恒定高溫下煤粉燃燒特性及模型模擬

邵 歡，劉睿瓊，黃星智，王 哲，王春波

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2. 太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原 030024)

恒定高溫下煤粉燃燒特性及模型模擬

邵 歡1，劉睿瓊2，黃星智1，王 哲1，王春波1

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2. 太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原 030024)

熱天平(TGA)是最常用的研究煤粉爐內燃燒特性的設備，但由于設備本身需要逐步升溫的局限性，不能得到特定溫度下煤粉的燃燒動力學。利用自制恒溫熱重實驗臺，對幾種典型煤種進行恒定高溫情況下的燃燒失重實驗，研究了溫度、煤種等因素對煤粉燃燒特性的影響。結果表明：煤粉突然置于恒定高溫條件下燃燒，隨溫度的升高，失重速率逐漸增大，燃盡時間縮短，同時失重速率峰值升高，而且后移，使反應初期更多的揮發分析出，燃燒更加劇烈。提高溫度可以改善煤粉著火與燃盡特性。煤種的煤化程度越低，揮發分含量越高，燃燒初期速率高，著火特性越好。揮發分析出燃燒和焦炭的燃燒存在時間上的重疊。利用一維均相反應模型模擬計算恒定高溫下的煤粉燃燒過程，判定系數高達0.96，結果較精確，可為實際鍋爐設計與運行提供一定的參考價值。

高溫；煤粉；燃燒特性；動力學模型

0 引言

常規煤粉鍋爐工作時爐膛溫度多在1 100 ℃以上，局部溫度甚至高達1 500 ℃，同時煤粉燃燒的數學模型也逐漸應用于鍋爐設計和運行。因此，研究煤粉高溫下燃燒特性并精確的計算煤粉高溫下燃燒過程，尤其是動力學參數，對電站鍋爐有重大的實際意義。部分學者對此進行了一些研究，文獻[1]利用熱重實驗研究了煤粉燃燒特性，發現低氧濃度下燃燒反應TG和DTG曲線向高溫區靠近，著火溫度基本不變，燃盡溫度提高，燃燒速率下降。文獻[2]通過熱重分析研究顯示揮發分含量對于低階煤燃燒速率的影響較大，而高階煤主要受反應表面形態的影響，熱解發生在煤燃燒的整個過程，但熱解過程對失重份額的增加貢獻較小，其并沒有直接提升燃燒反應的整體速率。文獻[3]利用熱天平研究發現，隨溫度的升高，煤粉燃燒特性能夠改善，但溫度對煤粉燃燒性能的影響受氧氣濃度的制約，同時研究顯示煤粉燃燒時存在某個溫度區間，可以較大程度的改善燃燒性能。文獻[4]認為高溫會使煤焦結構更加致密并發生結晶、石墨化導致后期燃燒速率下降。文獻[5]利用熱分析法將燃盡度引入化學動力學參數燃燒模型，對不同恒定溫度下的燃燒速率進行了預測。

以往的研究，多采用熱天平逐漸升溫的方法。熱天平逐漸升溫法，由于升溫速率較低(一般20～30 ℃/min)，且是從室溫開始，導致煤粉溫度逐步升高，從而出現明顯的水分、揮發分等的析出階段。實際工程應用中，煤粉進入爐膛后馬上處于高溫燃燒狀態，升溫速率達(0.5～1.0)×104℃/s，因此逐漸升溫方法與實際情況有較大出入。煤粉升溫過程中到開始燃燒前，實際上已發生熱解反應，使得對煤粉燃燒特性的分析由于缺少了揮發分、水分等的影響而不完整。同時，1 300～ 1 500 ℃區間煤粉燃燒動力學的研究，因為在到達該溫度前常規TGA研究方法煤粉已經燃燒完畢，所以這方面的動力學研究到目前為止幾乎為空白。本文利用自制恒溫熱重系統，克服常規TGA逐步升溫產生的上述問題，將煤粉突然置于恒定高溫環境，通過獲得實時燃燒特性曲線，得到空氣氣氛下各因素對煤粉燃燒的影響規律，并用模型計算和模擬燃燒過程。

