（工程热物理专业论文）氧浓度及温度变化影响煤粉燃烧特性的恒温热分析研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 摘要 煤炭是我国目前乃至将来较长一段时间内电力生产的主要一次能源。我国煤 炭资源较为丰富，但是随着我国煤炭消耗量的大幅增长和煤炭生产、运输水平的 制约，以及国际煤炭市场的变化，我国煤炭价格近年来呈现大幅上涨的趋势。燃 料成本一般占燃煤电厂发电成本的7 0 以上，因此，降低发电煤耗、提高燃煤经 济性，已成为燃煤电厂迫切需要关注的问题。同时，我国煤炭资源及煤炭市场复 杂，动力煤炭的煤种供应不稳定，煤质变化较大，煤粉锅炉基本上很难燃用到设 计煤种，甚至燃用煤种与设计煤种相差甚远，严重影响了锅炉的燃烧安全性和经 济性。因此，对不同煤种燃烧特性进行试验研究，从而得出不同煤种及其混煤的 燃尽特性，就显得非常必要。本文采用热分析方法，研究了几种单煤和混煤的燃 烧特性，阐述了氧浓度和温度对煤粉燃烧的影响。 煤粉锅炉内为动态的悬浮燃烧，煤粉从燃烧器喷嘴喷出到离开炉膛，经历的 氧浓度和温度变化十分复杂，而氧浓度和温度对煤粉燃烧特性又有至关重要的影 响，所以本文针对煤粉在不同氧浓度和温度下的燃烧特性进行试验研究。考虑到 从燃烧器喷出到开始着火的时间极短，而着火后煤粉即可达到很高的温度，并且 因焦炭占据了煤的大部分重量和发热量，煤粉的燃烧时间均主要由焦炭决定。本 文采用恒温热重分析方法，使煤焦在设定温度下进行燃烧。 本文对煤质特性差异较大的无烟煤和平朔5 0 0 0 烟煤进行了变氧浓度的恒温 热重试验，根据试验结果得到了煤焦的燃烧时间，利用煤焦燃烧时间计算煤粉的 平均燃烧速度，作为判定煤粉燃烧特性的依据。通过分析两种煤粉平均燃烧速度 随氧浓度的变化规律，得到不同氧浓度气氛下煤粉燃烧特性的差异。同时，推导 了单颗粒煤粉燃烧特性，与实际煤粉炉内煤粒燃烧更加贴近。在分析氧浓度对煤 粉燃烧特性影响的基础上，本文对无烟煤、平朔5 0 0 0 烟煤和温家梁神木煤进行 变温度和变氧浓度的恒温热重试验，主要研究了温度对煤粉燃烧特性的影响。通 过分析煤焦平均燃烧速度随温度的变化规律，阐述了不同煤种燃烧特性受温度影 响的差异。对比了不不同温度和氧浓度下煤焦和煤粉平均燃烧速度的差异，提出 了固定碳的影响作用。 i i 浙江大学硕上学位论文 摘要 最后，本文研究了无烟煤和平朔5 0 0 0 烟煤按照l ：1 比例掺混后的燃烧特性。 对混煤进行变温度和变氧浓度的恒温热重试验，分析了温度和氧浓度分别对混煤 煤焦和煤粉平均燃烧速度的影响。并将混煤和单煤的燃烧速度进行对比，阐述了 混煤和单煤之间燃烧特性的差异。为混煤燃烧的研究提供一定的参考依据。 关键词：燃烧特性；恒温热分析；煤焦；氧浓度；温度；平均燃烧速 i i i 浙江大学硕上学位论文 摘要 a b s t r a c t c o a li st h em a i np r i m a r ye n e r g yo fe l e c t r i ci n d u s t r yi nc u r r e n ta n df u t u r el o n g e r p e r i o do ft i m ei nc h i n a c h i n ai sr i c hi nc o a lr e s o u r c e s ，b u ta st h eg r o w t ho fc o a l c o n s u m p t i o na n dt h ec o n s t r a i n to fc o a lp r o d u c t i o nl e v e la n dt r a n s p o r t ，a sw e l la st h e c h a n g eo f t h ei n t e r n a t i o n a lc o a lm a r k e t ，t h ep r i c eo ft h ec o a lr o s es h a r p l yi nr e c e n t y e a r si nc h i n a t h ec o s to ft h ef u e la c c o u n t e df o rt h eg e n e r a le x p e n s eo fc o a l f i r e d p o w e rp l a n tm o r et h a n7 0p e r c e n t t h u s ，t h er e d u c eo fc o a lc o n s u m p t i o na n dt h e i m p r o v i n go ft h ee c o n o m yo fc o a lh a db e c o m eaf o c u sf o rc o a l f i r e dp o w e rp l a n t u s u a l l y , p u l v e r i z e dc o a l f i r e db o i l e rc a nn o tu s et h en o r m a ld e s i g n e dc o a l ，a n de v e n