煤粉高壓著火特性及影響因素

傅培舫，龔雪琦，張 斌，劉 洋，龔宇森，許天瑤

(華中科技大學 能源與動力工程學院 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

在相當長的時間內，煤炭在我國能源結構中的主導地位不會動搖。在能源動力生產、煤化工、水泥爐窯和冶金等燃煤行業中，煤粉的著火特性對于煤粉燃燒器及其轉化設備的設計和運行具有重要影響。前人對常壓條件下的煤粉著火燃燒特性研究較多，主要集中在如何判定煤粉的著火溫度。煤粉著火溫度的判定大多為經驗方法：① 動力學曲線法，通過電加熱層流載流反應器測得煤粉燃燒濃度-時間動力學曲線、一階導數得到著火溫度[1]；② 光譜強度法，通過層流滴管爐煤粉燃燒的光譜強度的變化梯度得到著火溫度，該值較高[2]；③ 閃光法，根據電加熱載流反應器著火煤粉顆粒光閃強度或光閃數概率來判斷著火[3-5]；④ 溫度法，通過測定單顆粒煤焦在給定環境條件下溫度時間變化曲線，結果受環境溫度的影響較大[6]；⑤ 切線法，根據熱重分析得到的TG-DTG熱重曲線最大速率點的切線求著火溫度[7]，常壓下結果通常比爐內試驗結果低100 ℃以上。這些判據主要依賴于試驗觀測，受試驗條件的限制較大。建立在著火理論基礎上的熱流法，是根據熱重差示掃描量熱(TG-DSC)曲線，并考慮加熱速率的影響，求極限著火溫度，與管式爐的試驗結果接近[8]，目前這種方法還未應用到加壓燃燒條件下的著火特性研究。

加壓下煤粉著火特性研究相對較少，且大部分研究是在富氧燃燒氣氛下進行的高壓下煤粉燃盡度、燃盡時間等[9-12]。Liu等[9]模擬表征了加壓情況下煤粉燃燒火焰的化學結構并進行試驗研究，發現隨著壓力的增加，火焰的穩定性變差。吳瑩[10]選取煙煤與無煙煤的試樣，進行富氧條件下的加壓熱重試驗(PTG)，結果表明，在O2/CO2氣氛條件下，高壓下煤粉燃燒的著火機制發生轉變，2 MPa時，其著火機制由常壓下的非均相著火轉變為高壓下的均相著火；且隨壓力的增大，煤樣的燃點、最大燃燒速率點、燃盡點溫度逐漸降低；根據著火理論，分析該試驗中煤粉著火機制發生轉變的根本原因為：高壓促使煤中揮發分加速析出，使煤粉顆粒單位面積上的氧氣濃度升高。應芝等[11]研究了O2/CO2氣氛、高壓下，煤種、壓力、氧氣濃度和煤焦結構等對2種煤樣(大同煙煤和神火無煙煤)著火特性的影響，其加壓熱重試驗結果表明，當燃燒壓力從0.1 MPa升至2 MPa時，煤粉的著火溫度先降后升，1 MPa下的著火溫度最低，且在高壓下，較高的氧氣濃度會使煤樣的著火模式發生轉變，著火溫度也明顯降低；利用掃描電鏡對該反應過程中的煤樣進行分析，發現加壓促進了煤粉顆粒在脫揮發分過程中的破碎，提高了碳氧反應速率，從而降低了著火溫度。雷鳴等[12]研究表明，1～3 MPa時，著火溫度有所上升，但相差不大。傅培舫等[13]為了研究煤粉在加壓燃燒過程中的影響因素，從氧氣可達比表面積著手，以煤粉燃燒SCT模型為基礎，進行了不同煤種的加壓熱重試驗和不同燃盡度下煤焦N2BET比表面積測試，結果表明，在煤粉加壓燃燒過程中，煤粉顆粒的平均孔徑大于2 nm時，累積比表面積和氧氣可達比表面積隨燃盡度的增加而增加；常壓下的煤焦氧氣可達比表面積是高壓下的1.5～2倍，即煤粉的加壓反應速率不可能與壓力等倍數增加。目前加壓燃燒試驗仍存在諸多瓶頸問題，如加壓熱天平大樣量由于質量傳遞的限制，導致多峰燃燒[12]或以熱解為主低速擴散氧化等嚴重的著火延遲[11]；加壓管式爐又很難取得理論上的著火溫度，通常只有經驗判斷值。

