煤粉燃烧特性的实验研究方法及应用实例分析_图文

1、煤粉燃烧特性的实验研究方法及应用实例分析武蜓工业大擘材料学院硅酸盐工程中心谢峻转冯小平 肖天来易晋珍在工业窑炉中,承泥窑是最早以煤粉为燃料的热工设备之一,但对煤粉的燃烧和火焰 的研究,却远远不如锅炉和发电行业那么充分。近年来,为降低水泥成本,利用廉价燃料, 保护环境,欧洲成立了专门的研究机构,为加深对水泥窑内煤粉燃烧过程的认识,开展了 许多研究工作,使燃料的燃烧技术有了很大发展,并实现了石油焦、无烟煤等低括性燃料 在干法水泥生产中的成功应用。在我国,有关煤粉的燃烧问题也已开始引起人们的重视,并 已开展了燃烧器的煤粉燃烧过程数值模拟1】、分解炉中煤粉燃烧特点分析2、无烟煤的催化 燃烧”o及高硫煤

2、的脱硫等研究课题,取得了一定成果,但就全水泥行业来讲,对煤粉燃烧 问题的深层次理论探讨,还没有引起广泛重视。对此,我们就几年来武汉工业大学硅酸盐 工程中心研究工作,针对有关煤粉燃烧的实验研究情况,结合目前最新研究成果,做一个 较系统的总结,仅供水泥同行参考借鉴。一、煤的静态燃烧实验研究煤的静态燃烧实验,即煤粉处在堆积状态,进行有关的煤粉燃烧实验分析。由于受实验测试设备的限制,目前要获得煤耢燃烧失重的有关信息,还其能使煤粉处 在堆积状态下进行实验,因此静态燃烧实验仍是一个很重要的研究方法。除大家所熟悉的 煤的工业分析外,静态燃烧实验还可以得到更多的有关燃烧特性的信息。1.失重分析 , 首先在通空

3、气状态下,通过煤粉的失重分析,可以获得煤粉燃烧特性曲线,即微分失 重(dw/ck与时闯的关系曲线和微分失重与温度的关系曲线。通过对瞄线的分析,可以获 得煤的起燃、煤的最大燃烧速度以及煤燃尽所需要的时间等信息。这些值尽管与实际煤粉 燃烧时数值有区别,但在进行不同煤质比较时,还是具有根重要的参考价值。其次,在惰性气体保护状态下,进行煤粉失重分析,可以获得煤的挥发分释放特性,随 后再对惰性气体下得到的焦炭进行失重分析,可以得到有关焦碳燃烧信息,这些均可为煤 的挥发分释放及焦炭燃烧动力学研究提供重要数据,为深人探讨媒粉燃烧机理创造条件。 除以上研究内容外。通过对煤粉在一定温度、一定时间的失重量分析,还

4、可以进行煤 的燃烧效率研究,具体方法如下;准确称量19煤样置于瓷舟,850'C保温lOmin,冷却后称 重得砰,继续保温30rain,确保煤粉燃尽,称重得缈。,_嘲矸0,矸,n(。酊分别为燃 烧残余物重量和其中灰分的质量分数,若此时用w。,W0表示人炉煤样质量和其中灰分的质 量分数,则燃烧率R可用下式计算:,。 , ,(1一。一一 .“2J一面葡j丽 ,本实验室从美国力可公司购置的MAC一500仪器及国产微重分析仪,可根据需要,同时 194进行多组样品失重分析,目前这两台设备已是我们进行煤粉研究的重要手段。差热分析在很多领域应用较广,已为人熟知,但其在煤粉燃烧研究中的作用并没有被 人们

5、所熟悉,借助差热分析仪,开展煤的燃烧过程研究,已为我们提供了很重要的信息,特 别是与上述失重分析对应,可以更确切地获得煤燃烧过程中各种反应发生的过程,如水的 吸热反应、挥发分的起燃、固定碳的起燃以及最终煤粉燃尽的温度点等。3.X一射线衍射、扫描电镜及图象处理 、 通过这些现代微观结构分析手段,可以进行燃烧灰烬的矿物组成定性分析及孔骧结构 观察,从而获得有关煤的结渣、燃尽程度以及矿物组成等信息。另外通过x射线小角衍射 分析及图象处理可以获得有关参数,使运用分形理论预测煤粉燃烧结果成为可能。二、煤的动态燃烧实验研究 . . j静态实验中煤的燃烧工况与实际煤粉的燃烧有很大差距,因此静态实验所得的定性