c o a li sf a rf r o mt h ed e s i g nc o a l c o n s e q u e n t l yi tw i l li m p a c tt h es t a b i l i t yo ft h e c o m b u s t i o ni nt h eb o i l e r ，a n dr e d u c et h et h e r m a le f f i c i e n c yo fb o i l e r t h u s ，i ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc o a l i nt h i sp a p e r ， t h e r m a la n a l y s i sm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a l s i n g l ec o a la n dm i x e d c o a l t h ec h a n g eo fo x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ew h i c hi sp u l v e r i z e d c o a l c o m et h r o u g hf r o mt h eb u r n e rn o z z l et oe n dt h ef u r n a c e ，i sv e r yc o m p l i c a t e d ，a n dt h e o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ea r ev e r yi m p o r t a n tf a c t o r so np u l v e r i z e d - c o a l c o m b u s t i o n t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp u l v e r i z e d c o a li nd i f f e r e n to x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ew e r es t u d i e d t h et i m eo f p u l v e r i z e d c o a lw h e ne j e c t e df r o mt h eb u r n e rn o z z l eu n t i li g n i t e di sv e r ys h o r t ，a n d p u l v e r i z e d c o a lw i l la c h i e v et oah i g ht e m p e r a t u r es p e e d i l ya f t e rb u r s t i n gi n t of l a m e i nt h ep r o c e s so fc o a lc o m b u s t i o n ，b u r n i n gr a t ea n db u r n o u tt i m eo fp u l v e r i z e d - c o a li s m a i n l yd e i c e db yt h ec h a rb e c a u s et h ec h a ro c c u p i e sm o s to ft h ew e i g h ta n d h e a to f p u l v e r i z e d c o a l sc o m b u s t i o n b a s e do nt h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n ，t h e c o n s t a n t t e m p e r a t u r et h e r m a la n a l y s i sm e t h o dw a su s e di nt h i sp a p e r ，w a r m i n gu pt h r o u g ht h e p r o c e d u r e s ，s ot h a tt h ec h a rw i l lb u mi nas e tc o n s t a n tt e m p e r a t u r e i v 浙江大学硕上学位论文 摘要 i nt h i s p a p e r ，p i n g s h u o5 0 0 0a n da n t h r a c i t ew e r et e s t e d i nd i f f e r e n to x y g e n c o n c e n t r a t i o nb yc o n s t a n tt e m p e r a t u r et g a a c c o r d i n gt or e s u l to ft e s t ，t h eb u r n o u t t i m ea