煤粉燃燒特性的實驗研究方法及應(yīng)用實例分析_圖文

1、煤粉燃燒特性的實驗研究方法及應(yīng)用實例分析武蜓工業(yè)大擘材料學(xué)院硅酸鹽工程中心謝峻轉(zhuǎn)馮小平 肖天來易晉珍在工業(yè)窯爐中,承泥窯是最早以煤粉為燃料的熱工設(shè)備之一,但對煤粉的燃燒和火焰 的研究,卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如鍋爐和發(fā)電行業(yè)那么充分。近年來,為降低水泥成本,利用廉價燃料, 保護環(huán)境,歐洲成立了專門的研究機構(gòu),為加深對水泥窯內(nèi)煤粉燃燒過程的認(rèn)識,開展了 許多研究工作,使燃料的燃燒技術(shù)有了很大發(fā)展,并實現(xiàn)了石油焦、無煙煤等低括性燃料 在干法水泥生產(chǎn)中的成功應(yīng)用。在我國,有關(guān)煤粉的燃燒問題也已開始引起人們的重視,并 已開展了燃燒器的煤粉燃燒過程數(shù)值模擬1】、分解爐中煤粉燃燒特點分析2、無煙煤的催化 燃燒”o及高硫煤

2、的脫硫等研究課題,取得了一定成果,但就全水泥行業(yè)來講,對煤粉燃燒 問題的深層次理論探討,還沒有引起廣泛重視。對此,我們就幾年來武漢工業(yè)大學(xué)硅酸鹽 工程中心研究工作,針對有關(guān)煤粉燃燒的實驗研究情況,結(jié)合目前最新研究成果,做一個 較系統(tǒng)的總結(jié),僅供水泥同行參考借鑒。一、煤的靜態(tài)燃燒實驗研究煤的靜態(tài)燃燒實驗,即煤粉處在堆積狀態(tài),進行有關(guān)的煤粉燃燒實驗分析。由于受實驗測試設(shè)備的限制,目前要獲得煤耢燃燒失重的有關(guān)信息,還其能使煤粉處 在堆積狀態(tài)下進行實驗,因此靜態(tài)燃燒實驗仍是一個很重要的研究方法。除大家所熟悉的 煤的工業(yè)分析外,靜態(tài)燃燒實驗還可以得到更多的有關(guān)燃燒特性的信息。1.失重分析 , 首先在通空

3、氣狀態(tài)下,通過煤粉的失重分析,可以獲得煤粉燃燒特性曲線,即微分失 重(dw/ck與時闖的關(guān)系曲線和微分失重與溫度的關(guān)系曲線。通過對瞄線的分析,可以獲 得煤的起燃、煤的最大燃燒速度以及煤燃盡所需要的時間等信息。這些值盡管與實際煤粉 燃燒時數(shù)值有區(qū)別,但在進行不同煤質(zhì)比較時,還是具有根重要的參考價值。其次,在惰性氣體保護狀態(tài)下,進行煤粉失重分析,可以獲得煤的揮發(fā)分釋放特性,隨 后再對惰性氣體下得到的焦炭進行失重分析,可以得到有關(guān)焦碳燃燒信息,這些均可為煤 的揮發(fā)分釋放及焦炭燃燒動力學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù),為深人探討媒粉燃燒機理創(chuàng)造條件。 除以上研究內(nèi)容外。通過對煤粉在一定溫度、一定時間的失重量分析,還

4、可以進行煤 的燃燒效率研究,具體方法如下;準(zhǔn)確稱量19煤樣置于瓷舟,850'C保溫lOmin,冷卻后稱 重得砰,繼續(xù)保溫30rain,確保煤粉燃盡,稱重得緲。,_嘲矸0,矸,n(。酊分別為燃 燒殘余物重量和其中灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),若此時用w。,W0表示人爐煤樣質(zhì)量和其中灰分的質(zhì) 量分?jǐn)?shù),則燃燒率R可用下式計算:,。 , ,(1一。一一 .“2J一面葡j麗 ,本實驗室從美國力可公司購置的MAC一500儀器及國產(chǎn)微重分析儀,可根據(jù)需要,同時 194進行多組樣品失重分析,目前這兩臺設(shè)備已是我們進行煤粉研究的重要手段。2.差熱分析差熱分析在很多領(lǐng)域應(yīng)用較廣,已為人熟知,但其在煤粉燃燒研究中的作用并

