（工程热物理专业论文）对煤粉燃烧与热解的试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 热重分析仪由于其精度高、试验方便、重复性好等优点，己逐渐成为国内外许多研究机 构用来分析煤质燃烧和热解特性所经常采用的试验手段，并用来指导电站锅炉用煤。不同研 究机构采用的仪器不同，得出的结果也有所不同，虽然许多文章对影响热天平试验过程和结 果的因素进行了分析，但具体到针对煤这一试验样品方面仍然有所欠缺。 本文选用浙江省内电厂所经常采用的煤样，对煤的热失重特性进行了分析。通过对不同 煤样在不同的试验条件下得到的热分析t g 和d t g 曲线，文章将煤粉燃烧过程的热失重曲 线划分为三种线型，然后对热天平试验中所呈现的各种线型进行分析和研究，分析了试验条 件对反应线型的影响。 另外本文还将不同煤种在热天平条件下进行热解，研究了煤中氮的热解析出特性，并且 较为详细和系统地研究和分析了燃料n 向挥发分n 转化过程中受煤质、温度以及各种试验 条件的影响，并对焦炭n 含量的降低提出了控制方案。 此外针对国内某电厂2 0 0 m w 四角切圆燃烧锅炉，提出两种改造方案，并利用c f d 软 件平台对锅炉改造前后燃烧状况进行数值模拟研究，为实施再燃技术提供依据。 关键字：煤粉着火活化能热重燃料氮转化率 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h et h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u sh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h p r e c i s i o n 、c o n v e n i e n c e 、 w e l l - r e p e t i t i o nc h a r a c t e r i s t i ce t c m o r ea n dm o r er e s e a r c hi n s t i t u t i o n sm a k eu s eo ft h e e x p e r i m e n t a lm e a n st oa n a l y z et h ec o a lc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，a n da p p l yi t t os u p e r v i s et h e u s a g eo ft h ec o a li ns t a t i o nb o i l e r t h e r ea l ed i f f e r e n tr e s u l t sm a d eb yd i f f e r e n ti n s t i t u t e sb e c a u s e o ft h ed i f f e r e n ta p p a r a t u s m a n yp a p e r sa n a l y z et h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h er e s u l t s ，b u th a v es o m e d e f i c i e n c yi nt h ea s p e c t so fc o a ls a m p l e s w es e l e c ts o m ec o a ls a m p l e sw h i c hf r e q u e n t l yu s e di nt h ep o w e rp l a n t si nz h e n g i i a n g p r o v i n c ea n da n a l y z et h eh e a ta g r a v i cc h a r a c t e r i s t i c t ga n dd t g c u r v eo fd i f f e r e n tc o a ls a m p l e s c a nb eg o tu n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n tc o n d i t i o n s t h eh e a ta g r a v i cc l l r v e so fb u r n i n gp r o c e s s i o n s c a r tb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e si n t h i sp a p e r w ed i s c u s sa l lk i n d so ft h el i n et y p e si nt h e s e e x p e r i m e n t st h o r o u g h l y , a n da n a l y z et h ei n f l u e n c e so f t h ee x p e r i m e n te o n d f f i o n s t h i sp a p e rg i v e st h ep