基于热重分析法的烟煤掺烧褐煤特性研究

第31卷第3期电力科学与工程Vol 31. No. 32015年3月Electric Power Science and engineerinMar,2015基于热重分析法的烟煤掺烧褐煤特性研究杨志斌!,马莹2,戴新',赵建军,关彦军2,张锴(1.内蒙古京隆发电有限责任公司,内蒙古丰镇012100;2.华北电力大学热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室,北京10206)摘要:针对电厂掺烧褐煤缺乏相关理论指导的技术需求,釆用热重分祈方法系统考察了包煤、准煤和褐煤的单独燃烧特性,并将两种烟煤分别以10%、30%、50%和70%的比例在相同条件下与褐煤混合燃烧,根据各燃料燃烧特征参数计算了单一煤种及其不冏掺混比例的着火指数、燃尽指教和综合燃烧指数结果表明,褐煤最易着火和燃尽;包煤着火特性较妤,但在550~660℃范围内岀现难燃峰致使燃尽特性变差;准煤的着火特性最差,燃尽特性略优亍包煤;将包煤和准煤与褐煤掺混后燃烧特性有所改善,各燃烧特征温度降低,且综合燃烧指数随祃煤掺烧比例的増加而増加。建议在电厂实际应用时,煤的掺烧比例控制在30%-50%之间。关键词:混煤;热重分析;着火指数;燃尽指数;综合然烧指数中图分类号:TK16文献标识码:ADO1:10.3969/jisn.1672-0792.2015.03.001的线性叠加关系。混煤的燃烧特性与锅炉等设0引言备的运行密切相关,混煤着火特性反映了混煤着火的难易程度,在防止煤粉的制粉系统着火方面中国是世界上最大的煤炭生产和消费国,也起着重要作用。方立军等使用热重分析仪研是当今世界上几乎唯一以煤为主的能源消费大究混煤的燃烧特性,认为煤质差异较大的煤种掺国。随着燃煤发电装机容量和年发电量的迅猛烧要尤其注意掺烧比例,发现燃烧性能类似的煤增长,以烟煤和无烟煤为主的动力煤储量昰逐年种混合燃烧,其着火特性与相对难燃的煤接近。减少的趋势,面临优质煤炭资源难以满足国民经邱建荣等ˉ利用热重硏究了混煤的燃烧性能,发济长期稳定发展的瓶颈冋题。另一方面,褐煤资现相冋同挥发分含量的混煤比单煤的着火特性差,源丰富,已探明的褐煤储量为1311.42亿旽,约且组分煤的含量和种类很大程度上影响了混煤的占煤炭总保有储量的13%。但是在褐煤的燃烧燃烧性能。胡文斌等”采用热重法分析了七种不发电的硏发和应用方面远远落后于烟煤和无烟煤同煤样的着火特性,并提岀了判别煤种燃烧难易等优质动力煤,因电厂燃烧的煤种与设计煤种差程度的指标。 arenillas等ˇ探究了挥发分含量不别较大,若随机掺烧必会引起燃烧不稳定、煤耗冋的烟煤、次烟煤及其混煤的着火特性,发现掺增加等问题。因此,需要褐煤掺烧的燃烧特性混比例不同,着火机理也不相同。上述研究表明的相关基础研究,以实现对品质相对较差的褐煤组分煤的比例、种类决定了混煤的燃烧性能,采资源充分利用。用热重法可分析比较各混煤的燃烧特性。热重实与单煤相比,混煤的燃烧特性更为复杂,通验法降炉燃烧试验和锅炉现场试验都是常情况下混煤的燃烧性能介于掺混的单煤种之间,主要τ中国煤化工法,本文针对两种但其燃烧特性与组煤种的燃烧特性也并不是简单烟煤CNMHG1,采用热重法进行实收稿日期:2015-01-31基金项目:国家自然科学基金(91434120)作者简介:杨志斌(1967-),男,高级经济师,研究方向为煤燃烧发电,Emai:yzbncepu@163.com。电力科学与工程2015年验硏究,利用热天平分析单煤及烟煤与褐煤掺混褐煤),其元素分析和工业分析如表1所示。可以混煤的燃烧特性,通过各燃烧特征参数计算岀着发现,褐煤的挥发分含量极高,灰分较少且水分火指数、燃尽指数及综合燃烧指数以评价煤样的含量最大,三种原煤的含硫量均较低。将褐煤分燃烧性能,进而为电厂掺烧混煤提供基础数据。别与包煤和准煤以1:9,3:7,5:5和7:3的质量比混合;包煤混煤编号分别为1号、2号、3实验样品与方法号、4号,准煤混煤为5号、6号、7号、8号根据单煤的分析结果和在混煤中的比例加权计算1.1实验样品出不同比例混煤的元素分析和工业分析,如表2实验样品为内蒙古的3种原煤(包煤、准煤、所示。表1煤样的元素分析和工业分析元素分析/%工业分析/%样品FCad包煤3.9711.850.935.15准煤10.027.53褐煤28.2318.070.307.974.7145.3642.04表2混煤的元橐分析和工业分析样品1号4号31.3833.7536.128.9831.88工业分析/%A14.6248.5747.156.4339.8342.29元素分析/%4.164.4.314.4212.4713.7214.9616.2010.840.550.780.710.6300.870.740.0.330.321.2实验方法将煤样在空气中干燥后研磨至100目,再于热重分析法(TG或TGA)是指在程序控制10℃恒温条件下干燥20h。