（工程热物理专业论文）煤粉着火特性试验研究.pdf

l 浙江大学硕士学位论文 摘要 硒3 9 9 6 i 本文采用热力条件和实际锅炉相似的沉降炉试验系统进行试验，得到了着火 温度指数和烟温温差分布曲线。烟温温差分布曲线反映煤粉燃烧过程中的放热过 程，利用该曲线分析了煤粉开始着火时的反应方式；通过煤质的工业分析和元素 分析等独立变量对着火温度指数的回归分析，确定各变量对着火难易的影响，同 时结合烟温温差曲线建立了单煤着火难易模型。 研究混煤及其组分单煤对着火的影响，确定了混煤着火难易模型，可以利用 混煤和单煤各自着火难易模型得到的着火难易指数进行对比分析，比较它们的着 火难易程度。 在单煤试验结果的基础上，分析影响煤粉燃烧稳定性的因素，利用烟温温差 曲线和着火温度特征指数建立了煤粉着火稳定性模型，并且采用混煤试验结果对 其进行分析校验，确定了其精确性。 关键词：煤粉混煤善必着火稳定性 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e h e a t i n g c o n d i t i o no f1d f u r n a c ei ss i m i l a rw i t hw h i c ho fa c t u a l p u l v e r i z e d - c o a lb u m e r i ti su s e d t od o p u l v e r i z e d - c o a lc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t i nt h i s p a p e r i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ei g n i t i o n t e m p e r a t u r ee x p o n e n t so fp u l v e r i z e d c o a la n d t h ed i f f e r e n c e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f c o m b u s t i o ns m o k ea r eo b t a i n e d t h ed i f f e r e n c e - t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc o m b u s t i o ns m o k es h o w st h ep r o c e s s o fh e a t r e l e a s eo fp u l v e r i z e d - c o a lc o m b u s t i o n f r o mt h eo b t a i n e dc u r v e s ，r e a c t i o n m o d e o f p u l v e r i z e d c o a li g n i t i o np r o c e s s i sa n a l y z e d t h r o u g h t h er e g r e s s i o na n a l y s i sb e t w e e ni n d u s t r i a l & e l e m e n t a r ya n a l y s i so fc o a l a n dt h e i g n i t i o n t e m p e r a t u r ee x p o n e n t o fp u l v e r i z e d c o a l ，a f f e c t i o no fa l lo t h e r v a r i a b l e so n i g n i t i n g c h a r a c t e r i s t i ci sc o n f i r m e d t h e n c o m b i n e dw i t ht h e d i f f e r e n c e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fc o m b u s t i o ns m o k et h e i g n i t i n g m o d e lo f s i n g l e c o a li sb u i l t b y s t u d i e dt h ea f f e c t i o no fm i x e d - c o a la n ds i n g l e c o a lo ni g n i t i n gc h a r a c t e r i s t i c ， t h ei g n i t i n gm o d e lo fm i x e d c o a li sb u i l t i g n i t i n ge x p o n e n t st h a tc a l c u l a t e df r o mt h e t w od i f f e r e n tm o d e l