燃煤电厂褐煤混烧特性的热重实验研究.pdf

第 3 7卷第 3期 2 0 1 6 年 6 月 电力与 能源 3 4 9 燃煤电厂褐煤混烧特性的热重实验研究 张 磊 ， 汪后 港 ， 陆 超 ， 曾 彬 ， 沈朝峰 ， 李 小江 ( 华电 电力科学研究 院， 杭州 3 1 0 0 3 0 ) 摘要 ： 采用热重分析方 法研 究了两种褐煤 、 一种烟煤燃烧特性及不 同掺混 比下的混烧 特性 ， 并对动力学参 数 进行 了计算 。结果表 明两种褐煤及褐煤与烟煤 按照一定 比例掺混 ， 有 助于 降低混煤着火 温度 ， 混烧特 性得到 改善 ， 在掺混 比较小时 ， 有相互促进作用 ， 随着掺混 比增加 ， 相对 独立性 占主导 ； 不同掺混 比下 ， 活化能 和频 率 因子介 于各单一样 品之间 。 关键词 ： 褐煤 ； 掺 配烧 ； 热重分析 ； 动力学参数 作者简 介： 张磊 ( 1 9 8 5 ) ， 男 ， 硕士 ， 从事电站系统节能减排及燃 料应 用技术研究 。 中图分类号 ： T Q5 3 4 文献标志码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 1 2 5 6 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 3 4 9 0 5 Th e r m o - g r a v i m e t r i c Ex pe r i me nt a t i o n o n Co - c o mb u s t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s o f Li g ni t e s i n Co a l - Fi r e d Po we r Pl a n t ZHANG Le i ，WANG Ho u g a n g，LU Ch a o，ZENG B i n，S HEN Ch a o f e n g，LI Xi a o j i a n g ( H u a di a n El e c t r i c Powe r Re s e a r c h I ns t i t ut e ，H a n gz h ou 31 00 30，Ch i n a) Ab s t r a c t ：Th e r e s p e c t i v e c o mb u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t wo l i g n i t e s a n d o n e b i t u mi n o u s c o a l a n d t h e C O c o mb u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s wi t h d i f f e r e n t b l e n d i n g r a t i o we r e s t u d i e d i n t h e r mo g r a v i m e t r i c a n a l y s i s me t h o d，a n d t h e k i n e t i c p a r a me t e r s we r e c a l c u l a t e d Th e r e s e a r c h r e v e a l s t h a t t h e b l e n d i n g o f t wo k i n d s o f t wo k i n d s o f l i g n i t e or t he mi xt ur e o f l i gni t e a n d bi t umi n ous c o al a c c o r di ng t O c e r t a i n bl e nd i n g r a t i o he l p t o l owe r t he i g ni t ion t a m p e r