取10±0.2mg样品温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一置于A2O3坩埚中,以20℃/min的升温速率从室种技术,是使用最多最广泛的一种热分析技术之温升至800℃,气氛为空气,流量60mL/min。准热重分析法所使用的仪器是热重分析仪,备好硏磨干燥筛分处理后的煤样,将包煤和准煤当被测物质在加热过程中释放出气体时,被测物分别中国煤化工7:3的比例与褐煤均质的质量就会发生变化。本实验以煤为样品,煤匀淮CNMHG样品置于三氧化二铝燃烧过程中会释放出大量挥发性气体,通过分析坩埚中,实验条件与单煤相同。热重曲线,就可以知道燃烧的特征温度,分析着1.3实验数据处理火特性及燃尽特性,而根据失重量也可以得到煤通过分析热重曲线,可以得到燃烧过程中的样的热变化,进而分析热物性各特征参数,如图1所示,确定方式如下第3期杨志斌,等基于热重分析法的烟煤掺烧褐煤特性硏究着火温度T:着火点指煤样开始燃烧的点,该点的温度是衡量煤粉着火特性的重要特征点,能够直观反应出煤样燃烧的难易程度。本文采用TG-DTG切线法确定着火点,在DTG曲线上,过受峰值点作一垂线与TG曲线交于一点,过交点作TG曲线的切线,该切线与失重开始平行线的交点所对应的温度定义为着火温度T挥发分最大析出速率DTGm及其对应温度00200300400500600700800:DTGa和T为样品的挥发分最大析出燃烧速温度℃率及其对应温度。T越低,说明挥发分析出越图1确定燃烧特征参数的示意图早;DG灬越大,说明挥发分析出燃烧过程越剧烈。2实验结果与讨论燃尽温度T:燃尽特性是评价燃料燃烧性能的一个重要指标,燃尽特性好,燃烧速率快,易2.1单煤燃烧特性燃尽。本文仍采用 TG-DTG法:在DTG曲线上过各单一煤样在升温速率(β)为20℃/min下峰值作垂线与TG曲线交于一点,过这一点作TG的热重曲线如图2所示。TG曲线和DTG曲线分曲线的切线,该切线与失重基本结束平行线的交别表明煤样失重百分比( Weight)和失重变化率点所对应的温度定义为燃尽温度,以T表示。着(Dei. Weight)随温度的变化。由上述各特征参火指数:为评价着火特性,定义了着火指数D数的定义计算出的值如表3所示。可以看出,由着火温度T、燃尽温度T,最大失重速率300℃之前各煤样失重变化不大,为脱水阶段,褐DrG确定,着火指数越大表明煤样燃烧的着火煤和包煤较早开始燃烧,着火点分别为342.0℃性能越好2。和353.3℃,挥发分最大析出速率较大且发生在较低温度(390.0℃和409.9℃),这是因为褐煤DTG和包煤的挥发分较高,容易着火。另外,褐煤和燃尽指数:为评价燃尽特性,定义了燃尽指包煤分别在550.0℃和450.0℃附近出现次峰,这数D,由半峰温度范围ΔT与ΔT确定,分别表示是包煤和褐煤释放出的挥发分的二次反应造成的。挥发分和固定碳燃烧的温度范围,燃尽指数越低褐煤因挥发分极高而容易燃尽,燃尽温度为表明固定碳的燃烧范围越集中,煤样的燃尽性能579.4℃。包煤在624.0℃出现一个小峰则可能是越好。焦炭发生了反应,表示包煤中难燃的部分。刘文珍把将要燃尽部分出现的峰称为难燃峰,第△T+△T个峰称为易燃峰,所以包煤的燃尽温度及燃尽指综合燃烧指数:对于煤质特性差异较大的煤数时要以后面的难燃峰来计算,如表3所示。准掺烧,不仅要考虑单煤的性质,还应注意两煤种煤的着火点为44.5℃,峰值温度为521.0℃,较之间的相互影响,许多文献中提出一种判别指标,难燃烧,通过T和T计算出的着火指数D也可以S表示为看出褐煤的着火特性最好,准煤最差。根据DTG(d/dt)m·(dv/d)m曲线中国煤化工度计算出燃尽指数DHCNMH大越难燃尽,可以发式中:(dWd)。为最大燃烧速度;(dwt)-现包煤因岀现难燃峰而燃尽特性最差,燃尽温度为平均燃烧速度,T为着火温度,T为燃尽温度。T已达到680.5℃。准煤的燃尽温度为622.4℃S是反映煤的着火和燃尽的综合性指标。S值越燃尽特性较差,褐煤的燃尽特性最好,燃尽指数大,煤的燃烧特性越佳。D仅为0.11。