n da v e r a g eb u r n i n gr a t eo fc o a lc o k ew a sc o m p u t e d b ya n a l y z i n gt h el a wo f o x y g e nc o n c e n t r a t i o n si n f l u e n c eo na v e r a g eb u r n i n gr a t e ，t h ed i f f e r e n c ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp u l v e r i z e d - c o a lw a ss t u d i e d a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oc l o s et o t h ec o n d i t i o no ft h ep r a c t i c a lc o m b u s t i o n ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs i n g l e p a r t i c l ec o a lw a sd e d u c e d o nt h eb a s e o fr e s e a r c h o no x y g e nc o n c e n t r a t i o n s i n f l u e n c eo nc o a lc o m b u s t i o n ，t h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r et h e r m a lt e s tw a sb e e nd o n e a n t h r a c i t e ，w e n j i a l i a n gc o a la n dp i n g s h u o5 0 0 0b i t u m i n o u sw e r et e s t e di nd i f f e r e n t o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，a n dt h et e m p e r a t u r e si n f l u e n c eo n c h a r a c t e r i s t i c so fp u l v e r i z e d - c o a lw a sm a i n l ys t u d i e d a c c o r d i n gt oa n a l y z et h e c h a n g eo fa v e r a g eb u r n i n gr a t e w i t ht h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，t h eo p t i m a l l y c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r er e g i o no ft h ec h a rw a sr e s e a r c h e d t h r o u g hc o m p a r i n gt h e a v e r a g eb u r n i n gr a t eb e t w e e nt h ec h a ra n dt h ec o a l ，t h ei n f l u e n c eo fc a r b o nf i x a t i o n o nc o m b u s t i o nw a sa l s os t u d i e d f i n a l l y ，t h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm i x e dc o a lw h i c hw a sc o m p o s e db y a n t h r a c i t ea n dp i n g s h u o5 0 0 0 ( 1 ：1 ) w a sr e s e a r c h e d b yt h et h e r m a lt e s to nm i x e dc o a l i nd i f f e r e n to x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ，a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e o f o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r eo nm i x e dp u l v e r i z e d - c o a l sc o m b u s t i o n t h e d i f f e r e n c ec h a r a c t e r i s t i co fc o m b u s t i o nb e t