a t ur e of t h e bl e n de d c o a l ，a n d i mpr ov e b ur n i ng pe r f or ma nc e W i t h t he l o w bl e ndi n g r a t i o，t he m i x t u r e s mu t u a l l y p r o mo t e t h e c o mb u s t i o n p r o c e s s W i t h t h e g r o wt h o f mi x i n g r a t i o，i t s h o ws t h e r e l a t i v e i n d e p e n d e n c e Un d e r t h e d i f f e r e n t mi x i n g r a t i o， a c t i v a t i o n e n e r g y a n d f r e q u e n c y f a c t o r a r e i n b e t we e n t h o s e o f t h e s i n g l e s a m p i e c o mb u s t i o n Ke y wo r d s ：l i g n i t e ；b l e n d i n g b u r n；t h e r mo g r a v i me t r i c a n a l y s i s ；k i n e t i c p a r a me t e r s 受 限 于我 国煤炭 资源 分 布不 均匀 及运 输 能力 的不足 ， 电站混 煤掺 烧是 国 内 电站 常 用 的做法 ， 然 而煤的燃烧特性对煤粉锅炉的安全经济运行有显 著影响 。文献 2 对褐煤与烟煤在 C R F热态试 验台上进行 了试验研究 ， 文献 3 对两种褐煤混烧 特性 进 行 了热 重 分 析 并 得 到 了 两 种 煤 燃 烧 差 异 性 ， 文献 4 3 针对混煤的煤质特性和燃烧特性开展 实 验研 究 。 然而针对不同机组 、 不同煤质， 混煤与设计煤 质 燃烧 特性 的差别 及在 混煤 掺烧 是 否满 足机 组 高 效 、 经济 、 安全运行等问题亟需解决 。国内电站仅 仅 依据 挥 发分 、 发 热 量 及 污染 物 含 量 等 指标 指 导 掺烧 ， 对混煤掺烧的燃烧特性尚未有详尽 的了解 ， 然 而混 煤 在锅 炉 中燃 烧 时 的着 火 、 燃 尽 及 结 渣特 性 相互 间影 响 很 大 ， 因此 有 必 要 对 混煤 的燃 烧 特 性 进行 试 验研 究 。本 文利用 热重 分析 法 对某 电厂 的两 种不 同 品质 的褐煤 及一 种 烟煤按 一 定 比例混 合燃 烧 ， 研 究 其 混烧 特 性 ， 并 对 表 观 活化 能 、 频 率 因子 等动 力学 参数 进行 了计 算 分析 。在 不影 响机 组正 常运行 参 数 的基 础上 ， 掺 配一 定 比例 更 经 济 的煤 种 ， 降低 电厂运 行 成 本 ， 提 高 电 厂 利润 空 间 ， 以期 为 电厂配 煤 掺 烧 提 供 指 导 和帮 助 ， 优化 配 煤 方 案 。 1 试验材料 实验 采用 P e r k i n E l me r 提供 的 P Y R I S型 T GA 热分析仪。仪器升温范围： 最高至 1 5 5 0 ； 升降温 速率最 高 ： 5 O mi n 。T G解析 度 ： 0 2 g 。 实 验 从 3 0 以 2 O mi n 升 温 速 率 升 至 9 0 0 ， 其 后 降至 室温 。样 品质 量 约为 5 mg ， 反应 3 5 0 张磊 ， 等 ： 燃煤 电厂褐煤混烧 特性的热重实验研 究 气 氛为 空气 ， 流 量为 2 0 ml mi n ， 实 验 煤 样 选 自云 南某 发 电企 业煤 种 褐 煤 A、 褐煤 B和 烟 煤 C。样 品经 过破 碎 、 烘 干 、 粉 碎 、 干燥 、 筛 分 等步 骤制 成样 本 ， 粒径 选 用 1 O 0 1 5 0 g m。