混煤燃烧特性的热重分析

时继明

（合肥水泥研究设计院 安徽合肥 230051）

混煤燃烧特性的热重分析

时继明

（合肥水泥研究设计院 安徽合肥 230051）

本次研究在吸取前人经验的基础上，采用技术成熟先进的综合热分析技术来考察国内水泥行业常用煤的燃烧特性，对煤炭的高效利用进行初步探讨。

混煤；热重分析；粒度分级

1、前言

煤炭是我国的主要能源，在我国一次能源消费结构中煤炭占70% 左右，其中动力用煤占煤炭消费总量 85%以上，煤的燃烧特性对水泥窑熟料煅烧有着至关重要影响。由于水泥工业中由于分解炉和水泥窑结构特点，对燃料用煤不仅对热值有要求，对煤的燃烧稳定性，易燃性，燃尽时间等都有要求，因此对用于水泥工业的原煤采用新技术进行特性分析有很强的实际应用价值，有利于节约能耗，也有利于更好的使用劣质煤。因此，研究不同煤种掺混的煤炭燃烧特性具有重要的实际价值和理论意义。

2、研究内容及方法

2.1 研究内容

1．利用同步热分析技术考察各典型煤种燃烧过程，分析各煤种的动态实验结果，对比工业分析结果，归纳各典型煤种的特征参数。

2．研究典型煤种的粒度、灰分、发热量等物理特性和气氛、温度等外界因素变化对煤特征参数的影响。

3．进一步研究不同煤种的混合搭配，对水泥窑用混煤搭配提供技术支持。

2.2 研究方法

对水泥工业常用的各种典型煤种收集采样，经清洁、破碎等前处理过程后制成实验样品。

按煤种的不同采用正交方法设计实验内容，研究各典型煤种的实验特征，考察各煤种的数据变化和区别，归纳典型煤种的特征参数。

设计实验方案研究煤的物性变化和外部因素变化对特征参数的影响。

考察不同组合的混煤燃烧特性变化趋势。

3、研究结果

对水泥厂常用烟煤和无烟煤取样，经过分类、破碎、烘干、筛分等获得实验样品。主要样品的工业分析结果如下表：

表1 水泥厂用煤工业分析

3.1 典型煤种气氛测试

对水泥厂采集的烟煤和无烟煤试样采用 Netzsch STA449-F3 差示扫描量热仪进行燃烧测试，工作气氛为空气，气体用量为50 ml/ min，升温速率分别为10℃/ min，温度变化范围分别为RT～1000 ℃，样品用量10.0±0.5mg，细度80um左右。

图1 淮南烟煤热解燃烧测试

由图1可见煤样从室温开始缓慢失水，至200 ℃左右基本结束，伴随着失重有两个吸热峰出现，分别为外水和内水的蒸发，质量变化在 16%左右。随温度升高，挥发分逐步析出和燃烧，同时由于挥发分的燃烧放热焦炭也开始逐步放热燃烧，由DSC和TG曲线可见双峰现象的出现，并在439℃和477℃达到峰值，随后还有约2%左右的质量减小，一般是少量较大颗粒的煤粉内部颗粒逐步燃烧所致，至 700℃左右燃烧结束，总质量变化为 65.09%。至燃烧结束最后残留质量为17.29%，该部分主要为煤炭中的灰分。

图2 印尼无烟煤热解燃烧测试

图2可见该煤样从室温开始缓慢失水，至170 ℃左右基本结束，伴随着失重有一个吸热峰出现，内水很少，质量变化在1.5%左右。由图可见在200～400℃的范围内质量基本无变化，从410℃左右开始煤粉开始燃烧放热失重，燃烧峰值温度约572℃，至700℃左右燃烧结束，总质量变化为65%。至燃烧结束最后残留质量为33.13%，该部分主要为煤炭中的灰分。

3.2 典型煤种混合测试

采用 Netzsch STA449-F3 对采集的烟煤和无烟煤试样进行燃烧测试，由实验结果可知，其中无烟煤即使在1000℃的高温下固定碳的燃烧仍然是比较困难的，挥发分的存在对于固定碳的助燃有较大帮助；淮南烟煤和昌吉烟煤的在1000℃开始的氧化气氛下挥发分存在使得固定碳在较窄的范围内即发生了完全燃烧。对水泥工业而言，无烟煤的合理使用应考虑合理搭配部分烟煤助燃，使混煤能够易燃、放热区域集中。

