粒度對混煤燃燒的影響

馬章俊 衛 耕

（合肥水泥研究設計院，合肥市 230051）

在我國新型干法水泥生產中所用的燃料以煤炭為主，為降低生產成本、提高綜合效益，低揮發分、高灰分、低發熱量煤炭的利用受到了越來越多的關注。大中型水泥企業普遍使用優質煙煤和低質煤搭配混煤生產，若煤種選擇恰當，配比合理，發揮組分煤種各自的優越性，將會給燃煤的安全和經濟性起到良好的作用。

影響混煤高效利用的因素較多，從國內外的研究情況來看，煤炭燃燒中粒度的影響，國內外學者普遍都比較重視，但研究結果較為復雜，對于水泥企業生產實際而言，考查粒度對混煤燃燒的影響具有更實際的指導意義。

本文通過綜合熱分析試驗考察了水泥廠常用煤種在不同粒度狀態下的燃燒過程，以反映煙煤和無煙煤粒度變化對燃燒結果的影響，同時分析了不同粒度的煙煤和無煙煤混合后燃燒特性的變化。試驗結果初步顯示通過煤炭綜合熱分析指導水泥生產配煤具有良好前景。

1 試驗條件

實驗用煙煤（淮南）和無煙煤（印尼）取自水泥廠原煤堆場，采用德國Netzsch STA449F3 差示掃描量熱儀對各試樣進行燃燒測試，工作氣氛為空氣，氣體用量50 mL/ min，升溫速率為20℃/ min，測試溫度范圍RT～1000℃，試樣用量為10±0.5mg。

2 試驗結果及討論

實驗首先對兩個煤種測試了其在RT～1100℃內的燃燒性能，如圖1和圖3所示。實驗工作氣氛為空氣，氣體用量50 mL/ min，升溫速率為10℃/ min，試樣用量為10±0.5mg。

為了考察粒度在煤粉燃燒中的影響，隨后的試驗將淮南煙煤和印尼無煙煤經過破碎、烘干后篩分為三個主要粒徑區間：125～90μm，90～70μm，＜70μm，對各區間分別測試其燃燒性能。

（1）煙煤燃燒測試（見圖1、圖2）

圖1 煙煤燃燒測試

由圖1可見煤樣從室溫開始緩慢失水，至200℃左右基本結束，伴隨著失重有兩個吸熱峰出現，分別為外水和內水的蒸發，質量變化在16%左右。隨溫度升高，揮發分逐步析出和燃燒，同時由于揮發分的燃燒放熱焦炭也開始逐步放熱燃燒，由DSC和TG曲線可見雙峰現象的出現，并在439℃和477℃達到峰值，隨后還有約2%左右的質量減小，一般是少量較大顆粒的煤粉內部顆粒逐步燃燒所致，至700℃左右燃燒結束，總質量變化為65.09%。至燃燒結束最后殘留質量為17.29%，該部分主要為煤炭中的灰分。

圖2 煙煤不同粒度燃燒測試

由圖2可見，淮南煙煤在不同的粒度區間內燃燒放熱主要區間變化不大，但是隨著粒度的減小，煤粉的成分發生了偏析，小顆粒的灰分有所降低，而90μm以下顆粒的灰分變化不是很明顯。

由圖2可見在500～600℃的放熱區間內，DSC曲線中的峰值放熱段隨著粒度的減小出現了增大，相對而言大顆粒的放熱集中度更高。由圖2也可見研磨后煤粉中的細粉相對粗粉固定碳的著火有所提前，原因主要在于：一是比表面積增大，更有利于揮發分的析出，促使煤粉顆粒的著火；二是粉碎時不同粒度煤粉的灰分和固定碳含量有所差異。值得注意的是對于不同的煤炭而言應通過試驗具體考察其成分變化趨勢。

（2）無煙煤燃燒測試（見圖3、圖4）

由圖3可見該煤樣從室溫開始緩慢失水，至170℃左右基本結束，伴隨著失重有一個吸熱峰出現，內水很少，質量變化在1.5%左右。由圖可見在200～400℃的范圍內質量基本無變化，從410℃左右開始煤粉開始燃燒放熱失重，燃燒峰值溫度約572℃，至700℃左右燃燒結束，總質量變化為65%。至燃燒結束最后殘留質量為33.13%，該部分主要為煤炭中的灰分。