电力科学与工程2015年B-20C/min0-10温度/℃40B=20C/min10020030040050060070080温度℃图2单煤的TG和DTG曲线表3三种原煤的燃烧特征参数Tm(%·min)10包煤(易燃峰353.3409.9包煤(难燃峰)623.5680.537.00.47准煤521.049.0390.010.792.2混煤着火与燃尽特性相应的燃尽特性也不一样。从表4也可以看出图3为包煤和准煤与褐煤的混燃TG曲线。由随掺烧比例的增大,包煤和准煤与褐煤混煤的燃图可知,混煤的失重百分比随褐煤掺混比例增加尽温度冖均逐渐减小,但从图3c可以看出,包煤而逐渐增大。混煤的燃烧特征温度如表4所示。混煤在褐煤比例小于50%时仍在50~660℃的范随褐煤掺烧比例的増大,包煤与褐煤组成的混煤围内存在难燃峰,致使燃尽指数很大,当褐煤比的着火温度变化不大,但最大燃烧速率逐渐増大,例为η0%时燃尽指数迅速减小到0.2。准煤掺混着火指数增加的并不明显。图3c中,包煤混煤随褐煤后更易燃尽,当掺烧比例为10%时,燃尽指褐煤掺烧比例的增加,次峰越来越明显,当褐煤数仍很大,当掺混比例达30%以上时,燃尽指数掺烧比例为50%时DTG曲线已出现三个峰,且峰在0.2左右,减小幅度并不大。值温度不断前移,而褐煤比例为70%时次峰消2.3合燃烧特性失,峰值温度略有增加。从图3d可以看出,准煤中国煤化工烧指数,最大燃烧速混煤的峰值温度明显前移,峰的范围越来越宽。率(CNMH(複T越小,着火特性表4显示,准煤掺混褐煤后着火指数随褐煤比例越好,燃尽温度冖越小,燃尽程度越好,煤粉燃的增加而逐渐增大,着火特性得到较大改善,烧越剧烈,综合燃烧指数S值越大,燃烧特性越燃尽特性对燃烧效率和运行的经济性有着十好。图4为综合燃烧指数随褐煤在混煤中比例的分重要的影响,煤样不同,煤质特性就存在差异,变化,可以看岀,随褐煤掺烧比例的増加,混煤第3期杨志斌,等基于热重分析法的烟煤掺烧褐煤特性硏究200500600700800温度/℃温度/C自9610020030040050060070度/℃温度图3混煤的TG和DTG曲线表4混煤的燃烧特征参数DTG/DTO℃(%min)(%min-1)(×10-3)(×10-3)号348.6441.8623.7688.550.28.851.540.612号349.7413.6632.5679.747.51.350.543号679.79.574号349.9406.8597.39,795号424.7530621.68.266号372.4600.67.380.237号374.0430.3598.98.451.720.28号343.4597.335.58.451.810.20的综合燃烧指数增大,褐煤比例超过50%时增加速度变快,其中准煤与褐煤混煤的S值高于包煤与褐煤混煤。3 H中国煤化工CNMHG包煤混煤准煤混煤(1)在实验选用的煤种中,褐煤最易着火和燃尽,包煤着火特性较好,但在550-660℃范围褐煤的质量分数内岀现难燃峰致使燃尽特性较差,准煤的着火特图4混煤的综合燃烧指数性最差,燃尽特性略优于包煤。6电力科学与工程2015年(2)将准煤与褐煤掺混后燃烧特性得到较互作用与动力学特性研究[J].电力科学与工程,大改善,各燃烧特征温度明显降低,且综合燃烧013,29(2):5662指数逐渐增加。包煤的混煤中随着褐煤比例的增6]方立军,高正阳,周健,等.利用热天平对电厂混煤燃尽特性的试验研究[J].华北电力技术,2001,1加,燃烧曲线的变化较大,尽管综合燃烧指数逐7-9,24渐增加,但应分别考虑着火和燃尽特性。7]邱建荣,马毓义,曾汉才,等.混煤燃烧特性及污染(3)褐煤的水分较大,考虑到实际的工程应物形成规律的研究[J].华中理工大学学报,1993,21(S1):106-110用,建议电厂分别以30%和50%的比例将褐煤与8]胡文斌,杨海瑞,吕俊复,等.煤着火特性的热重分烟煤掺混进行燃烧试验,观测燃烧过程中出现的析研究[J].电站系统工程,2005,21(2):8实际问题[9] Arenillas A, Rubiera F, Arias B. A Tg/ Dta Study on the参考文献Effect of Coal Blending on Ignition Behaviour [J]. Journalof Thermal Analysis and Calorimetry, 2004, 76(21): 603Ⅰ]肖毅,李瑛.褐煤及其混煤燃烧特性试验硏究〔J.「l0]刘振海,徐国华,张洪林,等.热分析与量热仪及其能源工程,2012,(5):1-5应用[M].北京:化学工业出版社,20112]李少华,车德勇,张学斌,等.松木屑与褐煤共热解[11]鲁光武,陈海平.