恒溫混煤熱重及同步NO生成特性研究

王春波， 李 超

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定 071003）

混煤摻燒是實現電廠安全經濟運行、減少污染物生成、提高用煤靈活性行之有效的措施［1－2］.國內外學者就混煤恒溫燃燒特性已開展了很多研究.Biswas等［3］利用熱天平（TGA）與滴管爐（DTF）對2種印度煤及其混煤的燃燒特性進行了研究，結果表明2種試驗條件下得到的單煤及其混煤的燃盡特性存在較大差異，在DTF中，混煤的燃盡時間與單煤的燃盡時間并不存在線性相關性.Haas等［4］利用等溫柱塞流反應器得到了混煤及其單煤熱解失重曲線以及各試樣煤焦燃燒失重曲線，結果表明：混煤各種特性與單煤之間的線性相關性與2種單煤的煤化程度差距有關，煤化程度越近，其線性相關性越大.王春波等［5］利用一個具有在線煙氣分析的熱試驗臺對混煤的燃盡、結渣及污染物生成特性進行了探討，表明混煤的燃盡率隨高燃盡率煤比例的增大而增大，混煤NOx與SOx的釋放與單煤之間的規(guī)律不明顯.周俊虎等［6］采取非等溫和恒溫燃燒方式分析混煤動力學參數，認為球收縮核模型適用于恒溫燃燒動力學參數的研究.

TGA和DTF是最常用的研究煤粉燃燒特性的試驗裝置［7］，但這2種方法也都各自存在一定的局限性.如常規(guī)的熱重分析技術采用逐漸升溫的方法得到煤粉燃燒的失重曲線，這與煤粉突然進入爐內置于高溫環(huán)境下燃燒的實際情況存在較大的出入.雖然可利用切換氣氛的方法進行恒溫試驗，但是煤粉在達到設定溫度前要發(fā)生熱解，會發(fā)生水分和揮發(fā)分的析出.因此，也就無法監(jiān)測水分和揮發(fā)分對煤恒溫燃燒特性的影響，然而揮發(fā)分對混煤燃燒特性的影響至關重要.另外，混煤燃燒過程中NO的生成特性也是人們關注的問題之一.NO的生成與煤的燃燒失重直接相關.但目前常規(guī)TGA裝置的氣體體積流量很小（一般為60 m L/min），導致NO的測量很難定量化.DTF雖能實現恒溫燃燒和NO的測試，但不能同時測試煤粉的燃燒動力學參數，因此，缺乏恒溫下煤粉失重和NO生成的關聯知識.為解決這些問題，筆者利用自行設計建造的恒溫熱重分析系統(tǒng)，在模擬真實爐內燃燒工況下，研究了恒溫燃燒條件下幾種典型煤種單煤及其混煤燃燒的失重特性，并同時對NO的生成進行了測量，為混煤優(yōu)化燃燒及NO生成控制提供進一步的理論依據.

1 試驗系統(tǒng)及分析方法

1.1 試驗系統(tǒng)

如圖1所示，該系統(tǒng)可以實現恒溫下對煤粉熱重及NO生成進行測量.煤粉質量實時變化通過應變片式壓力傳感器、A/D轉換器（CS5532）和串口數據線等傳入計算機中.利用自編的VB程序將數據接收并轉化為十進制數，保存于電腦中.數據保存的頻率為3個/s.根據傳感器精度標定，裝置的精度為0.002 g.采用德國 MRU 公司的 Delta 2000CD－IV煙氣分析儀對NO瞬時生成質量進行實時監(jiān)測.

圖1 試驗裝置系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

每次試驗重復如下步驟：向管式爐內通入所需氣氛（除特別說明，其余均為空氣）并升溫，待爐內溫度達到設定溫度時保溫30 min.待穩(wěn)定后將盛有試樣的瓷舟迅速推入管式爐內.試樣的質量信號及NO瞬時生成質量可實時采集到計算機中.后期數據處理產生的誤差均在3%以內.試驗中單煤的工業(yè)分析與元素分析見表1.