so fm i x e d - c o a la n ds i n g l e c o a la r ea n a l y z e d t h e nt h e i ri g n i t i n g c h a r a c t e r i s t i cc o u l db ec o n t r a s t d e p e n d e do nt h es i n g l e c o a le x p e r i m e n tr e s u l t s ，m a i n f a c t sw h i c hi n f l u e n c e c o m b u s t i o ns t a b i l i t yo f p u l v e r i z e d - c o a la r ea n a l y z e d t h e nt h em o d e l o f c o m b u s t i o n s t a b i l i t yo fp u l v e r i z e d - c o a li sb u i l t i ti sc h e c k e db ym i x e d c o a le x p e r i m e n tr e s u l t s t h e a c c u r a c yo f t h em o d e l i sp e r f e c t l y 。 k e y w o r d s ：p u l v e r i z e d c o a l m i x e d - c o a l i g n i t i o n c o m b u s t i o ns t a b i l i t y 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节能源状况 l 世界能源状况 能源是实现经济可持续发展的重要保障，也是人类赖以生存的基础。是实现 农业、工业、国防以及科学技术现代化和提高、改善人们生活水平的必要条件， 是现代化生产的主要动力和重要原材料的来源。能源直接影响人类经济生活和世 界政治趋势。 世界能源消费中，随着经济的发展，能源消费结构在优化，煤消费结构在变 小。在5 0 年代到6 0 年代前期，煤炭的消费占第一位，占5 0 以上，到了6 0 年 代后期，煤炭的消费退居第二位，实行以油、气为主的能源结构，到了9 6 年， 石油、天然气、水能、核能等优质能源占了7 3 ，表1 1 为世界能源结构的变化。 在经济发达国家，能源结构中以油、气等为主要能源，煤炭的比重减少，不占主 要地位，如表1 2 所示为发达国家的能源消费结构比较表。虽在能源消费结构变 化过程中，煤炭消费比例减少，但是在实际的消费量中，呈现快速增长的趋势， 1 0 0 多年前，全世界的煤炭消耗量只是5 亿吨，到1 9 8 0 年达到了1 0 0 亿吨，到 本世纪末已经是达到了2 0 0 亿吨，煤炭的消耗呈指数上升趋势。 表1 1 世界能源结构的变化 2 我国能源结构 我国的能源资源总量居世界第三位，其中煤炭储存为1 0 2 2 9 亿吨，石油的储 量9 4 0 亿吨，天然气储量3 8 亿m 3 ，水力资源储量6 7 6 亿k w 。解放后我国的能 源状况虽发生很大的变化，但还是没有摆脱以煤为主的能源结构。 煤炭是世界上最丰富的燃料，占世界一次能源的2 3 。同时我国是世界上最 大的煤炭生产国和消费国，1 9 9 9 年生产原煤1 0 4 5 m t ，占世界煤炭总量的2 4 3 ， 占次能源总产量的6 8 2 ，占一次能源总消费量的6 7 1 ( 表1 3 ) 。我国7 7 浙江大学硕士学位论文 的发电能源、6 5 的化工原料、4 5 的民用商品能源都是由煤炭提供的。丰富的 煤炭资源和我国历史、经济等方面条件相结合，形成了我国能源结构以煤为主的 格局。并且，在今后相当长的时间内，这种以煤为主的能源结构不会有很大变化。 中国的经济发展和社会生活是建立在国产能源基础上，煤炭占全国常规能源探明 量的9 0 以上。探明保有量超过了1 0 ，0 0 0 亿吨，居世界第三位。建国以来我国 的能源结构发生了很大变化，但是煤炭始终是占有主要地位，而且到本世纪初， 这种能源结构也不会发生很大的变化。 表1 31 9 8 0 1 9 9 9 年我国一次能源消费及结构 在1 9 9 7 年完成的全国第三次煤炭资源预测与评价中表明，中国2 0 0 0 m 深度 内为5 5 7 万亿吨，1 0 0 0 m 深度为2 8 6 万亿吨。在煤炭储量中，烟煤占7 0 以上， 褐煤占1 3 ，无烟煤占1 2 ，适用炼焦、造气的原料煤占2 5 ，动力煤占7 5 ( 表1 4 ) 。 中国所消费的煤炭资源占商品能源的7 5 ，是世界上最大的煤炭消费国家， 大约有8 0 的煤碳资源是用在电厂锅炉和工业锅炉。表1 5 所示为中国的煤炭资 源在各行业的消费。 