r o p e r t yi o d e x , w h i c hc a nr e p r e s e n tt h ep y r o l y t i cp r o p e r t yo fp u l v e r i z e d c o a la n dp r o b e st h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ep y r o l y s i so f t h ep u l v e r i z e dc o a l ，s u c ha s ，t h eg r a i ns i z eo f t h ep u l v e r i z e dc o a l ，t h eh e a t i n gv e l o c i t y , e t e c o a lr e b u m i n gi san e wt e c h n i q u et or e d u c en i t r o g e no x i d e s ( n o x ) e m i s s i o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fc o m b u s t i o np m e e s si na2 0 0m wt a n g e n t i a l l yf i r e df u r n a c ei sp e r f o r m e do nc f d s o f t w a r ep l a t f o r m k e yw o r d s ：p u l v e r i z e d - c o a lt h e r m o g r a v i m e t r i cp y r o l y s i sn i t r o g e np e r c e n tc o n v e r s i o n 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。据我所知，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，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 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：舀露 签字日期：2 矽厂年j 月，一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交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璃入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名渺，侈 签字目期：力彩。f 年；月、p 目签字日期：二万年专月i 夕日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙扛大学硕士学位论文序论 第一章绪论 1 1 中国能源构成 1 1 1 我国能源结构 在世界和我国的能源结构中，用于燃烧的矿物燃利占据重要的地位。表卜1 示出了世界 一次能源的消费结构比重，在世界总体能源结构中，以燃烧方式提供的矿物所占比例在8 0 8 5 ，占绝对主导地位。从发展趋势来看，即使到2 0 2 0 年，由于石油资源的下降和新 能源的开发，矿物燃料所占比例将有所下降，但仍高达7 3 9 ，仍然是能源的主要构成。 表卜1 世界一次能源的消费结构( ) 煤 石油 天然气矿物燃料总计水电核电新能源 1 9 9 0 年全世界2 7 33 8 62 1 78 7 66 75 7 2 0 0 0 年经合组织2 5 3 03 8 21 7 2 08 0 78 01 1 3 2 0 0 0 年发展中国家2 0 8 4 7 21 7 08 5 o1 0 34 8 2 0 0 0 年西方集团 2 4 ，14 0 。51 7 18 1 78 ，69 6 2 0 2 0 年全世界3 3 ，72 1 21 97 3 g7 61 3 6 5 4 随着国民经济的增长，我国能源需求量也呈增长趋势，能源工业发展很快，取得了举世 瞩目的伟大成就。中国能源生产总量从1 9 5 2 年的4 8 7 1 m r 标准煤，增长到2 0 0 0 年的1 0 9 0 m t 标准煤，同期消费量达到1 2 8 0 m t 标准煤，有力地支撑着中国国民经济快速增长。目前，中 国能源生产总量仅次于美国和饿罗斯，名列世界第三，能源消费总量仅次于美国，名列世界 第二。但同时，在我国的工业生产中也存在着一些突出的问题；一是能耗高，能源经济效益 差；二是环境污染严重。 表卜2 是列出了近几年我国历史能源生产总量和构成，从表中可以看出，煤炭在我国能 源中占有重要的地位。我国煤炭资源储量丰富，居世界第三位，与其他能源相比，煤炭具有 明显的成本优势。在所有石化能源中，煤炭是最便宜的一种日e 源，同等的发热量用煤的成 本只相当于用油的3 0 ，天然气的4 0 。专家预测，到2 0 1 0 年，使用石油、天然气的成本 将是煤炭的8 倍，甚至更高。