挥发分含量对典型烟煤燃烧的气体产物析出特性影响研究_陈文.pdf

第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering25文章编号：1005-006X(2023)04-0025-04挥发分含量对典型烟煤燃烧的气体产物析出特性影响研究*陈文1王志杰1何洪浩1宾谊沅1龚勋21.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院（高效清洁火力发电技术湖南省重点实验室）2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室摘要：采用烟煤启动是 W 锅炉在“以煤代油，少油点火”方针下降低启动燃料消耗量的典型途径，然而相较于无烟煤燃料，烟煤中较高的挥发分含量对制粉系统的安全性将产生较大的影响，其显著依赖于燃料着火特性和可燃气体析出特性。鉴于此，选取了 3 种挥发分含量差异较大的烟煤（霍林河煤、平顶山煤、合山煤），在 TG-FTIR上进行燃烧实验，探究挥发分含量对烟煤燃烧的气体产物生成特性的影响。结果显示霍林河煤的挥发分含量最高，析出挥发分的温度比较低，并伴随着显著的 CO2、CO 和 CH4的生成。由此可见，挥发分含量能显著影响烟煤燃烧失重特性和产物生成特性，是制粉系统安全性评估的重要考量因素。关键词：制粉系统；烟煤启动；燃烧；挥发分；气体产物中图分类号：TK16文献标识码：AStudy of Gas Product Precipitation Characteristics of Typical Bituminous Coal CombustionCHEN Wen1,WANG Zhi-jie1,HE Hong-hao1,et al.1.StateGridHunanElectricPowerTestandResearchInstitute(HunanKeyLaboratoryofEfficient&CleanThermalPowerGenerationTechnology),2.StateKeyLaboratoryofCoalCombustion,HuazhongUniversityofScienceandTechnologyAbstract：The use of bituminous coal start-up is a typical way to reduce the start-up fuel consumption of W boilers underthe policy of coal instead of oil and less oil ignition.However,the higher volatile content of bituminous coal comparedto anthracite fuel will have a greater impact on the safety of the pulverizing system,which is significantly dependent onthe fuel ignition characteristics and combustible gas precipitation characteristics.In view of this,three types ofbituminous coals,i.e.Huolinhe coal,Pingdingshan coal and Heshan coal,with different volatile contents were selectedfor combustion experiments on TG-FTIR to investigate the effect of volatile content on the gas product generationcharacteristics of bituminous coal combustion.The results showed that the highest volatile content of Huolinhe coal andthe lower temperature of precipitated volatile content were accompanied by significant generation of CO2,CO and CH4.This shows that the volatile content can significantly affect the weight loss and product generation characteristics ofbituminous coal combustion,and is an important consideration in the safety assessment of the pulverizing system.Keywords:pulverizing system;bituminous coal start-up;combustion;volatile fraction;gaseous products在煤粉的制备和储存过程中，煤粉在一定情况下会出现爆炸事故，是影响锅炉安全运行的一个重要因素。