3 我国煤炭资源的分布 中国煤炭资源分布广泛，但不均匀，除上海市外，其他省区都由煤炭资源， 全国煤炭资源量的9 0 分布在秦岭一大别山以北地区，9 1 分布在大兴安岭一雪 浙江大学硕士学位论丈 表1 4 中国1 9 8 0 1 9 9 9 年品种原煤产最 炼焦煤动力煤 无烟煤褐煤 】9 8 0 3 0 8 3 31 5 8 5 31 2 89 7 2 4 31 1 9 8 53 9 1 0 9 2 6 6 6 918 29 73 22 2 1 9 9 05 1 2 7 7 3 0 8 1 72 1 2 8 54 55 1 1 9 9 56 0 7 4 9 3 7 0 8 62 6 4 3 34 9 5 0 1 9 9 66 2 2 7 74 11 1 4 2 8 5 6 55 45 2 1 9 9 76 3 7 5 63 8 8 9 6 2 4 1 5 75 71 7 1 9 9 85 5 3 8 7 3 9 9 2 22 2 8 6 55 0 7 7 1 9 9 94 4 9 1 2 3 6 7 1 31 8 18 l4 5 5 7 峰山一线以西。主要成煤时代：北方是晚石炭世，南方是晚二叠世。其中跨越陕、 内蒙古、宁夏、四川等地区的鄂尔多司煤田，是世界级的大煤田，煤炭资源超过 1 0 0 0 g t 。在煤炭储量中，山西占2 5 9 ，内蒙古占2 2 4 ，陕西占1 6 1 。在中 国大陆3 1 个省、直辖市和自治区中，1 9 9 9 年有9 个省和自治区的产量超过4 0 m t ， 其总产量占全国总产量的7 0 。9 9 年产量大于1 0 m t 的矿区有1 6 个，其中大同 的产量是2 9 5 9 m t ，平顶山是1 8 9 9 m t ，开滦1 8 8 m t ，西山1 7 0 1 m t 。 从上可以看到中国煤炭资源分布的区域性不均衡，大量的煤炭资源蕴藏在经 济相对落后的西北、华北及中南的部分地区，而在工业较发达的广大南方以及沿 海地区储量相当有限，而且多是些劣质煤。所谓的劣质煤是指那些高灰分、低挥 发分、低热值、高水分、高硫分的煤种。这包括的范围很广泛，福建9 8 以上是 无烟煤，广东无烟煤和褐煤各占4 5 ，湖南和广西无烟煤比例也超过6 6 t 江 3 一 浙江大学硕士学位论文 西和浙江劣质烟煤产量占总量的8 0 ，劣质煤着火困难，火焰不稳定以及燃尽困 难限制了他的应用范围，经济的发展使得这些地区煤炭资源无法得到满足，于是 就只能从其他的地区运送煤粉。表1 6 所示为煤炭的运输情况。 表1 61 9 9 0 1 9 9 9 年的煤炭的运输情况 1 从能源状况看研究的意义 第二节研究的意义 我国地大物博，物资丰富，但因人口众多，能源资源相对来说缺乏，可以概 括为“总量丰富，人均不足”。而且能源利用效率低，产值能耗水平与国际水平 相差很大，这些都对保证我国在下世纪中叶达到中等发达国家经济水平有举足轻 重的影响。在中国和印度这样的一些发展中国家，拥有大量的煤炭资源，并且煤 碳起着重要的作用，我国所消费的煤炭占商品能源的7 5 ，是世界上最大的煤炭 消费国家，大约有8 0 的煤碳资源是用于电厂锅炉和工业锅炉矗e 国煤碳分布广， 区域性分布不均衡，动力用煤从褐煤直到烟煤、无烟煤，煤质差别比较大，燃烧 过程中出现的问题就相对增加。 我国火电供电标准煤消耗为4 1 2 9 k w h ，而国际先进水平为3 1 7 9 k w h ，高出 近l o o g k w h i “。煤的利用效率不高，究竟如何利用煤炭资源，提高电站锅炉效 率，降低发电成本，保证电站锅炉安全、稳定、经济运行己成为我们刻不容缓的 任务。煤燃烧特性是一个很关键的环节，关于煤燃烧特性现在来说还是没有一个 很成型的理论，很难根据常规分析得到很精确的数据来。 2 从电厂用煤角度看研究的意义 浙江大学硕士学位论文 煤的燃烧特性是一个很关键的环节，对中国用煤大户电厂来说，由于近年来 轻工业、商业和民用电急剧增加，电网峰谷差大大增加，因而电站锅炉的调峰任 务日益紧迫，但是燃煤机组降负荷运行的一个主要问题是燃烧不稳定，对劣质煤 尤甚，所以着火问题的解决是一个很重要问题；另外燃烧器的设计主要是要考虑 到煤种着火问题，三高理论的产生是以着火问题为基础来考虑的，伴随其产生的 问题是煤粉浓度多少最合适，也可以说是最佳煤粉浓度的问题；由此产生二次风 和一次风的问题，其中包括：关系到紊流的一些问题，一次风和二次风的配置、 混合问题等。煤的着火性能对锅炉的影响不单单是着火稳定性，还关系到结渣、 高温腐蚀等问题，一般希望煤粉气流在离开燃烧器不远处就能稳定着火，如果燃 烧过早，可能使燃烧器喷口因过热而被烧坏，也易引起喷口结渣；如果着火过迟， 就会推迟整个燃烧过程，致使煤粉来不及烧完就离开锅炉，增大机械未完全燃烧 损失，另外着火推迟还会使火焰中心上移，造成锅炉出口处对流受热面结渣。煤 着火特性的研究意义不仅仅是锅炉着火问题，而且也关系到煤的储存问题。煤着 火性能过优，在输煤管煤粉就有可能着火，并且在煤场会发生自燃，这就要求我 们对煤着火特性进行大量而深入的研究。着火特性是煤粉在特定环境中物化特性 的反映。 在我国近年来电力工业发展迅速，火力电站的装机容量在增大，单机容量已 经由七十年代的1 0 0 2 0 0 m w 为主发展到现在的3 0 0 , - 一6 0 0 m w 为主机组。