圖3 印尼無煙煤燃燒測試

圖4 無煙煤不同粒度燃燒測試

由圖4可見，無煙煤在不同的粒度區間內燃燒放熱主要區間有所變化，其燃燒開始溫度在500℃左右，但隨著粒度的減小，煤粉放熱結束溫度發生了較大的提前，粗顆粒在700℃左右結束放熱而細粉則提前到640℃左右。同時也可見不同粒徑的煤粉的成分發生了較大偏析，隨著粒徑的降低，灰分含量明顯升高。

（3）混煤燃燒測試

將破碎篩分后的煙煤及無煙煤按照等質量混合后測試混煤的燃燒特性，圖5～7顯示了隨著不同粒徑的煤炭混合的變化趨勢。其中圖5使用的混煤由大顆粒煙煤混合三種不同粒度無煙煤組成；圖6使用的混煤由中顆粒煙煤混合三種不同粒度無煙煤組成；圖7使用的混煤由小顆粒煙煤混合三種不同粒度無煙煤組成。

由圖5可見在大顆粒煙煤和不同粒徑無煙煤的混煤測試中，隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區間逐步向低溫區偏移，放熱集中程度也有所增強，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。對比之前的測試可知，煙煤中大顆粒和無煙煤的小顆?；曳趾扛?，因此由圖2可見這兩種煤種的組合其灰分含量最高。

由圖6可見在大顆粒煙煤和不同粒徑無煙煤的混煤測試中，隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區間逐步向低溫區偏移，放熱集中程度也有所增強，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。

對比圖5可見混煤中的固定碳燃盡溫度隨著煙煤顆粒的減小而向高溫段偏移。由圖5的H1Y3（煙煤大顆粒搭配無煙煤小顆粒）也可見其放熱在500～600℃段內達到高峰，峰值出現在550℃；而圖6中H2Y3（煙煤中顆粒搭配無煙煤小顆粒）曲線可見在500～600℃段內放熱也達到高峰，但峰值不明顯。

圖6 煙煤中顆粒混煤測試

圖7 煙煤小顆粒混煤測試

由圖7可見在大顆粒煙煤和不同粒徑無煙煤的混煤測試中，隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區間逐步向低溫區偏移，放熱集中程度也有所增強，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。

對比圖5、6可見混煤中的固定碳燃盡溫度隨著煙煤顆粒的減小而向高溫段偏移。從圖7的H3Y3（煙煤小顆粒搭配無煙煤小顆粒）曲線可見在500～600℃段內的高峰放熱階段內有兩處較為明顯的雙峰出現，這和煙煤大顆粒、中顆粒中類似曲線對比可見其放熱不如之前兩者放熱平穩，兩種煤種的小顆粒混合燃燒時更多的體現其單煤種燃燒特點，且這種趨勢在較大顆粒的煤種混合時表現的并不明顯。

3 結論與展望

（1）粒度對淮南煙煤的燃燒起止溫度范圍影響不大，但峰值放熱區間大顆粒比小顆粒更集中。隨著粒度的減小，煤粉的成分發生了偏析，小顆粒的灰分有所降低，而90μm以下顆粒的灰分變化不是很明顯。

（2）粒度對印尼無煙煤的燃燒開始溫度影響不大，但隨著粒度的減小，煤粉放熱結束溫度發生了較大的提前。同時也可見不同粒徑的煤粉的成分發生了較大偏析，隨著粒徑的降低，灰分含量明顯升高。

（3）混煤中隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區間逐步向低溫區偏移，放熱集中程度也有所增強，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。

（4）混煤中無煙煤的小顆粒比煙煤的小顆粒對混煤的集中放熱影響更明顯。

（5）相關的試驗初步展示了不同粒度狀態下煤炭的燃燒過程，并顯示通過煤炭綜合熱分析指導水泥生產配煤具有良好前景。

[1] 張建良，張曦東，陳杉杉，呂 衛.利用熱重法研究混煤的燃燒.鋼鐵研究學報，2009.2：（6）.

[2] 趙鳳杰，劉 劍.煤的熱重分析技術及其應用.遼寧工程技術大學學報，2005.12：（25）.

[3] 鄒學權，王新紅，武建軍，陳 越.用熱重-差熱-紅外光譜技術研究煤粉的燃燒特性.煤炭轉化，2003.1：（71）.