1 實驗部分

1.1 實驗系統與裝置

恒溫熱重實驗系統如圖1所示。智能溫控管式爐能夠提供恒定的高溫環境，其溫度可調范圍為700～1 700 ℃，控溫精度±5 ℃，恒溫區長度200 mm。通過數據采集系統對煤粉質量實時變化情況進行記錄，記錄頻率為1個/s。稱量精度為±1 mg，相對誤差±0.5 %。由于數據波動需要進行濾波處理，相對誤差在±0.5 %范圍內。經過多次實驗驗證[6～8]，已證明該系統具有較高的精度和可靠性。

圖1 試驗裝置系統圖

選取4種典型煤種進行實驗，各單煤的工業分析與元素分析如表1所示，粒徑范圍120～180 μm。實驗時每次稱取80±2mg試樣，均勻平鋪于長約100 mm，內寬為9 mm的剛玉舟內。通入空氣總流量為0.16 Nm3/h，前期性實驗表明，該流量已經能有效消除反應過程中氣體擴散的影響(再增加流量同一工況下煤粉的動力學特性不再發生明顯變化)。各工況試驗流程如下：首先根據工況要求將管式爐膛升溫至某一恒定溫度(如1 250 ℃)，接著用空氣吹掃10 min(溫度會保持恒定)，將裝有80±2 mg的剛玉舟放入數據采集系統中，然后將裝有導軌的管式爐膛快速推向剛玉舟，使剛玉舟處于爐膛內的恒溫區(實測小于1 s)，最后通過數據采集系統在電腦上實時監測到樣品的重量信號。

表1 原煤的工業分析和元素分析

1.2 實驗分析方法

煤樣燃燒特性采用失重余額百分比α(t)進行分析。失重余額百分比等于t時刻試樣剩余質量與初始質量之比。定義當失重余額百分比變化量小于2%時為燃盡時刻。

式中：m0表示試樣的初始質量；mt表示燃燒過程中的瞬時質量。

2 結果與分析

2.1 恒溫熱重與常規熱重對比實驗

在空氣氣氛下，選取新疆褐煤在自制恒溫熱重與常規TGA上進行了對比實驗研究。

從圖2中可以看出，恒溫1 100 ℃，與逐漸升溫到1 100 ℃失重曲線存在明顯不同。恒溫實驗過程，將煤粉突然置于高溫下，揮發分瞬間析出燃燒，焦炭也同時燃燒，更加接近工程實際(煤粉進入爐膛燃燒的過程)。從圖2(a)逐漸升溫熱重實驗看出，初期溫度低水分最先析出，隨著溫度的升高揮發分析出，大約在400 ℃時揮發分大量釋放，然后到達煤粉著火點，焦炭燃燒直至燃盡(大約700 ℃煤粉已燃盡)，同時由于升溫速率的不同，導致TGA曲線有差異。圖2(b)發現恒溫實驗失重曲線有一個轉折(失重余額為60 %)，可能是因為將煤粉突然置于1 100 ℃的恒溫環境，煤粉中揮發分迅速析出燃燒，揮發分初期燃燒劇烈，焦炭燃燒受限所致，這有別于圖2(a)逐漸升溫熱天平實驗水分蒸發、揮發分析出燃燒、焦炭燃燒比較分明的階段。

圖2 常規TGA和恒溫熱重實驗曲線

2.2 反應溫度影響

根據阿累尼烏斯定律知，燃燒反應速率與溫度呈指數關系。首先本文選用1 150 ℃、1 250 ℃、1 350 ℃、1 450 ℃和1 550 ℃五個溫度研究了空氣條件下溫度對新疆褐煤燃燒特性的影響，如圖3所示。其中失重百分比速率是失重百分比的導數，為更好顯示煤粉高溫燃燒的特征，失重速率曲線的橫坐標為失重百分比。

