基于煤質參數的恒溫下混煤燃燒特性的新判定方法

岳 爽， 王春波， 司 桐， 李一鵬， 王子銘

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003)

基于目前國內煤炭供應的現狀，混煤摻燒是燃煤電廠普遍存在的現象。在摻混過程中，良好的摻燒方案有利于優化煤粉燃燒以及提高鍋爐的經濟性，但不合理的配煤方式容易造成燃燒不穩定、鍋爐效率下降等問題。因此，迫切需要對混煤的燃燒特性進行研究。

熱分析法是近年來廣泛使用的一種研究混煤燃燒特性的方法，在研究煤的可燃性能及氧化反應性能方面已有廣泛應用[1-4]。Lee等[5]利用熱天平(TGA)對混煤進行了熱重分析，發現低階煤的燃燒特性受揮發分的影響較大，而高階煤主要受反應表面形態的影響。Sarkar等[6]結合TGA與滴管爐(DTF)研究了混煤及其組分煤的燃燒特性，發現混煤可燃部分所占比例與燃燒指數有一定的二次相關性。周俊虎等[7]通過TGA對混煤燃燒動力學特性進行了研究，結果表明混煤燃燒表觀活化能隨高活性煤摻混比例的增大而下降。王長安等[8]利用TGA對低氧狀態下混煤燃燒特性進行研究后發現，在低氧狀態下煤階對燃燒反應的影響減弱。方立軍等[9]同樣利用TGA研究了混煤的燃盡特性，并提出了混煤燃盡特性綜合判定指數，對混煤燃盡特性進行了初步預測。肖三霞[10]通過建立燃燒模型對混煤的熱天平燃燒特性進行研究，并預測了煤粉的燃燒速率，這對模擬鍋爐內的燃燒過程有一定的借鑒意義。

TGA是研究混煤燃燒特性的常用工具。但采用此工具時，煤粉處于程序升溫環境中(升溫速率通常為20～30 K/min)，與實際情況中煤粉突然置于高溫爐膛內的燃燒有本質的不同。王春波等[11]提出了煤粉恒溫熱重分析法，將該方法用于混煤燃燒特性的研究更符合實際。基于此實驗臺，邵歡等[12]研究了恒定高溫下煤質等對混煤燃燒的影響。王春波等[13]研究了恒溫下煤粉燃燒的熱重特性，結果表明摻燒低階煤對單煤在初始反應階段的平均失重速率影響較大，整體平均失重速率與摻混比具有良好的線性相關性。

在煤粉的恒溫熱重實驗中，常采用失重百分比及燃燒速率隨時間的變化趨勢作為混煤燃燒特性的表征方法。該方法可以描述不同煤種在恒溫環境下的實時燃燒速率、失重百分比、燃盡時間等，但這些參數在準確定量化描述煤粉燃燒強弱程度方面還有很多不足。另外，在研究煤質變化對燃燒特性的影響時，常采用單一煤質參數進行評判，如灰分含量影響燃料的著火和燃盡，水分增加會影響燃料著火，揮發分含量直接影響煤粉的燃燒速率，忽略了上述煤質因素之間的相互影響。采用單一煤質參數不能全面反映混煤的燃燒特性。

為了定量化、更全面地描述混煤燃燒特性及其與煤質的關系，筆者引入煤質判定指數FZ及燃燒判定指數D1、D2、S。FZ作為反映煤質中揮發分、水分與固定碳含量的綜合指數，可以定量反映煤粉的煤質特性，代替常規分析中以單一煤質因素判斷燃燒特性的方法。綜合燃燒速率、燃盡時間等因素，提出適合恒溫燃燒狀態下的煤粉燃燒判定指數——揮發分析出特性指數D1、焦炭燃燒特性指數D2和煤粉燃燒綜合判定指數S，以定量反映煤粉燃燒過程中不同階段的燃燒程度，彌補常規方法中以燃燒速率或燃盡時間等單一因素難以判斷燃燒情況的不足。