熱重分析技術作為一種研究煤粉燃燒特性的常用方法，操作簡便，有一定的可重復性，已得到廣泛應用。本文通過3個煤樣加壓熱重試驗數據探究加壓條件下煤粉的著火燃燒特性；根據謝苗諾夫著火理論提出了一種求取著火溫度的拐點法，并與傳統的切線法所得結果進行比對，分析2種著火溫度求取方法的差異；進一步探討壓力和組分對煤粉著火溫度的影響。

1 加壓熱重試驗

1.1 試驗儀器

加壓熱重試驗(PTG)指在加壓條件下，將煤樣置于爐內，以適當流量通入反應氣，通過程序控溫裝置控制升溫速率和終溫，利用熱分析天平連續記錄煤樣質量和溫度的變化。

該試驗采用TherMax500熱重分析儀，其主要技術指標：測量范圍，100 g；測量精度，1 μg；壓力范圍，1.33×10-2～1.03×107Pa；溫度范圍，0～1 100 ℃。

1.2 試驗樣品

試驗選取金西礦貧煤(JWY)、張村煙煤(ZCY)和鄂電1號煙煤(EP)3個煤種，其工業分析和元素分析見表1。

1.3 試驗方法

對選取的3個煤種進行研磨，將磨碎后的煤粉用74 μm的篩子進行篩分，所得煤樣顆粒粒徑小于74 μm，制得煤樣。利用加壓熱重分析儀對3個煤樣進行分析。根據文獻[8]，在不同加熱速率下，煤粉燃燒的拐點溫度值趨于一個極限，因此，本試驗在室溫下由壓縮氣瓶供給空氣，氣體流量為1 L/min，在壓力1.5 MPa下使每個煤樣以同一升溫速率5 K/min升到終溫后停止反應。

表1 3個煤樣的工業分析和元素分析

2 試驗結果與分析

2.1 著火理論

根據謝苗洛夫著火理論，得到煤粉著火過程中的熱平衡表達式[8]如下：

(1)

根據式(1)分析著火條件為

(2)

(3)

根據煤粉燃燒本征動力學表達式，有

(4)

其中，k1為指前因子；n為反應指數(取0～1)，與煤種有關；E為活化能?；罨瘮导胺磻笖祅的求解方法參照文獻[17]。

(5)

式中，kh為換熱系數。

2.2 著火溫度

2.2.1切線法

對試驗所得的TG曲線進行分析，采用切線法確定著火溫度：在溫度為橫軸的TG-DTG曲線圖中,過DTG曲線的最大質量變化速率作橫軸垂線，與TG曲線交于一點，過該點作TG曲線切線，該切線與試樣開始失重時平行線的交點所對應的溫度即為著火溫度，如圖1(a)所示。

圖1 TG-DSC曲線上著火溫度的確定方法[8]

2.2.2拐點法

2.3 PTG試驗

圖2(a)為金西礦貧煤在加壓1.5 MPa條件下以5 K/min的升溫速率升至終溫時,得到的PTG曲線。通過求導得到DTG曲線，再用切線法得到經驗著火溫度為203 ℃；根據2.2.2節的拐點法，通過對DTG曲線求導可得到拐點(圖2(b))和拐點溫度204 ℃。

圖2 高壓下金西礦貧煤的著火溫度

同樣試驗條件下得到張村煙煤和鄂電1號煙煤的PTG曲線如圖3(a)和4(a)所示。通過求導得到DTG曲線，采用切線法得到經驗著火溫度，根據拐點法，通過對DTG曲線求導得到拐點(圖3(b)、4(b))，拐點溫度見表2。對比2種方法所得的同一煤樣的著火溫度，可知，在加壓燃燒條件下，拐點法所得的著火溫度與經驗的切線法所得結果相近，但在常壓下切線法的結果與實際著火溫度相差甚遠[8],主要原因在于高壓下著火溫度區間內，反應速率較常壓條件下提升了數倍[13],導致放熱切線的斜率與傳統經驗法切線斜率的差減??；但拐點法源于理論分析，能給出著火溫度范圍，更加簡便、準確可靠。