估计到 本世纪末，火力发电用煤约占原煤消耗的1 3 ，由于煤耗量大，煤的运输能力不 足以及有关火电站尽量燃用劣质煤的政策等原因，大型电站不可能用单一煤种， 而是燃用两种或是多种按一定比例掺配的混煤，在1 9 8 2 年各类牌号煤的掺烧量 已经达到了4 4 ，1 9 8 7 年有近5 0 的电厂烧非设计煤种或者是混煤，近几年掺 烧现象一直在加剧。混煤虽然只是简单的机械混合过程，其燃烧特性并不是组分 煤种的简单叠加。由于单一煤的组成以及特性不同，混合后不同煤质的颗粒在燃 烧过程中相互影响、制约，使得混煤煤质特性比单一的煤复杂，目前对混煤的特 想了解比较缺乏，使得很多的电厂在实际运行当中存在问题。近年来对混煤也开 始了很多的研究。 3 从研究发展看研究的意义 煤的燃烧特性包括着火特性、挥发分释放特性、燃尽特性、结渣特性、表面 及孔隙特性、污染特性、热解特性、膨胀特性等，对于电厂锅炉的安全经济运行 来说，主要考虑的着火特性、燃尽特性、结渣特性。对于煤的燃烧特性来说，单 煤的性质还没有一个成型的理论，现在学者得到很多判据都是针对一定的试验条 件得到的，在离开这个试验条件来说一般都是很难利用其进行判断的。煤的燃烧 本身可以说不是煤本身固有属性而是和加热条件等有关的。 在国外对混煤的研究起始与七十年代，其中发展较好的是美国、同本、德国、 一5 浙江大学硕士学位论文 英国等国家。在美国，动力用煤大部分是优质煤，在煤粉炉内燃烧不成问题，而 是将研究的精力集中在污染物的控制方面；在德国，混煤的燃烧起始与七十年代， 主要是针对混煤的着火性、可磨性等进行分析，主要结论是混煤的掺混比例对煤 着火性能有一定的影响，在低氧环境中混煤着火性随掺混比不同，变化趋势不同， 对于粗颗粒，不同的氧浓度下掺混比例变化对着火性的影响比较明显；在日本目 前对挥发分比较低的混煤燃烧特性进行比较深入的实验研究，主要是采用反应管 试验和试验炉试验，目前更深入的试验是控制污染物排放的增加和机械未完全燃 烧损失增加【2 l 。在我国，煤碳资源丰富，煤质差别也比较大，对混煤的研究主要 在着火特性、燃尽特性和结渣特性方面。在武汉华中科技大学，西安热工所等单 位都对混煤燃烧特性进行了一定的研究，并且得到了一定的成绩。 对于单一煤质的煤来说要得到准确和通用的规则已经很难，那么对于混煤来 说难度则更要增加，因为混煤虽然只是简单的机械混合，但是燃烧性质并不是单 煤简单的叠加，因而问题更多，现在也没有很成功的公式或者是理论，也就是针 对煤的燃烧性质还需要做很多的工作。本文作者就是要在前人工作基础上，针对 煤的燃烧性质继续做一些工作，其中包括混煤和单煤的着火和燃烧性质。 第三节着火研究过程中的问题 对于煤燃烧特性来说，煤燃烧性质还没有一个成型的理论，主要问题是： a 实验手段不统一：现在的实验手段无法统一，如热天平和沉降炉对煤粉的着 火状况的研究都有自己的优越性，但是现在还无法得到关于这两种实验手段的统 一点，无法结合两者的优越性综合对煤粉的着火情况进行分析。 b 影响因素考虑片面性：煤粉着火燃烧的影响因素中，目前主要考虑挥发分对 着火的影响，得到的关于煤粉的着火燃烧模型的校验数据也主要是采用工业分析 中的挥发分，关于灰分、水分、焦渣特性等对着火的影响研究不深入。 c 机理研究不深入：煤粉着火燃烧过程可以分为：挥发分的析出、水分的析出、 焦碳的燃烧等阶段( 其中包括三者的同时进行) ，就目前的实验手段，很难得到 关于煤着火情况的机理性研究。尤其对于沉降炉、着火指数炉等实验系统来说， 其着火过程只是在很短的时间内完成。 d 判据适应性差：现在学者得到的很多判据都是针对某一特定的试验条件得到 的，在离开这个试验条件下，一般很难通用，因为煤燃烧特性可以说不是煤本身 的固有属性而是和加热条件等有关的。 e 煤质情况复杂：对于煤粉本身的性质来说，即使是来自于同一煤矿的煤，由 于来自不同的煤层，煤质情况也有很大的差别，这也给研究增加了一定的准度。 f 混煤着火研究困难：对于单一的煤质来说要得到准确和通用的规则已经很 难，那么对于混煤来说难度则更要增加，因为混煤虽然只是简单的机械混合，但 浙江大学硕士学位论文 是燃烧性质并不是单煤燃烧性能的简单叠加，因而问题更多。 在研究煤粉着火燃烧方面还存在上述的问题，因此针对煤的燃烧性质还需要 做很多工作，本文作者就是想针对煤着火燃烧性能做一些工作，就混煤和单煤的 着火燃烧燃烧特性分别进行分析和研究。 第四节本文的目的 从以上关于煤粉着火燃烧的问题和得到的结论出发，本文作者设想采用煤粉 沉降炉试验系统对不同的煤种，就分析灰分、挥发分、水分等对着火的影响进行 一些工作：建立着火难易模型和着火稳定性模型；回归分析灰分、挥发分、水分、 固定炭和着火难易模型的关系。 沉降炉系统对实际的锅炉热力运行条件模拟性强，同时可以更改运行参数， 如一次风温、沉降炉负荷等参数，预测煤粉在不同的运行工况下的着火特性。 实验分为单煤和混煤两个方面进行，通过单煤的试验分析： 挥发分、水分等因素对煤粉着火的影响； 对煤粉着火燃烧反应机理进行分析； 提出煤粉着火稳定性模型和着火难易模型，采用回归分析的方法，分析着火 温度指数和工业分析、元素分析的关系，做到在已知工业分析和元素分析的 时候可以预测煤粉着火难易程度； 建立煤粉着火稳定性模型。 混煤的燃烧特性较单煤复杂，对于混煤着火燃烧情况分析： 由不同煤质煤种( 煤质的区分标准：挥发分含量，着火温度指数，灰分，发 热量。