目前，煤消耗占世界一次能源消耗的2 7 世界发电釜的4 5 ，随着其它一次性能源的枯竭，煤在一次性能源结构中的比重将进一步提高。据有关专家 预测割2 0 1 0 年煤炭在世界一次性能源消费量的比重将超过三分之一，而消费量将由2 0 0 0 年的4 3 亿吨增长到2 0 2 0 年的5 8 亿吨。在最近完成的中国可持续能源发展战略研究报 告中，2 0 多位中科院和工程院院士一致认为，到2 0 1 0 年煤炭在一次性能源生产和消费中将 堑延直主砸坐位论窑庄论 一 占6 0 左右；到2 0 5 0 年，煤炭所占比例不会低于5 0 。可以预见，在来来几十年内煤炭仍 将是我国主要的能源和重要的战略物资，具有不可替代性。煤炭工业在国民经济中的基础地 位，将是长期的和稳固的。我国入均能源可采储量远低于世界平均水平，2 0 0 0 年人均石油 可采储量只有2 6 吨，人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，人均煤炭可采储量9 0 吨，分别为 世界平均值的1 1 1 、4 3 和5 5 4 。 表卜2 中国近年来能源生产总量和构成 年份能源生产总量构成( ) ( 万吨标准煤) 煤炭 石油 天然气水电 1 9 8 06 3 7 3 59 6 42 3 833 。8 1 9 8 58 5 5 4 67 2 8 2 0 92 4 3 1 9 9 01 0 3 9 2 27 4 21 9 24 8 1 9 9 51 2 9 0 3 47 5 1 6 61 _ 96 2 1 9 9 61 3 2 6 1 67 5 2 1 72 5 8 1 9 9 71 3 2 4 1 07 4 11 7 。32 16 。5 1 9 9 8 1 2 4 2 5 07 1 91 8 52 57l 1 9 9 91 1 0 0 0 06 8 2 2 0 9 ，一 3 17 8 2 0 0 01 0 9 0 0 06 7 22 1 43 48 1 1 2 我国煤炭资源开发利用现状 我国煤炭工业经过5 0 多年的开发建设，特别是改革开放以后，煤炭产量迅速增长。煤 炭产量的快速增长，对国民经济的发展和现代化建设起到了重要的支持和保障作刚。上世纪 8 0 年代中期开始，煤炭供不应求的情况出现缓解并出现供过于求的现象。特别是1 9 9 7 年以 来，由于受国内经济结构和亚洲金融危机的影响，我国的煤炭需求量下降，煤炭产量也随着 市场的变化逐年减少：随着国家关闭非法小煤矿，整顿煤矿生产秩序等宏观调控措施的逐步 落实，煤炭产量将日渐稳定，并有可能出现增长。截至1 9 9 9 年末我国共有各类性质煤矿4 万多处。1 9 9 9 年原煤产量1 0 1 4 5 亿，其中原国有重点煤矿生产原煤2 1 0 2 亿吨，乡镇及个人 煤矿生产原煤3 1 2 亿吨，占全国原煤产量的3 ( 3 1 6 ，平均每处生产原煤0 1 8 4 万吨。 我国能源资源虽然比较丰富，但探明程度很低。从种类看，经济可采储量少，优质资源 少：从布局看，我国尚未利用的煤炭经查储量大多分布在自然条件恶劣、生态环境十分脆弱 的区域，尚未利用的经济经查储量中8 6 n 分布在于旱缺水、远离消费中心的中、强部地区， 开发、运输和利用的难度势必加大，制约着开发建设：从开采条件看，煤田构造复泉，适宜 露大开采的煤炭资源少：从利用水平看，资源消耗高，小型煤矿矿并资源回采率仅为1 0 1 5 。有关专家按照各类煤矿产量加权平均的方法，对煤矿的矿井回采率进行了估岸，目前 全国煤矿矿井回采率仅在3 0 左右，资源破坏和浪费问题非常突出。同时，煤炭资源开发 一2 浙江大学硕士学位论文序论 中造成的生态环境破坏，带来了大量社会问题。 1 2 研究煤燃烧以及热解特性的意义晗| 卯 1 2 1 研究煤燃烧特性的意义 一、有利于改善中国能源状况 按中国的煤炭储量与开发条件，专家分析认为2 0 2 0 年最大供应能力为2 0 2 1 亿吨，2 0 5 0 年为2 8 3 0 亿吨，这一水平可能成为年最大供应量。中国自然资源总量排世界第七位，能 源资源总量约4 万吨标准煤居世界第三位。中国煤炭保有储量为1 0 0 2 4 9 亿吨，但精查可采 储量只有8 9 3 亿吨( 世界煤炭储量为1 万多亿吨，储采比为2 1 9 年。储量最大的国家依次为 美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非、波兰。其中美国的储量比中国大一倍以上，除 中国外，其余6 国的储采比均在2 1 0 年以上，中国若保持原开采强度，储采比不足百年) ， 石油的资源为9 3 0 亿吨，天然气的资源两为3 8 万亿立方米，现已探明的石油和天然气储量 一 一 只占资源量的约2 0 和约6 仅够开采几十年( 全世界石油剩余可采储量仅为1 4 0 9 亿吨， 储采比为4 1 年。第1 5 届世界石油大会认为上述石油资源的探明程度为7 9 ，阁此，不可 能再找到足够大的石油资源了，石油短缺将不可避免地在下个世纪出现) ；煤层气资源量为 3 5 万亿立方米，相当于4 5 0 亿吨标准煤，排世界第三位，但尚未成规模开发利用。因此， 我国常规能源资源并不丰富，应建立正确的“资源意识”。并具有相应的“忧患意识”。去年， 中国煤炭产量接近十六亿吨，创出历史最高记录。