6、分 析结果应在动态燃烧实验台上进一步证实。为此我们开发建设了煤粉动态燃烧实验台,为 进行分解炉中煤粉的悬浮燃烧提供了很好的实验条件。 .图i为武工大硅酸盐工程中心煤燃烧实验台监控系统的某界面照片。从照片可以看出 该实验台的工作流程。被热风炉加热的气体从分解炉下部给入,煤粉从底部侧面由压缩空 气通过给煤器喷人炉内,与热气流混合,并随热气流边燃烧边向上流动,最后被引风气流 沿切向出口引进旋风分离器。圈i煤燃烧实验台监控系统的某界面照片 195在此系统中,通过对燃烧气体浓度、温度的在线测定、数据采集分析,可以获得煤粉 动态燃烧过程中,各种燃烧生成气体浓度C、炉内温度变化与燃烧时间t的关系曲线,从而

7、获得不同缫质的燃烧信息,为炉体结构的设计提供参数。t .三、应用实例豳2,图3分别为我们进行高硫煤脱硫燃烧研究时利用失重分析、差热分析获得的曲 线。对比失重分析结果及差热曲线可判断,煤燃烧特性曲线DTG反映出的第一个失重峰为 水分蒸发,A点为水分最大释放速度点,对应差热曲线于108左右有一个小吸热蝽,因水 分含量低,对就TG失重曲线有较小失重。第二个失重峰为挥发物燃烧失重,B点为挥发物 燃烧速度最大点,对应差热曲线于370。C左右有较大的放热峰,对应TG曲线有较大失重 量。第三个失重峰为焦碳燃烧失重,对应差热曲线有一宽而大的放热峰,焦碳起燃点C对 应温度为420左右,最大燃烧速度D点对应的温度

8、范围为500600,至700左右煤燃 尽对应DTG曲线的E点。墓营星爹Tcmpcrnmrc( (c 喜 §:墨 暑呈 §i图2高硫煤的失重及微分失重曲线 (原煤 (b(c鬻加脱硫荆煤553,5661.5圈3高硫煤的差热分析曲线(a原煤 (b添蜘脱硫剂燃圈4为进行无烟煤催化燃烧正交实验时, 煤粉燃烧率的研究结果,由正交实验趋势图可 见,影响因索的主次顺序为t催化剂含量>僵 化剂种类>煤种。影响规律为;随着催化剂的 摩尔分数由6%增加至15%时,煤的燃烧率提 高,但当催化剂摩尔分数超过15%到21%时, 煤的燃烧率开始降低I催化剂种类对煤燃烧催化的程度以iii为最佳

9、各催化剂对不同煤种的催化效果不同,催化效果最明显的为W,无 烟煤,最不明显的为W.无烟煤。 :图5、图6为进行无烟煤催化燃烧研究时,利用X射线衍射分析获得的图潜。此图分别 为无烟煤w。、w及其加人催化荆后,于850"C燃烧残余物的x射线衍射谱,分折表明。燃 烧残余物中除含有SiO。等晶相外,还有非晶态峰包,即无定形残炭,从峰包的高低可以看 19685窭毗毫82嘶 嵫 崂 嘶KImd of_thrne|tel。圈4正交实验趋势雷出,加入催化荆后,残炭量有所下降,且对无烟煤w-的下降影响更为明显。比较图5,图 6中蓝线,可见催化燃烧后其藏中晶相组成与原煤灰有一定区别这在一定程度上表明催化

10、 剂参与了化学反应过程,且使燃烧产物组分或结构发生了变化。2040 2(. :。图5W,媒样燃烧产暂的X-Ray衍射谱,柏 60勰,(.田6W.煤样燃烧产暂 的X-Ray衍射谱圈7、图8为最近在动态实验台上获得的烟煤及无烟煤燃烧过程中C0。浓度、炉内温度 变化与燃烧时间的关系曲线。由图7可见t该烟煤燃烧时出现了两个CO。浓度、温度最大 峰。第一个CO。峰出现较快、峰窄,且一开始co:浓度就迅速增大,第二个峰则较宽。且 结束对co:浓度减少速度变缓。对应温度与时闻关系曲线,第一个峰炉内温度上升快,但 温度最大值低于第二峰。这些信息表明t烟煤中挥发分首先燃烧,且燃烧速度快,当挥发 分燃烧到一定程度

