TGDTGDTA研究混煤的燃烧特性

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）ITG-DTG/DTA 研究混煤的燃烧特性摘要：煤炭在我国的能源结构中具有重要的战略地位，对国民经济发展与现代化建设发挥了不可替代的作用。然而面对无烟煤等优质动力煤资源枯竭，燃煤电厂不得不采用掺混褐煤燃烧的实际情况，采用常规分析手段和综合热分析对混煤燃烧特性进行研究。本实验采用 TG-DTG/DTA 法研究混煤（无烟煤与褐煤）10:0，9:1，8:2, 7:3， 6:4， 5:5，4:6, 3:7, 2:8, 1:9, 0:10 （重量比）在氧气气氛中以 15/min 的升温速率时的燃烧特性，获得了混煤的燃烧特性参数，比如着火温度（T b） ，最大燃烧速率（ ）及对应的最大燃烧速率温度（ Tm）以及燃尽温度m（T f）等。TG-DTG 研究结果表明：随着褐煤比例的增加着火温度降低但是燃烧时间加长燃尽温度升高，最大燃烧速率和平均燃烧速率有突变；DTA 研究结果表明：随着掺混褐煤比例，挥发分燃烧和固定碳燃烧时间间隔增加 8:2 和 7:3两组混煤在燃烧过程中有两组峰有吸热现象，通过综合燃烧特性指数和可燃指数判断的结果较为一致。最后通过动力学分析法获得混煤燃烧的活化能与反应级数，通过模糊数学法确定较好的混煤配比为 5:5。关键词：TG-DTG/DTA； 混煤； 燃烧特性南华大学机械工程学院毕业设计（论文）IITG-DTG/DTA Study on Combustion Characteristic of Blended CoalsAbstract: Blended coals an important strategic position in Chanas energy structure, on the national economic development and modernization has played an irreplaceable role. However, the face of anthracite and other high-quality thermal coal resources depleted, Coal-fired power plants have to use the actual situation of blending lignite combustion， The combustion characteristics of blended coals were studied by routine analysis method and comprehensive thermal analysis.In this experiment, TG-DTG/DTA method was used to studied the effects of blended coal(anthracite and lignite)10:0,9:1,8:2,7:3,6:4,5:5,4:6,3:7,2:8,1:9,0:10(weigh radio) combustion characteristic at an elevated temperature of 15/min in an Oxygen atmosphere, combustion characteristic of the blended coal were obtained, such as the ignition temperature(Tb), the maximum combustion rate( ), and the corresponding maximum combustion rate temperature(Tm), and the burnet out temperature(Tf). TG-DTG results show that: with the increase in the proportion of lignite, the ignition temperature decreases but the burning time increase the maximun burning rate and the average rate are mutated; DTA results show that：with the proportion of blended lignite, the radio of volatile combustion and fixed carbon combustion increased by 8:2 and 7:3. Two groups of blended coal had two endpoints in the combustion process. Through the comprehensive combustion characteristics index and combustible index to determine the results are more consistent. Finally the activation energy