神府煤粉燃烧特性
摘 要：为了给煤粉锅炉用户提供煤粉优选理论依据，以煤粉锅炉主要用煤神府煤制备的煤粉为研究对象，采用TG-DTG对煤粉的燃烧特性进行研究，分析了不同煤粉及升温速率对煤粉燃烧特性的影响。结果表明：在空气气氛下，升温速率提高，TG、DTG曲线向高温方向移动，煤粉的着火温度升高，最大质量变化速率增大，最大失重温度提高，燃尽指数增大；随着灰分和粒径改变，升温速率为10或20 ℃/min时，煤粉的着火温度变化不显著，燃尽指数及综合燃烧特性指数均有影响。灰分减小，粒径不变时，D煤粉的综合燃烧指数为1.51，优于粒径74 μm、灰分9.5%的P煤粉。
关键词：燃烧特性；煤粉；着火温度；燃尽指数；煤粉锅炉
0 引 言
随着我国城市的快速发展，城市环境污染问题不断显现。据有关部门统计，工业燃煤排放的污染物占雾霾来源和成因的30%～40%[1-2]。为了有效改善这种情况，国家加大了对燃煤锅炉的治理，主要采用原料煤的源头控制、污染排放不达标锅炉改造、煤改气、煤改电以及煤粉锅炉的推广。高效煤粉锅炉是煤炭科学技术研究院有限公司自主研发的新型环保锅炉，较传统链条炉具有煤粉燃尽率高、热效率高、污染物排放少等优点[3-4]，目前已在全国范围内推广应用，总规模达到每小时数千蒸吨。但是，随着国内煤粉锅炉用户不断增加，由于煤粉没有统一的国家标准[5-6]，用户在使用过程中出现诸多问题。煤粉燃烧特性作为煤粉锅炉燃烧的关键参数[7-8]，在煤粉锅炉运行中至关重要。然而，国内在煤粉锅炉燃料方面研究较少，朱安钰等[9]在1 MW半工业性试验炉上研究了布尔台煤燃烧特性，指出布尔台煤的运行氧含量应控制在3.5%左右。方顺利等[10]以乌拉盖褐煤低温热解半焦为研究对象，发现该半焦与国内典型煤质相近，但熔融性较低。左启伟等利用热重天平，研究了高炉喷吹煤粉预热后燃烧特性及动力学参数，指出煤粉预热温度不低于400 ℃。施江等[12]利用热重分析研究了RDF(垃圾衍生燃料)与煤粉混合燃烧特性，RDF在煤粉中掺混比可达50%。为了提高高炉燃尽率，张宏博等[13]在有限空间内研究了煤粉燃烧特性，指出影响燃尽率的主要因素是固定碳的燃烧量。综上所述，国内关于煤粉锅炉燃料燃烧特性的研究较少，且不同地区煤炭制备的煤粉的燃烧特性也有差别，针对这一问题，本文选取具有代表性的神府煤为原料，制备了3种煤粉为研究对象，探索神府煤的燃烧特性，为煤粉锅炉用户提供可靠的燃烧参数。
1 试 验
1.1 试验原料
3种煤粉均来自陕西煤业化工新型能源公司神木水煤浆厂，原煤均来自于同一煤矿原煤，经分选后获得不同灰分的精煤。煤粉的基本性能见表1，P、D、X煤粉的灰分分别为lt;10%、lt;8%、lt;7%，粒径分别为74、74、50 μm。其中，精煤的灰分为10.2%，挥发分38.0%，水分为15.3%，发热量为25.83 MJ/kg，硫含量为0.38%。
表1 煤粉的基本性能
Table 1 Basic properties of pulverized coal
注：煤粉基准条件为：Aad≤10%；Vad≥30%；Mad≤5%。
1.2 试验原理
在研究煤粉的燃烧特性时，通常采用TG-DTG
曲线[13]，其特征数据对煤粉锅炉燃烧具有一定的指导意义。特征数据主要有煤粉着火温度Ti、燃尽指数Hj和综合燃烧特性指数Hf。
Hj和Hf的计算公式[14-15]分别为
式中，(dw/dt)max为最大质量变化速率，mg/min；Tmax为最大失重率时的温度，℃；ΔTh为DTG后半峰宽温度差；℃；ΔT为DTG总峰宽温度差，℃。
Hj反映了煤的燃尽性能，且该值越大，则燃尽特性越好。Hf在很大程度上考虑表征煤样燃烧速度，可用于衡量煤样在着火后燃烧速度与强度，能够反映煤样着火后燃烧的稳定性，Hf越小，煤样燃烧性能越好。
1.3 测试方法