w e e nm i x e dc o a la n ds i n g l ec o a lw a sa l s o b e e ns t u d i e d t h er e s e a r c ho na b o v ew i l lb eg i v ear e f e r e n c es u g g e s t i o no nt h e r e s e a r c ho fc o m b u s t i o no fm i x e dc o a l k e yw o r d s ：c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ；c o n s t a n tt e m p e r a t u r et h e r m a lt e s t ；c h a r ； o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ；t e m p e r a t u r e ；a v e r a g eb u r n i n gr a t e v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王府 签字日期： 。确年6 月2 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名： 王两 导师签名： 签字日期：如8 年6 月2 弘日 签字日期： 少氍月夕乒日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本文是在赵虹教授和杨建国副研究员悉心教导下完成的。两位导师从本文课 题的构思到研究方法的确定，直至论文的撰写都给予了全程性的指导，同时在论 文的进度和质量上提出了严格的要求，论文中所取得的每一个微小的进步，都离 不开两位导师的辛勤指导。在两年的学习和科研过程中，两位导师培养了我分析 问题和解决问题的能力。赵老师渊博的学识和独特的人格魅力、杨老师敏捷的思 维方式和严谨的治学态度，给予我深刻的影响。二位是我学术上的导师，更是我 以后我人生道路上的光辉榜样。在这里，我衷心的向这两位老师表达感谢之情! 感谢周永刚工程师、翁善勇副教授在试验过程中给予的关心和建议! 感谢冯国华老师、凌柏林老师，郑航老师对我整个研究生学习过程中的指导 和帮助! 感谢师兄郭风、师姐郑敏，同学郭飞、毛艳艳、余量及师弟张晓博、崔福兴 对我学习及生活上的无私帮助和支持。是你们让我在和谐轻松的环境中学习，让 我的研究生生活拥有许多美好的回忆! 感谢华姐、郑师傅和马师傅在生活中给予的关心! 感谢关心爱护我的父母和家人，他们的理解、疼爱和鼓励，让我面对一切都 充满信心和勇气，父母是我心灵的港湾，是我最应该感谢的人! 最后，向所有帮助过我和关心过我的人，致敬! 王琦 20 0 8 年5 月于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 世界能源及煤炭发展状况 1 1 1 世界能源和中国能源 能源是人类赖以生存和发展不可缺少的物质基础，是国民经济和社会发展的 重要战略物资。根据b p 世界能源2 0 0 7 ) ) 和中国能源统计年鉴2 0 0 6 ) ) 的数据 表明，2 0 0 6 年又是能源价格高并且大幅波动的一年。尽管价格居高不下世界能 源消费的增长仍保持在平均水平之上，延续着近年来的发展趋势。 2 0 0 6 年，世界一次能源的消费增长了2 4 ，低于2 0 0 5 年的3 2 的增长率， 但仍高于过去1 0 年的平均水平。表1 1 给出了2 0 0 1 2 0 0 6 年世界主要几个国家 一次能源消费构成。持续高涨的能源价格致使主要能源进i ：i 国的消费增长放缓， 尤其是美国一一尽管该国的经济持续增长，其2 0 0 6 年能源消费比上一年下降了 1 。石油、天然气和煤炭的消费均有所降低，而核电和水电的消费略微增长。 在亚太地区，近几年能源需求增长的态势在2 0 0 6 年得到延续，增幅为4 9 。中 国能源消费的增长了8 4 ，中国所消耗的各种形式的能源均有所增长，使中国 的能源消费占了全球能源消费的1 5 以上，继续占据全球能源消费增长的一半以 e 。 表1 12 0 0 1 2 0 0 6 年世界主要国家一次能源消费构成i u 单位：百万吨油当量 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 中国能源资源比较丰富，煤炭居世界的第二位，水利资源居世界的第一位。 但是人均能源资源量并不丰富，而且，中国能源资源在地区上分布上及其不平衡， 华北、西南、西北三地区占全国能源资源总量的3 4 ，煤炭的大部分集中的华北 和西北，石油、天然气东北占了近一半，水能资源2 3 集中在西南。 中国是世界上少有的以煤为主要能源的国家，煤炭工业是中国重要的支柱产 业。中国煤炭资源比较丰富，预测资源量为4 4 9 t t ，其中垂深小于1 0 0 0 m 的煤 炭为2 1 t t ，垂深小于1 5 0 0 m 的为3 2 3 t t 。