表1 單煤的工業(yè)分析與元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal %

單煤的粒徑范圍為120～180μm，按照質量比例（即摻混比）進行摻混制成混煤試樣.為方便敘述，對混煤試樣進行編號，將塔山煙煤摻混25%、50%和75%印尼褐煤試樣分別標記為T3Y1、T1Y1和T1Y3.每次試驗稱取0.2±0.005 g試樣，均勻平鋪于長約130 mm、截面為半圓（直徑約為15 mm）的瓷舟內.通入的氣體總體積流量為1 L/min.校正試驗表明，該體積流量已經能夠很好地消除反應過程中氣體擴散的影響.

1.2 分析方法

恒溫燃燒條件下，水分和揮發(fā)分的失重速率與煤焦的失重速率存在較大差異，故應分階段進行分析.為了描述恒溫下煤粉燃燒的失重特性，定義了以下幾個特性參數.燃盡時刻：試樣可失重部分剩余質量分數降至2%時所對應的反應時間點；平均失重速率：煤粉至燃盡時刻的整體失重質量分數與燃盡時間的比值；分割點：燃燒過程中試樣的實際失重速率等于平均失重速率的點.從初始時刻至分割點、分割點至燃盡時刻分別為初始反應階段和主反應階段，各階段失重質量分數與時間的比值即為初始反應階段和主反應階段的平均失重速率，初始反應階段主要反映試樣水分和揮發(fā)分析出的特性，而主反應階段主要表現試樣煤焦的燃燒特性.

試樣整體失重剩余質量分數w1及可失重部分剩余質量分數w2的定義如下

式中：m0、m1和mA分別表示試樣的初始質量、燃燒瞬時質量和燃燒結束時剩余的質量.

因理論分析需要，利用上述試驗裝置對920℃下制得的塔山煙煤煤焦和印尼褐煤煤焦進行失重初始溫度tmin測定，即煤焦開始失重的最低溫度，測得印尼褐煤煤焦的tmin為450℃，塔山煙煤煤焦的tmin為530℃.

采用NO瞬時生成質量mt、生成累積質量Mt來分析煤粉燃燒時NO的生成特性.

式中：ρ（t）為t時刻氣流中對應的NO實際質量濃度，mg/m3；qv（t）為t時刻煙氣的體積流量，m3/s.

2 結果與分析

2.1 摻混比的影響

摻混比直接影響著混煤的燃燒特性，進而影響鍋爐的安全與經濟運行.在恒溫800℃下，對塔山煙煤和印尼褐煤及T3Y1、T1Y1、T1Y3共5種試樣進行恒溫燃燒試驗，得到的整體失重剩余質量分數與時間的關系見圖2.

圖2 不同摻混比下混煤的燃燒失重曲線Fig.2 Weight loss curve of mixed coals at different blending ratios

由圖2可知，與印尼褐煤相比，塔山煙煤的整體可失重質量較小，燃盡時間較長.因此，塔山煙煤的整體平均失重速率較小，印尼褐煤的整體平均失重速率較大.對于3種混煤，隨印尼褐煤摻混比的增大，其整體平均失重速率增大.失重初始反應階段，印尼褐煤燃燒40 s時，其整體失重剩余質量分數已達60%以上，這是由于印尼褐煤中大量的水分和揮發(fā)分易析出造成的.此外，由圖2還可以看出，無論單煤還是混煤，燃燒從初始反應階段至主反應階段，曲線均平滑過渡，說明恒溫條件下，揮發(fā)分和焦炭的燃燒并不是截然分開的，二者在時間上存在一定的重疊，只是焦炭燃燒初始反應階段的溫度較低，且揮發(fā)分析出和燃燒消耗了大量的氧氣，導致焦炭的失重受限［8］，對總失重的貢獻較小.而逐步升溫TGA方法則一般認為這是2個比較分明的階段.由圖2得到的燃燒特性參數列于表2中.

表2 混煤恒溫熱重特性參數Tab.2 Parameters of isothermal thermogravimetric analysis for mixed coals

由表2可知，印尼褐煤摻混比增大，燃盡時刻不斷提前，整體及各階段的平均失重速率均增大，其中初始反應階段增大的程度遠大于主反應階段.不同階段平均失重速率增大的程度不同，這與2種單煤的燃燒特性有關.初始反應階段印尼褐煤的平均失重速率遠大于塔山煙煤，而在主反應階段，2種單煤的平均失重速率差值相對較小.由表2還可以看出，T3Y1與塔山煙煤相比以及T1Y3與印尼褐煤相比，燃盡時間變化的程度均為前者大于后者，這可能與著火溫度改變的程度有關，混煤的著火溫度與其揮發(fā)分高的單煤相近［9－11］，因此向難燃煤中摻混易燃煤，著火時刻大大提前，進而導致整體的燃盡時間變化較大.