3种 试 样 的 工 业 分 析 、 元素 分 析见 表 1 。 由表 1 可 以看 出 ， 褐煤 A 与 褐煤 B空 干基 水分 、 含 硫 量 及 氧 含 量 明显 高 于烟 煤 ， 而收 到基 低 位 发 热 量 明显 低 于 烟煤 C。 由此 可见 ， 两 种褐 煤 与 烟煤 的 组 成成 分 及 性 质 有 明显 差别 ， 而 两种 褐煤 之 间差 别较 小 。 2单一样 品燃 烧特性分析 各单 样 品 T G、 DT G 特性 曲线如 图 1所示 。 O 0 0 2 0 4 0 0 6 童 一 0 8 一 1 0 0 言一 1 2 一 1 4 一 l 6 1 8 图 l各 单 样 品 TG、 DTG特 性 曲 线 由 图 1可 以 看 出 ， 两 种 褐 煤 A、 B 的 TG、 DT G 曲线 相 近 ， 在低 温 阶段 1 0 0 2 0 0 均 有 一 个 失重 过 程 ， 此 过 程是 水 分蒸 发 析 出 阶段 ， 在 2 0 0 6 0 0 又有 一 个 失 重 过 程 ， 此 过 程 是 挥 发 分 析 出 、 固定 碳 着 火 燃 烧 阶 段 。烟 煤 C 的 TG、 D T G 曲线 与 两种 褐煤 有 较 大差 别 ， 低 温 阶 段 水 分 蒸 发 阶段不 明显 ， 表 明 烟煤 的水 分 含量 较 少 ， TG 曲 线 4 0 0 7 0 0 有一 个 明显 的失 重 过程 ， 表现 在 DT G 曲线上 有一 个失 重 峰 ， 挥 发 分析 出 、 固定 碳燃 烧 阶 段 ， 7 0 0 8 0 0 又有 一个 失 重过 程 ， 烟煤 中的难燃 尽 物质 着火 燃 烧 ， T G 曲线 超 过 8 0 0 ， 几 乎 没 有 失 重 ， D TG 曲线 趋 于 零 。与 两 种 褐 煤 相 比 ， 烟煤 挥 发分 析 出较 晚 ， 着 火燃 烧 温度 较高 ， 固定碳 燃烧 阶段 峰 肩较 窄 ， 但 峰值较 大 ， 反应 较 激烈 。 3 不 同掺混 比下燃烧 特性分析 褐 煤 A 掺 混 褐 煤 B 的 D T G 曲 线 如 图 2所 示 。图 2中 ， 掺 混 比 M 定 义 为 褐 煤 A： 褐 煤 B， M 分 别 为 1 ： 4 、 1 ： 2 、 1 ： 1 、 2 ： 1 、 4 ： 1 ， 随 着 掺 混 比 M 增 大 ， 混煤 中褐煤 A 的含量 增加 。 蚓 2小 l司 l F的 DTG 特 性 曲线 由 图 2中可 以看 出 ， 不 同掺 混 比下 的 混 烧 曲 线 皆有 两个 失 重 峰 ， 1 0 0 2 0 0 水 分 蒸 发 析 出 阶 段 ， 不 同掺 混 比下 此 阶 段 变 化 不 大 。2 0 0 6 0 0 为 挥发 分析 出 、 固定 碳 燃 烧 阶 段 ， 随 着 掺 混 比 M 增 大 ， DT G 曲线 峰值 减 小 ， 峰肩 变 窄 ， 曲线 向低 温 端偏 移 ， 表 明褐 煤 A 的添加 ， 有 助 于 着 火 ， 降 低 了 着火温度 ， 但是峰值减小 ， 反应激烈程度降低 。 图 3是 褐 煤 A 掺 混 烟煤 C的 DT G 曲线 ， 掺 混 比 M2 定 义为 褐煤 A： 烟 煤 C， M：分 别 为 1 ： 4 、 1 ： 2 、 1 ： 1 、 2 ： 1 、 4 ： 1 ， 随 着 掺 混 比 M2 增 大 ， 混 煤 中 褐煤 A 的含量 增加 。 由图 3中可 以看 出 ， 不 同掺 混 比下 的混 烧 曲 线 皆有 3个 失 重 峰 ， 1 0 0 2 0 0 水 分蒸 发 析 出 阶 表 1 样 品 的 工 业 分 析 及 元 素 分 析 张磊 ， 等 ： 燃煤 电厂褐煤混烧特性 的热重实验研究 3 5 1 _ c 乒 0 图 3不 同 M2 F的 DTG 特 性 曲 线 段 ， 峰值 随 着 掺 混 比 M：增 大 而 增 大。