased, with the ash and the particle size change,theseeffects of ignition temperature,burning index and comprehensive combustion featureswereminimal, under air atmosphere. With the change of particle size and ash,at heating rate of 10 / min or 20 / min, the change of pulverized coal ignition temperature was not significant,and burn index and compositecombustion characteristics index werealso affected lightly. , Burning index and comprehensive combustion features both had an impact. When the ash content was reduced and the particle size was set, the comprehensive combustion features of D coal was 1.51, which was better than that of the pulverized coal with particle size of 74μm and ash content of 9.5%.  

Key wordspower coalignition temperatureburning indexcomprehensive combustion featurespulverized coal-fired boiler

 

引    言

随着我国社会和城市的快速发展,城市环境污染问题不断显现。据有关部门统计,工业燃煤排放的污染物占雾霾来源和成因的30%40%[1,2]。为了有效改善这种情况,国家加大了对燃煤锅炉的治理,主要采用原料煤的源头控制、污染排放不达标锅炉改造、煤改气、煤改电以及煤粉锅炉的推广。高效煤粉锅炉是煤炭科学技术研究院有限企业自主研发的新型环保锅炉,较传统链条炉具有煤粉燃尽率高、热效率高、污染物排放少等优点[3,4],目前已在全国范围内推广应用,总规模达到数千蒸吨/h,煤粉锅炉健康发展备受社会各界关注。

但是,随着国内煤粉锅炉用户不断增加,由于煤粉没有统一的国家标准[5,6],用户在使用过程中出现众多问题。煤粉燃烧特性作为煤粉锅炉燃烧的关键参数[7,8],在煤粉锅炉运行中至关重要。然而,国内在煤粉锅炉燃料方面研究较少,朱安钰[9]等在1MW半工业性试验炉上研究了布尔台煤燃烧特性,指出布尔台媒的运行氧含量应控制在3.5%左右。方顺利[10]等以乌拉盖褐煤低温热解半焦为研究对象,发现该半焦与国内典型煤质相近,但熔融性较低。左启伟[11]等利用热重天平,研究了高炉喷吹煤粉预热后燃烧特性及动力学参数,指出煤粉预热温度不低于400℃。施江[12]等利用热重分析研究了RDF(垃圾衍生燃料)与煤粉混合燃烧特性,RDF在煤粉中参混比可达50%。张宏博[13]等为了提高高炉燃尽率,在有限空间内研究了煤粉燃烧特性,指出影响燃尽率的主要因素是固定碳的燃烧量。综上所述国内关于煤粉锅炉燃料燃烧特性的研究较少,且不同地区的煤炭制备的煤粉的燃烧特性也有很大差别,针对这一问题,本实验选取具有代表性的神府煤为原料,制备了3种煤粉为研究对象,探索神府煤的燃烧特性,为煤粉锅炉用户提供可靠的燃烧参数。

实验部分

1.1实验原料

3种煤粉均来自陕西煤业化工新型能源企业神木水煤浆厂,3种煤粉原煤均来自于同一煤矿原煤,经洗选后获得不同灰分的洗精煤。煤粉的基本性能见1,P煤粉,D煤粉、X煤粉,灰分分别为:<10%、<8%、<7%,粒径分别为747450μm。其中,洗精煤的灰分为10.2%;挥发分38.0%;水分为15.3%;发热量为25.83 MJ/kg;硫含量为0.38%

表1  煤粉的基本性能

Tab. 1 basic properties of pulverized coal

种类

粒径/μm

Aad/%

Vad/%

Mad/%

高位发热量/MJ/kg

P煤粉

74

9.5

34.2

4.23

28.21

D煤粉

74

7.2

35.1

4.07

28.12

X煤粉

50

6.9

36.7

4.10

28.29

注:煤粉基准条件为:Aad10%Vad30%Mad5%

1.2实验原理

在研究煤粉的燃烧特性时,通常在实验室采用TG-DTG曲线来分析[13],其特征数据对煤粉锅炉燃烧具有一定的引导意义。特征数据主要有煤粉着火温度Ti、燃尽指数Hj和综合燃烧特性指数Hf