表2也給出了各特性參數值與印尼褐煤摻混比的線性相關系數.其中，整體平均失重速率和初始反應階段平均失重速率與印尼褐煤摻混比的線性相關系數均大于0.99，說明整體平均失重速率、初始反應階段平均失重速率與摻混比具有良好的線性相關性.而燃盡時間和主反應階段平均失重速率與印尼褐煤摻混比的線性相關性較差.燃盡時刻和主反應階段平均失重速率與印尼褐煤摻混比的線性相關性較差主要是由于2種單煤燃燒過程中出現搶風現象導致的［12］.

2.2 煤種的影響

在恒溫800℃下，陽泉煙煤、塔山煙煤和新疆煙煤3種單煤以及分別摻混25%印尼褐煤時3種混煤（標記為Y3Y1、T3Y1和X3Y1）的燃燒失重曲線見圖3.

圖3 不同煤種單煤以及摻混25%印尼褐煤混煤的燃燒失重曲線Fig.3 Weight loss curve of different kinds of pulverized coal mixed with 25%Indonesian lignite

由圖3可知，無論單煤還是混煤，主反應階段的平均失重速率相差不大，主要是由于在恒定高溫下，反應一直劇烈快速進行，煤焦官能團等結構對燃燒的影響相對減弱［13］，而且在本次試驗中，試樣均勻平鋪于瓷舟內表面，試樣層厚度小，與氣氛的相對接觸面積大，反應劇烈，揮發(fā)分析出后生成的孔結構［14－16］對燃燒特性的影響減弱，進而導致各煤焦的平均失重速率相差不大.從圖3還可以看出，煤種的煤化程度越高，與印尼褐煤的燃燒特性相差越大，其摻混印尼褐后煤燃燒特性改善程度越大.

2.3 低溫下的燃燒特性

在低溫500℃和600℃下塔山煙煤、印尼褐煤及兩者混煤的燃燒失重特性見圖4.由圖4可知，塔山煙煤煤焦的tmin＝530℃，而在500℃下，塔山煙煤可失重至40%以下，說明揮發(fā)分的燃燒放熱起到了引燃煤焦的作用，也驗證了Jüntgen等［17］的“聯合著火方式”的結論，同時還表明，焦炭燃燒時碳顆粒表面溫度要高于環(huán)境溫度［18－19］.恒溫500℃下主反應階段印尼褐煤的平均失重速率遠大于塔山煙煤的平均失重速率，而在恒溫600℃下，2種單煤及其混煤在主反應階段的平均失重速率相差不大，即當溫度超過塔山煙煤煤焦的tmin時，煤化程度對煤粉主反應階段平均失重速率的影響較小.這是因為當環(huán)境溫度低于塔山煙煤煤焦的tmin時，煤焦發(fā)生逐步自活化反應［20－22］，在初始反應階段，揮發(fā)分引燃煤焦中活化能較低的官能團，這部分官能團燃燒放出更多的熱量，使體系能量進一步增大，促使需要更大活化能的結構或官能團活化燃燒.而當環(huán)境溫度遠高于煤焦的tmin時，煤焦的多數官能團均可同時被活化，因而反應速率較大.從圖4還可以看出，500℃下當印尼褐煤摻混比小于50%時，混煤主反應階段平均失重速率仍與塔山煙煤基本相同，即該溫度下摻燒印尼褐煤對反應后期燃燒特性的影響不大.

圖4 低溫下混煤的燃燒失重曲線Fig.4 Weight loss curve of mixed coals at low temperatures

2.4 不同摻混比下混煤燃燒的NO生成特性

在進行失重測量的同時，對燃燒生成的NO瞬時生成質量流量也進行了監(jiān)測.不同塔山煙煤與印尼褐煤摻混比下，從初始時刻至燃盡時刻NO瞬時生成質量流量的變化如圖5所示.