and reaction series of coal combustion were obtained by kinetic analysis. The radio of blended coal was 5:5 by fuzzy mathematics method. Key words: TG-DTG/DTA；mixed coal ；combustion characteristics南华大学机械工程学院毕业设计（论文）III符号表符号 意义 单位 符号 意义 单位t 时间 h m 质量 gT 温度 1 反应后质量 gTb 着火温度 平均燃烧速率Tv 最大燃烧速率温度 T 燃尽温度 燃尽指数E 活化能 kJ/mol S 综合燃烧指数 223N 反应级数 可燃指数DT 变形温度 HT 软化温度 ST 半球温度 FT 流动温度 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 1 页, 共 53 页目录摘要 .IAbstract.II符号表 .III1 绪论 .31.1 我国能源利用现状与煤炭资源 .31.2 本课题研究的目的与意义 .31.3 国内外发展历史与研究现状 .41.4 本课题拟解决的问题和研究方法 .72 混煤的常规分析 .82.1 常规煤质分析与标准 .82.2 无烟煤与褐煤及配煤 .92.3 工业分析设备与实验过程 .102.4 实验分析与总结 .223 综合热分析实验 .243.1 实验仪器 ZRY-1P.243.2 实验过程与方法 .283.4 与其他实验方法的比较 .323.5 本章总结 .33南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页, 共 53 页4 混煤的燃烧特性 .344.1 煤的燃烧过程 .344.2 着火特性与着火温度 .354.3 炭粒燃烧过程与燃烧速度的影响因素 .364.4 燃尽特性与对应温度 .384.5 综合燃烧特性指数与可燃指数 .394.6 其他特征速率与特征温度 .425 混煤的配比分析 .435.3 反应机理函数的选取 .455.模糊数学法 .456 总结与展望 .486.1 全文总结 .486.2 展望 .48参考文献 .50南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页，共 53 页1 绪论1.1 我国能源利用现状与煤炭资源煤炭是我国的主体能源，在今后相当长时期内不会发生根本性的改变，2015 年的电力共生产 58149 亿千瓦小时，其中火电为 42418 亿千瓦小时 1，火力发电占比为 72.95%。产煤 37.5 亿吨。作为一个“贫油”的能源消耗大国，我国在化石能源中天然气和石油使用比例远低于世界平均水平，但煤炭消耗量约占世界的一半。我国的煤炭资源在世界已探明煤炭储量中居世界第二位，但主要分布在内蒙古，山西和山西等中部地区和偏远地区，而主要用电区的东部地区煤炭储量很少。全国预期煤炭总储量有 5 万多亿吨，已探明的煤炭资源有 1.5 亿吨，在已探明储量中，可采储量占 15%以上 2。按今后平均年产原煤 37 亿吨（2015 年数据）计算，仅按现今查明的经济可采储量还可以开采 70 年左右。再根据资源的回采率和损失率等综合因素来推算，今后我国的煤炭资源仍可开采数百年以上。1.2 本课题研究的目的与意义能源是社会发展的基石，而环境是生存的基础。在我国的能源结构中煤炭占比超过 70%，而煤炭利用又主要以燃烧发电（热）和炼焦为主。煤是重要的能源与化工原料，品种多，结构复杂，化学成分差异大，燃烧性质不同的特点。合理进行无烟煤与褐煤掺混燃烧不但能够增加劣质煤资源的利用率，而且能够提高经济收益及生产效率，如果混煤的配比不合理的话，就会导致排放的污染物总量增加以及利用率低下等问题，甚至危害到电厂的安全运行产生。本研究从我国实际情况出发：无烟煤的开采量逐年降低。但是，近期又没有可以代替的能源，在面临优质煤炭资源难以保持国民经济长期稳定发展的约束问题的时候，只有有效利用现有的能源，比如说，我国有十分丰富的褐煤资源，已探明的储量为 1311 亿吨，约占煤炭资源的 13%3。但是对煤质相差很南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页，共 53 页大的无烟煤掺混褐煤燃烧特性的研究还不够深入，在工业应用上也不是十分广泛。煤炭资源分布不均衡以及受制于运输能力，混煤燃烧逐渐成为国内非坑口燃煤电厂常用的做法。随着人们对污染问题的重视。对环保也提出了更高的要求。在电厂的污染物排放中以氮化物，硫化物和粉尘为主，前两种是形成酸雨的主要化合物。而后者是雾霾的罪魁祸首，在冬季采暖期，大部分北方地区，尤其是华北与东北地区时长发生严重的雾霾天气。可见研究混煤的燃烧特性对节约资源保护环境具有重要意义。表 1.1 中国 6 个主要高耗煤行业的煤炭消耗序号 行业 煤炭消耗量（万吨） 占煤炭消耗总量（%）1 电，热生产 170744.2 49.82 炼焦与石油加工 34087.2 9.93 冶金 29971.2 8.74 非金属加工 25031.8 7.35 煤炭开采与加工 24629.9 7.26 化学制造业 16177.2 4.7合计 300669.3 87.6本研究针对中国目前的煤炭使用与开采情况以及成熟的综合热分析技术对混煤进行燃烧特性分析。