燃尽指数Hj和综合燃烧特性指数Hf计算公式分别如式(1)和式(2)所示[14,15]

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式中:(dw/dt)max为最大失重率,mg/minTi为着火温度,℃;Tmax为最大失重率时的温度,℃;ΔThDTG后半峰宽温度差;℃;ΔTDTG总峰宽温度差,℃。

Hj的大小反应了煤的燃尽性能的好坏,且该值越大则燃尽特性越好。Hf在很大程度上考虑表征煤样燃烧速度,可用于衡量煤样在着火后燃烧速度与强度,能够反应煤样着火后燃烧的稳定性,Hf越小煤样燃烧性能越好。

1.3  测试方法

称取7±0.1㎎煤粉于坩埚中,进行热重测试。测试条件为:空气气氛,升温范围为常温900 ℃,升温速率分别为10℃/min20℃/min

结果与讨论

2.1燃烧特性分析

1至图63种煤粉分别于10/min20/min条件下的TG-DTG曲线。从TG-DTG曲线中可以看到,在30~300℃之间,均有微弱的失重现象。这部分失重为煤粉主要为煤粉中的低沸点挥发分及水分挥发引起的。在300℃至420℃之间,大量挥发分析出,煤粉开始燃烧,失重速率迅速增大,到达500℃附近时,燃烧最为剧烈。升温达到600 ℃附近时,煤粉基本燃尽。升温速率不同,致使初始燃烧温度Ti和最大失重速率时的温度Tmax提升,是由于升温速率提升,但煤粉的自身传热系数并没改变,当提高升温速率,煤粉自身温度的积聚还达不到起始燃烧所需要的热量,在TG曲线中,反应出煤粉的TiTmax延后。换言之,在测试过程中,样品内部达到相同温度时,升温速率慢的样品可提前达到所需热量而使挥发分散出,TiTmax均降低。

2 煤粉的相关特征指数

Tab. 2 correlation index of pulverized coal

煤粉类别

ΔT/℃

ΔTh/

Tmax/

Ti/

dω/dtmax/(mg·min-1)

Hj×10-5

Hf

P10/min

341.1

100.06

488.2

423.5

-9.15

15.77

1.77

P20/min

348.59

101.02

514.7

443.5

-16.16

25.50

1.58

D10/min

356.44

113.55

475.6

421.6

-11.06

16.75

1.65

D20/min

363.85

109.09

496.9

436.6

-17.49

26.12

1.51

X煤粉(10/min

344.72

105.71

482.1

421.7

-9.55

15.32

1.73

X煤粉(20/min

353.5

129.25

508.7

439.8

-16.2

19.80

1.57

 

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a升温速率10 /minTG-DTG曲线            b升温速率20 /minTG-DTG曲线

aThe TG-DTG curves at heating rate of 10 /minbThe TG-DTG curves at heating rate of 20 /min

图1  P煤粉TG-DTG曲线

Fig.1 The TG-DTG curves of P pulverized coal

1a)和图1b)为P煤粉分别于10/min20/min条件下的TG-DTG曲线。结合表2中煤粉的相关特性指数可知,当升温速率提高后,P煤粉的起始燃烧温度Ti423.5℃提高到443.5℃,提高了20℃。而从最大失重速率时的温度Tmax来看,其温度由488.2℃提高到514.7℃,Tmax延后26.5℃。

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a升温速率10 /minTG-DTG曲线            b升温速率20 /minTG-DTG曲线

aThe TG-DTG curves at heating rate of 10 /minbThe TG-DTG curves at heating rate of 20 /min

