張　磊，汪后港，陸　超，曾　彬，沈朝峰，李小江

(華電電力科學(xué)研究院，杭州　310030)

燃煤電廠褐煤混燒特性的熱重實驗研究

張磊，汪后港，陸超，曾彬，沈朝峰，李小江

(華電電力科學(xué)研究院，杭州310030)

摘要：采用熱重分析方法研究了兩種褐煤、一種煙煤燃燒特性及不同摻混比下的混燒特性，并對動力學(xué)參數(shù)進行了計算。結(jié)果表明兩種褐煤及褐煤與煙煤按照一定比例摻混，有助于降低混煤著火溫度，混燒特性得到改善，在摻混比較小時，有相互促進作用，隨著摻混比增加，相對獨立性占主導(dǎo)；不同摻混比下，活化能和頻率因子介于各單一樣品之間。

關(guān)鍵詞：褐煤；摻配燒；熱重分析；動力學(xué)參數(shù)

受限于我國煤炭資源分布不均勻及運輸能力的不足，電站混煤摻燒是國內(nèi)電站常用的做法，然而煤的燃燒特性對煤粉鍋爐的安全經(jīng)濟運行有顯著影響[1]。文獻[2]對褐煤與煙煤在CRF熱態(tài)試驗臺上進行了試驗研究，文獻[3]對兩種褐煤混燒特性進行了熱重分析并得到了兩種煤燃燒差異性，文獻[4]針對混煤的煤質(zhì)特性和燃燒特性開展實驗研究。

然而針對不同機組、不同煤質(zhì)，混煤與設(shè)計煤質(zhì)燃燒特性的差別及在混煤摻燒是否滿足機組高效、經(jīng)濟、安全運行等問題亟需解決。國內(nèi)電站僅僅依據(jù)揮發(fā)分、發(fā)熱量及污染物含量等指標(biāo)指導(dǎo)摻燒，對混煤摻燒的燃燒特性尚未有詳盡的了解，然而混煤在鍋爐中燃燒時的著火、燃盡及結(jié)渣特性相互間影響很大，因此有必要對混煤的燃燒特性進行試驗研究。本文利用熱重分析法對某電廠的兩種不同品質(zhì)的褐煤及一種煙煤按一定比例混合燃燒，研究其混燒特性，并對表觀活化能、頻率因子等動力學(xué)參數(shù)進行了計算分析。在不影響機組正常運行參數(shù)的基礎(chǔ)上，摻配一定比例更經(jīng)濟的煤種，降低電廠運行成本，提高電廠利潤空間，以期為電廠配煤摻燒提供指導(dǎo)和幫助，優(yōu)化配煤方案。

1試驗材料

實驗采用PerkinElmer提供的PYRIS型TGA熱分析儀。儀器升溫范圍：最高至1 550℃；升降溫速率最高：50℃/min。TG解析度：0.2μg。

實驗從30℃以20℃/min升溫速率升至900℃，其后降至室溫。樣品質(zhì)量約為5mg，反應(yīng)氣氛為空氣，流量為20ml/min，實驗煤樣選自云南某發(fā)電企業(yè)煤種褐煤A、褐煤B和煙煤C。樣品經(jīng)過破碎、烘干、粉碎、干燥、篩分等步驟制成樣本，粒徑選用100～150μm。3種試樣的工業(yè)分析、元素分析見表1。由表1可以看出，褐煤A與褐煤B空干基水分、含硫量及氧含量明顯高于煙煤，而收到基低位發(fā)熱量明顯低于煙煤C。由此可見，兩種褐煤與煙煤的組成成分及性質(zhì)有明顯差別，而兩種褐煤之間差別較小。