11、后,固定碳开始燃烧。放出大量热量,随着同定碳的燃尽,燃烧过程停 止,C0:浓度、炉内温度回到初始状态。分析图8,我们看到无烟煤燃烧与烟煤有较大差别, 最明显的是起燃非常缓慢,燃烧过程持续时问长。另外没有明显的挥发分燃烧峰,固定碳 197'1981100已1030皇 咖 兰 里8 820TIme(n (b 圈7平顶山烟煤动态燃烧实验结果 (c02堆虚与燃烧时问关景曲线 (b炉内置虞与燃烧时问的差幕曲线 已蛳 880董呦 Timd0C曲 而一炉臆意度 20801101 Time(s. . (” 圈8晋城无耀煤动态燃烧实验结果 “c02漱虚与燃烧时间关景曲线 (b炉内量度与燃烧时问的关系曲缱

12、 警 凸 盆H_U的燃烧峰很宽，相应的温度变化较平缓。纵观两图关系曲线可以很清楚地爿断煤粉燃烧 过程中，起燃、燃尽以及最大燃烧速度所对应的时间点，因而获得不同煤质的动态燃烧实 验参数，为分解炉设计，以及改善煤粉燃烧特性研究提供依据。 四，讨论 由以上内容可以看出，利用现代测试，分析技术，可以很详细地了解煤粉燃烧过程中 有关信息，从而对煤粉的燃烧特性有了较深层次的了解，同时现代测试研究方法也使我们 进行煤粉着火及燃烧机理的探讨成为可能。 ： “ 既然煤粉燃烧特性的研究方法已发展到今天这样的水平，然而我们水泥行业在生产中 对煤粉的选择仍还采取着几十年前所采用的标准与方法郎只了解煤的工业分析值及煤的

13、 发热量，实际上在生产中，也经常出现煤的热值达到标准但却不好燃，或者是由于地区煤 质限制不可能完全满足挥发分及灰分标准的现象，为此很多厂家进行了各种艰苦的摸索，获 得了保贵的经验。同时在设计中如果还仅仅靠煤工业分析值及发热量来确定设计参数，已 很不科学。因此应重新确定评判煤质的标准，使其能更科学全面地反映煤的燃烧特性，同 时在窑炉结构设计时，或在生产过程中燃料变化，都应全面了解所用燃料的燃烧特性，这 样才能有效合理的利用能源，使窑炉始终处在较佳的燃烧状况，达到节能降耗的目的。 参考文献 叶旭韧。 胡道和等瘟堪燃烧嚣燃粉燃烧过程的数值模拟研究硅酸盐学报，（） 事建铸 攥在分解护中的燃烧特点分析水

14、艰技木，（）， 埘峨， 何峰等术掘窑用无烟煤的倦化燃烧盐：，（） “ 耐峻， 曲祖原等木扼窑用高雒燃脱硫剂脱琉效率研究硅酸盐通报，（） 埘幢韩。 寰佑新等膏麓爆在水扼窑中应用研究武仅工生大学学报（） 煤粉燃烧特性的实验研究方法及应用实例分析 作者： 作者单位： 谢峻林， 冯小平， 肖天来， 易晋珍 武汉工业大学材料学院硅酸盐工程中心 相似文献(4条 1.学位论文 汪小憨 煤粉近壁燃烧模型构建及液排渣式燃烧器的特性研究 2006 燃油窑炉面临油价大幅上涨、油料供应紧张的严峻态势，另一方面，大批中小型燃煤窑炉由于技术落后，提高效率、控制粉尘、降低NOx及SO2等污 染物排放的需求极为迫切，我国众多

15、的工业窑炉急需一种高效、低污染又能节省油气资源的洁净煤技术。在进入“十一五”之际，我国政府提出能源可 持续战略集中体现在“节能优先、保障供给、结构多元、环境友好”，开展清洁煤技术以及“煤代油”技术的研究与开发，因而本文的研究具有重要的 应用价值和现实意义。 基于液排渣燃烧方式提出的“煤粉低尘燃烧技术”在提高燃烧效率、降低粉尘排放、控制硫化物和氮氧化物排放方面具有 独特的设计构思和燃烧特点，经过“九五”国家攻关项目的支持，已经完成了200kg/h燃烧器的冷态实验和一部分热态试验，体现了良好的开发价值和应 用前景，但在燃烧器的结构优化、保证液排渣特性的制约条件、热效率提高、多级燃烧配置等多方面还存

16、在许多未解决问题，需要对于燃烧器有更深入 和系统的研究。由于煤粉燃烧器的热态试验投资大而且高温燃烧场的观察和测试手段复杂、困难大，单纯依靠热态试验难以对新型燃烧技术的进一步改 进和完善提出合理有效的措施，因而本研究采用以数值模拟为主的手段对液排渣燃烧器内相关理论模型和燃烧特性进行研究。 本文首先采用STARCD软件为计算平台，对液排渣燃烧器内的燃烧特性进行数值模拟。在合理选择气相流动、固相流动、煤燃烧以及NOx生成等模型的同时，通过对壁面条件 的近似处理，探讨了煤粉在壁面处的运动情况，并以此为基础考察了燃烧场的两相流动特性，模拟了燃烧器内煤粉的燃烧过程以及各物理量的分布。在 与实验比较的基础上