2 D煤粉于TG-DTG曲线

Fig.2 The TG-DTG curves of D pulverized coal

2a)和图2b)为D煤粉分别于10/min20/min条件下的TG-DTG曲线。结合表2中煤粉的相关特性指数可知,当升温速率提高后,D煤粉的起始燃烧温度Ti421.6 ℃提高到436.6 ℃,提高了15.0 ℃。而从最大失重速率时的温度Tmax来看,其温度由475.6 ℃提高到496.9 ℃,Tmax延后21.3 ℃。

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a升温速率10 /minTG-DTG曲线            b升温速率20 /minTG-DTG曲线

aThe TG-DTG curves at heating rate of 10 /minbThe TG-DTG curves at heating rate of 20 /min

3X煤粉TG-DTG曲线

Fig.3 The TG-DTG curves of X pulverized coal

3a)和图3b)为X煤粉分别于10/min20/min条件下的TG-DTG曲线。结合表2中煤粉的相关特性指数可知,当升温速率提高后,X煤粉的起始燃烧温度Ti421.7 ℃提高到439.8 ℃,提高了18.1 ℃。而从最大失重速率时的温度Tmax来看,其温度由482.1 ℃提高到508.7 ℃,Tmax延后26.6 ℃。

P煤粉、D煤粉及X煤粉的最大失重温度、起始燃烧温度及最大失重率对比,在相同粒径时,即P煤粉和D煤粉,同一升温速率下,起始温度变化较小,最大失重速率及最大失重速率时的温度变化均较大,其中D煤粉的最大失重速率时的温度明显低于P煤粉,最大失重速率高于P煤粉。而X煤粉与P煤粉相比,在同一升温速率时,X煤粉初始燃烧温度低于P煤粉,最大热失重速率大于P煤粉,最大热失重速率温度小于P煤粉。与D煤粉相比,X煤粉的三项特征指数与P煤粉正好相反。由此可见,灰分及煤粉的细度均对煤粉的初始燃烧温度、最大热失重速率及最大热失重速率时的温度产生影响,在生产过程中要严格控制细度及灰分,确保产品质量稳定。

2.2  燃尽特性及综合燃烧特性分析

2中给出了煤粉的燃尽指数数据。从表2可知,在相同的升温速率下,P煤粉和X煤粉的燃尽指数较D煤粉燃尽指数小,说明D煤粉的燃尽性能优于P煤粉和X煤粉。而X煤粉的燃尽性能较P煤粉和D煤粉更差。在热重分析中,样品时静止燃烧,燃尽指数与煤粉的粒径、灰分及表面积相关,X煤粉表面积大,但同时堆积密度大,颗粒间空气少,造成燃烧不充分,在燃尽指数中显示出燃尽指数偏小。而D粉,粒径较大,灰分也较少,在燃烧时空气充分,其燃尽指数就较P煤粉和X煤粉大。

从表2可知,P煤粉、D煤粉及X煤粉在升温速率为10 /min时综合燃烧特性指数Hf较升温速率20/min时大。在3个样品中,可以看出无论升温速率为10 /min20 /minD煤粉的综合燃烧特性指数Hf均最低,由此可知,D煤粉在着火后,稳定性较P煤粉和X煤粉好。

结    论

1)对于同一原料煤,煤粉粒径由74μm减小到50μm时,综合燃烧特定指数在10 /min升温速率下有略微降低,但随着升温速率提高,综合燃烧特定指数没变,这说明当燃烧进入稳燃状态时,粒径在一定范围不影响燃烧状态,在能保证燃尽率的前提下,可提高煤粉粒径,降低加工成本,节省原料成本;

2)对于同一原料煤,煤粉粒径不变,灰分由9.5%减小到6.9%时,综合燃烧特定指数在10 /min20 /min升温速率下有显著降低,说明在煤粉粒径保持一致的条件下,灰分的高低直接影响煤粉的综合燃烧特定指数,在选择煤粉时,应当优选低灰分的煤粉,提高煤粉燃烧性能,延长锅炉的使用寿命。

3)在煤粉选择时,满足水分、挥发分、发热量的前提下,应当以灰分较低,粒径适中的煤粉为优选,可减少企业的燃料成本。

 


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