不同干燥程度胜利褐煤燃烧与自燃特性

郝俊忠1，王志超2，姚 伟2

(1.内蒙古上都发电有限责任公司，内蒙古 锡林郭勒盟 027200；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

摘 要：为了探究高水分褐煤干燥后的燃烧与自燃特性变化，采用一维火焰炉、煤粉着火炉以及自燃试验台对不同干燥程度的胜利褐煤进行了试验研究。试验结果表明，试验样品的着火温度随着干燥程度的增加而降低，随着风煤比的增加而增加，煤粉细度同样会对着火温度产生影响。在燃用干燥褐煤过程中宜采用较高一次风率以提高制粉系统的安全性。胜利褐煤及其干燥褐煤均属于极易燃尽煤种，燃尽率均在99.4%以上，水分的变化对燃尽率影响不大。建议胜利褐煤与20%水分干燥褐煤的运行氧含量控制在3.5%左右。随着干燥程度的加深和粒径的减小，褐煤越容易自燃。胜利褐煤干燥到20%以下可能有自燃的风险。

关键词：胜利褐煤；自燃特性；着火温度；燃尽率

0 引 言

褐煤具有的挥发分高、水分高、热值低等特点导致锅炉烟气量大、排烟温度高，造成锅炉体积庞大、效率普遍偏低、机组大型化困难[1]。随着我国《能源发展战略行动计划(2014—2020)》的实施以及国家《商品煤质量管理暂行办法》的颁布，大量褐煤的就地煤电高效转化与干燥提质后的外运成为褐煤的主要利用方式。在褐煤进入锅炉前，利用褐煤发电过程中的部分能量对其进行预干燥，以降低入炉煤的水分，可以实现燃煤发电过程中的能量梯级利用，提高褐煤机组发电效率[2]。Muthusamg等[3]、Hatzilyberis等[4-5]分别针对滚筒烟气干燥过程中的动力、热力特性以及滚筒干燥设备的设计方法开展研究；Kakaras等[6]通过模拟研究了褐煤预干燥与希腊褐煤机组的集成耦合；赵卫东等[7]利用热重法分析了褐煤脱水性能；阎维平等[8]分析了锅炉燃用干燥褐煤后对运行的影响；李勤道等[9]分析了锅炉烟气干燥对发电系统热效率的影响因素；Ma等[10]对锅炉烟气预干燥发电系统的安全性、节能性及水回收效益进行了计算比较；刘明等[11]对比了烟气干燥与低压省煤器的节能效果，认为烟气预干燥更具节能潜力；韩小渠等[12]针对褐煤烟气预干燥发电系统的变工况特性建立了全厂机炉仿真模型；王志超等[13-14]分析了烟气干燥和汽轮机抽汽干燥对发电机组的热经济性影响。但针对褐煤干燥后煤质特性变化的研究相对缺乏，而准确判别褐煤干燥后的燃烧及自燃特性等变化对锅炉的设计具有重要意义。本文通过对胜利褐煤进行干燥提质并对干燥后褐煤开展研究，掌握胜利褐煤以及干燥褐煤燃煤特性，以期为我国褐煤燃用技术的应用提供参考，为锅炉的设计选型及运行，特别是对煤燃烧器的布置及运行提供依据。

1 试验设备及评判指标

1.1 一维火焰炉、煤粉气流着火炉及自燃试验台

煤粉气流着火温度测试炉及系统示意如图1所示，煤粉气流着火温度试验台系统由炉体、给粉机、送风机、引风机、除尘器等构成，配置空气流量、压力、温度等测量仪表。炉体为立式电加热炉，有效高度610 mm，内径175 mm，2级炉膛均由双套管碳化硅烧制而成，配有调压器以调节炉壁温度，炉顶轴线上装有1个一次风喷嘴和2个二次风喷口，气流由上而下流动且被加热至煤粉着火。

TPRI煤粉燃烧一维火焰炉试验台如图2所示，整个系统包括送风、给粉、燃烧、除尘、测温及取样等。一维火焰炉燃烧试验台的炉体高3 m，内径175 mm，炉体立立式布置、烟道水平布置，整体呈“L”型。炉体由锥型炉顶及6级可分别控制壁温的电加热级组成，炉体为电加热积木式结构，每一级均有测孔，可根据试验要求沿火焰行程测定火焰温度，并抽取试样。气、粉混合物由锥体顶部引入，炉顶及第1级炉体的锥型渐扩结构使气粉混合物在加热过程中均匀膨胀，充满截面，消除了烟气回流，形成无轴向混合的柱塞状流动。沿炉膛轴向测定的参数可表征煤粉气流燃烧过程的特征。