但由于电力、冶金等重点用煤行业的旺盛 需求，出现了局部性供需偏紧。2 0 0 5 年，发点、冶金用煤仍将有较大幅度增长预计全国 煤炭消费需求将达到十六亿吨以上。从国际市场看，今年世界经济增长加快，国际煤炭需求 增加，煤价呈现上涨趋势。 据预测，2 0 0 5 年、2 0 1 0 年和2 0 2 0 年中国煤炭需求将达1 6 5 亿吨、1 8 2 亿吨和2 l 亿 吨左右。根据现有生产矿井能力和在建规模，剔除衰老报废矿井因素的影响，屑时煤炭供应 缺口将分别为1 2 亿吨、2 5 亿吨和7 亿吨左右。为此，从现在起到2 0 2 0 年需要安排煤矿 建设规模分别为8 8 亿吨，平均每年需增建设规模约4 9 0 0 万吨。根据发展改革委有关的分 析预测，目前我国平均能耗为1 4 亿吨标煤，如果按照现有的经济社会发展模式，2 0 2 0 年支 持g d p 翻两番需要5 6 亿吨标煤。即使今后风电、核电和水电超常规发展，并且能源效率提 高一倍，届时仍需要3 0 亿吨左右的标煤，能源供应、环境保护和物质运输都将承受极大的 压力。 一3 一 浙江大学硕士学位论文序论 我国地大物博，物质丰富，但因入口众多，能源资源相对来说缺乏，而且能源利用效率 低，产值能耗水平与国际水平相差很大，这些都对保证我国在本世纪中叶达到中等发达国家 水平有举足轻重的影响。在中国和印度这样的一些发展中国家，拥有大量的煤炭资源，并且 煤炭起着重要的作用，我国所消耗的煤炭占商品能源的7 5 ，是世界上最大的煤炭消费国 家，大约有8 0 的煤炭资源是用于电厂锅炉和工业锅炉。我国煤炭分布广，区域性分布不 均衡，动力用煤从褐煤直到无烟煤，煤质差别比较大，燃烧过程中出现的问题就相对增加， 所以要研究煤炭的燃烧、热解特性，可以把我国有限的煤炭资源更好的利用。 二、指导电厂实际用煤 动力用煤的特性对锅炉的设计和运行有重要的影响。正确掌握燃烧特性，按不同的特点 进行锅炉的选型、设计和制造，制定运行规程，才会获得较好的锅炉性能和较高的可用率。 尤其对于高灰分，低挥发分和低发热量的劣质煤的燃烧特性的研究，更是确保锅炉燃用劣质 煤锅炉安全、经济运行的必不可少的条件。 煤是一种有机矿物的复杂聚合物，由于成煤年代和地质条件的差异，决定了煤的物理化 学性质的差异在燃烧中表现出燃烧性能的优劣。尤其煤粉燃烧方式，燃烧效果对煤的特性 十分敏感。难燃贫煤、高灰分和劣质烟煤，特别是劣质烟煤与其他煤种不仅在燃烧性能上有 较大差别，而且一些常用的分析评价方法已经不能正确评价劣质烟煤燃烧行为。 众所周知，锅炉设计必须适应燃料特性和国内电厂用煤的多样性。电厂锅炉运行过程燃 煤特性往往超出了原设计煤种范围，造成锅炉运行不稳定，影响机组的发电量。近几年电力 行业购买动力煤的选择余地增大，有些电厂则由于购买煤的发热量高于设计煤种，不仅使其 得不到充分利用，而且还会缩短锅炉寿命，有的甚至烧毁燃煤设备造成停产事故。所以研 究煤的燃烧特性至关重要。 1 2 2 研究煤热解特性的意义 一、研究煤热解过程的意义 煤是一种组成、结构非常复杂且极不均一的、包括许多有机、无机化合物的混合物，所 以难以分离成简单的物质进行结构和性质的分析。然而，了解煤的组成结构是合理利用煤的 前提。煤结构的研究方法有物理方法：如红外光谱和x 射线衍射、扫描电镜等；物理化学方 法：如溶剂抽提和吸附性能研究等；化学方法：如热解、氧化、水解和官能团分析等。 本世纪三十年代以来，随着烘化工，特别是焦化、气化、干馏和煤液化技术的进一步发 展使得利用化学方法研究煤的结构不再是停留在外部特征、个别性质的研究上，而是逐步 一4 一 浙江大学硕士学位论文序论 深入到组成、结构及工艺过程机理等一些本质问题。目前热解是阐明煤分子结构的一个重要 方法之一。煤的热解性质与煤的组成和结构密切相关；通过煤的热解过程以及产物分析可以 了解煤结构和组成方面的知识；利用已有的煤结构和煤的成分的知识又可推理煤的热解过程 和热解反应机理。此外煤热解还可看作人工炭化过程，通过热解可以了解煤化过程机制。 二、研究煤中氮转化规律的意义 煤作为一种重要的能源，在我国具有极其重要的地位。目前利用煤最重要、直接的方式 是燃烧，但是煤炭在燃烧过程中释放出大量的污染物。煤燃烧的污染物己成为我国最人的人 气污染源：因此煤的高效洁净转化技术越来越受到人们的重视。氮氧化物就是煤燃烧和气化 过程中产生的有害气体之一。在我国，排放到大气的氮氧化物有6 7 是在煤燃烧过程中生 成的。 氮氧化物是煤燃烧过程中产生的主要污染物之一。n o x 是氮氧化物的统稼。它包括一氧 化氮( n o ) ，二氧化氮( n 0 2 ) 和氧化亚氮( n 2 0 ) ，后者又称为笑气。燃烧过程中摊放出来的 n o x 约9 5 是n o ，余下的是n 0 z 。n o 排入大气后逐渐与大气中的氧或臭氧结合生成n 0 2 ，n o 是无色无臭的气体，浓度大时，其毒性甚大。n o z 是一种红棕色有毒的恶臭气体，其含量为 0 1 p p m 时即可嗅到；1 4 p p m 时有恶臭，而达到2 5 p p m 时，则恶臭难闻。 “”n o 。的主要来源有：化石燃料的燃烧( 主要是高温燃烧时氮的氧化和对大气n ：的同定， 主要是电厂煤的燃烧) 、汽车尾气的排放、生物质燃烧释放、土壤中氮的微生物过程释放、 闪电合成、平流层化学反应、飞机排放和大气中n l i s 的氧化。