表1　樣品的工業(yè)分析及元素分析

2單一樣品燃燒特性分析

各單樣品TG、DTG特性曲線如圖1所示。

圖1　各單樣品TG、DTG特性曲線

由圖1可以看出，兩種褐煤A、B的TG、DTG曲線相近，在低溫階段100～200℃均有一個失重過程，此過程是水分蒸發(fā)析出階段，在200～600℃又有一個失重過程，此過程是揮發(fā)分析出、固定碳著火燃燒階段。煙煤C的TG、DTG曲線與兩種褐煤有較大差別，低溫階段水分蒸發(fā)階段不明顯，表明煙煤的水分含量較少，TG曲線400～700℃有一個明顯的失重過程，表現(xiàn)在DTG曲線上有一個失重峰，揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段，700～800℃又有一個失重過程，煙煤中的難燃盡物質(zhì)著火燃燒，TG曲線超過800℃，幾乎沒有失重，DTG曲線趨于零。與兩種褐煤相比，煙煤揮發(fā)分析出較晚，著火燃燒溫度較高，固定碳燃燒階段峰肩較窄，但峰值較大，反應(yīng)較激烈。

3不同摻混比下燃燒特性分析

褐煤A摻混褐煤B的DTG曲線如圖2所示。圖2中，摻混比M1定義為褐煤A:褐煤B，M1分別為1:4、1:2、1:1、2:1、4:1，隨著摻混比M1增大，混煤中褐煤A的含量增加。

由圖2中可以看出，不同摻混比下的混燒曲線皆有兩個失重峰，100～200℃水分蒸發(fā)析出階段，不同摻混比下此階段變化不大。200～600℃為揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段，隨著摻混比M1增大,DTG曲線峰值減小，峰肩變窄，曲線向低溫端偏移，表明褐煤A的添加，有助于著火，降低了著火溫度，但是峰值減小，反應(yīng)激烈程度降低。

圖3是褐煤A摻混煙煤C的DTG曲線，摻混比M2定義為褐煤A:煙煤C，M2分別為1∶4、1∶2、1∶1、2∶1、4∶1，隨著摻混比M2增大，混煤中褐煤A的含量增加。

圖3　不同M2下的DTG特性曲線

由圖3中可以看出，不同摻混比下的混燒曲線皆有3個失重峰，100～200℃水分蒸發(fā)析出階段，峰值隨著摻混比M2增大而增大。200～600℃為揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段，隨摻混比M2增大，峰值減小并向低溫端偏移，著火提前。700～800℃為褐煤難燃盡物質(zhì)著火燃燒階段，隨著摻混比M2增大，DTG曲線峰值減小，峰肩變寬，表明煙煤的添加，增大了混煤反應(yīng)激烈程度，當(dāng)摻混比1:1時，200～600℃有兩個峰，第一個峰為褐煤A著火燃燒，第二個峰為煙煤C著火燃燒。綜上表明，褐煤A摻混煙煤C燃燒過程中有相互促進作用的同時又保持相對獨立性。

表2　各單樣品和不同摻混比下混樣的燃燒特性參數(shù)表

4燃燒特性參數(shù)分析

著火溫度是指燃料達到連續(xù)燃燒的最低溫度，是著火性能的主要指標(biāo)，著火溫度越低，表明著火性能越好。采用TG-DTG[5]方法確定煤樣著火溫度Ti、，而燃盡溫度Th定義為試樣失重占總失重98%時對應(yīng)的溫度。

綜合燃燒特性指數(shù)全面反映了試樣的著火和燃盡性能，越大，則試樣的綜合燃燒性能越好。采用綜合燃燒特性指數(shù)S來表征綜合燃燒性能[6]。

(1)

式中(dw/dτ)max——最大燃燒速率；

(dw/dτ)mean——為平均燃燒速率，其值越大，表明燃盡越快；

Ti——著火溫度；

Th——燃盡溫度。

各單樣品和不同摻混比下混樣的燃燒特性參數(shù)見表2所示。褐煤A著火溫度最低，褐煤B次之，煙煤C最高，表明褐煤A最易著火。褐煤B最大燃燒速率、平均燃燒速率、綜合燃燒特性指數(shù)優(yōu)于褐煤A，燃盡溫度低于褐煤A燃盡溫度。煙煤C的著火溫度、燃盡溫度較褐煤高，最大燃燒速率、平均燃燒速率、綜合燃燒特性指數(shù)優(yōu)于褐煤，表明煙煤C燃燒反應(yīng)激烈程度劇烈。