圖3 高壓下張村煙煤的著火溫度

圖4 高壓下鄂電1號煙煤著火溫度

表2 煤樣的著火溫度

2.4 煤粉著火溫度的影響因素

1)壓力。對于煙煤和無煙煤，壓力在0.1～1.5 MPa[14](更多的試驗支持0.1～1.0 MPa[11,15-16])，著火溫度不斷下降；壓力在3～5 MPa時，著火溫度也下降；1～3 MPa時，煙煤的著火溫度略升高[15-16]。

2)氧氣體積分數。壓力為0.1～0.5 MPa、O2/CO2氣氛中，隨氧氣體積分數的增加，著火溫度下降；在相同氧氣體積分數下，空氣氣氛比O2/CO2氣氛的著火溫度低[11,14]。

3)顆粒粒徑。通常粒徑<100 μm時，發生異相著火[20]；高揮發分的煤種，粒徑增大，對載流煤粉升溫速率較快時，會有足夠濃度的揮發分釋放，以支持均相著火。壓力增加可使異相著火的煤種范圍擴大，較大的顆粒粒徑更易發生異相著火。

4)升溫速率。由于煤粉燃燒速率和傳熱速率的限制，煤粉的拐點著火溫度存在極限值[8]，如圖5所示。溫度對時間的二階導數，根據能量守恒式(1)轉化為氧化速率式(4)，即圖5(a)熱流曲線對溫度求一階導數，得到圖5(b)的熱加速度ah，而圖5(a)拐點對應的溫度Tig是放熱速率(式(5))切線達到的邊界最大點；當升溫速率增加時，Tig趨于極限值，此時Tig不受升溫速率的影響，因此，極限Tig值即為高加熱速率下的著火溫度，超過這一溫度，煤粉一定能著火燃燒。

極限著火溫度的計算模型為

圖5 不同升溫速率的DSC熱流曲線極限著火溫度的變化趨勢

(6)

式中，Tig,θi為加熱速率為θi時的拐點溫度(或稱強著火溫度)；下標i=0,1,2，分別對應3個不同加熱速率；下標max為極限加熱速率；ε為與煤種有關的特征因子。

從模擬計算可知，爐內高溫環境對煤粉著火過程加熱的最大升溫速率在103K/s量級，遠超熱分析中的極限升溫速率，可認為這種數量級差異的升溫速率對極限著火溫度不會產生本質上的影響。

5)揮發分。揮發分決定煤的種類。在管式爐試驗中，通常高揮發分煤中的揮發分集中釋放，表現為均相著火[5]；但在高壓下，由于傳熱速率增加和單位體積的氧摩爾數增加，導致著火溫度下降，通常揮發分還未來得及釋放就發生了著火，因此高壓下異相著火的幾率更大。

3 結 論

1)煤粉著火溫度區間為從初始著火溫度(Ti)到極限著火溫度(Tig)，環境換熱條件所決定的切點位置是唯一定解條件，高溫工業爐高加熱速率對應的是極限著火溫度。

2)與常壓下煤粉的著火特性不同，在1.5 MPa加壓條件下，隨著揮發分的增高，著火溫度有所上升;并表現出表面官能團氧化的顯著異相著火特征。

3)同一煤樣在高壓燃燒條件下， DTG曲線拐點法與切線法求得的著火溫度相差不大，主要是由于加壓著火燃燒速率成倍增加所致。

4)在0.1～1.0、3～5 MPa條件下，隨著壓力增加，煤粉的著火溫度降低；在1～3 MPa時，著火溫度隨壓力的增加略有上升。

5)加壓條件下，氧氣濃度分壓的增加，著火溫度下降。