其中主要考虑挥发分、着火温度指数) 组成的混煤，其着火特性的变 化情况； 建立混煤着火难易模型； 分析组分单煤对混煤着火的影响，在已知单煤着火稳定性的情况下可以预测 混煤着火稳定情况。 浙江大学硕士学位论丈 参考文献： 1 徐建国用热分析法研究煤的热解特性，燃烧科学与技术，1 9 9 92 2 邱建荣混煤燃烧特性的试验研究及燃烧特性指数的确定，1 9 9 3 ，7 3 张喜文、王海啸在1 4 0 0 c 条件下粉煤的挥发分释放特性，电站系统工程，1 9 9 2 4 陈春元燃料着火及燃烧稳定性判别方法，锅炉技术，1 9 9 3 ，4 5 魏兆龙、杨义波煤种燃烧稳定性试验研究，锅炉技术，1 9 9 9 ，1 0 6 姚强、岑可法多煤种配煤特性的试验研究，锅炉技术，1 9 9 7 ，4 7 陈鸿煤粉燃烧过程中挥发分的析出及残焦的反应性，1 9 9 4 ，3 8 朱群益、赵广播等煤燃烧特征点变化规律的研究，热能动力工程，1 9 9 7 ，9 9 杜蕴莹当前我国的能源状况与节能江苏电力科技信息2 0 0 0 1 0 史学峰混煤燃烧的现状及混煤质量控制对策煤质技术1 9 9 8 ，3 1 1 王庆一中国煤炭工业：演变及前景( 上) 中国煤炭，2 0 0 1 ，l 1 2 王庆一中国煤炭工业：演变及前景( 下) 中国煤炭，2 0 0 1 ，2 浙江大学硕士学位毕业论文 第二章煤的着火燃烧 第一节煤的着火性质 1 前言 煤是一种很复杂的固体燃料。除了含有水和矿物杂质外，其可燃成分主要是碳 和氢，并和所含的少量氧、氮、硫一起构成有机聚合物。煤在受热时，煤粒表面和 缝隙里的水分逐渐蒸发成为干燥的煤，同时逐渐使最易断裂的链状或环状碳氢化合 物释放出来，即有挥发分释放出来。挥发分的释放速度和煤的特性、加热终温、加 热速度有密切的关系。释放出来的挥发分和氧气相遇，达到着火条件时就开始燃烧。 温度继续升高，挥发分释放后剩下的是结构类似于石墨，由很多微小颗粒组成的焦 碳。焦碳的着火和燃尽是很困难的，常常在烧掉部分或大部分挥发分以后，才开始 剧烈的氧化反应。 燃烧特性是煤的重要性质。一般认为，在煤的燃烧过程中从开始干燥、挥发分 析出到挥发分大部分烧完，大约只占煤燃烧时间的1 0 ，而9 0 的时间是用于焦碳 燃烧。由于在煤燃烧过程中挥发分的燃烧时间相对于焦碳的燃烧时间短的多，因而 在研究煤的着火燃烧过程中往往把注意力集中在焦碳的燃烧上，而对挥发分的燃烧 关注甚少。真正对挥发分燃烧引起重视是研究煤的转化以及污染控制开始的。 现在在研究煤的燃烧方面有很多方法，主要采用的实验方法是热天平的热重分 析、差热分析实验，还有管式沉降炉、维炉、着火指数炉中的燃烧实验，孔隙分 析仪的比表面积分析实验。对于煤燃烧稳定特性也有很多的判据，在第二节着火模 型和着火指数中作详细地论述。 2 煤的着火机理 煤的着火是个复杂的问题。其研究内容有着火的感应期、火焰传播、回火等课题。 煤的着火特性很大程度上取决于煤粒的排列和集合形态。一般可以分为单颗煤粒、堆 积煤层和煤粉雾三种集合形态。不同的堆积形态，煤着火特性不同，关于煤粉火炬着 火的研究主要是单颗煤粒和煤粉雾着火，燃料从没有察觉发生反应到转变成迅速发生 反应的状态称为燃料的着火。 着火机理：第一种认为是燃料和氧化剂混合物开始于自发的化学反应，这种着火 称为自着火。第二种着火方式是在燃烧室中，燃料与氧化剂混合物受到外界加热或灼 热燃烧产物的回流与可燃混合物掺混使本身温度还有反应速度迅速上升的过程，这种 着火称为强迫着火。强迫着火也可以说是点燃着火，目前就燃烧系统结构的不同，点 燃方式也不尽相同，大体上点燃方式可以分为三种：炽热壁点火、电火花点火、气流 点火三种形式。而本文试验系统是沉降炉系统，点火方式是炽热壁点火。 k 一 浙江大学硕士学位毕业论丈 煤粉着火过程是多阶段过程，最初的着火可以是均相着火也可以是多相着火。一 般对大于1 0 0l am 的大颗粒在低于1 0 0 。c s 的温升速度条件下，往往是由热分解产物 挥发分引起的均相着火。而小颗粒较多是发生在煤粉表面的多相着火。均相着火有两 个阶段：挥发分初始着火和挥发分燃烧；多相着火可以分为三个阶段：第一阶段是在 与氧气直接接触的整个煤粒表面上发生着火，第二阶段是挥发分在煤粒外部发生着火 燃烧，第三阶段是在热分解将结束时的焦碳再次着火。当然还可以是均相和多相着火 同时发生的联合着火方式。 3 着火温度的研究 着火温度是煤粉氧化反应速度突变的温度，表观反应现象是煤粉发生着火时的温 度，采用不同实验仪器去测定着火温度方法也不同。 着火温度在热天平上的确定方法最常用的是t g d t g 法，在d t g 曲线上，过峰 值作垂线与t g 曲线交于一点a ，过a 点作t g 曲线的切线，该切线与过失重开始点 平行于温度轴的直线的交点b 所对应的温度定义为着火温度。如图2 1 所示。 在沉降炉、着火指数炉、一维炉的实验中，测量着火温度指数的机理是从传热的 角度考虑，即煤粉的燃烧取决于吸热和放热平衡。理论公式如下： q l = q g q l 煤粉吸热量 q g 煤粉放热量 从这个意义上讲着火温度不是煤本身某种物理化学常数，不是煤的固有特性，而是实 验条件与煤的本身性质相结合的一个综合参数。