姜秀民1，李巨斌1，邱健荣2
1．东北电力学院，吉林省吉林市132012； 2．华中理工大学，湖北省武汉市430074
1 引言
长期以来，颗粒粒度对煤粉燃烧机理的影响一直受到煤燃烧领域专家、学者的广泛关注。尤其近几年来，超细化煤粉（0～20μm）燃烧方式的提出为人们重新认识颗粒粒度对煤粉燃烧机理的影响提供了崭新的视角。M．Nakamura等人在日本Chubu电站的单机容量为700 MW机组上进行了超细化煤粉燃烧工业试验，发现以超细化煤粉为燃料其飞灰中可燃物质残留量与NOX气体生成量要远小于常规煤粉。同时对比了超细化煤粉与常规煤粉为燃料的电站综合经济性指标，结果单机容量为700 MW电站锅炉应用超细化煤粉可按年1．7＄／k W的比率减少运行费用［1］。超细化煤粉燃烧方式与常规煤粉燃烧方式相比具有稳燃效果好、燃烧效率高、低NOx污染以及综合经济性高等优点。
本文采用由德国NETZSCH公司生产的STA409C型热天平对合山煤（Hs）、晋城煤（Jc）各4种不同粒径煤样进行了燃烧特性分析，试验结果表明，煤粉经过超细化后，其燃烧特性有明显的改善。
2 试验设备及试验说明
将采集的合山与晋城煤经过洗涤、干燥、碾磨后制成分析煤样。应用LECO CHN600型元素分析仪测定两种煤中碳、氢和氮3种元素，用定硫仪测定硫元素的含量，氧元素的含量由差减法求得。采用LECO MAC500型煤质分析仪在规定的温度状况和加热速率下进行工业分析，得到煤中水分、挥发分、灰分以及固定碳的含量。合山、晋城煤的工业分采用英国MALVERN公司的马尔文粒度仪测得各试验煤样的平均粒径见表2。
表1 合山、晋城煤的工业分析与元素分析
在STA 409C型热天平上对各试验煤样进行燃烧特性试验时，温升速率均为20℃／min、所用气体为O2，气体流量均为70 ml／min，试验煤样的质量基本相同，见表2，其它试验条件相同。
3 试验结果及分析
3．1 燃烧失重（TG）曲线
在燃烧特性试验中，得到的合山与晋城两种煤各种不同粒径试验煤样的TG曲线分别如图1、图2所示。
图1 合山煤4种不同粒径的TG曲
图2 晋城煤4种不同粒径的TG曲线
从图中可见：合山（10.90)及晋城(19.30)两种超细化煤粉范畴内的煤粉试样的失重曲线有相似的特点,就是煤样中易燃部分与难燃部分的燃烧曲线有明显的分界点，分别如图1中A点与图2中的B点所示。说明煤粉经过超细化后，煤中挥发分析出、着火明显提前，从而提高了煤中易燃物质的整体燃烧速率，致使TG曲线上的易燃部分与难燃部分有明显的分界点。
3．2 煤粉细化、超细化对着火特性的影响
将TG曲线求一次导数，可得另一燃烧特性曲线DTG。关于在热天平试验中利用TG和DTG曲线求着火点的方法观点不一。实际上，由于具体试验仪器和试验条件的较大差异，很难规定统一的求法，所以至今对于这个问题仍有很大的争议。本文采用如下的方法来计算着火温度（Ti）。
Ti＝（TTG，i＋TDTG，i）／2（1）
式中 TTG，i表示由TG曲线得到的着火点；TDTG，i表示由DTG曲线得到的着火点。
经过对数据的分析处理，燃烧试验得到的合山、晋城各煤样的着火温度（Ti），如图3所示。由DTG曲线的最大极值点来确定最大燃烧速率时的温度（Tmax），如图4所示。
图3 Ti颗粒粒径的关系
以住,关于煤粉颗粒粒径对着火的影响,有很多专家、学者做了大量的试验研究，但由于试验设备和实验条件的差异得出的结论也不尽一致。目前，较为公认的观点是：对于单颗粒的煤而言，颗粒粒径越小越难着火，但该结论一般都是从垂直沉降炉或大体类似的试验设备上得出的。另外，对于煤粉雾而言，随着煤粉粒径的减小着火更加容易。而煤粉雾的研究试验基本上都是把煤粉喷射到一定空间内，在能与其中的气体介质达到较为充分混合的动态条件下进行的。
图4 Tmax与颗粒粒径的关系
本文试验的对象是处于相对静态下的煤粉团，从图3中可以明显看出合山、晋城两种煤的4种煤样表现出相同的趋势，即：随着煤样粒径的减小，其着火提前，着火温度随之降低渐趋明显，尤其是合山（10．90）与晋城（19．30）两种超细化煤样此种趋势更加明显。其原因是：煤粉的细化、超细化使得颗粒的比表面积大大增加，从而更加有利于挥发分析出与煤颗粒的非均相着火。在本文的试验设备和试验条件下，处于相对静态条件下的煤粉团表现出了与煤粉雾试验相近的着火特性。
本文还对图3、图4中的试验数据点进行了曲线拟合，结果发现用型为y＝y0＋exp（－（x－x0）／t）的一次指数函数分别对Ti及Tmax与颗粒粒径的关系进行拟合，达到了非常好的拟合效果，其具体的拟合公式如图中所示。
从图3、图4中不难看出煤粉的细化、超细化对合山煤着火特性的影响更大，而对晋城煤的影响虽然也很显著，但相对于合山煤而言则较小。其原因在于，合山煤的挥发分高于晋城煤，在升温过程中合山煤中挥发分的析出更快、更迅速，而挥发分的析出与着火对煤的着火特性起决定性作用，因此，合山煤着火特性受煤粉颗粒粒径的影响更大。