煤炭资源主要分布在华北地区和西北 地区，这两个地区的煤炭资源分别占全国预测资源量的3 6 6 和5 0 3 ，见表1 2 。 表1 2 中国煤炭预测资源型2 】 2 0 0 6 年，中国的煤炭需求连续第八年增长，然而，与近年两位数的增长相 比，8 7 的增幅已经大大降低。中国依然占全球煤炭消费增长的7 0 。美国的 消费连续第二年下降，而英国和经合组织其他国家的煤炭消费则连续第三年上 升。 2 0 0 6 年，在中国的带动下，煤炭再次成为世界增长最快的碳氢燃料。全球 煤炭消费增长了4 5 ，低于上年5 7 的高增长率，但仍高于过去1 0 年的平就 水平。表1 3 给出了2 0 0 6 年世界主要国家煤炭探明储量和消费构成。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 0 6 年，世界一次能源除了煤炭以外，全球原油消费增幅长了0 7 ，是自 2 0 0 1 年以来增长最弱的一年，是1 0 年平均值的一半。消费增长了6 5 万桶日， 达到了8 3 7 0 万桶日。中国的消费增长为6 7 ，接近1 0 年的平均值。天然气消 费量在2 0 0 6 年增长了2 5 ，低于2 0 0 5 年3 4 的增长水平，但接近1 0 年的平 均值。美国和欧盟消费量的减少被俄罗斯和中国的强劲增长所补偿。 1 1 2 世界电力和中国电力 电力是现代人类社会发展的必要因素，是整个国民经济发展的基础动力之 一。近年来世界电力工业的发展速度相差很大，美国、中国和日本仍然处于领先 地位，表1 4 给出了2 0 0 0 。2 0 3 0 年世界能源发电装机容量情况及预测。 2 0 0 6 年的美国的总发电量是4 2 5 4 0 兆兆瓦时，处于首位，其次是中国为 2 8 3 4 4 兆兆瓦时，再次日本发电量为1 1 5 0 3 兆兆瓦时，俄罗斯、印度和德国总 发电量排在第四、五、六位。世界电力工业的结构也存在很大差异，化石燃料发 电是主要的，特别是燃煤电站在当今世界上仍占主导地位，但煤炭和石油发电的 份额降逐年下降，2 0 2 0 年电力供应降显现新的局面，煤炭和石油发电份额将从 2 0 0 0 年的比例3 1 和1 4 ，下降为2 8 和9 ；天然气的发电份额将从2 0 升 高到3 5 以上，这是由于以天然气位燃料的燃气蒸汽联合循环发电具有高效和轻 污染、排放低的好处；核电的比将从1 0 降低到6 ，因为新建的核电站数量不 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 少；水电的绝对数量将会有所增加，但占总发电能力的比重将下降到1 7 ；其他 可再生能源的发电量到2 0 2 0 年仅占5 ，其中，生物质发电、废物燃料发电和风 力发电所占的比重最大，以下依次位地热发电、潮汐发电和太阳能发电。 表1 42 0 0 0 2 0 3 0 年世界能源发电装机容量情况及预测3 i 目前在世界范围内，火力发电( 燃煤发电、燃油发电、和天然气发电) 是最 主要的发电方式。据联合国能源统计资料，目前世界总发电量中，火电占6 5 左右。发达国家用于发电的煤炭一般都占煤炭消费总量的8 0 以上，2 0 0 0 年美 国发电用煤占9 0 8 。煤炭是中国的主要能源，也是目前相对比较经济低廉的能 源。2 0 0 3 年中国电煤消费占煤炭消费总量的5 1 ，明显低于发达国家，说明中 国发电用煤还有很大的发展空间。 2 0 0 0 2 0 0 6 年是中国电力工业发展最为猛烈的时期，发电装机容量由3 1 9 0 0 万千瓦增加到6 2 2 0 0 万千瓦，年均增长速度达1 1 8 ，2 0 0 6 年同比增长2 0 3 ； 发电量有1 3 6 8 5 亿千瓦时增加到2 8 3 4 4 亿千瓦时，年均增长速度达1 2 9 ，2 0 0 6 年同比增长1 3 4 。装机容量和发电量仅次于美国，均上升到世界第二位。 2 0 0 6 年总装机容量6 2 2 0 0 万千瓦，其中，火电达到4 8 4 0 5 万千瓦，约占总 容量的7 7 8 ，增长2 3 7 ；水电装机通量达1 2 8 5 7 万千瓦，约占总容量的2 0 6 同比增长9 5 ；火、水电占总容量的比例分别上升了1 8 个百分点和下降了1 9 ； 核电装机容量达8 0 0 万千瓦，占总容量的1 2 ；其他能源( 风电，气电) 装机 容量1 3 8 万千瓦，占o 2 。表1 5 给出了中国2 0 0 0 2 0 0 6 年中国发电装机容量 及构成。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 研究煤粉燃烧特性的意义 煤是中国的主要能源，在资源消费结构中约占7 5 ，为世界煤炭总消费量的 四分之一。由于这种特殊的能源结构和我国高速的经济发展，决定了我国能源消 费较长时间内仍以煤炭为主的局面。我国的电力工业主要以燃煤火电为主，常用 的工业锅炉也是将煤直接燃烧利用。尽管许多科研人员为了更有效、洁净地利用 煤，加大了在煤的气化、液化、浆态化等方面的研究，然而煤的直接燃烧仍然是 煤利用的主要途径，每年我国有8 0 的煤用于燃烧。 但是由于生产技术的限制，煤炭在燃烧过程中能量转化率不高。