当吸热和放热平衡时定义煤粉颗粒温 度为着火温度指数，但是试验过程中煤粉颗粒温度很难确定，只能采用其他等量的参 数代替，为此不同学者曾经提出了许多不同的方法。目前典型的确定方法是壁温和煤 图2 1 着火温度的确定方法 粉气流温度相同时的煤粉气流温度定义为煤粉着火特征温度t p 。方法是用两根热点偶 浙江大学硕士学位毕业论文 测量同一截面的烟气温度和炉膛壁面温度，当这两个温度相等的时候定义其为煤粉着 火，测量得到的烟气温度作为着火温度特征指数。 第二节着火模型和着火指数 1 着火模型 对于煤着火问题的研究开始于十九世纪中期，传统观点认为煤的着火是开始于释 放出挥发分的均相着火，本世纪六十年代h o w a r d 等人证实可能有开始于煤粉颗粒表 面的非均相着火；当前已经公认，颗粒开始着火的方式随受热速率和粒径尺寸不同可 能有三种情况：均相着火、多相着火和均相以及非均相的联合着火。并且就着火问题 建立了很多的着火模型。 1 1 着火模型的大体的建立思想 a 按照粒子能量方程和气体能量方程来建立的； b 反应是一级反应： c 挥发分的生成按照等粒径进行，煤粉颗粒表面的氧化反应按照等密度进行； d 生成产物是c 0 2 ； e n 。值等于2 ； f 颗粒内部温度均匀。 g 混煤的着火过程中认为各组成成分煤种保持各自的燃烧特性不变，则在燃烧 过程中，只是认为两种煤粉燃烧的简单叠加过程。 h 煤粉着火模型实验数据的拟合和校对基本是采用沉降炉的实验数据。 1 2 模型的理论方程 煤粉颗粒的能量方程 扣鲁也，也棚。 q 。，颗粒表面氧化反应放热量； q 。颗粒与气体间的对流换热量； q 州辐射源与颗粒间的辐射换热量。 气体的能量方程 吉硝彤。警= q ，地q ， q 。挥发分反应放热量； q 。固相转化成液相所携带的热量。 同时从传热的角度来说，煤粉开始着火的时刻也就是吸热和放热的平衡时刻， q ，l 矗2q ，i 矗 浙江大学硕士学位毕业论文 d q , l d 4 ，。= 坦，斫l 。 其中： q 。煤粉的吸热， q 广煤粉的放热， 当吸热和放热总量相等，吸热和放热的速率也相等时，煤粉开始着火，这时的温度定 义为着火温度特征温度指数。 混煤的着火只有在高挥发分煤析出的可燃成分与低挥发分煤析出的可燃成分在 煤表面组成的混合可燃气体达到一定浓度时才发生。因而引入了可燃气体混合物可燃 极限的概念。假定：煤粒在空气中热解或燃烧反应的产物以扩散方式离开颗粒表面， 并在其边界层内建立一个可燃物的浓度梯度。据上述分析建立混煤着火模型如下： ( 1 ) 高挥发分煤析出挥发分的热解反应 单位颗粒表面上挥发分可燃成分的生成率 = d 0 4e x p ( 一e o r l ) 。挥发分的最大产率； 堍煤粒直径，c m ； a 。煤的热解反应频率因子，s ； 昂煤的热解反应活化能，j m o l ； ( 2 ) 低挥发分煤在着火时碳氧化成一氧化碳的表面反应 单位煤粒表面上碳氧化成一氧化碳的生成率为： 。= 只a x 妒e x p ( 一e o r 0 ) l p 。 p 气流中氧气的分压，p a ； a 碳表面反应的频率因子g c m 2 sp a ； e 碳表面反应的活化能，j m o l ； 了 碳粒表面温度，k ； p 咄叫o 的密度，g e m 孓 ( 3 ) 着火前颗粒表面的可燃气体浓度 由传质相似准则s h = 2 ，并忽略可燃气体在边界层中的氧化，则颗粒表面的混合 可燃气体浓度可以表示为： 厶。= ( + 。) d o ( 2 见。) d m 。混合可燃气体在空气中的扩散系数，c m 2 s ； ( 4 ) 高温下气体的可燃浓度极限 厂。“= ( y ，f 。) 。 y 第1 种气体在混合气体中摩尔浓度： 厂，高温下第1 组分的浓度极限。 浙江大学硕士学位毕业论文 在临界工况下，以。和厶。相等，可以求出着火时煤粒的表面温度瓦。 ( 5 ) 颗粒与气体的温差 按单个煤粉颗粒的热平衡关系得到 p 。q m 。爿e x p ( 一e 。r 0 ) = 2 ( 耳一) + 茚( 巧4 一咒4 ) q m 。碳氧化成c o 时的反应热j g ： 九空气的导热系数，j c m s k ； 煤粉颗粒的表面黑度： 6 斯蒂芬玻尔兹曼常数，j c m 2 s k 。 2 判别指数 常规分析法 ( 1 ) 干燥无灰基 参考标准是用煤国家分类标准，判别标准如下： ， 9 - 1 9 难稳定区 1 9 2 7 中等稳定区 2 7 , - - 4 0 易稳定区 4 0 褐煤区 ( 2 ) 空气干燥基圪， 4 9 1 4 难稳定区 1 4 - 1 9 中等稳定区 1 9 - 2 3 易稳定区 2 3 褐煤区 在很多的文献中都是采用褐煤区而不是易燃烧区的概念，在这里一起解释：水分达 4 0 - 6 0 煤，虽然p o 很高，但是在采用低温稳燃技术上，仍应该注意其炉内 燃烧稳定性问题。 采用挥发分作为判别指数，只是要得到一个大致区间的概念，煤粉着火不单 单受挥发分的影响还要受到其他条件影响，目前的判别标准还没有达到统一，但是 器个判别标准之间必须有一个统一的依据，否则各个判别指数之间无法进行对比和 浙江大学硕士学位毕业论文 通用，挥发分则正起到了桥梁的作用。 