岳 爽， 王春波， 司 桐， 李一鵬， 王子銘

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定 071003)

基于目前國內(nèi)煤炭供應(yīng)的現(xiàn)狀，混煤摻燒是燃煤電廠普遍存在的現(xiàn)象。在摻混過程中，良好的摻燒方案有利于優(yōu)化煤粉燃燒以及提高鍋爐的經(jīng)濟性，但不合理的配煤方式容易造成燃燒不穩(wěn)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(yīng)性能方面已有廣泛應(yīng)用[1-4]。Lee等[5]利用熱天平(TGA)對混煤進行了熱重分析，發(fā)現(xiàn)低階煤的燃燒特性受揮發(fā)分的影響較大，而高階煤主要受反應(yīng)表面形態(tài)的影響。Sarkar等[6]結(jié)合TGA與滴管爐(DTF)研究了混煤及其組分煤的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)混煤可燃部分所占比例與燃燒指數(shù)有一定的二次相關(guān)性。周俊虎等[7]通過TGA對混煤燃燒動力學(xué)特性進行了研究，結(jié)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(tài)下混煤燃燒特性進行研究后發(fā)現(xiàn)，在低氧狀態(tài)下煤階對燃燒反應(yīng)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(shù)，對混煤燃盡特性進行了初步預(yù)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(yù)測了煤粉的燃燒速率，這對模擬鍋爐內(nèi)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(huán)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(nèi)的燃燒有本質(zhì)的不同。王春波等[11]提出了煤粉恒溫?zé)嶂胤治龇?，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(zhì)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(jié)果表明摻燒低階煤對單煤在初始反應(yīng)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(guān)性。

在煤粉的恒溫?zé)嶂貙嶒炛校２捎檬е匕俜直燃叭紵俾孰S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(huán)境下的實時燃燒速率、失重百分比、燃盡時間等，但這些參數(shù)在準(zhǔn)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(zhì)變化對燃燒特性的影響時，常采用單一煤質(zhì)參數(shù)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(fā)分含量直接影響煤粉的燃燒速率，忽略了上述煤質(zhì)因素之間的相互影響。采用單一煤質(zhì)參數(shù)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(zhì)的關(guān)系，筆者引入煤質(zhì)判定指數(shù)FZ及燃燒判定指數(shù)D1、D2、S。FZ作為反映煤質(zhì)中揮發(fā)分、水分與固定碳含量的綜合指數(shù)，可以定量反映煤粉的煤質(zhì)特性，代替常規(guī)分析中以單一煤質(zhì)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(tài)下的煤粉燃燒判定指數(shù)——揮發(fā)分析出特性指數(shù)D1、焦炭燃燒特性指數(shù)D2和煤粉燃燒綜合判定指數(shù)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(guī)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(tǒng)及煤種

1.1 實驗系統(tǒng)

采用的恒溫?zé)嶂貙嶒炏到y(tǒng)如圖1所示。煤粉置于剛玉舟(長130 mm、寬15 mm)內(nèi)，其燃燒過程中的質(zhì)量變化通過質(zhì)量采集系統(tǒng)實時記錄并保存于計算機中。

圖1 恒溫?zé)嶂貙嶒炁_

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(wěn)定30 min；每次稱取0.08 g左右的煤樣，均勻鋪于剛玉舟內(nèi)，然后將剛玉舟放于質(zhì)量采集系統(tǒng)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(zhì)量變化被傳感器實時記錄，實驗的重復(fù)誤差在2%以內(nèi)[14-16]。

1.2 實驗煤種

實驗中所用4種單煤的工業(yè)分析及元素分析結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(fā)分煤種，煤種C與D為低揮發(fā)分煤種，將單煤A與B、A

表1 單煤的工業(yè)分析及元素分析

與C、C與D、B與D分別按照質(zhì)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(shù)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(jié)果分析

2.1 判定指數(shù)

2.1.1 煤質(zhì)判定指數(shù)

為更全面反映煤質(zhì)對燃燒特性的影響，引入煤質(zhì)判定指數(shù)FZ[17]作為煤質(zhì)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(fā)分質(zhì)量分數(shù)；w(Mad)為空氣干燥基下的水分質(zhì)量分數(shù)；w(FCad)為空氣干燥基下的固定碳質(zhì)量分數(shù)。