2 0 0 3 年，我 国火电供电标准煤耗为3 8 0 9 k w h ，国际先进水平为3 1 2 9 k w h ，见表1 6 ，高出 近7 0 9 k w h 。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、经济运行已成为我国电力行业发展的 一个刻不容缓的任务，煤燃烧特性是一个关键的环节，但是关于煤燃烧特性现在 来说还没有一个成型的理论，很难根据常规分析得到精确的数据来。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 目前，煤炭资源紧张，煤炭价格以大幅度上涨，对于电厂更要降低煤耗，提 高燃煤经济性，但是通常电厂燃煤锅炉不能正常使用到设计煤种，甚至有时燃用 煤种与设计煤种相差甚远，影响锅炉燃烧稳定性，致使锅炉热效率降低。这就需 要对不同煤种进行燃烧试验，得到最佳的锅炉运行工况。同时，更需要对煤进行 实验室试验分析研究，深化对煤燃烧基本过程和各种参数、动力学模型研究的认 识，这样不仅是对煤燃烧基础研究积累的强化，而且更是对煤燃烧有效工程应用 ( 如提高煤的利用率，降低环境污染等) 具有重要的指导意义。 1 3 研究煤粉燃烧特性的现状 围绕煤燃烧特性( 包括煤着火、挥发分释放、燃尽、积炭、结渣特性、磨损 和污染物的排放特性等) 人们进行了大量的研究工作。研究煤的燃烧特性的方法 主要有： ( 1 ) 热重分析法( t g a ) 。热重法跟踪检测燃烧过程重量随时间或温度动态变 化，通过测定燃烧特性参数来计算燃烧反应性和反应活化能睁1 0 1 ，同时通过分析 失重曲线，可得到一些煤燃烧的特征值，如：燃尽温度、燃烧时间、最大失重温 度、最大失重率、燃烧前期的燃烧量等。热重分析方法在国内外已广泛用于研究 煤的燃烧特性，这种技术样品量少，通过改变气速及样品重量，可减少外扩散的 影响，其功能相当于一个微分反应器，同时能够程序控温、自动收集和处理数据， 其所得参数反映了煤的物理和化学特性的总影响，如孔径分布、灰层扩散，有效 表面积及少量无机杂质的催化作用，活性中心的数量和性质。因此，热重技术已 广泛用于研究煤的燃烧特性。热天平的简要工作原理见图1 1 。 热重分析法可分为程序升温热重法和恒温热重法。恒温热重与程序升温热重 的反应体系是完全相同的，但是由于一个为恒温反应，一个为升温反应，使二者 具有不同的反应类型。煤燃烧过程温度对反应的进行具有重要影响。采用恒温热 浙江大学硕士学位论文第章绪论 重法对煤的燃烧进行研究时，在试验过程中，可以通入一定流量的氮气保护，按 照一定的升温速度由室温升至所需要的反应温度，达到反应温度后将氮气切换为 空气进行燃烧反应，直至样品恒重【1 1 1 ；利用程序升温热重法时，按照一定的升温 速度从室温升至设定的最高温度，煤粉在升温过程中与氧气接触不断反应。恒温 热重法使煤在很高的温度下接触氧气开始反应，这一点跟实际煤粉炉内煤粉燃烧 相似，锅炉中煤粉的升温速度极高，从燃烧器喷嘴喷出到开始着火燃烧，经历时 间极短，而且在开始着火后可以迅速达到很高的温度水平。而程序升温热重条件 下，升温速率要低得多，而且挥发分的析出过程是在更低的温度水平下完成的。 这跟实际煤粉炉相差很大。 图1 1 热天平 l 一一m e 力 m 1b a l a n c e ； 2 一一v o l t a g et r a n s f o r m e r ； 3 一一b r a c k e t ；4 一一r e a c t o r ； 5 一一1 e i n p e r a t u r ep r o g r a m m e dc o n t r o l l e r ( 2 ) 管式垂直沉降炉d t f ( d r o pt u b ef u r n a c es y s t e m ) 。- 9 实际锅炉热力工况( 炉 温和空气过剩系数等) 比较接近，沉降炉作为锅炉的一种模拟试验装置，主要由 燃烧器和燃烧室两部分组成。燃烧器上设有可调风门，用于调节炉内燃烧工况， 见图1 2 。沉降炉具有高的加热温度和加热速度，加热速度可达到1 0 4 1 0 5 k s 【1 3 】。 沉降炉主体部分分为两段：着火段和燃尽段。着火段长温度范围可以从室温 到1 0 0 0 c ，适合多种煤种的着火条件；燃尽段温度可以达到1 5 0 0 c ，接近真实 锅炉的最高温度范围，可以进行结渣、燃尽等试验。煤粉在燃烧过程中处于流动 状态，接近实际炉膛情况，且操作简单，被广泛用来研究煤粉或煤焦燃烧特性。 但是由于沉降炉是一种模拟锅炉燃烧的试验装置，其燃烧室体积受到限制，如何 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 组织好炉内燃烧工况，保持煤粉火焰的稳定性，是沉降炉试验成功与否的关键。 ( 3 ) 管式电加热炉。管式电加热炉采用单管式，温度最高可达到1 2 0 0 ( 2 ，升 温速率主要通过加热功率来调节，管壁温度由热电偶测得。一般，石英管直径 3 5 m m ，恒温区域为5 5 c m 。同时可以配置傅立叶远红外色谱仪( f t i r g c ) 对烟气 进行在线检测，通过对烟气成分和烟气量的计算，可得到脱除挥发分的焦炭的反 应速率。