3．3 煤粉细化、超细化对燃尽温度的影响
结合TG、DTG曲线对数据进行处理得到合山与晋城两种煤燃尽温度与煤粉颗粒粒径的关系如图5所示。从图5中可以看出在本文的试验条件下，煤粉的细化、超细化对煤粉的燃尽温度有一定的影响，即：煤粉的细化、超细化可使其燃尽温度降低。
用型为y＝y0＋exp（－（x－x0）／t）的一次指数函数对燃尽温度与颗粒粒径的关系进行拟合，公式如图示。
图5 燃尽温度与煤粉颗粒粒径的关系
3．4 差热扫描量热（DSC）曲线
图6、图7分别为合山与晋城两种煤各煤样的试验DSC曲线。
图6 合山各煤样的DSC曲
图7 晋城各煤样的DSC曲
分别比较图6、图7中的DSC曲线容易看出合山（10．90）及晋城（19．30）这两种超细化煤粉范畴内的煤样的DSC曲线与其它煤样的DSC曲线区别明显，即：这两种煤样的DSC曲线易燃部分和难燃部分有两个非常突出的放热峰，这与前述3．1中得到的结论是一致的。
燃烧特性试验对煤粉试样来讲是一个放热过程，对DSC曲线积分可以得到DSC曲线峰包围的面积，它正比于煤粉试样热焓的变化［2］，如下式
Sarea＝KΔHm（2）
对采用差热扫描量热分析法（DSC）进行热分析时，式（2）中K值与温度无关，只与试验仪器本身特性有关，所以此处可视为常数；m为试样的质量。由于本文中各试样的质量基本相同，因此Sarea的值可直观地反应出热焓（ΔH）的大小。经过对DSC曲线的积分得出以下数据，如表3所示。
表3 DSC曲线的特征数据
由表3可见：煤样颗粒粒径减小，DSC曲线达到最大放热速率的时间越早，这与图4所示一致。从合山、晋城DSC曲线包围的面积Sarea值随煤样粒径的相似变化中可以看出，较小粒度煤样（如：Hs（10.90)、Jc（19.30))与较大粒度煤样(如:Hs(57.40)、Jc（83.77)的热焓(△H)的变化相对较大,也即煤样燃烧时放热较多。
3.5 燃烧特性的综合评价
因为对于缓慢加热的燃烧,燃烧反应初期即在着火阶段,可认为是属于化学反应动力学控制区,即由化学反应动力学因素控制反应速度,并可近似地用Arrhenius定律表达燃烧速率[3],即
式中 （d W／dt）cmax为最大燃烧速度：（d W／dt）cT＝Ti为着火温度下的燃烧速度；（d W／dt）cmax为平均燃烧速度；Th为燃尽温度；Ti为着火温度。
式（6）左边可作如下解释：R／E表示煤的活性，E值越小,反应能力越高:d/dT(dW/dt)cT=Ti为燃烧速度在着火点的转化率，其值越大，表明着火越猛烈；
（d W／dt）cmax／（d W／dt）cT＝Ti为燃烧速度峰值与着火时燃烧速度之比；（d W／dt）cmean／Th为平均燃烧速度与燃尽温度之比，其值越大，表明燃尽越快。这几项的乘积综合反映了煤粉燃烧特性。
将式（6）的右边简记为：
S＝（d W／dt）cmax（d W／dt）cmean／T2iTh（7）
S定义为综合燃烧特性指数，其值越大，表明煤粉的燃烧特性越佳。
根据本文试验数据求得合山与晋城煤各煤样的S值与煤样颗粒粒径的关系如图8所示。由图8可见，对于合山、晋城两种煤都存在相同的趋势，即：综合燃烧特性指数S有随煤样颗粒粒径减小而增大的趋势，也就是说煤粉经过细化、超细化可以使其燃烧特性得到较大幅度的改善。由此可见，采用超细化煤粉燃烧技术对解决目前电力工业中火力发电厂减少启动与稳燃用油，低负荷稳定燃烧以及提高劣质煤种的燃烧效率等问题都具有重大的理论意义与现实意义。
图8 合山与晋城煤各煤样的S值与颗粒粒径的关系
4 结论
（1）煤粉颗粒粒径对其燃烧特性有很大影响，随着煤粉颗粒粒径的减小，煤粉的着火提前，着火温度随之降低；煤粉也更易燃尽，燃尽温度有所降低；尤其是超细化煤粉其着火、燃尽特性明显改善。
（2）在STA409C型热天平上得到的试验数据表明，煤粉的着火、燃尽温度及最大燃烧速率时的温度与其颗粒粒径成指数函数关系。
（3）从DSC曲线得到的煤样热焓（ ΔH）相对于煤样颗粒粒径所呈现出的变化规律，表明煤粉超细化有利于煤中可燃物质的燃尽，因此释放出了较多的热量。
（4）合山与晋城煤都属于较难燃的煤种，试验结果表明，经过超细化可以明显地改善难燃煤种的燃烧特性，以此来解决当前电站燃煤锅炉劣质煤种的工业中火力发电厂减少启动与稳燃用油、锅炉低负荷稳定燃烧、减少NOX气体的排放以及提高劣质煤种的燃烧效率等问题具有重大的理论意义和工程应用价值。
参考文献：
［1］ Naka mura M，Takashi K，Kuwahara M，et al．Demonstration testand practical studies on co mbustion technologies of micro－pulverized coal［C］．International Conference on Po [1] [2] 下一页
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