由圖3(a)可以看出燃燒基本分為兩個階段。煤粉突然置于高溫環境，水分和揮發分迅速析出，揮發分著火燃燒，初期失重速率較大，為初始燃燒；然后進入一個失重速率較低的主燃燒階段，直至燃盡。主燃燒階段時間較長，主要為焦炭燃燒。另外，隨溫度的升高，失重速率逐漸增大，燃盡時間縮短。圖3(a)還可看出溫度由1 150 ℃提高到1 550 ℃，新疆褐煤燃盡時間縮短了一半多。圖3(b)表明隨溫度提高，失重速率峰值升高，而且后移，意味著反應初期更多的揮發分析出，燃燒更加劇烈，而主燃燒過程時間則有所縮短。圖3(b)表明溫度升高，整個燃燒過程燃燒初期速率增大的幅度更大，而焦炭燃燒階段燃燒速率增加的幅度較小，所以通過提高溫度可以很好的改善煤粉著火特性。文獻[4]研究顯示燃燒后期氧量充足，燃燒受化學動力控制，導致不同煤焦燃燒速率基本相同。此外，可推斷出溫度升高煤粉燃盡特性得到改善，主要因為高溫下生成更多的揮發分，而以焦炭形式剩余的可燃質逐漸減少，從而燃盡時間縮短。圖3(b)顯示溫度由1 450 ℃到1 550 ℃，燃燒初期峰值部分增加的幅度較其他溫度低，即相比在這一溫度段增加溫度揮發分增加量有限，同時也表明在這一溫度段擴散影響更加明顯。

圖3 新疆褐煤不同溫度下燃燒特性曲線

2.3 煤種影響

由于揮發分對煤粉燃燒有重要作用，選取4種揮發分差別較大的新疆褐煤、云南褐煤、塔山煙煤、陽泉無煙煤研究了空氣條件下煤種對高溫燃燒特性的影響，實驗時高溫爐溫度控制在1 250 ℃，結果如圖4所示。

圖4 1 250 ℃時不同煤種燃燒特性曲線

由圖4(a)可看出，相比初始階段，4種煤種的主燃燒階段時間均較長，主要為焦炭燃燒，速率較為緩慢，煤化程度越高這一時間占的比例越大。同時由圖4(b)可看出，新疆褐煤和云南褐煤速率峰值較大，塔山煙煤速率峰值較小，而陽泉無煙煤在燃燒初期基本上沒有速率峰值。主要原因是，煤種的煤化程度越低，揮發分含量越高，因而燃燒初期速率高，著火特性越好。圖4(b)還表明，揮發分較高的兩種褐煤，當失重余額百分比達到工業分析中揮發分值之前時，其燃燒速率已經下降到較低水平，同時結合圖4(a)中兩種褐煤燃燒過程的失重曲線過渡平滑，可以推斷：煤粉突然置于恒定的高溫環境，揮發分析出燃燒和焦炭的燃燒存在重疊。這是因為將煤粉突然置于高溫環境，煤粉顆粒升溫速率很快，會使得揮發分和焦炭同時燃燒，但初期揮發分析出、燃燒消耗大量的氧氣，焦炭表面的氧量幾乎為零[9]，導致焦炭的失重受限，對總失重貢獻較少[10]，但隨著反應的進行，揮發分析出量減少，焦炭燃燒份額增加。從圖4(b)還可以看出，隨煤種不同，主燃燒階段焦炭燃燒速率略有不同，兩種褐煤基本一致，速率較高，塔山煙煤和陽泉無煙煤基本一致，速率較低。說明揮發分的含量對燃燒后期焦炭燃燒過程有一定影響。揮發分析出后劇烈燃燒導致焦炭表面形成大量孔結構[11]，利于氧氣擴散，加速了燃燒反應，煤中揮發分含量高，這一促進作用更加明顯。因此褐煤主燃燒階段的焦炭燃燒速率要比煙煤和無煙煤的高。