西安热工研究院有限公司原煤自燃试验台模拟一定粒度的原煤在堆积状态下，通过自然通风，煤堆温度逐渐上升，当达到自燃温度临界点时，煤粉的吸氧量迅速增加，以维持煤粉自燃所需氧含量。

1.2 着火、燃尽及自燃判别指标

着火温度反应煤粉气流着火的难易程度。定义炉内气流温度达到炉壁温度且后期持续超过炉壁温度时的温度为煤粉气流的着火温度(IT)。试验时需多次测量求平均值。

燃尽率直接影响锅炉燃烧效率和运行安全性。试验时，从一维火焰炉第6级测孔抽取试样。燃尽率B的计算式为

B=[1-(A0/A)]×100/(100-A0)(1)

式中，B为已燃尽的可燃质占初始燃质的百分数，%；A0为原煤粉干燥基灰分，%；A为固体试样灰分，%。

采用耗氧速率来评价原煤的自燃倾向，定义为

δ=[O2(1)-O2(2)]/(t2-t1)(2)

式中，δ为自燃倾向的耗氧速率，%/min；O2(1)为t1对应氧含量，%；O2(2)为t2对应的最终稳定氧含量，%；t2为氧含量最终稳定时间，min；t1为氧含量开始迅速降低的时间，min。

着火温度IT、燃尽率B以及自燃特性指标耗氧速率δ的分级界限见表1[15-16]。

表1 燃尽率、着火、自燃性能判别指标分级界限
Table 1 Gradational boundary of burn-out rate,coal ignitability and self-ignition characteristics

2 试验结果分析

2.1 着火性能试验

按照表1的判别标准，胜利褐煤及3种干燥褐煤均属极易着火煤种。不同干燥程度胜利褐煤着火性能试验结果如图3所示。由图3(a)可知，随着干燥程度的加深，煤样的着火温度逐渐降低。胜利褐煤与25%水分干燥褐煤的着火温度相近，而20%水分和15%水分干燥褐煤的着火温度较为接近；干燥后水分从25%降低到20%时，试验煤样的着火温度降低16 ℃，这是由于挥发分大的干燥褐煤活化能小、反应能力强，着火温度就会变低，即使周围散热条件较强，也容易稳定着火。同样，图3(b)所示的热重反应指数也可以看出随着水分的降低，热重反应指数也降低，着火越容易。

图4(a)为风煤比对着火温度的影响。可以看出，风煤比为2.5时，胜利褐煤和20%水分干燥褐煤的着火温度相近，说明在一定范围的风煤比下，风煤比越大，干燥褐煤的着火温度越趋近于原煤。着火温度随风煤比的增大而增加，由于褐煤的着火温度整体较低，故在燃用干燥褐煤过程中宜采用较高一次风率，以降低煤粉浓度，提高制粉系统的安全性。

不同煤粉细度对着火温度的影响如图4(b)所示。可以看出，适宜的煤粉细度会对着火温度产生影响。对胜利褐煤而言，煤粉细度R90在25%左右时，着火温度最高；而对20%水分干燥褐煤，煤粉细度R90在15%左右时着火温度最高。

2.2 试验煤样的燃尽性能分析

图5(a)为胜利褐煤及其不同程度干燥煤样的燃尽率。可以看出，胜利褐煤、25%水分干燥褐煤、20%水分干燥褐煤和15%水分干燥褐煤的燃尽率均在99.4%以上，均属于极易燃尽煤种，各煤样之间的燃尽特性相差较小，说明干燥水分对本身极易燃尽褐煤的燃尽率影响较小。图5(b)所示的热重燃尽指数也可以看出随着水分的降低，热重燃尽指数逐渐降低，但整体变化不大。

图6和图7为氧含量对胜利褐煤与20%水分干燥褐煤燃烧污染物浓度的影响。可以看出，随着氧含量的增加，SO2排放量先降低后增加、NOx排放量则显著增加。同时，氧含量的增加会在一定程度上增加SO2向SO3转化的概率，即增加了SO3转化率。考虑到胜利褐煤的极易燃尽性，结合污染物生产量，胜利褐煤与20%水分干燥褐煤的运行氧含量控制3.5%左右较为合适。