称取(7±0.1)mg煤粉于坩埚中，进行热重测试。测试条件为：空气气氛，升温范围为常温至900 ℃，升温速率分别为10 ℃/min和20 ℃/min。
2 结果与讨论
2.1 燃烧特性分析
煤粉的相关特征指数见表2。
图1为3种煤粉分别于10 ℃/min和20 ℃/min条件下的TG-DTG曲线。在30～300 ℃均有微弱的失重现象。这主要由煤粉中的低沸点挥发分及水分挥发引起。在300～420 ℃大量挥发分析出，煤粉开始燃烧，质量变化速率迅速增大，500 ℃附近时，燃烧最为剧烈。600 ℃附近时，煤粉基本燃尽。升温速率不同，致使初始燃烧温度Ti和最大质量变化速率时的温度Tmax提升。这是由于升温速率提升，但煤粉的自身传热系数并没改变。当提高升温速率，煤粉自身温度的积聚还达不到起始燃烧所需要的热量，在TG曲线中，反映在煤粉的Ti和Tmax延后。换言之，在测试过程中，样品内部达到相同温度时，升温速率慢的样品可提前达到所需热量而使挥发分散出，Ti和Tmax均降低。
表2 煤粉的相关特征指数
Table 2 Correlation index of pulverized coal
图1 P、D、X煤粉TG-DTG曲线
Fig.1 TG-DTG curves of pulverized coal P,D,X
图1(a)为P煤粉于10 ℃/min和20 ℃/min条件下的TG-DTG曲线。结合表2可知，当升温速率提高后，P煤粉的起始燃烧温度Ti从423.5 ℃提高到443.5 ℃，提高了20 ℃,而Tmax由488.2 ℃提高到514.7 ℃，延后26.5 ℃。
图1(b)为D煤粉于10 ℃/min和20 ℃/min条件下的TG-DTG曲线。结合表2可知，当升温速率提高后，D煤粉的起始燃烧温度Ti从421.6 ℃提高到436.6 ℃，提高了15.0 ℃,而Tmax由475.6 ℃提高到496.9 ℃，延后21.3 ℃。
图1(c)为X煤粉于10 ℃/min和20 ℃/min条件下的TG-DTG曲线。结合表2可知，当升温速率提高后，X煤粉的起始燃烧温度Ti从421.7 ℃提高到439.8 ℃，提高了18.1 ℃，而Tmax由482.1 ℃提高到508.7 ℃，延后26.6 ℃。
对比3种煤粉的Tmax、Ti和最大质量变化速率可知，在相同粒径时，P煤粉和D煤粉同一升温速率下，Ti变化较小，最大质量变化速率及Tmax变化均较大，其中D煤粉的Tmax明显低于P煤粉，最大质量变化速率高于P煤粉。而X煤粉与P煤粉相比，在同一升温速率时，X煤粉的Ti低于P煤粉，最大热质量变化速率大于P煤粉，Tmax小于P煤粉。与D煤粉相比，X煤粉的3项特征指数与P煤粉正好相反。由此可见，灰分及煤粉的细度均对煤粉的Ti、最大热质量变化速率及Tmax产生影响。在生产过程中要严格控制细度及灰分，确保产品质量稳定。
2.2 燃尽特性及综合燃烧特性分析
表2中给出了煤粉的燃尽指数数据。从表2可知，在相同的升温速率下，P煤粉和X煤粉的燃尽指数较D煤粉小，说明D煤粉的燃尽性能优于P煤粉和X煤粉。而X煤粉的燃尽性能最差。在热重分析中，样品静止燃烧时，燃尽指数与煤粉的粒径、灰分及表面积相关，X煤粉表面积大，但堆积密度大，颗粒间空气少，造成燃烧不充分，燃尽指数偏小。而D粉，粒径较大，灰分也较少，燃烧时空气充分，其燃尽指数较P煤粉和X煤粉大。
从表2可知，P煤粉、D煤粉及X煤粉在升温速率为10 ℃/min时的综合燃烧特性指数Hf较升温速率20 ℃/min时大。在3个样品中，无论升温速率为10 ℃/min或20 ℃/min，D煤粉的综合燃烧特性指数Hf均最低，由此可知，D煤粉在着火后，稳定性较P煤粉和X煤粉好。
3 结 论
1)对于同一原料煤，煤粉粒径由74 μm减小到50 μm时，综合燃烧特定指数在10 ℃/min升温速率下略微降低，但随着升温速率提高，综合燃烧特定指数没变，说明当燃烧进入稳燃状态时，粒径在一定范围不影响燃烧状态，在保证燃尽率的前提下，可提高煤粉粒径，降低加工成本，节省原料成本。