5、沒有被 人們所熟悉,借助差熱分析儀,開展煤的燃燒過程研究,已為我們提供了很重要的信息,特 別是與上述失重分析對應(yīng),可以更確切地獲得煤燃燒過程中各種反應(yīng)發(fā)生的過程,如水的 吸熱反應(yīng)、揮發(fā)分的起燃、固定碳的起燃以及最終煤粉燃盡的溫度點等。3.X一射線衍射、掃描電鏡及圖象處理 、 通過這些現(xiàn)代微觀結(jié)構(gòu)分析手段,可以進行燃燒灰燼的礦物組成定性分析及孔驤結(jié)構(gòu) 觀察,從而獲得有關(guān)煤的結(jié)渣、燃盡程度以及礦物組成等信息。另外通過x射線小角衍射 分析及圖象處理可以獲得有關(guān)參數(shù),使運用分形理論預(yù)測煤粉燃燒結(jié)果成為可能。二、煤的動態(tài)燃燒實驗研究 . . j靜態(tài)實驗中煤的燃燒工況與實際煤粉的燃燒有很大差距,因此靜態(tài)實

6、驗所得的定性分 析結(jié)果應(yīng)在動態(tài)燃燒實驗臺上進一步證實。為此我們開發(fā)建設(shè)了煤粉動態(tài)燃燒實驗臺,為 進行分解爐中煤粉的懸浮燃燒提供了很好的實驗條件。 .圖i為武工大硅酸鹽工程中心煤燃燒實驗臺監(jiān)控系統(tǒng)的某界面照片。從照片可以看出 該實驗臺的工作流程。被熱風(fēng)爐加熱的氣體從分解爐下部給入,煤粉從底部側(cè)面由壓縮空 氣通過給煤器噴人爐內(nèi),與熱氣流混合,并隨熱氣流邊燃燒邊向上流動,最后被引風(fēng)氣流 沿切向出口引進旋風(fēng)分離器。圈i煤燃燒實驗臺監(jiān)控系統(tǒng)的某界面照片 195在此系統(tǒng)中,通過對燃燒氣體濃度、溫度的在線測定、數(shù)據(jù)采集分析,可以獲得煤粉 動態(tài)燃燒過程中,各種燃燒生成氣體濃度C、爐內(nèi)溫度變化與燃燒時間t的關(guān)系

7、曲線,從而 獲得不同繅質(zhì)的燃燒信息,為爐體結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參數(shù)。t .三、應(yīng)用實例豳2,圖3分別為我們進行高硫煤脫硫燃燒研究時利用失重分析、差熱分析獲得的曲 線。對比失重分析結(jié)果及差熱曲線可判斷,煤燃燒特性曲線DTG反映出的第一個失重峰為 水分蒸發(fā),A點為水分最大釋放速度點,對應(yīng)差熱曲線于108左右有一個小吸熱蝽,因水 分含量低,對就TG失重曲線有較小失重。第二個失重峰為揮發(fā)物燃燒失重,B點為揮發(fā)物 燃燒速度最大點,對應(yīng)差熱曲線于370。C左右有較大的放熱峰,對應(yīng)TG曲線有較大失重 量。第三個失重峰為焦碳燃燒失重,對應(yīng)差熱曲線有一寬而大的放熱峰,焦碳起燃點C對 應(yīng)溫度為420左右,最大燃燒速度D

8、點對應(yīng)的溫度范圍為500600,至700左右煤燃 盡對應(yīng)DTG曲線的E點。墓?fàn)I星爹Tcmpcrnmrc( (c 喜 §:墨 暑呈 §i圖2高硫煤的失重及微分失重曲線 (原煤 (b(c鬻加脫硫荊煤553,5661.5圈3高硫煤的差熱分析曲線(a原煤 (b添蜘脫硫劑燃圈4為進行無煙煤催化燃燒正交實驗時, 煤粉燃燒率的研究結(jié)果,由正交實驗趨勢圖可 見,影響因索的主次順序為t催化劑含量>僵 化劑種類>煤種。影響規(guī)律為;隨著催化劑的 摩爾分?jǐn)?shù)由6%增加至15%時,煤的燃燒率提 高,但當(dāng)催化劑摩爾分?jǐn)?shù)超過15%到21%時, 煤的燃燒率開始降低I催化劑種類對煤燃燒催化的程度以