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

2.1.2 燃燒判定指數(shù)

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(shù)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(zhì)量，g；mt為實驗過程中t時刻的試樣質(zhì)量，g；mA為試樣燃盡后的質(zhì)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(yīng)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(shù)，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(shù)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(yīng)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(yīng)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(shù)的物理意義如圖2所示。

圖2 各項參數(shù)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(shù)，其值定量地反映了揮發(fā)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(guī)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(zhì)、溫度及氧氣體積分數(shù)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(shù)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(fā)分質(zhì)量分數(shù)逐漸降低；煤種C的固定碳質(zhì)量分數(shù)最高，煤種B的固定碳質(zhì)量分數(shù)最低。圖3(a)表明，隨揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)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(shù)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(shù)下燃燒速率與時間曲線

由圖3也可以發(fā)現(xiàn)，雖然煤B與煤C的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)相差較大，但燃盡時間卻差別很小，說明僅采用單一煤質(zhì)參數(shù)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(shù)的影響時，無法直接比較不同煤質(zhì)在溫度或氧氣體積分數(shù)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(zhì)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(guī)方法存在的問題，表征煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響，筆者提出繪制判定指數(shù)曲線圖的新分析方法。即以煤質(zhì)判定指數(shù)FZ為橫軸，作為煤質(zhì)參數(shù)的綜合反映，以燃燒判定指數(shù)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(shù)曲線，分析D1、D2、S隨FZ的變化關(guān)系。圖4給出了溫度為1 300 ℃、氧氣體積分數(shù)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(shù)曲線。其中實驗所用煤種的FZ指數(shù)見表2。

圖4 判定指數(shù)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(shù)與燃燒判定指數(shù)D1、D2、S間存在正相關(guān)關(guān)系；提高摻燒煤種中揮發(fā)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(yīng)速率，縮短揮發(fā)分析出及焦炭燃燒時間；當(dāng)煤質(zhì)特性發(fā)生變化時，其對焦炭燃燒段的影響程度高于揮發(fā)分析出段。

新判定方法采用FZ來綜合反映多項煤質(zhì)參數(shù)，便于全面描述摻燒煤粉的煤質(zhì)特性；利用D1、D2、S能夠綜合表征揮發(fā)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(shù)，定量反映燃燒特性。同時，判定指數(shù)曲線斜率反映了煤質(zhì)變化對不同階段燃燒特性的影響程度。相比于常規(guī)方法，新判定方法能更加綜合且定量地表示煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響規(guī)律。

2.3.1 煤質(zhì)的影響

煤質(zhì)對混煤燃燒特性起決定性影響。為研究煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響，通過改變摻燒煤種的煤質(zhì)，利用恒溫?zé)嶂貙嶒灥玫较鄳?yīng)的失重曲線，再采用上文提出的煤質(zhì)判定指數(shù)FZ和燃燒判定指數(shù)D1、D2、S分別對煤質(zhì)參數(shù)及熱重數(shù)據(jù)進行定量化計算，將每種煤對應(yīng)的計算結(jié)果繪制于圖5中。

圖5 不同煤質(zhì)的判定指數(shù)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(yīng)速率加快，揮發(fā)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(yīng)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(yīng)更加劇烈，燃燒特性得到優(yōu)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(zhì)變化的影響程度更大，改變摻燒煤種的煤質(zhì)參數(shù)，主要影響焦炭的燃燒，對揮發(fā)分析出的影響并不明顯，這可能是由于揮發(fā)分析出時釋放大量熱量，使煤焦官能團等結(jié)構(gòu)對燃燒特性的影響相對增強，導(dǎo)致焦炭燃燒段受到煤質(zhì)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?jīng)Q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(shù)曲線分析煤質(zhì)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(yōu)劣，曲線斜率能夠反映出煤質(zhì)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(zhì)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(shù)FZ、D1、D2、S對恒溫?zé)嶂貙嶒灲Y(jié)果進行分析，并繪制判定指數(shù)曲線圖，如圖6所示。