因此本节将淮南烟煤和印尼无烟煤设置不同的比例进行混合后测试燃烧状况，其中烟煤的比例分别为：70%，50%，30%。实验工作气氛为空气，气体用量为50 ml/ min，升温速率分别为10℃/ min，温度变化范围分别为RT～1000 ℃，样品用量10.0±0.5mg，细度80um左右。

图3 烟煤无烟煤混合燃烧测试

由图1可见，混煤在480和590℃左右出现了两个放热高峰，随着混煤中各成分的变化第一个放热峰温度基本无太多变化，但第二个放热峰则分别为576.6℃，584.2℃，588.4℃。即当混煤中烟煤比例的提高，混煤中无烟煤固定碳的燃烧放热温度适当有所降低。

总体上看混煤的放热区间与单煤种的燃烧放热区间基本一致，对于煤质差别较大的烟煤与无烟煤混煤，组成混煤的单煤在其自身的放热区间内基本上保持原有燃烧性能，无烟煤中掺入适量的烟煤对固定碳的燃烧峰温的降低有积极作用。

3.3 不同粒度的烟煤和无烟煤混合测试

为了考察不同粒度的烟煤和无烟煤混合后燃烧特性的变化，将淮南烟煤和印

尼无烟煤取等质量不同区间（125～90um，90～70um，＜70um）的颗粒混合后测试其燃烧性能。实验工作气氛为空气，气体用量为50 ml/ min，升温速率分别为20℃/ min，温度变化范围分别为RT～1000 ℃，样品用量10.0±0.5mg。

从图4的H1Y3可见其放热在500～600℃段内达到高峰，峰值出现在550℃；而图5的H3Y3曲线可见在500～600℃段内的高峰放热阶段内有两处较为明显的双峰出现，这和烟煤大颗粒（125～90um）中类似曲线对比可见其放热不如之前两者放热平稳，两种煤种的小颗粒混合燃烧时更多的体现其单煤种燃烧特点，且这种趋势在较大颗粒的煤种混合时表现的并不明显。

图4～5是以烟煤为基础混合不同粒径无烟煤得的实验结果。

图4 烟煤大颗粒（125～90um）混煤测试

图5 烟煤小颗粒（90um）混煤测试

3.4 不同粒度的无烟煤和烟煤混合测试

以无烟煤为基础向其中混合烟煤得出的结果如图6～7所示。

图6 无烟煤大颗粒（125～90um）混煤测试

图7 无烟煤小颗粒（90um）混煤测试

对比图6、7可见随着无烟煤颗粒粒径的减小，混煤的集中放热区间由之前的500～700℃变为500～600℃；

对比图5、7可见，当同样选择小颗粒为基准煤种时，无烟煤小颗粒混煤的放热比烟煤小颗粒的集中放热影响更明显。

图6～7是以无烟煤为基础混合不同粒径烟煤得的实验结果。

4、总结

本项目从煤粉燃烧特性着手，研究了混煤煤粉的燃烧规律，探讨了煤粉分级后各粒级煤样的燃烧特性，分析了粒度对燃烧特性的影响。本项目的开展有利于强化煤粉燃烧和多煤种混合使用提供理论指导。

本次项目得到的主要结论如下：

（1）烟煤、无烟煤煤样中的水分在约200℃时基本蒸发完毕。

（2）空气气氛下烟煤中的挥发分随着温度升高逐渐失重燃烧，在400～500℃达到峰值，固定碳的燃烧温度也较为集中，整个燃烧过程在700℃左右结束。

（3）无烟煤在空气气氛下燃烧开始温度较高，整个燃烧在400～700℃范围内基本结束。

（4）对于煤质差别较大的烟煤与无烟煤混煤，组成混煤的单煤在其自身的放热区间内基本上保持原有燃烧性能，无烟煤中掺入适量的烟煤对固定碳的燃烧峰温的降低有积极作用，有助于无烟煤的燃烧。

（5）混煤中随着无烟煤粒径的减小，混煤的放热区间逐步向低温区偏移，放热集中程度也有所增强，放热峰值温度也有较大程度的降低。

（6）混煤中无烟煤的小颗粒比烟煤的小颗粒对混煤的集中放热影响更明显。

[1]姚强,岑可法,施正伦等.多煤种配煤特性的试验研究[J].动力工程,1997,17(2).

[2]张辉,王焱,杨威,攀西林等.混煤燃烧特性的热重实验[J].长沙理工大学学报,2012,9(1).

[3]孙明,莫言学,李梅等.混煤燃烧特性的热重分析法研究[J].能源技术与管理,2005,50(2).

G322

B

1007-6344（2016）10-0274-02

时继明（1984-11-02），男，本科，工程师，合肥水泥研究设计院分院。