當(dāng)褐煤A摻混褐煤B及煙煤C時，著火溫度、燃盡溫度均介于兩種褐煤單獨燃燒之間，隨著褐煤A摻混比增加，混煤著火溫度、最大燃燒速率對應(yīng)溫度、燃盡溫度均降低，但是反應(yīng)激烈程度降低，綜合燃燒特性指數(shù)也降低。當(dāng)褐煤A摻混褐煤B比例為1:4時，綜合燃燒特性指數(shù)高于兩種褐煤單獨燃燒時的綜合特性指數(shù)，表明兩種褐煤在相互摻混燃燒過程中有一定的相互促進燃燒作用。當(dāng)褐煤A摻混煙煤C比例為1:4、2:1時，綜合燃燒特性指數(shù)均高于單一樣品燃燒時，表明褐煤A摻混煙煤C在一定摻混比例下有相互促進燃燒作用。

5動力學(xué)參數(shù)的計算(活化能、頻率因子)

非等溫反應(yīng)動力學(xué)方程為[7]：

(2)

轉(zhuǎn)化率α定義為：α=(w-w1)/(w0-w1)，w為燃盡時刻固體質(zhì)量，w0為初始質(zhì)量，w1為反應(yīng)結(jié)束時固體殘余質(zhì)量。T為熱力學(xué)溫度。

k遵循Arrhenius定律，考慮氧氣濃度影響后表達式為：

k=Aexp(-E/RT)

(3)

式中A，E——頻率因子、活化能；

R——常數(shù)8.314J/mol·K。

于是有：

(4)

移項并取對數(shù)得：

(5)

f(α)的表達式一般選用：f(α)=(1-α)n

因此，最后可得：

令式(5)左邊為y，x=1/T，a=ln(A/β)，b=-E/R,方程變?yōu)閥=a+bx。假定一個n值，采用最小二乘法原理對數(shù)據(jù)進行一元線性擬合，根據(jù)擬合方程可得到a、b，進而可求出表觀活化能E(E=-b×R)、相關(guān)系數(shù)r等參數(shù)。

表3　各單樣及不同摻混比下混樣的動力學(xué)參數(shù)

計算實現(xiàn)上采用在Origin8.5.1中編制用戶自定義函數(shù)方式來實現(xiàn)線性擬合，溫度區(qū)間選取揮發(fā)分析出、固定碳燃燒階段：即從著火溫度到燃盡溫度區(qū)間。n的取值區(qū)間為(0,10)，程序中n從0開始，每次遞增0.1，最后選擇使相關(guān)系數(shù)r最大的n作為最優(yōu)反應(yīng)級數(shù)。計算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，相關(guān)系數(shù)R均大于0.972 1，線性擬合效果良好。褐煤B的表觀活化能和頻率因子是三種煤樣中最小的，表明褐煤B著火燃燒所需能量最少，反應(yīng)激烈程度最弱。煙煤C的活化能和頻率因子都是最高的，表明煙煤C著火燃燒所需能量最多，反應(yīng)激烈程度最強。褐煤A與褐煤B摻混，摻混燃燒活化能、頻率因子介于兩種單樣之間。隨著褐煤A摻混比增加，反應(yīng)所需活化能減小，頻率因子減小，當(dāng)表觀活化能變小時，要發(fā)生燃燒反應(yīng)需要吸收能量較少，此時頻率因子也較小，表明頻率因子與表觀活化能之間具有補償作用。褐煤A與煙煤C摻混，隨著褐煤A摻混比增加，反應(yīng)活化能減小，頻率因子也減小，當(dāng)摻混比4:1時，反應(yīng)活化能為92.925 3kJ/mol，小于褐煤A單獨燃燒活化能，表明褐煤A與煙煤C摻混時有一定相互促進作用，與燃燒特性相一致。

6結(jié)語

兩種褐煤工業(yè)分析及元素分析之間差異較小，與煙煤工業(yè)分析及元素分析差異較大。工業(yè)分析與TG、DTG曲線相對應(yīng)。兩種褐煤水分含量較多，在低溫階段有明顯的失重峰，而煙煤沒有。與煙煤揮發(fā)分析出及固定碳燃燒階段相比，兩種褐煤揮發(fā)分析出及固定碳燃燒階段對應(yīng)溫度較低，峰值較小，反應(yīng)激烈程度較弱。當(dāng)兩種褐煤摻混燃燒及褐煤摻混煙煤燃燒，在一定摻混比例下，均表現(xiàn)出燃燒相互促進作用。動力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果表明頻率因子與表觀活化能之間具有補償作用，動力學(xué)參數(shù)結(jié)果與燃燒特性參數(shù)結(jié)果相一致。綜上，在電站高負(fù)荷運行時，可適當(dāng)將少量褐煤A摻混褐煤B送進鍋爐燃燒，增加反應(yīng)激烈程度，降低燃盡溫度，提高機組運行效率，減機組運行成本。在電站低負(fù)荷運行時，可適當(dāng)多摻混褐煤A，有助于降低電廠燃料成本，提高經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]聶其紅,孫紹增.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2001,7(1):72-76.