1 實驗系統及煤種

1.1 實驗系統

采用的恒溫熱重實驗系統如圖1所示。煤粉置于剛玉舟(長130 mm、寬15 mm)內，其燃燒過程中的質量變化通過質量采集系統實時記錄并保存于計算機中。

圖1 恒溫熱重實驗臺

實驗過程如下：將管式爐升溫至指定溫度，通入體積流量為0.16 m3/h的氧氣與氮氣的混合氣體(除特殊說明外，O2和N2的體積比皆為1∶4)，并穩定30 min；每次稱取0.08 g左右的煤樣，均勻鋪于剛玉舟內，然后將剛玉舟放于質量采集系統的支架上，快速移動位于滑軌上的管式爐，使鋪有煤粉的剛玉舟迅速到達管式爐的中心。質量變化被傳感器實時記錄，實驗的重復誤差在2%以內[14-16]。

1.2 實驗煤種

實驗中所用4種單煤的工業分析及元素分析結果見表1。

將上述煤種的原煤置于微型制樣機中破碎，再利用80～120目(即180～120 μm)標準篩多次篩分，得到粒徑范圍為125～175 μm的4種單煤煤粉。由表1可以看出，煤種A與B皆為高揮發分煤種，煤種C與D為低揮發分煤種，將單煤A與B、A

表1 單煤的工業分析及元素分析

與C、C與D、B與D分別按照質量比為1∶3、1∶1、3∶1進行摻混，以配制所得12種混煤及以上4種單煤煤種作為實驗煤種。為了便于表示混煤樣品，用符號A、B、C、D表示煤種，其后緊隨的數字為二者的比例，如按照1∶1比例配制的煤種A與煤種B的混煤記為A1B1。

2 實驗結果分析

2.1 判定指數

2.1.1 煤質判定指數

為更全面反映煤質對燃燒特性的影響，引入煤質判定指數FZ[17]作為煤質特性的表征，其定義式如下：

FZ=[w(Vad)+w(Mad)]2×w(FCad)×100-2

(1)

式中：w(Vad)為空氣干燥基下的揮發分質量分數；w(Mad)為空氣干燥基下的水分質量分數；w(FCad)為空氣干燥基下的固定碳質量分數。

FZ可用來判斷煤粉著火的難易程度，是煤質特性的綜合反映，可以克服只用單一煤質成分(如揮發分)來判斷燃燒特性的缺點，并能定量反映摻燒煤粉的煤質特性，便于更加全面地分析煤質特性對燃燒特性的影響。

2.1.2 燃燒判定指數

目前，對燃燒特性的描述集中于對燃燒速率、燃盡時間等參數的分析上，其中燃燒速率定義如下：

(2)

式中：v為燃燒速率，%/s；m0為試樣的初始質量，g；mt為實驗過程中t時刻的試樣質量，g；mA為試樣燃盡后的質量，g。

雖然燃燒速率v能反映恒溫下煤粉失重的快慢情況，但其只代表燃燒特性的某一方面。而燃燒特性包括不同階段的燃燒速率v及相應的燃燒時間、燃燒劇烈程度等特征量，燃燒特性越好說明相同燃燒階段的燃燒速率v更大，燃燒所需時間更短，燃燒更劇烈。因此，僅通過燃燒速率v表示燃燒特性過于片面，需要尋找同時包含燃燒速率v、燃燒時間、燃燒劇烈程度的判定指數，將其作為燃燒特性的綜合反映。

為此，筆者提出了3個燃燒判定指數D1、D2和S，其定義式分別為：

D1=vmax/(tmax·Δt1/2)

(3)

D2=v1/2,2/(Δt1/2,2·Δt2)

(4)

(5)

式中：v0為煤粉燃燒開始時刻的燃燒速率；vmax為煤粉的最大燃燒速率；tmax為最大燃燒速率對應的時間；v1/2,2為半峰速率；Δt1/2為燃燒開始至v1/2,2所需時間；Δt1/2,2為從vmax至v1/2,2所需時間；Δt2為從燃燒峰值至燃盡所需時間；vave為燃燒反應過程的平均燃燒速率；Δt為從開始燃燒至燃盡所需時間。