9、iii為最佳各催化劑對不同煤種的催化效果不同,催化效果最明顯的為W,無 煙煤,最不明顯的為W.無煙煤。 :圖5、圖6為進行無煙煤催化燃燒研究時,利用X射線衍射分析獲得的圖潛。此圖分別 為無煙煤w。、w及其加人催化荊后,于850"C燃燒殘余物的x射線衍射譜,分折表明。燃 燒殘余物中除含有SiO。等晶相外,還有非晶態(tài)峰包,即無定形殘?zhí)?從峰包的高低可以看 19685窶毗毫82嘶 嵫 嶗 嘶KImd of_thrne|tel。圈4正交實驗趨勢雷出,加入催化荊后,殘?zhí)苛坑兴陆?且對無煙煤w-的下降影響更為明顯。比較圖5,圖 6中藍(lán)線,可見催化燃燒后其藏中晶相組成與原煤灰有一定區(qū)別這在一定程

10、度上表明催化 劑參與了化學(xué)反應(yīng)過程,且使燃燒產(chǎn)物組分或結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。2040 2(. :。圖5W,媒樣燃燒產(chǎn)暫的X-Ray衍射譜,柏 60勰,(.田6W.煤樣燃燒產(chǎn)暫 的X-Ray衍射譜圈7、圖8為最近在動態(tài)實驗臺上獲得的煙煤及無煙煤燃燒過程中C0。濃度、爐內(nèi)溫度 變化與燃燒時間的關(guān)系曲線。由圖7可見t該煙煤燃燒時出現(xiàn)了兩個CO。濃度、溫度最大 峰。第一個CO。峰出現(xiàn)較快、峰窄,且一開始co:濃度就迅速增大,第二個峰則較寬。且 結(jié)束對co:濃度減少速度變緩。對應(yīng)溫度與時聞關(guān)系曲線,第一個峰爐內(nèi)溫度上升快,但 溫度最大值低于第二峰。這些信息表明t煙煤中揮發(fā)分首先燃燒,且燃燒速度快,當(dāng)揮發(fā) 分燃

11、燒到一定程度后,固定碳開始燃燒。放出大量熱量,隨著同定碳的燃盡,燃燒過程停 止,C0:濃度、爐內(nèi)溫度回到初始狀態(tài)。分析圖8,我們看到無煙煤燃燒與煙煤有較大差別, 最明顯的是起燃非常緩慢,燃燒過程持續(xù)時問長。另外沒有明顯的揮發(fā)分燃燒峰,固定碳 197'1981100已1030皇 咖 蘭 里8 820TIme(n (b 圈7平頂山煙煤動態(tài)燃燒實驗結(jié)果 (c02堆虛與燃燒時問關(guān)景曲線 (b爐內(nèi)置虞與燃燒時問的差幕曲線 已螄 880董呦 Timd0C曲 而一爐臆意度 20801101 Time(s. . (” 圈8晉城無耀煤動態(tài)燃燒實驗結(jié)果 “c02漱虛與燃燒時間關(guān)景曲線 (b爐內(nèi)量度與燃燒時

12、問的關(guān)系曲繾 警 凸 盆H_U的燃燒峰很寬，相應(yīng)的溫度變化較平緩?？v觀兩圖關(guān)系曲線可以很清楚地爿斷煤粉燃燒 過程中，起燃、燃盡以及最大燃燒速度所對應(yīng)的時間點，因而獲得不同煤質(zhì)的動態(tài)燃燒實 驗參數(shù)，為分解爐設(shè)計，以及改善煤粉燃燒特性研究提供依據(jù)。 四，討論 由以上內(nèi)容可以看出，利用現(xiàn)代測試，分析技術(shù)，可以很詳細(xì)地了解煤粉燃燒過程中 有關(guān)信息，從而對煤粉的燃燒特性有了較深層次的了解，同時現(xiàn)代測試研究方法也使我們 進行煤粉著火及燃燒機理的探討成為可能。 ： “ 既然煤粉燃燒特性的研究方法已發(fā)展到今天這樣的水平，然而我們水泥行業(yè)在生產(chǎn)中 對煤粉的選擇仍還采取著幾十年前所采用的標(biāo)準(zhǔn)與方法郎只了解煤的工業(yè)分析值及煤的 發(fā)熱量，實際上在生產(chǎn)中，也經(jīng)常出現(xiàn)煤的熱值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)但卻不好燃，或者是由于地區(qū)煤 質(zhì)限制不可能完全滿足揮發(fā)分及灰分標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，為此很多廠家進行了各種艱苦的摸索，獲 得了保貴的經(jīng)驗。同時在設(shè)計中如果還僅僅靠煤工業(yè)分析值及發(fā)熱量來確定設(shè)計參數(shù)，已 很不科學(xué)。因此應(yīng)重新確定評判煤質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，使其能更科學(xué)全面地反映煤的燃燒特性，同 時在窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計時，或在生產(chǎn)過程中燃料變化，都應(yīng)全面了解所用燃料的燃燒特性，