NIEQi-hong,SUNShao-Zeng,LIZheng-qi,etal.Thermogravimetricanalysisonthecombustioncharacteristicsofbrowncoalblends[J].JournalofCombustionScienceandTechnology,2001,7(1):72-76.

[2]李永華, 陳鴻偉, 劉吉臻,等. 褐煤及煙煤混煤綜合燃燒特性的試驗研究[J]. 動力工程, 2003, 23(4): 2495-2499.

LIYong-hua,CHENHong-wei,LIUJi-zhen,etal.ExperimentalresearchonthecomprehensivebehaviorofcombustionforsoftandbrownblendingCoals[J].PowerEngineering,2003,23(4):2495-2499.

[3]肖毅, 李瑛. 褐煤及其混煤燃燒特性試驗研究[J]. 能源工程, 2012(5):1-4，9.

XIAOYi,LIYing.Experimentalstudyoncombustioncharacteristicsofligniteblends[J].EnergyEngineering,2012(5):1-4,9.

[4]劉京燕,王長安,張曉明,等.混煤煤質(zhì)及燃燒特性研究[J].鍋爐技術(shù),2012,43(2):37-42，46．

LIUJing-yan,WANGChang-an,ZHANGXiao-ming,etal.Investigationoncoalpropertiesandcombustioncharacteristicsofblendedcoals[J].BoilerTechnology,2012，43(2):37-42,46.

[5]鄒學(xué)權(quán), 王新紅, 吳建軍,等. 用熱重—差熱—紅外光譜技術(shù)研究煤粉的燃燒特性[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 2003, 26(1): 71-73.

ZOUXue-quan,WANGXin-hong,WUJian-jun,etal.StudyoncombustioncharacteristicofcoalbymeansoftechnologyofTG-DSC-FTIR[J].CoalConversion,2003,26(1):71-73.

[6]姜秀民, 李巨斌, 邱健榮. 超細(xì)化煤粉燃燒特性的研究[J]. 中國電機工程學(xué)報. 2000, 20(6): 71-74,78.

JIANGXiu-min,LIJu-bin,QIUJian-rong.Studyoncombustioncharacteristicofmicro-pulverizedcoal[J].ProceedingsoftheCSEE,2000,20(6):71-74,78.

[7]胡榮祖, 史啟禎. 熱分析動力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

(本文編輯：趙艷粉)

Thermo-gravimetric Experimentation on Co-combustion Characteristics of Lignites in Coal-Fired Power Plant

ZHANG Lei, WANG Hou-gang, LU Chao, ZENG Bin, SHEN Chao-feng, LI Xiao-jiang

(HuadianElectricPowerResearchInstitute,Hangzhou310030,China)

Abstract:The respective combustion characteristics of two lignites and one bituminous coal and the co-combustion characteristics with different blending ratio were studied in thermo-gravimetric analysis method, and the kinetic parameters were calculated. The research reveals that the blending of two kinds of two kinds of lignite or the mixture of lignite and bituminous coal according to certain blending ratio help to lower the ignition temperature of the blended coal, and improve burning performance. With the low blending ratio, the mixtures mutually promote the combustion process. With the growth of mixing ratio, it shows the relative independence. Under the different mixing ratio, activation energy and frequency factor are in between those of the single sample combustion.

Key words:lignite; blending burn; thermo-gravimetric analysis; kinetic parameters

DOI：10.11973/dlyny201603020

作者簡介：張磊(1985)，男，碩士，從事電站系統(tǒng)節(jié)能減排及燃料應(yīng)用技術(shù)研究。

中圖分類號：TQ534

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0349-05

收稿日期：2016-01-15