由圖6可以看出，燃燒判定指數(shù)D1、D2、S隨溫

(a) 揮發(fā)分析出特性指數(shù)D1曲線

(b) 焦炭燃燒特性指數(shù)D2曲線

(c) 燃燒綜合判定指數(shù)S曲線

度升高而增大，且1 300 ℃下的燃燒判定指數(shù)明顯高于900 ℃與1 100 ℃下。這說明環(huán)境溫度升高，有利于揮發(fā)分充分析出，使焦炭燃燒更劇烈，燃燒特性得以優(yōu)化。在1 300 ℃工況下該現(xiàn)象更加明顯，這可能是因為高溫下固定碳與揮發(fā)分同時多相氧化燃燒產(chǎn)生相應(yīng)的燃燒產(chǎn)物，反應(yīng)速率明顯加快，達到相同燃燒狀態(tài)所需的時間縮短，導(dǎo)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(zhì)對燃燒特性的影響程度更大，此時優(yōu)化煤質(zhì)參數(shù)，能夠極大地優(yōu)化煤粉揮發(fā)分析出及焦炭燃燒特性，使其反應(yīng)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(fā)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(xiàn)熔融現(xiàn)象，礦物質(zhì)遷移在煤顆粒表面形成灰殼，阻礙反應(yīng)物在孔隙中的反應(yīng)與傳輸，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)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(zhì)所對應(yīng)的燃燒特性，從而進一步分析不同溫度工況下改變煤質(zhì)對燃燒特性的影響程度。

2.3.3 氧氣體積分數(shù)的影響

氧氣體積分數(shù)是影響煤粉燃燒的重要因素之一。為了研究當(dāng)氧氣體積分數(shù)發(fā)生變化時，煤質(zhì)對燃燒特性變化情況的影響程度，采用判定指數(shù)FZ、D1、D2、S對恒溫1 300 ℃及氧氣體積分數(shù)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?zé)嶂貙嶒灲Y(jié)果進行分析，并繪制判定指數(shù)曲線，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，判定指數(shù)D1、D2、S隨氧氣體積分數(shù)增大而增大，判定指數(shù)曲線上移，這說明增大氧氣體積分數(shù)有利于揮發(fā)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(yōu)化；相較于低氧氣體積分數(shù)(20%及以下)工況，氧氣體積分數(shù)為30%時曲線D1、D2的斜率較小，說明在低氧氣體積分數(shù)工況下優(yōu)化摻燒煤種的煤質(zhì)參數(shù)，對燃燒特性的影響更加明顯，能夠顯著提高揮發(fā)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(dāng)氧氣體積分數(shù)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(fā)生搶風(fēng)現(xiàn)象，燃燒所需氧量充足。在氧氣體積分數(shù)為30%的工況下，低FZ煤種的D1、D2、S與低氧氣體積分數(shù)工況下的差別比較明顯。這就說明當(dāng)氧氣體積分數(shù)達到30%時，低FZ煤種的燃燒特性得以明顯改善，揮發(fā)分的析出更加集中，焦炭燃燒更加劇烈，反應(yīng)速率增大,燃盡時間縮短，但隨摻燒煤種揮發(fā)分與固定碳含量的增大，這種差別逐漸減小。當(dāng)氧氣體積分數(shù)為30%時，高FZ煤種的D1、D2、S與氧氣體積分數(shù)為20%時差別不大，對于此類煤種，提高氧氣體積分數(shù)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(shù)對燃燒特性的影響時，采用判定指數(shù)曲線便于比較不同混煤煤種在不同氧氣體積分數(shù)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(zhì)變化對燃燒特性的影響程度。

(a) 揮發(fā)分析出特性指數(shù)D1曲線

(b) 焦炭燃燒特性指數(shù)D2曲線

(c) 燃燒綜合判定指數(shù)S曲線

3 結(jié) 論

(1)在新判定方法中，燃燒判定指數(shù)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(zhì)判定指數(shù)FZ能綜合表征煤質(zhì)特性；根據(jù)上述指數(shù)繪制出的判定指數(shù)曲線，可以直觀地反映煤質(zhì)變化對燃燒特性的影響程度，能彌補常規(guī)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(zhì)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(fā)分的析出特性。

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

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