3 動力學模型

3.1 動力學參數

為了了解恒定高溫下煤粉燃燒本質，精確計算煤粉高溫下燃燒過程，利用一維均相模型計算燃燒動力學參數。動力學方程表示如下：

式中：α為試樣的轉化率；t為反應時間；A為頻率因子；E為活化能；R為氣體反應常數；T為反應溫度。該模型數學處理較簡單，在煤燃燒動力學研究中被廣泛應用。通過積分與線性擬合求出A與E的值，再代入以下式子求出不同溫度下的α-t模擬曲線：

模型計算結果如表2所示。從中可知煤階程度越低，活化能越低，燃燒越容易進行。在相同溫度下析出揮發分的含量越多，則揮發分分子間碰撞就越劇烈，更容易形成活化分子，因此燃燒越容易進行。

表2 恒定高溫條件下煤粉燃燒模型計算結果

3.2 模擬結果

為了直觀判斷模型模擬的準確度，在不同工況下對比實驗曲線與模擬曲線，如圖5所示。

圖5 不同工況下實驗曲線與模擬曲線對比

判定系數[12]主要反映的是模型缺欠和實驗誤差等因素對模型模擬的影響程度，因此常用來檢驗一個模型模擬好壞的程度，計算結果如表3所示。

表3 不同工況下模型的判定系數

由圖5可知，采用一維均相模型計算得到的模擬曲線與實驗曲線重合度較高，同時從表3可看出模型的判定系數均在0.96以上，更加說明該模型能夠較精確地計算恒定高溫下煤粉燃燒過程。

4 結論

(1)熱天平(TGA)是最常用的研究煤粉爐內燃燒特性的設備，但由于設備本身需要逐步升溫的局限性，不能得到特定溫度下煤粉的燃燒動力學。煤粉突然置于恒定高溫條件下燃燒，隨溫度的升高，失重速率逐漸增大，燃盡時間縮短，同時失重速率峰值升高，而且后移，使反應初期更多的揮發分析出，燃燒更加劇烈。提高溫度可以很好地改善煤粉著火與燃盡特性。

(2)煤種的煤化程度越低，揮發分含量越高，燃燒初期速率高，著火特性越好。揮發分析出燃燒和焦炭的燃燒存在重疊。

(3)利用一維均相反應模型模擬計算恒定高溫下的煤粉燃燒過程，判定系數高達0.96，結果較精確，可為實際鍋爐設計與運行提供一定的參考價值。

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The Combustion Characteristics of Pulverized Coal at Constant High Temperature and Model Simulation

Shao Huan1，Liu Ruiqiong2，Huang Xingzhi1，Wang Zhe1，Wang Chunbo1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China；2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Thermogravimetric analyzer is the most common equipment to investigate characteristics of pulverized-coal furnace. Because of limitations of gradually heating, TGA cannot get combustion dynamics at particular temperature. The effects of temperature and coal types on the combustion characteristics of pulverized coal at constant high temperature were investigated using a customized thermogravimetric analysis system. The results showed that with the increase of temperature, the coal combustion speeded up and the burnout time of coal reduced, when coal was suddenly injected into the furnace. At the same time, the rate of weight loss would rise and backward, indicating that more volatiles released at the initial stage of combustion. It also demonstrates that the characteristics of ignition and burnout would be greatly improved by increasing temperature. The volatile contents and the combustion rate at the initial stage were higher for lower quality coal, which means the characteristics of ignition were improved. And the combustion process of volatile and char overlaps. In addition, one-dimensional homogeneous reaction model was used to simulate the combustion process of coal at constant high temperature.The results show that the determination coefficient was more than 0.96 and the simulated profiles and experimental profiles could be fitted well, which could provide certain reference values for boiler design and operation.

high temperature; pulverized coal; combustion characteristics; dynamic model

2015-07-14。

河北省自然科學基金 (E2013502292)。

邵歡(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為煤的潔凈燃燒及污染物控制，E-mail：shaohuan3688@163.com。

TK16

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.001