过去十多年，已有不少研究者 针对单个释放源的释放量进行过详细研究，如表1 - 3 。 可见，在所有释放源中，人为因素造成的n o x 的排放主要来自于化石燃料的燃烧，全球 该源释放量在2 2 t g n a 。左右，同时，它也是n o x 排放的主要来源。全球该源释放的n o x 中 9 5 来自北半球。有研究预计从1 9 9 0 年到2 0 2 5 年，化石燃料燃烧源的年释放量将从2 4 t g n a l 增加到3 3 3 9t g n a 。化石燃料燃烧源具有局部分布和排放能力强两大特点，决定着工业 区和人口密集区大气的n o x 负荷，是城市大气中氮氧化物的主要来源。 “”氮氧化物进入大气以后发生一系列变化，它在空气中的含量始终处于变动之中，既有 臼变化，又有季节变化，在一天中，其含量早上最高，傍晚次高，午后最低；在一年中冬 季高，夏季低。氮氧化物的变动主要由于光化学作用，因此它与阳光强弱密切相关。从图可 以看出，早上n o z 含量最高，随着太阳上升，光照加强，光化学作用逐渐加快，n o z 消耗不断 增加，形成的0 。随之增多，一直到午后2 时左右，光化学作用达到了最高点，此时n o z 含量 最低，0 。含量最高，以后阳光逐渐减弱，n o ：消耗逐渐减小，傍晚又出现了次高点。 一5 一 浙江大学硕士学位论文序论 表卜3 单个n 0 ，释放源释放量( t g n a l ) 释放源 释放量主要释放位置 2 1 1 化学燃料燃烧排放 2 1 2 1 2 北半球中纬度地区 2 2 2 - 1 3 2 1 4 4 生物质燃烧排放 6 术 热带地区 8 5 水 土壤释放 5 丰 非极地地表 5 5 ( 3 3 7 7 ) 8 2 1 1 4 闪电合成2 2 0 1 5 1对流层、热带地区 1 9 1 1 5 2 1 6 2 6 4 平流层n ：0 分解0 6 4 1 7 平流层 飞机排放1 0 1 6 对流层上部 0 4 5 * 众所周知，n o x 得生成途径主要为热力型n o , 、快速型n 0 x 和燃料n o x 。在大型煤粉燃烧电 站锅炉的这三种n o x 生成途径中，以燃料n o x 是最主要的，它占n o x 总生成量的6 0 8 0 以上，并且可控制幅度最大，大量的低n o ，燃烧技术的着眼点都在于如何控制燃料n 0 x 。燃 料n o x 的根源在于煤中含有氦，而燃料中的氮在热解过程中以h c n 、n h 。等前驱物的形式直接 释放，或以焦油的形式间接释放，h c n 和n i s 之间的比例关系是一个重要问题，直接影响了 后续的n o x 生成量。对燃料氮随挥发分析出过程的深入了解，有助于提出合理的在燃烧前期 控制n o l 排放的方法和手段。另一方面，煤热解完成后，煤焦中仍存在相当比例的氮，这部 分氮被称为焦炭氮。焦炭氮随着煤焦的氮化，逐步转化为n 0 或n 。，对于低挥发分煤，其焦 炭氮所占比例很高，焦炭氮的转化成为限制低n o x 排放的一个重要因素，相对挥发分氮而言， 焦炭氮的控制比较困难。随着分级燃烧的广泛使用，挥发分n o x 被抑制，但由于焦炭在富氧 贫燃环境下燃烬，分级燃烧基本对焦炭n o x 没有影响。而且伴随分级燃烧带来炉内n o x 浓度 降低还有利于焦炭n o x 的生成。焦炭的比表面积、催化剂含量和孔洞结构都对焦炭n o x 生成 有影响。焦炭对n 0 的还原机理有待深入了解，而c o 和0 2 对n o x 异相还原有重要影响，起到 显著的催化作用。 1 - 3 对于煤的燃烧和热解的研究手段1 6 浙江大学硕士学位论文序论 1 3 1 煤燃烧特性研究手段 动力用煤的燃烧特性是指煤的着火特性、挥发份释放特性、燃烬特性、热解特性、表面 积 f i ：f l 隙特性、积灰结渣特性、磨损特性和污染物的排放特性等。对锅炉安全经济运行，最 重要的是煤的着火稳定性、燃烬性和结渣特性。依据传统的挥发份产率来评价煤的燃烧特性， 即挥发份产率越高，其着火和燃烬性能越好，这在一定程度上可以，但有些情况下往往与实 际运行出入较大，特别是挥发份产率相近的劣质贫煤，有时会有相反的结果。因为燃烧特性 除受化学因素影响外，还有物理因素影响，不同的煤结构可能有相同的化学组成。 ”1 热分析是国内外研究煤燃烧特性最常用的方法之一。它利用热天平在程序升温条件 下，研究煤的质量随时间温度的变化，从而分析煤的燃烧过程的一种方法。通过计算机进行 数据采集和处理，就可以得到一些煤燃烧的特性值，如着火温度、燃烬温度、燃烬时间、最 大失重温度、最大失重率、燃烧前期和后期的燃烧量等，通过这些数据则和形成的判别指标， 可以很好地对燃烧特性进行评价。此外，近年来热天平与g c ( 气相色谱仪) 、门i r ( 傅立叶 变化红外光谱仪) 等设备的联用，使得对煤燃烧过程及污染物的排放特性的研究成为可能。 热天平研究的弱点在于其加热速度远远低于实际煤粉在锅炉中的被加热速度。通常，煤 在锅炉中的燃烧时间为1 2 s ，加热速度极快。滴管炉( d t f s ) 、沉降炉、卧式一维炉、平 角炉等是模拟电站锅炉实际燃烧状况建立起来的热态试验台。但热天平在反应条件控制、数 据采集、试验结果重复性等方面有着上述试验台架不可比拟的优越性。 滴管炉常用来研究煤的燃烧过程，燃烬特性与s 0 2 和n o ；、微量元素的排放特性。