同时由于挥发分很少，也可以根据c 0 2 ，c o 和c h 4 计算碳的转化率【1 1 1 。 f i r 譬ta i r 图1 2 管式沉降炉 l 一一d i r e c tc u r r e n ta d j u s t e r ； 2 一一h e a t i l 玛p a r t ； 3 一一r e a c t i o n z o n e ；4 一一s a i n p l i n gp i p e ；5 一一f i l t e r ；6 一一s o l i ds a m p l e ； 7 一一g a l ss a m p l e ；8 一一f e e d e r ；9 一一f e e d e r ； l o 一一r e a c t o r ；1 l 一一p r e h e a t e r ( 4 ) 用脉冲激光点燃，记录其燃烧的全过程，并把实验结果与理论分析对比。 此实验可探讨以表面反应为主进行的扩散动力燃烧的机理；碳粒燃尽时间和初 始当量直径的关系；碳粒燃烧过程中表面温度的变化规律；活化能e ，指前因子 k 等参数对燃烧过程的影响。国外已有人应用此方法研究金属或碳等颗粒的燃烧 过程1 2 1 ，其实验装置见图1 3 。 在上面这些研究方法的基础上，许多煤燃烧模型被提出，如分形模型1 3 - 6 】、 模糊孔模型【1 7 1 、零维燃烧模型、采用热天平研究煤粉燃烧特性时的零维燃烧模 型【1 8 1 、基于质量守恒与能量平衡的传热传质模型1 9 , z 0 、移动火焰模型【2 1 1 。利用 数值求解、分析求解及半经验求解，结合燃烧反应动力学参数解出这些模型，从 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 而得到煤焦的燃烧速率。 5 7 图1 3 激光点燃器 1 一一h e - n el a s e r ；2 一一r u b i d i u mg l a s ss o l i dp u l s el a s e r ； 3 一一f o c u s i n gl e n s ；4 一一q u a r t zg l a s sw i n d o w s ；5 一一1 酞i i l gp i c t u r e ； 7 一一c 0 n c a v er e f l e c t o r ；8 一一k ：n s ；9 一一p h o t o e l e c 廿i cd e t e c t i n gs y s t e m ； 1 0 一一a 仍s w i t c h ；1i 一一c o m p u t e rs y s t e m ；1 2 一一b e l l - l i k ec o v e r 1 4 本文研究内容及其方法 本文主要围绕着研究煤粉燃烧特性的恒温热重试验加以展开，包括同温度不 同氧浓度下无烟煤和平朔烟煤的恒温热重试验，研究不同氧浓度气氛下煤粉平均 燃烧速度的变化规律，并推导单颗粒煤粉的燃烧特性；不同温度不同氧浓度下无 烟煤、平朔5 0 0 0 烟煤和神木煤的恒温热重试验，研究不同煤种的平均燃烧速度 随温度的变化，并对比分析煤焦和煤粉燃烧特性的差异；无烟煤和平朔烟煤按照 1 ：l 比例掺混后的恒温热重试验，研究混煤和单煤之间燃烧特性的关联。 本文研究内容主要有以下几个方面： 1 通过对两种煤质相差很大的无烟煤和平朔烟煤进行恒温热重试验，得到 不同氧浓度下t g 曲线，并计算了衡量煤粉燃烧特性的参数：平均燃烧 速度，分析了氧浓度对两个煤种平均燃烧速度的影响。同时，推导了单 颗粒煤粉燃烧时间随颗粒粒度和氧浓度的变化规律，为煤粉炉内煤粉颗 粒的燃烧过程提供了一定的参考依据； 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 对无烟煤、平朔烟煤和温家梁神木煤进行不同温度和氧浓度的恒温热重 试验，根据t g a 结果计算了三个煤种平均燃烧速度。通过分析平均燃 烧速度随温度的变化规律，研究了不同煤种受温度影响的差异，并对煤 焦和煤粉燃烧速度进行对比分析，阐述了固定碳对煤粉燃烧特性的影 响； 3 将无烟煤和平朔烟煤按照1 ：1 进行掺混，对混煤进行变温度和变氧浓 度的恒温热重试验，分析混煤平均燃烧速度随温度和氧浓度的变化规 律，进而获得混煤燃烧特性。通过对混煤和两个单煤煤焦和煤粉平均燃 烧速度的对比分析，阐述了在不同温度和氧浓度下混煤和单煤燃烧特性 的差别，提出了混煤燃烧的最佳环境条件。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章煤的燃烧特性和混煤燃烧概述 2 1 引言 第二章煤的燃烧特性和混煤燃烧概述 在上一章中已阐述了煤燃烧特性的研究方法，主要为热重分析方法( t g a ) 、 管式垂直沉降炉方法( d t f s ) 和石英玻璃管流化床与红外连用的方法。本章综 述了在以上研究方法的基础上获得的煤燃烧过程机理，煤燃烧特性的判定方法， 及影响煤燃烧特性的因素等，并对混煤研究现状做了相关介绍。 2 2 煤的燃烧过程( 碳及焦炭的燃烧) 煤的燃烧过程是一个复杂的受物理化学因素影响的多相燃烧过程，在此过程 中，既发生燃烧化学反应，又发生质量和热量的传递、动量和能量的交换。