2)对于同一原料煤，煤粉粒径不变，灰分由9.5%减小到6.9%时，综合燃烧特定指数在10 ℃/min和20 ℃/min升温速率下显著降低，说明在煤粉粒径保持一致的条件下，灰分的高低直接影响煤粉的综合燃烧特定指数。在选择煤粉时，应当优选低灰分的煤粉，提高煤粉燃烧性能，延长锅炉的使用寿命。
3)煤粉选择时，在满足水分、挥发分、发热量的前提下，应当以灰分较低、粒径适中的煤粉为优选，以减少企业的燃料成本。
参考文献(References)：
[1] 尚庆雨.我国煤粉工业锅炉技术现状及发展趋势[J].煤炭科学技术，2016，44(1)：201-202.
Shang Qingyu.Current status and development trend of pulverized coal industrial boiler in China[J].Coal Science and Technology，2016，44(1)：201-202.
[2] 王乃继，尚庆雨，张鑫，等.德国煤粉工业锅炉实践及我国研发、推广的现状与发展[J].工业锅炉，2016，12(2)：1-10.
Wang Naiji,Shang Qingyu,Zhang Xin,et al.Practice of pulverized-coal fired industrial boilers in Germany and status of its research,promotion in China[J].Industrial Boiler，2016，12(2)：1-10.
[3] 何海军，纪任山，王乃继.高效煤粉工业锅炉系统的研发与应用[J].煤炭科学技术，2009，37(11)：1-4.
He Haijun，Ji Renshan，Wang Naiji.Development and application of high efficient pulverized coal fired industrial boiler system[J].Coal Science and Technology，2009，37(11)：1-4.
[4] 俞建洪，王善武.煤粉工业锅炉及其发展前景[J].工业锅炉，2014，30(1)：1-5.
Yu Jianhong，Wang Shanwu.Pulverized coal fired industrial boiler and development prospect[J].Industrial Boiler，2014，30(1)：1-5.
[5] 冯现河.高效煤粉工业锅炉技术开发及示范推广[J].洁净煤技术，2011，17(4)：62-66.
Feng Xianhe.Development and popularization of efficient pulverized coal fired industrial boiler technology[J].Clean Coal Technology，2011，17(4)：62-66.
[6] 王金华，王乃继.散煤资源清洁利用工程示范——现代煤粉工业锅炉[J].煤炭工程，2016，48(9)：1-6.
Wang Jinhua，Wang Naiji.Demonstration project of high efficiency pulverized coal fired industrial boiler for bulk coal clean utilization[J].Coal Engineering，2016，48(9)：1-6.
[7] 宋春燕.高效煤粉燃烧技术在区域集中供热中的应用[J].洁净煤技术，2015，21(4)：74-76.