生物质与煤掺烧燃烧特性的实验研特性及动力学分析[J].华北电力大学学报,2013,40究[J.电站系统工程,2013,209(4)(4):90-9512] Zhang K H, Zhang K, Cao Y, et al. Co-combustion char-3]方占正,黄孝彬,梁飞龙,等.火电厂混煤掺烧配煤acteristics and blending optimizati on of tobacco stem and软件的开发和应用[J].华电技术,2013,35(11)high-sulfur bituminous coal based on thermogravimetric and2629.32mass spectrometry analyses [J. Bioresource Technology4]孙云,王长安,刘京燕,等.混煤燃烧技术研究进[J].电站系统工程,2009,27(2):1-3,7.[13]刘文珍,陈孟丽.动力用煤热分析特征指标的研究5]马国伟,张晓明,刘建华,等.混煤燃烧过程中的交J].热力发电,1991,(6):16Combustion Characteristics of Bituminous Coal Blended with Lignite UsingThermo-gravimetric MethodYang Zhibin, Ma Ying, Dai Xin, Zhao Jianjun, Guan Yanjun, Zhang Kai(1. Neimenggu Jinglong Power Co. Ltd., Fengzhen 012100, China; 2. Beijing Key Laboratory of EmissionSurveillance and Control for Thermal Power Generation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)Abstract: Based on the actual requirement for fundamental theory of blending lignite in coal - fired power stationscombustion characteristics of lignite, bituminous coal and their blends were investigated by using thermogravimetricmethod(TGA)in this paper. Lignite was blended with two types of bituminous coals in proportions of 10%,30%, 50%0 and 70%, respectively. The ignition index, burnout index and comprehensive combustion index ofsingle and mixed fuels were calculated by means of combustion characteristic parameters. The results show that lignite displays the best ignition and burnout performace, Bao coal is easier to ignite but hard to burn out in the tem-perature range of 550 and 660C. Compared to Bao coal, ZhuHrest toThe performance of combustion can be improved after blending li中国煤化工 e comprehensivecombustion index of blended coals increases with the increasingCNMH GnIng ratio of ligite suggested lignite ration should be controlled between 30%Keywords: coal blends; thermogravimetric analysis; ignition index; burnout index; comprehensivebustion index