各項參數的物理意義如圖2所示。

圖2 各項參數的物理意義

由式(3)～式(5)可知，D1、D2、S表達式包含了不同階段的燃燒速率和燃燒時間2項參數，其值定量地反映了揮發分析出的劇烈程度、焦炭燃燒的劇烈程度及煤粉整體燃燒的劇烈程度，綜合表征了煤粉不同階段燃燒特性的好壞。

2.2 常規方法分析

為便于比較，首先利用常用的燃燒速率v方法，分析煤質、溫度及氧氣體積分數3種因素對燃燒特性的影響。1 300 ℃下4種煤的燃燒情況如圖3(a)所示；不同溫度下煤種A的燃燒情況如圖3(b)所示；不同氧氣體積分數下煤種A的燃燒情況如圖3(c)所示。

由表1可知：單煤A、B、C、D揮發分質量分數逐漸降低；煤種C的固定碳質量分數最高，煤種B的固定碳質量分數最低。圖3(a)表明，隨揮發分質量分數增大，燃燒速率峰值vmax增大，燃盡時間縮短，燃燒速率曲線趨于平緩。由圖3(b)與圖3(c)可知，隨著溫度升高或氧氣體積分數增大，燃燒速率峰值vmax增大，燃盡時間縮短，燃燒速率曲線趨于陡峭。

(a)不同煤種燃燒速率與時間曲線

(b)不同溫度下燃燒速率與時間曲線

(c)不同氧氣體積分數下燃燒速率與時間曲線

由圖3也可以發現，雖然煤B與煤C的揮發分質量分數相差較大，但燃盡時間卻差別很小，說明僅采用單一煤質參數研究燃燒特性可能是不全面的。同時，研究溫度或氧氣體積分數的影響時，無法直接比較不同煤質在溫度或氧氣體積分數改變的條件下，其燃燒速率、燃燒時間和燃燒劇烈程度等特征量的差異，且利用燃燒速率與時間曲線無法定量表示煤質變化對燃燒特性的影響程度。

2.3 新判定方法分析

為解決常規方法存在的問題，表征煤質變化對燃燒特性的影響，筆者提出繪制判定指數曲線圖的新分析方法。即以煤質判定指數FZ為橫軸，作為煤質參數的綜合反映，以燃燒判定指數D1、D2、S為縱軸，作為燃燒特性的定量化表征，對D1、D2、S分別采用最小二乘法進行線性擬合得到判定指數曲線，分析D1、D2、S隨FZ的變化關系。圖4給出了溫度為1 300 ℃、氧氣體積分數為20%的條件下，單煤A、B、C、D及A1B1、A1C1、B1D1、C1D1混煤試樣的燃燒判定指數曲線。其中實驗所用煤種的FZ指數見表2。

圖4 判定指數曲線

由圖4可以看出，隨FZ的增大，D1、D2與S皆呈線性增大；曲線D2、S的斜率明顯大于曲線D1的斜率。這說明FZ指數與燃燒判定指數D1、D2、S間存在正相關關系；提高摻燒煤種中揮發分、水分及固定碳的綜合含量，能夠明顯改善不同階段的燃燒特性，加快反應速率，縮短揮發分析出及焦炭燃燒時間；當煤質特性發生變化時，其對焦炭燃燒段的影響程度高于揮發分析出段。

新判定方法采用FZ來綜合反映多項煤質參數，便于全面描述摻燒煤粉的煤質特性；利用D1、D2、S能夠綜合表征揮發分析出及焦炭燃燒的劇烈程度、燃燒速率、燃燒時間等特征參數，定量反映燃燒特性。同時，判定指數曲線斜率反映了煤質變化對不同階段燃燒特性的影響程度。相比于常規方法，新判定方法能更加綜合且定量地表示煤質變化對燃燒特性的影響規律。