随着煤粉出现的问题越来越多，人们对制粉系统的关注也越来越大，逐渐认识到制粉系统的重要性。火电厂制粉系统作为锅炉的重要辅机，和机组的运行密不可分，一旦制粉系统发生着火爆炸，则有可能导致锅炉灭火、设备损坏、人身伤亡等严重事故，严重影响安全生产。制粉系统核心设备磨煤机中煤粉发生爆炸的几率较高，这一过程同磨煤机换热特性和煤粉析出特性密切相关16。近年来随着有关研究的深入开展，部分技术资料表明，在煤粉的加热失重过程中，可燃气体中首先析出的为 CO，并且析出温度要高于收稿日期：2022-08-03陈文(1981-)，男，高级工程师。湖南长沙，410007*国网湖南省电力有限公司科技项目(5216A521N00H)；高效清洁火力发电技术湖南省重点实验室开放研究基金项目(XDKY-KF-2019-01/XDKY-2019-05)资助失重初始温度。对于中速磨煤机内的工况而言，煤粉爆炸三要素为：浓度、氧量和着火能7,8。磨煤机内部的煤粉浓度及氧量均处在煤粉爆炸的范围以内，所以控制着火能是防止煤粉爆炸的关键。着火能的满足过程必然伴随着 CO、CH4的析出，虽然可燃气体的浓度升高并不是着火爆炸的直接原因，但磨煤机内部气体析出浓度的异常变化能够预知可能发生的爆炸，折射出磨煤机内部的工况异常。鉴于此，部分学者采用热重红外联用分析仪对煤热分解过程中的失重特性和产物析出特性进行实时监测研究。Holstein 等9通过热重红外联用分析仪，对不同地域的不同煤化程度的煤种进行了热重实验，研究了热解过程中焦油生成规律与释放规律的联系。Fasina 等10通过热重红外分析对生物质及其纤维素、半纤维素、木质素进行了热解实验，意在考察三组分对 CO、CH4、CO2等主要气相产物析出的影26电站系统工程2023 年第 39 卷响。陈祥等11利用热重-红外-质谱测量了天池能源煤热解气体产物，分析了煤种、气氛、粒径、升温速率对烃类碎片及含C-H官能团的气体产物的半定量释放规律的影响。W 火焰燃烧方式是大容量锅炉燃用难着火、难燃尽煤种（无烟煤、贫煤）常采用的一种方式，但由于低挥发分无烟煤具有着火困难、燃尽效果较差的特性，W 锅炉燃用低挥发分无烟煤在启动过程中普遍存在燃油消耗量较高的问题，尤其是新建机组因调试阶段频繁启停、低负荷、调试项目多而燃油消耗量超过万吨。为降低机组启动调试及运行阶段的燃油消耗量，提高锅炉运行安全性、经济性和稳定性，有必要对 W 锅炉节油启动展开研究。锅炉的节油启动技术有多种设计研究思路，如等离子无油直接点火、激光加热点燃煤粉技术、电加热多级无油直接点火、高温空气点火和微油点火等，其中“以煤代油，少油点火”在实践中应用较多。如何保证采用烟煤启动过程中的安全性是必须研究的重点，采取管理措施和技术措施降低 W 锅炉钢球磨燃用烟煤期间制粉系统着火爆炸、燃烧器烧损、锅炉超温、结焦、受热面拉裂、尾部二次燃烧等的风险。相较于无烟煤，烟煤中较高的挥发分含量对制粉系统的安全性将产生较大的影响，其中对可燃气体析出特性和着火能的满足方面影响显著。基于此，本次研究选取挥发分含量差异较大的 3 种烟煤（霍林河煤、平顶山煤、合山煤），通过 TG-FTIR 探究空气气氛下煤粉燃烧特性和气体产物生成特性，重点关注 CO2、CO 和 CH4气体，以揭示烟煤气体产物的析出特性，有助于指导烟煤启动过程中制粉系统安全性控制和优化。1实验装置和实验方法1.1样品制备与分析煤样选取挥发分差异较大的 3 种煤样，分别为霍林河煤（HLH）、平顶山煤（PDS）和合山煤（HS），逐级筛分出粒径 70100 m、100150 m 和150200 m 的样品备用。将上述 100150 m 粒径样品放入鼓风干燥箱中，在 105 下干燥 24 h 以去除样品中的外部水分。采用德国 ELTR 公司生产型号 THERMOSTEP的工业分析仪、德国 Elementar AnalyseneystemeGmbh 公司生产型号 Vario MAX 的元素分析仪及型号 Rapid S cube 的测硫仪，选用粒径为 100150 m的煤粉样品进行水分、灰分、挥发分、固定碳及 C、H、N、S 元素含量的测定。