。 其中挥发分采用干燥无灰基的判别指数认为着火稳定性问题只是受到挥发分 的影响，其中甚至没有考虑到水分、灰分的影响。空气干燥基在一定程度上考虑了 水分的影响。空气干燥基在干燥无灰基基础上得到的一个标准，并不是直接对结果 进行分析得到的，也还存在一定的缺陷。 作为一个判别指数的大致标准，挥发分指数还是很可靠的。但是在实际问题的 解决当中，应该按照具体的标准，只是当所采用的标准严重超过了挥发分指数标准 的时候应该对所采用的标准进行修正。 ( 3 ) 燃料比 一般说来煤的着火温度指数随挥发分降低而升高，但是对于挥发分相近的煤种， 挥发分不能h 很z 好表征煤粒着火特性。煤的固定碳和挥发分比值称为燃料比，作出着火 温度，。和燃料比( f c p 0 ) 的关系曲线图2 2 ，从其中可以知道着火温度和燃料比的关 系基本成线形关系。用线性回归分析方法，得到混煤着火温度和燃料比的关系式为【6 】： t ，= 3 3 2 3 ( f c ) + 4 3 9 7 ( r = 0 8 9 5 0 ) 它也是判断煤燃烧性能的指标。从公式中看到：燃料比越小，煤着火燃烧越容易、 燃烧性能越好。一般认为燃料l n , 于2 0 时，煤的燃烧性能好。对于燃料比大于3 0 的煤种，如果采用水平燃烧的方式的时候就要采取措施，以利于燃烧稳定和提高燃烧 效率。 p5 2 0 毯 赠 翥5 0 0 1 41 82 2 2 630 燃料比v c v 。d 图2 2 着火温度和燃料比 ( 4 ) 工业分析的组合指数 这个指数是采用着火指数炉测定煤粉的着火温度指数计算得到的。 浙江大学硕士学位毕业论文 t = 6 5 4 1 9 + + 04 3 + a 。一4 5 + m 。，( ) 判别界限如下： t 6 3 8 极难稳定区 t 6 1 3 , 6 3 8 难稳定区 t i 5 9 3 , 6 3 8 。c ，中等稳定区 乃 5 6 0 5 9 3 ，易稳定区 力5 6 0 ，褐煤区 这个指数反应了着火的稳定性和挥发分、内在水分、灰分的关系，挥发分和内在水分 有利于着火的稳定性，灰分不利于着火稳定性。较挥发分指数有很高的精确性。认为 挥发分对着火稳定性影响最大，而灰分和水分的影响接近。但是在着火指数里的水分 影响权重却高于挥发分的权重。 着火指数炉指数 是利用着火指数炉来判别着火稳定性的一种方法，由哈尔滨热工所提出，着火指 数炉同实际的锅炉运行情况相接近，得到的着火温度可以近似反映出着火情况，指数 如下： t = 6 6 1 2 5 1 判别界限是根据挥发分指数得到的，结果如下 力 6 3 8 极难稳定区 t 6 1 3 - 6 3 8 难稳定区 t 5 9 3 - 6 3 8 中等稳定区 n 5 6 0 5 9 3 ，易稳定区 力5 6 0 ，褐煤区 这个结论是根据挥发分指数得到的，并且决定因素也只是干燥无灰基的挥发分p 0 ， 并没有考虑到水分、灰分等对着火的影响，可以说是存在一定的片面性，精确度不高。 清华大学付维标的e 指数 f z = ( v o ，+ m 。，) 巳1 0 4 得到的指数界限是： 一 0 5 1 o难燃煤 浙江大学硕士学位毕业论文 f 7 1 0 1 5中等难燃煤 e 1 5 2 0易燃煤 e 2 0极易燃煤 这个判别指数在一定范围内得到了很高的精确性，但是对于劣质煤燃烧还是存在一定 的缺陷，无法得到正确的结果。计算指数所采用的着火温度指数是把煤球放入加热炉 内得到的结果，认为煤粉着火性能和挥发分、内水分的关系很大，但是没有考虑到外 水分和灰分对着火的影响，也没有考虑到焦渣特性和结渣性能对着火的影响。电厂运 行来说一般是用煤粉动态燃烧，而不是静态燃烧，对于采用煤球静态加热燃烧得到的 结论，对实际电厂的指导作用还需要进行完善。 热天平指数 ( 1 ) 可燃性指数c 是西安热工所制定的判别指数，采用哈套所所做9 0 种煤热天平数据得到的结果。 指数如下式给出： c = 1 0 6 r l m a x n 2 r 1 = t + 2 7 3 拟合公式 c = 0 0 4 2 v d a t + 0 5 2 因此得到的界限如下： c ( 0 9 1 4 ) 1 0 6难稳定区 c ( 1 4 1 8 ) 1 0 。6中等稳定区 c ( 1 8 2 3 ) 1 0 6易稳定区 c 2 3 1 0 6褐煤区 西安热工所得到的结论，反应了着火温度和最大失重速度对燃烧稳定性的影响，对于 实际的运行具有指导意义。但是在实际的热天平实验结果中，还存在挥发分析出的早 晚对着火的影响，易燃反应的物量多少对燃烧稳定性的影响，有的煤粉即使是着火温 度低，易燃峰反应速度大，但是反应掉的质量很少，而难燃反应占整个反应很大的比 重，这种情况下燃烧情况还是不稳定；得到结论的分类依据采用了干燥无灰基的挥发 分指数的分类标准来进行判别，可以说还是存在更大的片面性：本身的理论依据指数 干燥无灰基挥发分的准确性就存在片面性；得到的c 指数本身也是不精确的，所以c 浙江大学硕士学位毕业论文 指数要进行完善。 ( 2 ) 综合指数m 是西安热工所得到的判别指数，指数如下： m = 4 7 p _ 0 0 0 5 2 + 4 6 e _ 0 0 0 4 4 7 1 “砒+ o 0 9 5 e m a x + 0 0 11 p o 4 4 g 1 得到的指数还是和干燥无灰基进行拟合，得到如下公式 m l = 1 3 3 7 + 0 0 4 8 3 判别界限如下： m 1 8 2 3难稳定区 m 。 2 3 2 7中等稳定区 m 2 7 3 3易稳定区 m ， 3 3褐煤区 得到的结论根据干燥无灰基挥发分p o 和其他的判别指数相统一。模型中没有考虑到 水分和灰分等对着火影响，可以说是不完善和全面的。 在热天平指数方面还有其他的几个指数如：哈成套所的h d 指数等，结果都是回 归到干燥无灰基得到的判别界限。 综上所述，对于单煤的判别指数来说，基本是以挥发分为依据得到的判别界限， 而很少考虑到水分、灰分的影响。本文作者想在此基础上进行关于煤质的挥发分、水 分、灰分等对着火的影响，希望能够得到一个更精确的判别结果。在挥发分对着火影 响方面虽然已经有了很多经验公式，挥发分是对着火起重要作用的因素，但是挥发分 对着火影响程度还没有一个定性的讨论。因此，对于单煤的燃烧特性来说，主要是考 虑灰分、水分对着火的影响，同样重视挥发分对着火情况的影响。 混煤的判别指数 对于混煤的着火燃烧稳定情况，现在得到的结论还不是很多，主要是等效挥发分 的概念，对于等效挥发分的概念如何进行判别，目前还没有一个成型的判别标准。下 面就混煤的判别指数进行论述。 a 等效挥发分 对于混煤的等效挥发分的折算标准，浙江大学的姚强等人得到的结论如下： = 1 0 8 9 9 一3 1 0 ( ) 7 一 浙江大学硕士学位毕业论文 吃混煤的计算挥发分 得到的分类标准如下： 屹 2 2 1 2 1 难稳定区 屹 1 2 1 - 1 7 6 中等稳定区 屹 1 7 6 - 2 2 稳定区 v i a 2 2 褐煤区 b 挥发分释放指数p 挥发分释放指数是武汉科技大学得到的判断煤粉着火的一个指数，指数的表达 式如下： p = k v x ( 据如) 一彤( 瓦。) 煤种燃烧稳定性的判断标准g 1 5 j g = 5 2 7 4 6 8 ( d g d t ) 。( t ，。) g 值越大说明煤种燃烧稳定性越好。因为燃烧峰最大失重率d g d t 以及其对应温 度f 。反映了煤种着火后的燃烧情况，d g d t 越大，。越小，说明煤种着火后的 燃烧速度越快、煤种稳定性越强。初步的研究结果是燃烧稳定性判定指数在g 2 的煤种属于难燃煤种；燃烧稳定判别指数g 5 的煤种属于易燃煤种。 在用热天平的实验中闱引入了着火指数e ： f l = 1 0 “( p 0 + m “) q 。d 煤粉空气干燥基的挥发分含量 q 。煤粉空气干燥基的低位发热量 在热天平的实验条件下，煤粒着火倾向于非均相着火，颗粒比表面积越大，越有 利于着火。显然挥发分越高，在热解期间形成的空隙越多，反应比表面积越大； 另外水分的析出温度明显低于着火温度，水分析出和挥发分析出一样，均可以使 可以比表面积增加；煤热值越高，反应时消耗单位质量的可燃物放热量越大，有 利于提高可以表面温度。 还有人提出了另外的综合煤着火特性系数z z = v o ，( d g d r ) 一r z ( d g d r ) 。最大失重率： l 热天平法测的着火温度。 在应用基挥发分中，包含了水分和灰分的影响，最大失重率聚然增加，释放的热 浙江大学硕士学位毕业论文 量增加，对着火有利。一般认为z o 8 的煤着火容易z 定量性强，能准确测量物质质量的变化和变化率，用很少的量就可以进行试 验。 可以得到加热过程中的燃烧特性曲线，从燃烧特性曲线上的特殊点可以比较 各种煤的相对反应特性。 可以得到煤在热重分析试验中的动力参数，用这些参数比较各种煤的相对反 应性能。 热重分析法简单易行，试验结果重现性好，可用来比较大量的煤种的燃烧特 性并根据所获得的试验数据总结出一定的规律，人为的规定一些判定指标，用来 判断未知煤种的燃烧特性。 热重分析中煤粉的反应属于均相反应，加热速度低，一般的设定范围是 5 2 0 m i n ，煤粉在反应期间处于静态，加热条件与实际的锅炉燃烧有一定的差别。 d 管式炉法：是利用热电偶测量煤粉着火时的温度；管式沉降炉是测量煤燃烧 浙江大学硕士学位论文 特性的一个关键设备。炉子的体积小，炉内温度可以按照需要控制在一定的水平。 最高温度可以达到2 2 0 0 k ，能够承受的加热速度达到1 0 5 度秒。和炉膛煤粉气流 的加热速度有相同的数量级，并且二者的加热方式相当，主要是采用对流加热的 方法，所以管式沉降炉能够很好地模拟实际锅炉的热力特性，并且试验所需的煤 粉量很小，而且可以在反应区中的任何位置取样，测定煤粉在不同气氛，不同温 度和不同区域内的反应速度。 e 着火指数法：是用定量的氧化性气体( 空气或者是氧气) 携带定量煤粉吹进 炽热的炉膛，测定使煤粉着火的最低炉膛温度( 定义为着火指数) ： f 激光法：是将煤粒子粘附在热电偶尖端，用激光打在煤粒子上测量着火时的 粒子表面温度。 以上是几种对煤燃烧特性测量的试验系统，前三种属于热力着火范畴，对于 层燃炉、煤粉堆积自燃时着火预报有重要意义，后三种属于强迫点燃范畴，强燃 主要针对煤粉燃烧器的点火和稳燃