2 0 0 6 0 0 为 挥发 分 析 出 、 固 定碳 燃 烧 阶段 ， 随掺 混 比 M2 增 大 ， 峰 值 减 小 并 向低 温 端 偏 移 ， 着 火 提 前 。 7 0 0 8 0 0 为褐 煤 难燃 尽 物 质 着 火燃 烧 阶段 ， 随 着掺混 比 M。增大 ， D TG 曲线峰值 减小 ， 峰肩 变 宽 ， 表 明烟 煤 的添 加 ， 增 大 了混 煤 反 应 激烈 程 度 ， 当掺混 比 1 ： 1时 ， 2 0 0 6 0 0 有两个峰 ， 第一个峰 为褐 煤 A 着 火 燃 烧 ， 第 二 个 峰 为 烟 煤 C着 火 燃 烧 。综上 表 明 ， 褐煤 A 掺混 烟煤 C燃烧 过 程 中有 相互促进作用 的同时又保持相对独立性 。 4燃烧特性参数分 析 着火 温 度 是 指 燃 料 达 到 连 续 燃 烧 的 最 低 温 度 ， 是着 火 性 能 的主要 指 标 ， 着 火 温 度 越低 ， 表 明 着火性 能 越好 。采 用 TGDT G 方 法 确 定煤 样 着火 温度 T i 、 ， 而燃尽 温 度 T 定 义 为 试样 失 重 占 总失 重 9 8 时 对应 的温 度 。 综合燃烧特性指数全面反映了试样 的着火和 燃尽性能 ， 越大 ， 则试样的综合燃烧性能越好 。采 用综合燃烧特性指数 S来表征综合燃烧性能_ 6 。 s一 ! ( 1 ) 丁 了 式 中( d w d r ) 最大燃烧速率 ( d w d r ) 为平均燃烧 速率 ， 其值 越 大， 表 明 燃 尽 越快 ； 着 火 温 度 ； 燃尽温度 。 各 单样 品 和不 同掺混 比下 混样 的燃 烧特 性参 数 见表 2所 示 。褐煤 A着火 温 度最 低 ， 褐 煤 B次 之 ， 烟煤 C最 高 ， 表 明褐 煤 A 最 易 着 火 。褐 煤 B 最 大燃 烧速 率 、 平均燃 烧 速率 、 综合 燃烧 特性 指数 优 于褐 煤 A， 燃 尽温 度低 于 褐煤 A燃 尽 温 度 。烟 煤 C 的着 火 温度 、 燃 尽 温 度 较 褐 煤 高 ， 最 大 燃 烧 速 率 、 平 均燃 烧 速 率 、 综 合 燃 烧 特性 指 数 优 于 褐 煤 ， 表明烟煤 C燃烧反应激烈程度剧烈 。 当褐煤 A掺混褐煤 B及 烟煤 C时， 着火温 度 、 燃尽 温度 均介 于两 种褐 煤单 独燃 烧之 间 ， 随着 褐煤 A掺 混 比增 加 ， 混 煤 着 火 温 度 、 最 大 燃 烧 速 率对 应 温度 、 燃尽 温度 均 降低 ， 但 是 反应激 烈 程度 降低 ， 综合燃烧特性指数也降低 。当褐煤 A掺混 褐煤 B 比例 为 1 ： 4时 ， 综合 燃 烧 特性 指 数 高 于两 种褐煤单独燃烧时 的综合 特性指数 ， 表明两种褐 煤在 相互 掺混 燃烧 过程 中有 一定 的相 互促 进燃 烧 作用 。当褐煤 A掺 混烟 煤 C比例 为 1 ： 4 、 2 ： 1时 ， 综合燃烧特性指数均高于单一样 品燃烧时 ， 表 明 褐煤 A掺混烟煤 c在一定掺混 比例下有相互促 进燃 烧作 用 。 5 动 力学参数 的计算 ( 活化能 、 频率 因子 ) 非等温反应动力学方程为L 7 ： 表 2各单样品和不 同掺 混比下混样的燃烧特性参数表 1： 2 A ： B 1 0 7 3 5 0 5 8 9 8 0 9 2 9 7 0 81 6 8 O 8 5 7 0 0 6 4 9 3 7 6 0 8 1 O 57 8 5 O 52 7 8 0 4 0 2 7 A ： C 7 5 4 0 7 5 蚰 弘 弘 O 3 2 O 2 4 6 5 4 8 7 韶 似 铝 O 0 O O 0 1 o9 2 8 3 9 6 0 4 7 3 1 9 6 3 2 O 8 l l 1 1 0 3 5 2 张磊 ， 等 ： 燃煤电厂褐煤混烧 特性的热重实验研究 da 一一1 _k( 丁) 厂( a ) ( 2 )d T 一 ， 转 化率 a定 义为 ： a 一( 一叫1 ) ( 叫。 一 1 ) ， 为燃 尽 时刻 固体 质量 ， 。为初 始质 量 ， 为反 应 结束 时固体残余质量。T为热力学温度 。 