2.3 原煤自燃特性

分别对6 mm和12 mm粒径的胜利褐煤以及不同干燥程度褐煤进行自燃特性试验，采用耗氧速率δ作为判别指标。试验结果见表2，这里以神华烟煤作为对比。水分和粒径对自燃特性的影响如图8所示。由表2和图8可见，干燥水分与粒径对煤的自燃特性影响显著。干燥褐煤水分Mt在20%以上时，不同粒径干燥褐煤自燃特性均为“中”等级，自燃特性低于神华烟煤；干燥褐煤水分Mt在10%时，不同粒径干燥褐煤自燃特性均为“易”等级，自燃特性略高于神华烟煤；粒径较大的干燥褐煤自燃特性低于粒径较小的干燥褐煤。因此，胜利褐煤干燥到20%以下有可能带来原煤自燃的风险。

表2 自燃特性试验结果
Table 2 Test results of self-ignition

3 结 论

1)胜利褐煤及其3种干燥褐煤均属极易着火煤种，干燥程度越深，着火温度越低。

2)着火温度随风煤比的增大而增加，在燃用干燥褐煤过程中宜采用较高一次风率以提高制粉系统的安全性；适宜的煤粉细度同样会对着火温度产生影响。

3)胜利褐煤、25%水分干燥褐煤、20%水分干燥褐煤和15%水分干燥褐煤的燃尽率均在99.4%以上，均属于极易燃尽煤种，干燥水分对本身极易燃尽褐煤的燃尽率影响较小。

4)考虑到胜利褐煤的极易燃尽性，结合对污染物SO2和NOx生成的影响，建议胜利褐煤与20%水分干燥褐煤的运行氧含量控制3.5%左右。

5)褐煤挥发分高、煤化程度低，属于中等自燃的煤种。随着干燥程度的加深，粒径的减小，褐煤更易自燃。胜利褐煤干燥到20%以下有可能带来自燃的风险。

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Combustion and self-ignition characteristics of Shengli lignite with different drying degrees

Hao Junzhong1,Wang Zhichao2,Yao Wei2

(1.Inner Mongolia Shangdu Power Generation Co.,Ltd.,Xilinguole 027200,China;2.Xi'an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xi'an 710054,China)

Abstract:In order to investigate the change of combustion and self-ignition characteristics of high moisture lignite under different drying degrees,a one-dimensional flame combustion furnace,a pulverized coal ignition temperature examining furnace and a coal self-ignition analyzing apparatus were used to test the combustion performance of Shengli lignite.Results show that the ignition temperature decreases with the increase of the drying degree,while increases with the rising of the air/coal ratio.The fineness of pulverized coal will also affect the ignition temperature.When burning with the drying lignite,a higher primary air rate should be adopted to improve the safety of coal pulverizing system.Shengli lignite raw coal and the dried samples are very easy to be burn-out,and the burn-out rates are above 99.4%.The change of moisture has little effect on the burn-out rate.The suggested operational oxygen supply is approximate 3.5% for burning the Shengli lignite and its 20% moisture drying lignite.The lignite with deeper drying degree and smaller particle size is easier to be self-ignition.The excessive drying with the moisture content less than 20% will bring higher risk of self-ignition.

Key words:Shengli lignite;self-ignition;ignition temperature;burning-out rate

中图分类号：TQ531；TQ534

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2017)02-0069-05

收稿日期：2016-11-01；责任编辑孙淑君

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.02.013

基金项目：中国华能集团总部科技资助项目(HNKJ15-H11)

作者简介：郝俊忠(1971—)，男，内蒙古乌兰察布人，工程师，从事电站锅炉运行及管理工作。E-mail:wzy1974000@126.com。通讯作者：王志超，工程师，博士，从事燃料特性及褐煤提质研究。E-mail：wangzhichao@tpri.com.cn

引用格式：郝俊忠，王志超，姚伟.不同干燥程度胜利褐煤燃烧与自燃特性[J].洁净煤技术，2017，23(2)：69-73.

Hao Junzhong,Wang Zhichao,Yao Wei.Combustion and self-ignition characteristics of Shengli lignite with different drying degrees[J].Clean Coal Technology，2017，23(2)：69-73.