近年 来，有的国家也开始用d t f ( 直管燃烧炉) 来研究煤的积灰结渣特性，d t f 也是获取实际燃 烧动力学参数的有力手段。在我国的几个主要研究机构中，利用沉降炉来研究煤的燃烧特性 与污染物排放，其优点是易于控制和取样。在结渣特性评价中的渣型对比法，就是建立在沉 降炉试验的基础上。卧式一维炉、四角切圆燃烧试验炉在我国拥有的单位还不多，设备操作 复杂、试验费用昂贵。 近年来，国内外也开始了激光加热煤燃烧的研究。激光加热能将煤粒迅速地加热到所需 温度。煤燃烧颗粒的温度分布可以通过激光全息法测量。但是，对煤燃烧过程的定量解释还 还有待于相关技术的发展。 1 3 2 研究煤燕解过程的常用方法 由于热解过程在工程及理论研究上的重要性，许多研究者在各种试验条件下对煤的热解 进行了基础研究，由于各种工艺过程的条件差异非常大，对煤热解的研究范围也十分宽，如 一7 一 浙江大学硕士学位论文序论 同样是应用于煤的气化工艺，用于煤的地下气化的研究条件为，加热速率为0 0 2 o 2 。c s ， 颗粒粒度为0 0 1 l o m m ，而采用通常的气流床技术，颗粒粒径则1 0 0ui n ，升温速度为 1 0 0 0 5 0 0 0 。c s 。所以各种试验的方法及工艺也是千差万别的，测量的方法本身也经常影响 试验结果，试验的仪器、方法及条件对煤的热解及产物亦有较大的影响，本节主要介绍再种 不同的试验方法。 试验方法一般可分为两大类，静态样品法和连续流动法，前者煤样是静止的( 对煤来说 是间歇性试验) ，后者煤样为连续进料和出料，两者在分析上各有优缺点。 “”表卜4 给出了煤热解的几种主要的试验方法及条件，煤热解失重分析中最典型的例子 是挥发分标准工业分析，将l g 左右的煤样( 粒度为2 0 0 u m 以下) 放入预先已加热到9 0 0 。c 的箱式电炉中加热4 2 0 s ，扣除水分后的失重即为挥发分含量。 表卜4 热解试验方法及条件 试验方法分类停留时间温度加热速度压力颗粒粒度 k sx 1 0 5 p a um 工业分析静态 4 2 0 一8 5 01 5 2 0i - 02 5 0 坩锅或吊篮静态3 0 0 1 8 0 0 4 0 0 1 8 0 00 0 5 2 5 01 _ 04 0 0 固定床静态 1 0 3 6 0 0 04 0 01 2 0 0o 0 2 3 0 01 4 0 02 5 0 3 6 0 0 固定床慢速静态 1 0 0 0 1 0 “4 0 01 1 0 00 0 0 0 l 1 7 0 2 0 0 0 o 5 热天平静态l 7 2 0 0 4 0 0 9 5 0 1 0 0l 1 0 0 4 0 0 1 0 0 0 电热栅静态0 1 1 8 0 03 0 0 1 5 0 01 0 0 m1 5 0 0 00 0 0 1 5 0 1 0 0 0 1 0 0 流化床流动 1 0 2 6 0 0 04 0 0 1 0 0 01 5 01 0 0 1 0 0 0 机械搅拌床流动 0 5 1 06 0 0 1 1 0 0 5 0 2 0 0 101 0 0 0 1 5 0 0 0 夹带流流动 o 0 0 l 2 04 0 0 2 0 0 01 2 0 0 0 0 01 5 0 04 0 2 0 0 自由下落流动 0 4 1 04 0 0 1 5 0 01 5 0 04 0 3 0 0 粉煤火焰流动 o 0 82 0 0 1 5 5 02 2 0 0 01 01 0 0 等离子加热流动 3 0 0 0 1 5 0 0 0 激波加热流动 0 0 0 1 4 0 0 9 0 04 0 0 0 0 2 闪光辐射 流动0 0 0 2 1 0 0 4 0 05 x 1 0 6 5 1 0 0 0 0 8 应该指出的是，在研究煤的热解特性时，煤是在各种不同的加热速率、气氛、压力等条 件下得到的，热解产物必须和工业分析测定的挥发分含量仔细加以区别，因为后者仅是一种 简便的标准，但当试验条件与工业分析条件相差很远时，很可能成为一个容易使人误解的指 标。 热天平方法是研究煤热解的一种常规的方法，随着现代热分析技术的发展，使热天平的 一8 一 浙江大学硕士学位论文序论 测量精度进一步提高，试样量可以减少到数毫克，加上加热速度的提高使热天平技术成为 很有用的热解特性研究手段。由于这项技术容易规范化目前已引起极大的重视，如美国 c e 公司己将其列为常规煤质分析手段并代替了传统的工业分析方法。在目前的仪器水平下， 能够达到的最大加热速度不高于每秒钟几百度，采用热天平通过计算可以得到热解反应的动 力学参数。本文研究利用热天平来研究煤热解过程的问题。 1 4 利用热天平研究煤的燃烧和热解中存在的问题 1 4 1 利用热天平研究燃烧特性中存在的问题 国内外许多研究机构都对煤的燃烧特性进行了细致深入的研究，并取得了许多有价值的 结论，但煤作为种非常复杂多样的物质，不同的地质条件、不同的成煤年代都影响着煤种 的物理化学性质，即使是来自同一煤矿的煤，由于来自不同的煤层，煤质情况也有很人差别， 这些都给煤燃烧特性的研究带来了很大的困难。随着科技的进步，新的试验手段和试验仪器 的出现，都给煤燃烧特性的研究带来了便利。 