一般 而言，在煤脱去挥发分以后，剩下来的结构类似石型2 2 1 。由很多微粒组成的焦 炭，其着火和燃尽均较为困难。由于焦炭无论在煤中的重量百分比和占煤的发热 值百分比都是主要的，因此煤粒的燃烧速度及燃烧时间均主要由焦炭决定，这是 由于： ( 1 ) 在焦炭中所含可燃质的重量占煤总重量的5 5 9 7 ，焦炭发热量要占 煤的总发热值的6 0 9 5 ； ( 2 ) 挥发分和焦炭的燃烧时间虽然不能截然分开，但是焦炭的燃烧为煤的燃 烧各阶段中最长的阶段，煤粉燃烧过程中，焦炭的燃烧约占全部燃烧所需要时间 的9 0 ； ( 3 ) 焦炭的燃烧过程对其他阶段在创造热力条件上具有极为重要的意义。所 以，煤的燃烧过程可以认为主要是焦炭的燃烧过程。 煤炭燃尽所需要的时间是煤反应过程的重要组成部分，其范围可从3 0 m s 到 1 h 以上，煤焦的非均相反应过程也极为复杂，主要表现在：煤结构的多变、反 应物的扩散，不同反应物( 0 2 ，h 2 0 ，c 0 2 ，h 2 ) 的反应、煤粒尺寸的影响、内 孔扩散、灰分的存在、表面积的变化、焦炭的碎裂、随温度和压力的变化、原煤 中水分含量的变化、挥发分析出过程、与湍流的相互作用。正因如此，这一过程 浙江大学硕士学位论文 第二章煤的燃烧特性和混煤燃烧概述 的理论描述在很大程度上取决于之指定煤种和所用的试验条件下的实验室的试 验数据，虽然已经有学者开始寻找煤焦反应的通用规律【2 3 2 4 】，但是要涵盖上述所 有复杂过程的通用规律在近期是难于实现的。 由于焦炭的实际燃烧过程的复杂性，本节只对碳粒燃烧作定性的介绍。 2 2 1 碳燃烧化学反应 碳燃烧是固体和气体之间进行的异相化学反应，它包括了5 个连续的步骤： ( 1 ) 氧扩散到碳表面； ( 2 ) 扩散的氧被碳表面所吸附； ( 3 ) 被吸附的氧与碳反应形成被碳表面吸附的产物； ( 4 ) 产物从碳表面解吸； ( 5 ) 被解吸的产物扩散离开表面。 这些步骤是连续发生的，所以其中最慢的一步决定碳的燃烧速度。在这些步 骤中，在碳表面或其周围气体中可能发生多种不同的反应。主要反应有表面反应 和气相反应： 表面反应：c + 0 2 - - - c 0 2 c + 1 2 0 2 _ c o c + c 0 2 _ 2 c o c 十o c 0 气相反应： c + h 2 0 - - c 0 2 + h 2 c o + 1 2 0 2 c 0 2 h 2 + l 2 0 2 一h 2 0 c o + h 2 0 - - c 0 2 + h 2 在较低温度下( t 1 2 0 0 。c ) ，燃烧反应转化为如下方式进行： 3 c + 2 0 2 2 c o + c 0 2 此时，由于温度高，碳粒表面产生了强烈的气化反应： c + c 0 2 _ 2 c o 此外，随着温度的升高，碳表面的反应也加速，生成的一氧化碳量更多，一 氧化碳在扩散途中遇氧燃烧生成二氧化碳，同时耗尽了远处扩散过来的全部氧 气，生成的二氧化碳则同时向碳粒表面及远处扩散，碳粒周围各种气体的浓度变 化如图2 1 ( b ) 所示。 2 2 2 碳的燃烧速率 碳的燃烧速率w ，即碳的化学反应速度w h ，可用氧的消耗速度( 即单位面 积单位时间所耗氧气的质量) 来表示，即 w 。- - - w h _ k 。c 。 ( 2 1 ) 式中，k 为化学反应速率常数，c 为碳表面的氧气浓度。 化学反应速率常数磁可由a r r h e n i u s 定律确定： e k s 域。e x p ( 一) ( 2 2 ) r t 浙江大学硕士学位论文第二章煤的燃烧特性和混煤燃烧概述 e 活化能； r 通用气体常数； t - 一热力学温度。 碳的燃烧速率即取决于化学反应速率，又取决于氧气扩散到碳表面的速度， 而氧气的扩散速度( 即单位时间扩散到单位面积上的氧气质量) 为： w d = k d ( co - c 。) ( 2 3 ) 式中，c o 为周围介质的氧浓度；k d 为扩散速率常数。 当化学反应速度与氧的扩散速度相等时 w s = w d 即 k 。c 。= k d ( c o - c 。)ssd 、s7 故有 c 。= 矗c 。 w c 。= 鲁c 。娟。 式中，k 称为折算化学反应速率常数，且 k 击 c2 4 ， k 。k 4 k 既考虑了燃料的化学反应性质( 由k s 决定) ，又考虑了氧气扩散到煤粒表 面的条件( 由k a 决定) 。 由于温度对化学反应、对扩散影响的程度不一样，前者是k s e x p ( - 啬) ， 后者是k 。o ct 忱，所以碳的燃烧可以分为以下三个区域： ( 1 )动力区指t k s ，所以k k s ，w s - i c o 。这说明在动力区 内，影响燃烧速度的决定因素是化学条件，即燃料性质、温度等，而和氧的扩散 速度关系不大。此时燃烧速度由曲线i 表示。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章煤的燃烧特性和混煤燃烧概述 ( 2 )扩散区指t 1 4 0 0 。c 时，由于化学反应速度常数k s 随温度升高而急剧 增大，只是化学反应所消耗的氧量远远超过扩散过来的氧量，即k