元素分析中 C、H、N元素由元素分析仪直接测定，S 元素由定硫仪测定，O 元素含量近似地按下式计算：Oad=100(Cad+Had+Nad+Sad+Mad+Aad)。1.2热重红外联用分析采用热重-红外联用仪对 3 种样品的失重特性和小分子气体生成特性进行检测，其中热重分析使用德国 METTLER 公司生产的热分析仪，型号为TG209F3；红外分析使用美国 Nicolet 公司生产的傅里叶变换红外光谱仪，型号为 TENSOR 27。实验在模拟空气气氛下进行，模拟空气气氛由气体流量为 21 mL/min 的 O2和气体流量为 79mL/min 的 N2混合而成。实验前首先进行 60 min 的吹扫，然后用坩埚称取 15 mg 左右粒径为 100150m 的样品，以刚盖住坩埚底部的最高点为准。将坩埚放在固定支架上，合上盖子，将热天平清零。按照实验要求设置热重测量软件的升温速率及温度，将煤粉样品加热至设定的温度并保持。打开加热开关，对传输线、气体池进行加热，并将温度分别稳定在 154、150。恒温保持 20 min 后，热重分析仪按之前设定好的升温程序开始加热，并记录数据，同时对红外软件进行设置，并设置空气背景，红外光谱仪开始采集红外数据，直至实验结束。2结果与讨论2.1煤粉样品表征表 1 和表 2 展示了 3 个煤粉样品的工业分析、元素分析和发热量的表征结果，可以明显的看出，三者的挥发分含量存在显著差异，遵循 HLHPDSHS，而灰含量的次序则相反。此外，固定碳和发热量的含量分别遵循 PDSHLHHS 和 PDSHLHHS。表 1煤样工业分析和发热量样品工业分析/(ad,wt.%)发热量/kJkg-1MVAFCHS1.8619.4845.9232.7413464PDS1.1925.5529.7143.5523735.5HLH1.1049.1916.2533.4619495.5表 2煤样元素分析样品元素分析/(ad,wt.%)CHNSO*HS41.412.790.594.882.55PDS56.174.424.020.973.52HLH59.593.981.143.8614.08*氧含量由差减法计算得出。2.2煤粉失重特性分析图 1 是 3 种煤样的失重和失重速率曲线，可以看到煤在空气气氛下的失重经历了 3 个失重阶段，伴随着 3 个失重峰。第一个失重峰出现在 100150 附近，对应着煤粉内在水的脱除；第二阶段的失重峰为煤剧烈失重阶段，此阶段热分解反应最为剧烈，释放出挥发分的速率最大，失重峰也是最第 4 期陈文等：挥发分含量对典型烟煤燃烧的气体产物析出特性影响研究27大的，同时产生大量的气体，不同煤种的失重温度和最大失重速率不尽相同，失重程度也各有差异；第三个失重峰为煤粉脱挥发分后焦炭的燃烧，温度区间在 600900 之间，此阶段峰值比较小，由于第二阶段挥发分的大量释放，剩余的焦炭较少。在第一阶段，可以看到霍林河煤种的脱水阶段相较于另外两种煤，其温度提前，失重峰最大。分析霍林河煤种的工业分析，发现其水分含量大，随着温度的升高，进入热分解剧烈阶段，可以看到，霍林河煤、平顶山煤、合山煤的最大失重速率温度点分别为 408、558 和 582。霍林河煤的最大失重温度点最低，其次是平顶山煤，最后是合山煤，这是因为霍林河煤的挥发分含量最高，析出挥发分的温度比较低，在燃烧过程中反应越剧烈，同时其反应剧烈的温度区也越低。可见，煤的挥发分对于煤粉燃烧至关重要。当温度进一步升高，挥发分大量释放后，进入焦炭燃烧阶段。此阶段，平顶山煤的失重峰相较于其他两种煤更明显，源于平顶山煤的固定碳含量最高，高达 43.55 wt.%，固定碳的燃烧造成其进一步失重；另外，失重结束后，合山煤残留质量百分比为 42.78 wt.%，远高于其他两种煤样，这是因为合山煤的灰分含量最高，为 45.92 wt.%，惰性组分含量较高，影响煤粉的燃烧特性。同时从DTG 曲线可以看出，随着挥发分的降低，着火温度逐渐升高。图 13 种煤样的失重(a)和失重速率(b)曲线2.3煤粉燃烧生成的气体特性分析3 种煤粉在空气气氛下加热时析出的气体的红外光谱如图 2、图 3 和图 4 所示，其中温度和波数为 xy 轴，吸光度为 z 轴。可以看到挥发分气体析出的变化与煤粉失重和 DTG 曲线所表示的热解失重速率相吻合。在 100200 温度区间内，并未观察到较多的气体吸收峰，但是可以观察到波长 16001300 cm-1为代表的 H2O 吸收峰，此阶段为脱水干燥和预热过度阶段，这与上文的 TG-DTG 失重曲线的变化相一致。从 200 开始，煤热分解产生的挥发分气体显著增加，不同煤种挥发分的释放温度不相同。