混煤燃燒特性的熱重分析

時繼明

（合肥水泥研究設計院 安徽合肥 230051）

混煤燃燒特性的熱重分析

時繼明

（合肥水泥研究設計院 安徽合肥 230051）

本次研究在吸取前人經驗的基礎上，采用技術成熟先進的綜合熱分析技術來考察國內水泥行業常用煤的燃燒特性，對煤炭的高效利用進行初步探討。

混煤；熱重分析；粒度分級

1、前言

煤炭是我國的主要能源，在我國一次能源消費結構中煤炭占70% 左右，其中動力用煤占煤炭消費總量 85%以上，煤的燃燒特性對水泥窯熟料煅燒有著至關重要影響。由于水泥工業中由于分解爐和水泥窯結構特點，對燃料用煤不僅對熱值有要求，對煤的燃燒穩定性，易燃性，燃盡時間等都有要求，因此對用于水泥工業的原煤采用新技術進行特性分析有很強的實際應用價值，有利于節約能耗，也有利于更好的使用劣質煤。因此，研究不同煤種摻混的煤炭燃燒特性具有重要的實際價值和理論意義。

2、研究內容及方法

2.1 研究內容

1．利用同步熱分析技術考察各典型煤種燃燒過程，分析各煤種的動態實驗結果，對比工業分析結果，歸納各典型煤種的特征參數。

2．研究典型煤種的粒度、灰分、發熱量等物理特性和氣氛、溫度等外界因素變化對煤特征參數的影響。

3．進一步研究不同煤種的混合搭配，對水泥窯用混煤搭配提供技術支持。

2.2 研究方法

對水泥工業常用的各種典型煤種收集采樣，經清潔、破碎等前處理過程后制成實驗樣品。

按煤種的不同采用正交方法設計實驗內容，研究各典型煤種的實驗特征，考察各煤種的數據變化和區別，歸納典型煤種的特征參數。

設計實驗方案研究煤的物性變化和外部因素變化對特征參數的影響。

考察不同組合的混煤燃燒特性變化趨勢。

3、研究結果

對水泥廠常用煙煤和無煙煤取樣，經過分類、破碎、烘干、篩分等獲得實驗樣品。主要樣品的工業分析結果如下表：

表1 水泥廠用煤工業分析

3.1 典型煤種氣氛測試

對水泥廠采集的煙煤和無煙煤試樣采用 Netzsch STA449-F3 差示掃描量熱儀進行燃燒測試，工作氣氛為空氣，氣體用量為50 ml/ min，升溫速率分別為10℃/ min，溫度變化范圍分別為RT～1000 ℃，樣品用量10.0±0.5mg，細度80um左右。

圖1 淮南煙煤熱解燃燒測試

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 印尼無煙煤熱解燃燒測試

圖2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。

3.2 典型煤種混合測試

采用 Netzsch STA449-F3 對采集的煙煤和無煙煤試樣進行燃燒測試，由實驗結果可知，其中無煙煤即使在1000℃的高溫下固定碳的燃燒仍然是比較困難的，揮發分的存在對于固定碳的助燃有較大幫助；淮南煙煤和昌吉煙煤的在1000℃開始的氧化氣氛下揮發分存在使得固定碳在較窄的范圍內即發生了完全燃燒。對水泥工業而言，無煙煤的合理使用應考慮合理搭配部分煙煤助燃，使混煤能夠易燃、放熱區域集中。

因此本節將淮南煙煤和印尼無煙煤設置不同的比例進行混合后測試燃燒狀況，其中煙煤的比例分別為：70%，50%，30%。實驗工作氣氛為空氣，氣體用量為50 ml/ min，升溫速率分別為10℃/ min，溫度變化范圍分別為RT～1000 ℃，樣品用量10.0±0.5mg，細度80um左右。

圖3 煙煤無煙煤混合燃燒測試

由圖1可見，混煤在480和590℃左右出現了兩個放熱高峰，隨著混煤中各成分的變化第一個放熱峰溫度基本無太多變化，但第二個放熱峰則分別為576.6℃，584.2℃，588.4℃。即當混煤中煙煤比例的提高，混煤中無煙煤固定碳的燃燒放熱溫度適當有所降低。

總體上看混煤的放熱區間與單煤種的燃燒放熱區間基本一致，對于煤質差別較大的煙煤與無煙煤混煤，組成混煤的單煤在其自身的放熱區間內基本上保持原有燃燒性能，無煙煤中摻入適量的煙煤對固定碳的燃燒峰溫的降低有積極作用。

3.3 不同粒度的煙煤和無煙煤混合測試

為了考察不同粒度的煙煤和無煙煤混合后燃燒特性的變化，將淮南煙煤和印

尼無煙煤取等質量不同區間（125～90um，90～70um，＜70um）的顆粒混合后測試其燃燒性能。實驗工作氣氛為空氣，氣體用量為50 ml/ min，升溫速率分別為20℃/ min，溫度變化范圍分別為RT～1000 ℃，樣品用量10.0±0.5mg。

從圖4的H1Y3可見其放熱在500～600℃段內達到高峰，峰值出現在550℃；而圖5的H3Y3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（125～90um）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。

圖4～5是以煙煤為基礎混合不同粒徑無煙煤得的實驗結果。

圖4 煙煤大顆粒（125～90um）混煤測試

圖5 煙煤小顆粒（90um）混煤測試

3.4 不同粒度的無煙煤和煙煤混合測試

以無煙煤為基礎向其中混合煙煤得出的結果如圖6～7所示。

圖6 無煙煤大顆粒（125～90um）混煤測試

圖7 無煙煤小顆粒（90um）混煤測試

對比圖6、7可見隨著無煙煤顆粒粒徑的減小，混煤的集中放熱區間由之前的500～700℃變為500～600℃；

對比圖5、7可見，當同樣選擇小顆粒為基準煤種時，無煙煤小顆粒混煤的放熱比煙煤小顆粒的集中放熱影響更明顯。

圖6～7是以無煙煤為基礎混合不同粒徑煙煤得的實驗結果。

4、總結

本項目從煤粉燃燒特性著手，研究了混煤煤粉的燃燒規律，探討了煤粉分級后各粒級煤樣的燃燒特性，分析了粒度對燃燒特性的影響。本項目的開展有利于強化煤粉燃燒和多煤種混合使用提供理論指導。

本次項目得到的主要結論如下：

（1）煙煤、無煙煤煤樣中的水分在約200℃時基本蒸發完畢。

（2）空氣氣氛下煙煤中的揮發分隨著溫度升高逐漸失重燃燒，在400～500℃達到峰值，固定碳的燃燒溫度也較為集中，整個燃燒過程在700℃左右結束。

（3）無煙煤在空氣氣氛下燃燒開始溫度較高，整個燃燒在400～700℃范圍內基本結束。

（4）對于煤質差別較大的煙煤與無煙煤混煤，組成混煤的單煤在其自身的放熱區間內基本上保持原有燃燒性能，無煙煤中摻入適量的煙煤對固定碳的燃燒峰溫的降低有積極作用，有助于無煙煤的燃燒。

（5）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。

（6）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。

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G322

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1007-6344（2016）10-0274-02

時繼明（1984-11-02），男，本科，工程師，合肥水泥研究設計院分院。