以获得较好的无烟煤/褐煤配比。采用混煤燃烧的实际意义为：(1)可以有效增加资源利用率:通过在无烟煤中掺烧褐煤可使褐煤炭资源得以充分利用，避免了因运输而增加的成本和不必要的损失。(2)增加购煤渠道，扩大煤粉锅炉的适应性:将无烟煤与褐煤掺混燃烧（其他一种或几种煤） ，只要掺混比例适当就可以使电厂采购不同种类的煤，使电厂不依赖于特定煤种（煤矿及煤企） 。(3)改善锅炉的结渣情况，在比如大多数的无烟煤灰的熔点高于 1400，而褐煤的灰熔点一般在 1100左右，只要在无烟煤中加入褐煤就可以降低灰熔点，缓解结渣问题对锅炉运行带来的负面影响。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 5 页，共 53 页1.3 国内外发展历史与研究现状国内外学者对混煤燃烧特性做多方面的深入研究取得了丰硕的成果。尤其是随着电子与计算机技术和神经算法与模糊数学应用于混煤燃烧的分析研究上取得了巨大的成功。国内外对混煤燃烧特性的研究主要集中在两方面:一是预测混煤的煤质特性和燃烧特性;二是在特定条件下对混煤配比的优化分析 4。1.3.1 国外对混煤的研究对混煤的燃烧技术的研究始于上世纪 50 年代左右。虽然热分析技术（热重分析技术与差热分析技术）已有 100 多年的研究历史，但是由于早期的一些技术限制并没有得到实质的发展。近几十年以来随着技术的进步和对资源，环境问题的严峻形势，使综合热分析广泛应用。M . V. klk 针对 17 个煤样，采取升温速率 10/min 进行热重试验，确定出了着火温度、最大燃烧速率点对应温度和燃尽温度，但是对于煤的整个自燃过程划分不明晰，且没有确定出具体的温度范围 5。Enrico Biagin 用煤和生物质燃料掺混燃烧进行热重分析，试验分析得出着火温度、最大热解率对应点温度和燃尽终温度等，但都没有进行详细的燃烧阶段划分和确定出具体的温度值 6。对混煤燃烧特性较早研究的国家有美国，德国，日本等西方国家。但鉴于国外对混煤的研究重点方向与国内存在着巨大的差异，比如，美国不但煤炭储量第一而且大部分为优质煤，但含硫量较高。在燃煤锅炉中不存在燃烧问题。而且，煤炭资源分布广泛，多集中在工业区与主要用电区不存在运输问题。其研究主要目的是采用掺混燃烧降低 SOx 排放解决污染问题；日本，煤炭资源主要以进口的优质煤为主。主要研究掺混来利用无烟煤和化工废料等低挥发分燃料；德国与中国所面临的状况相类似掺混褐煤来提高劣质煤的利用率。这三个国家的能源结构中新能源与核能占比都很高，因此，无需担心混煤燃烧问题。可以看出国内外对混煤的方向的不同，因此对国内的混煤研究仅具有指导意义。造成我国必须走自己的研究重点。例如Su 等对混煤着火、燃烧过程及燃尽特性的实验研究的结果表明:混煤的燃烧过程中各种成分对燃烧状态是相互影响的。在无烟煤中掺混褐煤可以改善无烟煤的着火特性、燃烧稳定性和燃尽性 7。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页，共 53 页31%19%25%12%13%升温速率 气氛 混煤比例其他 粒度1.3.2 国内对混煤的研究在国内上世纪 80 年代初由上海市燃料总公司提出，研究和应用到电厂的实际应用的，目前已有多所高校和研究机构对混煤的燃烧特性进行研究。但由于以前我国煤炭资源丰富对环境问题不够重视一直采用粗放式发展。因此，对混煤燃烧的污染物排放特性缺乏深入了解，对混煤的燃烧特性仅根据煤的低位发热量和成分含量对煤进行简单的掺混 8。虽然混煤燃烧的某些特性可以通过混煤组成的初始煤中自身特性以及合理权重来确定，但这并不通用尤其是一些重要的燃烧特性无法准确预测。对混煤的燃烧特性的研究起步较晚，又由于早些年对煤的过度开采，使得对混煤的研究迫在眉睫。 随着经济的发展，近年来对混煤的研究越来越深入也越来越多样 化。从图 1 可以看出在知网上搜索关键词“混煤”的论文数量呈快速发展的趋势；从图 2（共 24 篇论文对混煤的研究）可以看出对混煤的研究方向是升温速率和混煤比例的研究，本实验主要在无烟煤中掺混褐煤对燃烧特性的影响 在我国发电（采暖）行业作为煤炭的最大用户年消费了全国商品煤（包括进口煤）50%。近期随着国家对环保越来越重视，在火电行业采取上大压小淘汰落后产能的政策，新建电厂一般多采用超临界锅炉。这种锅炉对不同型号的煤都有较好的燃烧效果。但对于年老无烟煤，由于其挥发分含量低不易燃烧，一般不做电厂燃料，但可以掺混褐煤来使用。因此煤粉配比提出了更高的要求，使锅炉能正常，高效，绿色地07 08 09 10 11 12 13 14 15050100150200年份关于混煤的论文数量图 1.1 07-15 年关于混煤的论文数量图 1.2 对混煤不同影响因素的研究南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页，共 53 页运行。1.4 本课题拟解决的问题和研究方法1.4.1 主要内容本实验就是根据相关标准将无烟煤与褐煤按照 11 种比例（质量比）进行掺混，通过综合热分析和常规分析优化混煤配比。这种混煤虽然