国内最早采用热天平进行煤燃烧特性的研究始于7 0 年代末期，经过多年的发展，取得 了非常大的成就，得到了许多有价值的结果，并将其用于指导电站用煤。但在利用热天平进 行研究的过程中，仍然存在一些问题需要进一步深入和探讨。例如通过对大量煤样进行热天 平试验的过程中发现，煤样的热重曲线呈现出多样性，证明了煤样在热天平条件下发生的反 应存在多样性。目前有关该方面的讨论较少，许多文献通常只选取一种工况下的试验曲线进 行分析，没有分析不同试验条件对燃烧产生的影响，以及采用哪种燃烧条件来进行煤质燃烧 特性判断更加合理。 1 4 2 煤热解研究中存在的主要问题 长期以来热解备受国内外学者的重视，对热解进行了大量的研究，获得了丰富的成果， 同时也相应地提出了众多模型。但是他们在对热解进行研究时忽略了许多因素，比如北京 煤化所”7 1 认为煤热解最终挥发物产率是温度的函数，与加熟速率无关，这显然是与试验有出 处的，是不可取的。 另外关于求热解反应速率和反应活化能的方法也有许多报道，包括c o a t s t e d f e r n 方 法、k i s s i n g e r 方法、d z a w a 方法等。但无论采用何种方法求解，都涉及煤热解反廊动力学 参数。为此，许多研究者对煤热解动力学参数进行了大量的研究提出了部分煤种的衷观活 化能。这种方法虽对某一特定煤种来说其所得之活化能是有用的，但没有普遍意义，不同的 一g 一 浙江大学硕士学位论文序论 煤可以得到不同的活化能和反应速率，至今仍找不到它们相互之闺的联系。再加上煤热解本 身的复杂性，所以到目前为止，仍未能建立起基于真实热解反应机理之上的有说服力的动力 学模型。 1 5 本部分主要任务和内容： 1 5 1 煤粉燃烧部分 目前研究煤粉燃烧特性的试验方法很多，在前面已经进行了详细的论述。利用热重分析 仪进行试验则有实验时间短、试验方便、样品量少、精度高、重合性好等优点，是目前研究 煤粉燃烧特性的主要实验手段之一。 本文的试验工作主要在梅特勒一托利多t g k s d i a 8 5 1 e 热重分析仪上展开。试验选取了 青岛贫煤，贵州i 无烟煤和铜川烟煤这三种典型煤种来进行研究，主要内容有： 检测粒度对煤种燃烧的影响并进行讨论和分类； 检测了不同煤种在同一粒度情况下燃烧的结果，并进行比较和分析。 1 5 2 煤粉热解部分 这部分也是利用热重分析仪，同时选取了贵卅i 无烟煤和铜川烟煤这两种典型煤种来进行 研究，主要内容有： 检测不同煤种的氮在热解前后转化率的情况，并进行分析和研究： 检测温度、粒度、升温速率、流量等外在可以调节控制的因素对不同煤种氮转化率 的影响，并分析和总结； 同时结合目前提倡的洁净煤燃烧，对降低n o , 的排放提出一些看法。 参考文献： 【1 】 濮洪九，煤炭资源一一我国经济可持续发展的物质保障，煤炭经济研究，2 0 0 3 4 【2 】 曹代勇，赵峰华，重视我国优质煤炭资源特性的研究，中国矿业，2 0 0 3 1 0 【3 】 陈武，唐辛，张希诚，我国煤炭资源及其开发利用研究，煤炭经济研究2 0 0 37 4 1常弘哲等，燃料与燃烧，上海交通大学出版社，1 9 9 3 3 【5 】熊友辉，孙学信，动力用煤及燃烧特性的研究手段和方法，煤质技术，1 9 9 8 9 【6 】冯小东，煤燃烧特性研究方法概述，能源工程，1 9 9 8 1 【7 】李荫重等，动力配煤燃烧性能的探讨，煤炭科学技术，1 9 9 8 ，7 一】0 一 浙江大学硕士学位论文序论 【8 】陶著，煤化学，冶金工业出版社，1 9 8 4 【9 】顾恒祥，燃料与燃烧，西北工业大学出版社，1 9 9 3 【1 0 】李余增，热分析，清华大学出版社，1 9 8 7 【1 1 】宋鸿恩，热天平，计量出版社，1 9 8 5 【1 2 】孙学信，燃煤锅炉燃烧试验技术与方法，中国电力出版社，2 0 0 2 【1 3 岑可法，姚强，骆仲泱等，高等燃烧学，浙江大学出版社，2 0 0 2 【1 4 1 徐文彬，n o x 大气化学概论及全球n 0 x 释放源综述，地质地球化学，1 9 9 9 ，2 7 ：8 6 9 l 【1 5 】燃煤电厂大气污染物排放标准g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ，1 9 9 6 【1 6 “十五”电力工业规划 【1 7 北京煤化所内部资料 浙江大学硕士学位论文煤的燃烧特性概述 第二章煤的燃烧特性概述 2 1 煤燃烧过程概述及影响燃烧的因素分析 2 1 1 煤的燃烧反应过程 煤在化学和物理上是非均相的矿物或岩石，除了含有水和矿物杂质( 灰分) 以外，其 可燃成分主要是碳和氢，并和少量的0 、h 、s 、n 等一起构成有机聚合物。各种有机聚合物 粒子间，常由不同的碳氢支链相互连接成更大的粒子，大粒子之间夹杂着各种杂质或留 有细小的孔穴和缝隙。 以煤为主体来描述煤的燃烧过程，首先是煤样被外来能量加热和干燥，到1 0 0 c 以上 水分逐渐蒸发，而后挥发物开始析出和煤焦的产生，释放出的挥发份和氧气相遇，达到着 火条件便开始着火，挥发份对焦炭起到引燃的作用，在挥发份析出到大部分烧完火约只 占煤总燃烧时闯的1 0 ；而9 0 的时间是用在使焦炭燃烬。1 。同时上述的各个阶段可能顺 序发生，也可能交叉或者同步进行，煤焦可能在挥发份没有完全析出前就开始着火。 