2.3.1 煤質的影響

煤質對混煤燃燒特性起決定性影響。為研究煤質變化對燃燒特性的影響，通過改變摻燒煤種的煤質，利用恒溫熱重實驗得到相應的失重曲線，再采用上文提出的煤質判定指數FZ和燃燒判定指數D1、D2、S分別對煤質參數及熱重數據進行定量化計算，將每種煤對應的計算結果繪制于圖5中。

圖5 不同煤質的判定指數曲線

在圖5中，D1、D2、S隨FZ增大而增大。其中,D1增大表明煤粉燃燒初始階段的反應速率加快，揮發分釋放時間縮短，析出程度更集中；D2增大意味著燃燒中后期反應速率增大，焦炭燃燒時間縮短，燃燒更加劇烈；S增大表明在煤粉燃燒過程中，平均燃燒速率增大，燃盡時間縮短，反應更加劇烈，燃燒特性得到優化。另外，曲線D2的斜率明顯高于曲線D1的斜率，說明在燃燒的中后期，焦炭燃燒受煤質變化的影響程度更大，改變摻燒煤種的煤質參數，主要影響焦炭的燃燒，對揮發分析出的影響并不明顯，這可能是由于揮發分析出時釋放大量熱量，使煤焦官能團等結構對燃燒特性的影響相對增強，導致焦炭燃燒段受到煤質變化的影響程度更大。另外，曲線S與曲線D2的斜率較為接近，說明在此工況下，焦炭燃燒過程在整體煤粉燃燒過程中起到決定性作用，即燃燒特性主要由焦炭燃燒階段的燃燒特性決定。

由以上分析可知，采用判定指數曲線分析煤質對燃燒特性的影響時，可以通過D1、D2、S的大小判斷不同階段燃燒特性的優劣，曲線斜率能夠反映出煤質變化對燃燒特性的影響程度。

2.3.2 溫度的影響

為了研究不同溫度工況下煤質對燃燒特性的影響，筆者在900 ℃、1 100 ℃和1 300 ℃下，對煤種A、B、C、D、A1B1、A1B3、A3B1、A1C1、A1C3、A3C1、B1D1、B1D3、B3D1、C1D1、C1D3、C3D1進行恒溫下的對比實驗，采用判定指數FZ、D1、D2、S對恒溫熱重實驗結果進行分析，并繪制判定指數曲線圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，燃燒判定指數D1、D2、S隨溫

(a) 揮發分析出特性指數D1曲線

(b) 焦炭燃燒特性指數D2曲線

(c) 燃燒綜合判定指數S曲線

度升高而增大，且1 300 ℃下的燃燒判定指數明顯高于900 ℃與1 100 ℃下。這說明環境溫度升高，有利于揮發分充分析出，使焦炭燃燒更劇烈，燃燒特性得以優化。在1 300 ℃工況下該現象更加明顯，這可能是因為高溫下固定碳與揮發分同時多相氧化燃燒產生相應的燃燒產物，反應速率明顯加快，達到相同燃燒狀態所需的時間縮短，導致燃燒更加劇烈。此外，1 300 ℃下D1、D2、S曲線的斜率明顯高于1 100 ℃及900 ℃工況下，說明在1 300 ℃工況下，改變煤質對燃燒特性的影響程度更大，此時優化煤質參數，能夠極大地優化煤粉揮發分析出及焦炭燃燒特性，使其反應速率加大，所需燃燒時間縮短，燃燒更加劇烈。另外，低FZ煤種在不同溫度下的D2值幾乎相同，但1 300 ℃下的D1值與其他溫度下的D1值存在較大差距，說明升高溫度對焦炭燃燒速率、燃燒時間、燃燒劇烈程度的影響很小，對揮發分析出的影響較大，這可能是因為低FZ煤種的灰分含量較高，在高溫下灰分會出現熔融現象，礦物質遷移在煤顆粒表面形成灰殼，阻礙反應物在孔隙中的反應與傳輸，導致燃燒反應受阻，升高溫度對燃燒特性的影響不大。

綜上所述，在研究溫度對燃燒特性的影響時，采用新判定方法可以定量化反映不同溫度下不同煤質所對應的燃燒特性，從而進一步分析不同溫度工況下改變煤質對燃燒特性的影響程度。