圖5 800℃下單煤及混煤燃燒時NO瞬時生成質量流量的變化Fig.5 Curve of instantaneous NO emission from combustion of individual and mixed coals at 800℃

從圖5可以看出，摻混印尼褐煤后，NO的瞬時生成質量流量均減小.結合圖5與圖2可知，無論是單煤還是混煤在恒溫下燃燒，NO的生成集中于燃燒前半段，后期NO的生成基本停止.可能主要是由于隨著燃燒的進行，焦炭顆粒由于溫度較高而發(fā)生熔結，使空隙閉合［23］，異相氧化作用減弱而焦炭和CO對NO的還原作用增強，從而使反應后期NO瞬時生成質量流量大大減小.對瞬時生成質量流量曲線進行積分，得到塔山煙煤、T3Y1、T1Y1、T1Y3和印尼褐煤燃燒生成的NO總質量分別為0.322 mg、0.223 mg、0.135mg、0.151 mg和0.101 mg.通過以上數據，可以得到NO瞬時生成質量流量與印尼褐煤摻混比的線性相關性很差，而且不同摻混比下混煤的實際生成質量小于2種單煤的加權值，摻混比為50%時尤為明顯.由圖5還可以看出，當摻混比為50%時，NO瞬時生成質量流量峰值消失，前100 s內瞬時生成質量流量基本持平且較小.

2.5 不同煤種混煤燃燒的NO生成特性

800℃下陽泉煙煤、塔山煙煤和新疆煙煤3種單煤及分別摻混25%印尼褐煤時3種混煤燃燒的NO生成累積質量變化見圖6.

圖6 800℃下摻混25%印尼褐煤混煤燃燒時NO的生成累積質量Fig.6 Accumulated NO emission from coal mixtures with 25%Indonesian lignite at 800℃

由圖6可以看出，煤階升高（陽泉煙煤＞塔山煙煤＞新疆煙煤＞印尼褐煤），NO生成累積質量逐漸增大，這是因為煤化程度增大，氮含量大致呈增大的趨勢，同時煤階高，揮發(fā)分含量少，煤焦的反應活性低，揮發(fā)分析出后孔結構的表面積小［16］，對NO的異相還原作用弱.因為印尼褐煤氮含量較小，摻混印尼褐煤時NO的生成累積質量減少.由圖6還可以看出，混煤的NO生成累積質量曲線均位于2種單煤之間.將3種混煤NO的生成累積質量與單煤加權值進行比較，Y3Y1、T3Y1和X3Y1的試驗值均小于單煤加權值，其差值分別為2.68×10－4mg、0.045 mg和1.96×10－3mg，說明氮析出時，各單煤之間存在相互制約的關系，且其制約程度因煤種而異.其中，T3T1 NO生成累積質量試驗值與單煤加權值的差值相差很大，而Y3Y1、X3Y1則相差較小，可見T3Y1中2種單煤之間相互制約劇烈.同時，可能由于混煤揮發(fā)分釋放時間普遍比單煤長，故氮的析出時間也較長，導致NO的還原量增大，最終使NO生成累積質量小于各單煤生成累積質量的加權值.

3 結 論

（1）摻燒印尼褐煤能改善單煤的燃燒特性，使其整體平均失重速率增大，燃盡時刻提前，且對煤化程度越高的煤種影響程度越顯著.

（2）從熱重特性參數看，摻燒印尼褐煤在很大程度上能夠改變單煤在初始反應階段的平均失重速率，而對主反應階段平均失重速率的影響較小.整體平均失重速率、初始反應階段平均失重速率與摻混比具有良好的線性相關性.

（3）當反應溫度介于塔山煙煤的著火溫度與其煤焦的失重初始溫度之間，摻燒印尼褐煤的摻混比小于50%時，塔山煙煤與印尼褐煤混煤主反應階段的平均失重速率與塔山煙煤相差不大.

（4）混煤燃燒時NO生成累積質量小于單煤生成累積質量的加權值，當摻混比為50%時尤為明顯，塔山煙煤和印尼褐煤氮析出時，相互制約程度較大，導致塔山煙煤與印尼褐煤混煤NO生成累積質量試驗值與加權值相差較大.

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