燃烧过程可以分为两个阶段，第一个阶段燃料和氧化剂进行缓慢氧化作用积累活化分 子和提高可燃物温度，第二个阶段反应速度进行的非常迅速并释放出强烈的光和热。对于 煤的着火来说没有一个合适的简单定义，一般来说着火被描述成为燃料与氧化剂达到一个 连续的反应过程，经常用可见火焰来鉴别着火。然而有时煤也能够在较低温度下很缓慢地 进行反应，没有可见火焰，例如煤堆的自燃。有时着火被定义成为：当一个可燃物窖积中 热产生的速率超过热损失的速率时，着火便发生。 按照现代理论，碳粒的燃烧是在碳的吸附表面进行，首先氧气通过气流边界层在灰层 中扩散和在煤粒内部微孔中扩散，并在煤的表面上发生化学吸附与氧化反应，解析后的产 物通过内部微孔扩散到达煤的外表砥，通过灰层进而通过气流边界层进入主气流进行扩散。 煤的整个燃烧时间由化学反应时间和扩散时间构成。化学反应时间主要取决于煤的本性和 温度，扩散时间取决于气流速度和灰层厚度。 2 1 2 煤的着火方式 早期研究都认为煤着火模式总是在气相中发生，即煤粒受热，随着挥发份的析出并在 氧气中混合，达到一定浓度着火并燃烬，挥发分所释放出的热量使得焦炭参与着火。到2 0 世纪6 0 年代，h o w a r d 和e s s e n h i g h 从试验中证明上述结论不完全适用，发现了有些情况 一1 2 浙江大学硕士学位论文煤的燃烧特性概述 下着火先从煤粒表面进行，而后出现挥发份大量析出的现象。 煤样的着火模式分为均相着火、多相着火和均相一多相联合着火模式三种类型。均相 着火指煤粒升温时，析出挥发份，挥发份在空间中达到一定的浓度和温度时，发生直接着 火，整个煤粒包括挥发份和焦炭同时以固相的形式发生固相形式的着火。 多相着火最早由w h e e l e r 于1 9 1 2 年提出，他们指出煤的着火不一定由挥发份首先发生 着火燃烧，然后引燃整个颗粒，有时是在煤粒表面上发生直接着火，整个煤粒包括挥发份 和焦炭同时以固相的形式发生固相形式的着火。 均相一多相联合着火指的是在着火中存在上述两种着火模式，由挥发份的火焰直接引 燃煤粒而发生着火。在一定条件下，究竟出现何种着火方式，取决于颗粒表面加热和挥发 份析出速率的相对大小，如果颗粒表面加热速率高于颗粒整体热解速率，着火发生在颗粒 表面，这种着火方式成为非均相着火，反之，着火若发生在颗粒周围气体边界层则成为均 相着火。 2 1 3 影响着火因素分析 理论分析表明，影响煤粒着火的主要变量包括煤种( 挥发分含量、灰分、水分、岩相 结构等) 、煤的粒径、传热条件、加热速率、氧化剂含量、初始温度、压力等。着火过程以 物理化学过程来讲，主要是来自气体和热颗粒对煤的加热速率；煤的热解速率：气体燃料 和氧化剂组分的扩散速率以及热解产物与氧的气相反应速率等。 在本文中主要是从煤种、粒径和流量的角度来对煤的燃烧进行控制，所以这里将主要 对挥发份j 灰分、熔融膨胀性和煤粉粒径进行阐述。 一、挥发份的影响 煤中有众多的环状芳香族结构和少量直链状脂肪族结构，在一定温度下发生裂解，产 生的气相物质离开煤表面，由于热分解挥发出的物质就成为挥发份。挥发份析出温度对褐 热分解温度约为1 3 0 1 7 0 ，烟煤约为2 1 0 2 6 0 ，无烟煤约为3 8 0 4 1 0 c ，挥发份析 出贯穿煤的蕤个燃烧过程，对煤样的燃烧有着重要的影响。根据均相着火理论，挥发份析 出燃烧，所产生的热量起到引燃焦炭而发生着火，挥发份产量和发热量会直接影响到煤样 的着火，由于挥发份的着火温度远低于焦炭，挥发份着火析出后先于焦炭发生着火，并在 煤粒周围形成火焰，提高了煤粒的温度，为焦炭着火燃烧准备了非常有利的条件。同时挥 发份析出过程中，对煤样起到了疏松的作用，在析出过程中形成了许多孔隙，增加了化学 反应的表面积，利于0 2 向煤粒内部进行扩散，有利于煤样燃烧。最新的研究结果表明随着 一1 3 一 浙江大学硕士学位论文煤的燃烧特性概述 挥发份含量的增加，着火温度降低，这与实际情况吻合。 挥发份的析出与数量受到许多因素的影响，比如加热速率、温度、煤粒大小以及环境 压力等等，提高加热速率可以缩短挥发份析出时间，提高加热终温也可以增加挥发份析出 的数量和缩短析出时间。挥发份析出的起因是化学键的断裂，决定断键的起因在于温度， 因此加热终温是影响挥发份析出的因素之一。加热速度越高化学键的断裂更容易发生在 链能较高的键上，而且升温速率快使得热量在煤粒中的传递更加迅速，释放挥发份速度也 就越快。 二、灰分的影响 灰分对着火的影响主要体现在阻碍挥发份的析出和影响氧气向煤粒内部的扩散。灰分 按其来源可以分为内在灰质和外在灰质。内在灰质是在成煤过程中形成于煤中的矿物质， 它比较均匀的分布在煤的可燃质中，在洗煤时不易将其清除。外在灰质是在开采和运输过 程中混杂进来的矿物质杂质，变动量较大，可以通过洗煤等措施将其清除。内在灰质均匀 的分布在可燃质中，当煤粒由外层逐渐烧向内层时，外层的裹灰会形成包裹在内层煤粒上， 阻碍氧气向内层扩散，影响煤粒的燃烬。 三、熔融膨胀性对着火的影响 膨胀熔融性主要通过影响挥发份的析出来影响煤的着火，焦结膨胀性比较大的煤，挥 发份不易析出，随着反应的进行，通常会造成煤样直径的膨胀，粘结性也会使得煤样在挥 发份析出过程中产生的孔隙堵塞，造成了挥发份析出的困难。泄气性强的煤种，挥发份析 出过程中往往不会碰到太大的障碍，挥发