从 FTIR 图谱可以看出，H2O、CH4、CO2和 CO是其中主要的挥发分气体，对应的峰值范围分别为39003500 cm-1，16001300 cm-1，31002900cm-1，23602310 cm-1，21802100 cm-1。热分解过程中各种气体的析出规律随温度的变化趋势有所不同，不同煤样的析出特性也有所不同。这是因为原煤中各化学键的强度不尽相同，随着温度的升高，各化学键由强度从低到高依次断裂，同时会发生不同程度的重整，导致各种气体的出峰顺序和含量不同。另外，不同煤种的挥发分和固定碳的含量也有所不同，也会导致析出的气体有比较大的差异。总的来说，析出的气体中 CO2的强度最大，H2O 次之，CO 的析出强度最小。通过煤粉加热过程中主要气相产物三维红外图谱的分析，可以对煤粉在空气气氛下加热过程中气体的整体释放有宏观的了解，但是无法准确的分析各种气体随温度的变化，因此针对不同煤样的气体产物进行详细分析。图 2霍林河煤析出气体的 FTIR 三维图谱图 3平顶山煤析出气体的 FTIR 三维图谱图 4合山煤析出气体的 FTIR 三维图谱28电站系统工程2023 年第 39 卷霍林河煤 CO2析出峰呈现双峰分布，温度分别为 425 和 622。平顶山煤 CO2析出峰的双峰温度分别为 575 和 761。第一个峰主要源于原样中羧基官能团的分解以及含氧杂环，第二个可能源于高温下煤焦油等产物二次反应或者是矿物质中和碳酸盐物质的分解9。另外，可以看到 3 种煤粉热分解过程中 CO2析出峰顺序分别为霍林河煤、平顶山煤、合山煤，这与失重特性相对应，主要是霍林河煤的挥发分含量最高，挥发分急剧释放的温度较低。霍林河煤的析出峰值最大，平顶山煤和合山煤的析出峰值相当。CO 的析出强度明显低于 CO2，CO 主要源于煤中稳定性较好的羧基和羰基官能团。3 种煤样的 CO析出温度和 CO2类似，但是析出强度却表现出不同的区别，其中霍林河煤的 CO 析出强度最低，在空气气氛下挥发分的大量释放不易生成 CO，更多的转化成 CO2。平顶山煤的析出强度最大，且析出的温度区间也最宽，可能平顶山煤在升温过程中热分解气的二次反应比较大，且含羰基、醚键以及含氧杂环类物质较多。从红外吸收谱线可以得到，各实验煤种 CO 析出温度：霍林河煤的 CO 析出温度为215，平顶山煤的 CO 析出温度为 270，合山煤的 CO 析出温度为 360。图 53 种煤样典型气体析出曲线霍林河煤和平顶山煤的 CH4析出呈双峰形状，霍林河煤的双峰温度分别为 365 和 485，平顶山煤的双峰析出温度分别为 378、602。与其他气体相比，CH4析出温度范围比较广，这是由多步反应峰叠加导致的12，甲烧的析出主要是由煤中脂肪侧链和芳香侧链的断链生成。其中，平顶山煤的 CH4析出强度明显大于其他两种煤粉，可见平顶山煤在空气气氛下存在不完全燃烧，CH4更多地转化成 CO，平顶山煤 CO2的析出峰宽度也部分源于CH4和 CO 的燃烧。H2O 的析出呈现双峰形状，第一阶段水析出峰的温度在 100200，归因于煤种的内部吸附水的析出；第二阶段析出温度集中在 250900，与煤中含氧官能团的断裂和分解有关，煤种 C-OH 和C-O 键的强度不同，所以水析出峰的范围比较大。由于霍林河煤中水分含量较高，其水析出峰的强度也最大；平顶山煤的水析出温度区间较广，其元素分析测的氧含量最高，可能平顶山煤中含氧官能团含量较高，且强弱不同，从而导致析出水分的时间持续较长。3结论本文选取了挥发分含量差异较大的 3 种烟煤（霍林河煤、平顶山煤、合山煤）在 TG-FTIR 上进行燃烧实验，探究了空气气氛下煤粉燃烧特性和气体产物生成特性。结果表明挥发分的含量能够显著影响烟煤燃烧失重特性和产物生成特性，其中霍林河煤的挥发分含量最高，析出挥发分的温度比较低，在燃烧过程中反应越剧烈，同时其反应剧烈的温度区也越低，与此同时也伴随着显著的 CO2、CO 和CH4的生成。由本文研究可知，在工业实际中采用烟煤启动方式需要慎重考虑烟煤特性，尤其是挥发分含量，以保证制粉系统的安全性。参考文献1Vuthaluru H B,Pareek V K,Vuthaluru R.Multiphase flow simulationof a simplified coal pulveriser J.Fuel Processing Technology,2005,86(11):11951205.2Vuthaluru R,Kruger O,Abhishek M,et al.Investigation of wearpattern in a complex coal pulveriser using CFD modelling J.FuelProcessing 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