Song Chunyan.Application of high efficiency pulverized coal combustion technology in regional central heating[J].Clean Coal Technology，2015，21(4)：74-76.
[8] 高立珍，郑安申，毛明强.高效煤粉锅炉技术在城市集中供热中的应用[J].区域供热，2014，21(3)：75-78.
Gao Lizhen，Zheng Anshen，Mao Mingqiang.Application of high efficiency pulverized coal combustion in city central heating[J].District Heating，2014，21(3)：75-78.
[9] 朱安钰，曹维，李洪涛.布尔台煤燃烧特性试验研究[J].锅炉制造，2016，21(1)：29-33.
Zhu Anyu，Cao Wei，Li Hongtao.The experimental research on combustion characteristic of Buertai coal[J].Boiler Manufacturing，2016，21(1)：29-33.
[10] 方顺利，蒙毅，杨忠灿，等.乌拉盖褐煤半焦燃烧特性试验研究[J].热力发电，2017，46(1)：56-60.
Fang Shunli，Meng Yi，Yang Zhongcan，et al.Experimental study on combustion characteristic of Wulagai lignite semi-coke[J].Thermal Power Generation，2017，46(1)：56-60.
[11] 左启伟，苍大强，安霞，等.煤粉预热燃烧特性及动力学分析[J].河北科技大学学报,2015，36(4)：431-436.
Zuo Qiwei，Cang Daqiang，An Xia，et al.Combustion characteristics and kinetic analysis of preheating pulverized coal[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36(4)：431-436.
[12] 施江，谢峻林，梅书霞，等.RDF与煤粉混合燃烧特性及动力学分析[J].环境工程学报，2017，11(1)：490-496.
Shi Jiang，Xie Junlin，Mei Shuxia，et al.Combustion characteristics and kinetic analysis of RDF and coal blends[J].Chinese Journal of Environmental Engineering，2017，11(1)：490-496.
[13] 张宏博，张宗旺，车晓锐，等.有限空间内煤粉燃烧特性的研究[J].钢铁研究，2017，45(1)：1-5.
Zhang Hongbo，Zhang Zongwang，Che Xiaorui，et al.Study on combustion characteristics of pulverized coal in confined space[J].Research on Iron amp; Steel，2017，45(1)：1-5.
[14] 李永波.配比及粒径对煤粉燃尽特性影响的实验研究[D].武汉：华中科技大学，2009：21-22.
[15] 黄福幸，杨薇.细煤粉燃烧特性的热分析研究[J].煤炭工程，2011，43(10)：103-106.
Huang Fuxing，Yang Wei.Study on thermal analysis on combustion features of pulverized coal[J].Coal Engineering，2011，43(10)：103-106.
Combustion features of Shenfu pulverized coal
Abstract:In order to provide a theoretical basis for coal-fired boiler utilization,pulverized coal produced from coal-fired boiler blending with Shenfu coal was investigated.Combustion characteristic of pulverized coal was studied by TG-DTG,and the influence of coal powder and heating rate on the combustion feature were also analyzed.Results show that under air atmosphere,the TG-DTG curves shift to high temperatures region with the increase of heating rate,and the ignition temperature,maximum weight loss rate,burnout index,as well as maximum weight loss temperature increase.The change of particle size and ash content demonstrates less effect on the ignition temperature at heating rate of 10 ℃/min or 20 ℃/min.While,it affects the burnout index and comprehensive combustion features.the comprehensive combustion features of D coal is 1.51,which is better than that of the pulverized coal P with particle size of 74 μm and ash of 9.5%.
Key words:combustion features;pulverized coal；ignition temperature；burnout index；pulverized coal-fired boiler
中图分类号：TK229.63；TQ534
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)02-0074-04
收稿日期：2017-02-10；责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.02.014
引用格式：李增林，刘锐利，庞青涛，等.神府煤粉燃烧特性[J].洁净煤技术，2017，23(2)：74-77.
Li Zenglin，Liu Ruili，Pang Qingtao，et al.Combustion features of Shenfu pulverized coal[J].Clean Coal Technology，2017，23(2)：74-77.