2.3.3 氧氣體積分數的影響

氧氣體積分數是影響煤粉燃燒的重要因素之一。為了研究當氧氣體積分數發生變化時，煤質對燃燒特性變化情況的影響程度，采用判定指數FZ、D1、D2、S對恒溫1 300 ℃及氧氣體積分數分別為10%、15%、20%、30%條件下，煤種A、B、C、D、A1B1、A1B3、A3B1、A1C1、A1C3、A3C1、B1D1、B1D3、B3D1、C1D1、C1D3、C3D1的恒溫熱重實驗結果進行分析，并繪制判定指數曲線，結果如圖7所示。

由圖7可以看出，判定指數D1、D2、S隨氧氣體積分數增大而增大，判定指數曲線上移，這說明增大氧氣體積分數有利于揮發分析出與焦炭燃燒，增大燃燒速率，使燃盡時刻提前，煤粉的燃燒更加劇烈，燃燒特性得以優化；相較于低氧氣體積分數(20%及以下)工況，氧氣體積分數為30%時曲線D1、D2的斜率較小，說明在低氧氣體積分數工況下優化摻燒煤種的煤質參數，對燃燒特性的影響更加明顯，能夠顯著提高揮發分的析出速率，縮短焦炭燃燒時間，增加煤粉燃燒的劇烈程度。這可能是因為當氧氣體積分數增大至30%時，煤粉的著火溫度降低，且燃盡程度增大，燃燒初期不再因著火溫度不同而發生搶風現象，燃燒所需氧量充足。在氧氣體積分數為30%的工況下，低FZ煤種的D1、D2、S與低氧氣體積分數工況下的差別比較明顯。這就說明當氧氣體積分數達到30%時，低FZ煤種的燃燒特性得以明顯改善，揮發分的析出更加集中，焦炭燃燒更加劇烈，反應速率增大,燃盡時間縮短，但隨摻燒煤種揮發分與固定碳含量的增大，這種差別逐漸減小。當氧氣體積分數為30%時，高FZ煤種的D1、D2、S與氧氣體積分數為20%時差別不大，對于此類煤種，提高氧氣體積分數對其燃燒特性的影響不大。

由此可以看出，在研究氧氣體積分數對燃燒特性的影響時，采用判定指數曲線便于比較不同混煤煤種在不同氧氣體積分數下燃燒特性的差異，可通過D1、D2、S的大小反映燃燒特性的好壞，曲線斜率反映了煤質變化對燃燒特性的影響程度。

(a) 揮發分析出特性指數D1曲線

(b) 焦炭燃燒特性指數D2曲線

(c) 燃燒綜合判定指數S曲線

3 結 論

(1)在新判定方法中，燃燒判定指數D1、D2、S包含燃燒速率、燃燒時間、燃燒劇烈程度這3項燃燒特性的特征量，能定量反映不同階段的燃燒特性；煤質判定指數FZ能綜合表征煤質特性；根據上述指數繪制出的判定指數曲線，可以直觀地反映煤質變化對燃燒特性的影響程度，能彌補常規分析方法中的缺點。

(2)D1、D2、S隨溫度升高而增大，且1 300 ℃下D1、D2、S曲線的斜率明顯增大，說明升高溫度有利于改善各階段的燃燒特性，溫度升高至1 300 ℃后，燃燒特性受煤質的影響程度增大；對于低FZ煤種，不同溫度下的D1差別較大，D2較為接近，說明升高溫度主要影響低FZ煤種揮發分的析出特性。

(3)增大氧氣體積分數，D1、D2、S隨之增大，相較于低氧體積分數工況，富氧氣氛下曲線D1、D2的斜率較小，說明增大氧氣體積分數有利于改善燃燒特性，達到富氧氣氛時，改變煤質對燃燒特性的影響較小；對于低FZ煤種，氧氣體積分數達到30%時，D1、D2、S與低氧氣體積分數工況下的差別比較明顯。

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