17、，对燃烧器的结构进行改进，为液排渣煤粉燃烧模型的开发和完善奠定基础。 根据CFD软件计算结果对燃烧器进行了改进，进 行新一代燃烧器的热态试验研究，测量了不同化学计量比下的温度、浓度分布，特别是得出了灰渣捕集率和飞灰浓度排放的定量结果，为低尘燃烧器的 开发和数学模型的构建提供了有用的热态试验数据。更为重要的是从计算结果和试验现象的分析比较中发现常规的煤粉计算程序不能正确地模拟和解析 液排渣情况下灰渣的沉积、流动以及颗粒的附壁燃烧等近壁特性，存在计算功能上的明显不足。针对现有煤粉计算程序的缺陷，本文对燃烧器内的颗粒 近壁燃烧现象建立了研究理论和数值模型，并将此模型引入煤粉燃烧的计算实践，建立了具有

18、煤粉空间燃烧和近壁、附壁燃烧多功能的计算框架，自主 编制和开发了计算软件。首先将学者们在研究电厂锅炉积灰、结渣过程而开发的灰沉积模型进行分析和选择，经过总结得出的模型计算式能分别对煤中 挥发分、焦炭、灰分的沉积分额进行定量化模拟；在此基础上，分析了同一计算组内颗粒由于沉积作用不断从空间燃烧状态脱离、进入附壁燃烧状态的 现象，提出了“群分化”的计算思想，根据不同的沉积位置和时间将初始的计算组分化为一个“空间组”和多个“沉积组”；对分化后的每个沉积组 ，结合传热学、材料学和燃烧学原理，构建了单组颗粒的壁上燃烧模型，通过对颗粒的有效直径、有效表面积及有效温度的计算，求出附壁颗粒中焦炭 的燃烧速率和挥

19、发分的释放速率，进而得出颗粒附壁燃烧所产生的动量、质量以及能量源项，代入气相方程中进行迭代；考虑到液渣层的存在会增加通 过壁面的传热热阻，对燃烧状况有很重要的影响，同时沉积组颗粒的速度也与液渣的流动速度有关，构建了二维轴对称的液渣流动模型，总结出几个关 键参数对液渣流动特性进行了分析，推导出渣膜厚度和流动速度的计算式，并通过附加传热热阻的计算，实现了对气相能量方程的壁面传热条件的自动 修正。本章最后将构建的新模型植入到总体的计算框架中，对计算示例内的颗粒沉积、颗粒附壁燃烧、液渣流动及灰渣捕集特性进行模拟，显示了较强 的计算功能。 针对附壁燃烧、焦炭还原气化反应、颗粒燃烧状态(尺寸变化等因素的影

20、响，本文的第六章对编制的WBSFPCC(WallBurningandSlagFlowinPulverizedCoalCombustion程序进行了模型精度的讨论，然后将计算数据与实际燃烧器内的温度、浓度、颗粒燃尽率及 捕渣率等试验数据进行比较，所得结果的模拟精度显著高于商业软件。 最后，作为煤粉低尘燃烧技术应用的拓展，本文提出将煤粉低尘燃烧技术 和混烧技术相结合的思路，并利用成功开发的燃烧计算程序对实际燃烧器内煤和木粉的混烧过程进行了数值模拟。结果表明：适量木粉的添加可以提高 燃烧初始段的温度，有利于充分利用燃烧器的前部空间；可以加大燃烧初始阶段的反应速度，改善煤粉的着火性能，提高煤粉的空间燃尽及附壁燃尽效 果，有利于颗粒在有限的空间里进行充分的燃烧及燃烧装置的小型化；有利于在燃烧器开始段形成连续的渣膜，保持燃烧工况的稳定。结论从理论角度 证明了将混烧技术和低尘燃烧技术相结合并用于工业窑炉改造的可行性。 2.期刊论文 汪小憨.赵黛青.曾小军.WANG Xian-han.ZHAO Dai-qing.ZENG Xiao-jun 煤与生物质液排渣混烧特性的 数值模拟 -过程工程学报2008,8(2 提出将液排渣低尘燃烧和混烧技术相结合的思路,并在自行编制的包含颗粒沉积、附壁燃烧及