k遵 循 Ar r h e n i u s定 律 ， 考 虑 氧 气 浓 度 影 响 后 表达 式 为 ： k Ae x p ( 一 E RT) ( 3 ) 式 中A， E 频率 因子 、 活化能 ； R 一 一常数 8 3 1 4 J mo l K。 于是有 ： d d 丁 a 一 e X p ( 一E RT) f ( ( 4 ) 移 项并 取 对数 得 ： n ( ) 一 In ( ) + 亭 - 厂 ( a ) 的表达 式一 般选 用 ： f ( a )： ( 1 一 ) 因此 ， 最后 可得 ： tn ( 等) 一 In ( ) + 令 式 ( 5 ) 左 边 为 Y， 5F 一 1 T， “ 一I n ( A佃 ) ， b 一 一 E R， 方程 变 为 a +b a r 。假 定 一 个 ”值 ， 采 用最 小 二乘 法 原 理 对数 据 进 行 一 元 线 性 拟 合 ， 根 据 拟合 方程 可 得 到 。 、 b ， 进 而 可 求 出表 观 活 化 能 E( E一一b R) 、 相关 系数 r等参 数 。 计 算 实现 上采 用在 Or i g i n 8 5 1中编制 用 户 自定 义 函数 方 式 来 实 现线 性 拟合 ， 温 度 区 间 选 取 挥发 分 析 出 、 固定碳 燃烧 阶段 ： 即从 着火 温度 到燃 尽 温度 区 间 。 的取 值 区 间 为 ( 0 ， 1 0 ) ， 程 序 中 从 0开 始 ， 每 次 递 增 0 1 ， 最后 选 择 使 相 关 系 数 r 最大 的”作为最优反应级数 。计算结果见表 3 。 从 表 3可 以看 出 ， 相关 系数 R均大 于 0 9 7 2 1 ， 线 性拟 合 效 果 良好 。褐 煤 B 的表 观 活 化 能 和 频 率 因子 是 三种 煤样 中最 小 的 ， 表 明 褐 煤 B着 火燃 烧 所需 能 量最 少 ， 反 应 激 烈程 度 最 弱 。烟煤 C的 活化 能 和频 率 因 子都 是 最 高 的 ， 表 明烟 煤 C着 火 燃 烧所 需 能量 最 多 ， 反 应 激 烈 程 度 最 强 。褐煤 A 与褐 煤 B掺 混 ， 掺 混 燃 烧 活化 能 、 频 率 因 子 介 于 两种单 样 之 间 。随着 褐煤 A 掺混 比增 加 ， 反 应 所 需 活 化能 减小 ， 频 率 因子减 小 ， 当表观 活化 能变 小 时 ， 要 发 生燃 烧反 应需 要 吸收 能量 较少 ， 此 时频 率 因子 也较 小 ， 表 明频 率 因子 与表 观 活 化 能 之 间 具 有补偿 作 用 。褐煤 A 与烟 煤 C掺 混 ， 随 着褐 煤 A 掺混 比增 加 ， 反 应 活 化 能减 小 ， 频 率 因子 也 减 小 ， 当掺 混 比 4 ： 1时 ， 反 应 活 化 能 为 9 2 9 2 5 3 k J too l ， 小 于 褐 煤 A 单 独 燃 烧 活 化 能 ， 表 明 褐 煤 A 与烟煤 C掺混时有一定相互促进作用 ， 与燃烧特 性相 一致 。 6 结 语 两种 褐 煤 工 业 分 析 及 元 素 分 析 之 间差 异 较 小 ， 与烟煤 工 业 分 析 及 元 素 分 析 差 异 较 大 。工 业 分析 与 TG、 D TG 曲线 相 对 应 。两 种 褐 煤 水 分 含 量较 多 ， 在 低 温 阶 段 有 明显 的失 重 峰 ， 而 烟 煤 没 有 。与烟 煤挥 发 分 析 出及 固 定 碳 燃 烧 阶段 相 比 ， 两种 褐煤 挥 发分 析 出及 固定碳 燃 烧 阶段 对应 温度 较 低 ， 峰值 较 小 ， 反 应 激烈 程度 较 弱 。当 两种 褐煤 掺混燃烧及褐煤掺混烟煤燃烧 ， 在一定掺混 比例 下 ， 均 表现 出燃 烧 相 互 促 进 作 用 。动 力 学 参 数 计 算结果表明频率因子与表观活化能之间具有补偿 作 用 ， 动力 学 参数 结 果 与燃 烧 特 性 参 数 结 果 相 一 致 。综上 ， 在电站高负荷运行时 ， 可适当将少量褐 煤 A 掺