煤粉微富氧條件下燃燒特性的實驗研究

陸泓羽，王春波，雷 鳴，邢曉娜

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

富氧燃燒技術是一種既能直接獲得高濃度的CO2，又能綜合控制燃煤污染物排放的新一代燃燒技術，但相對于常規空氣燃燒模式，其經濟性較差，發電成本較高[1]。這主要是由于富氧燃燒需要的大量純氧由ASU空分裝置制取，而ASU空分制氧能耗及投資都很高。

Zanganeh和 Shafeen[2]探討了用空氣替代富氧燃燒中一部分純氧來完成煤的燃燒。Zanganeh和Y.Huang等人[2～3]對改進的富氧燃燒方式采用低溫蒸餾脫除 CO2技術進行了經濟性模擬。A.Doukelis等人[4]對這種改進的富氧燃燒方式采用MEA脫除CO2技術進行了經濟性模擬，發現發電成本與富氧燃燒相比有所降低。

本文中定義的微富氧燃燒技術通過調節添加空氣量的多少將煙氣中CO2的體積分數限制在30%～40%。之所以選擇該CO2濃度范圍，是基于如下的技術路線:PSA變壓吸附是一項高效率、低能耗的分離提純CO2技術，已逐漸成為頗具競爭力的一種回收 CO2技術[5]。PSA 技術[6]是利用氣體組分在固體材料上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力的變化而變化的特性，通過周期性的壓力變換過程來實現氣體的分離或提純。日本是利用 PSA 技術分離 CO2的先驅[7，8]，該應用主要集中在日本電廠和制造業。國內PSA在合成氨原料氣脫碳工藝中已實現了工業化[9]。一般原料氣中CO2濃度為30% ～40%左右，十分適合采用PSA變壓吸附技術脫除微富氧燃燒煙氣中的。因此，在此CO2濃度下尋求合適的脫碳方式，將可能是提高其經濟性一條有效的途徑。

本文對兩種煤在微富氧氣氛條件下進行了熱重分析實驗，并和空氣、富氧燃燒條件下的燃燒特性進行了比對研究。這對于微富氧燃燒技術進一步的工業應用，提供了一定的參考。

1 實驗過程

實驗在熱重-差熱天平上進行。稱取約10 mg煤樣放入坩堝，N2吹掃15 min后開始實驗。氣量為100 mL/min，升溫速率20℃/min，由室溫升至850℃。為研究不同煤種在微富氧下的燃燒特性，實驗選取無煙煤、煙煤兩種典型煤樣，粒徑為74～92 μm。煤質分析見表1。

表1 煤樣的工業分析與元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal samples

為比較研究微富氧下和空氣、富氧等條件下燃燒特性的差異，實驗選用了幾種典型氣氛配比，見表2。

表2 實驗氣氛配比 (總通氣量=100 mL/min)Tab.2 Experimental atmosphere ratios(Total ventilation=100 mL/min)

2 結果與討論

圖1、2為無煙煤在不同氣氛條件下的TG，DTG和DTA曲線。如圖所示，隨著氧濃度的增加，煤粉的燃燒特性曲線向低溫區發生明顯偏移，燃燒最大失重率加快且放熱峰逐漸增強。這表明氧濃度的增加可提高煤樣的燃燒速率，提高放熱強度，從而使煤的反應活性得到改善[11～12]。在同樣的氧濃度下，微富氧燃燒TG曲線所處溫度區間較富氧燃燒的要低，而其最大失重速率和放熱強度則要略高于富氧燃燒的，這說明微富氧氣氛下的燃燒效果較好。由于N2的摩爾質量要比CO2小，因此，將反應氣氛中的CO2部分替換成N2后，混合氣體的密度降低，加上CO2的比熱要高于N2，同樣體積下的兩種氣體相比，N2儲熱量更少，因而微富氧燃燒的反應升溫更迅速，燃燒速率更快[13～14]。

為了進行驗證及比對研究，對煙煤也進行了類似圖1中工況下的實驗，結果見圖3。與無煙煤的情況類似，隨著氧濃度的增加，煙煤的燃燒特性曲線均向低溫區移動，其最大失重率加快，放熱增強，說明氧濃度的增加可使煤的反應活性得到改善。在相同的氧濃度下，由于N2和CO2物性的差異，煤樣微富氧氣氛下的燃燒效果也同樣好于富氧氣氛下的。

對比以上圖1～3可以看出，兩種煤樣的DTG曲線形式基本一致，但DTA曲線之間卻有所不同。無煙煤只有一個比較明顯的放熱峰，說明其發生的是非均相著火，而煙煤則有兩個放熱峰，說明其可能發生了均相著火。氧濃度升高后，雖然兩種煤樣的DTA曲線都向低溫區偏移，但曲線形式沒有發生大的變化，即煤粉的著火機理并沒有因為氣氛的改變而發生變化[15]。

由圖1至圖3可得兩種煤樣在不同氣氛的下燃燒特性參數，見表3。從中可以看出，對任一種煤樣，在相同的氧濃度下，微富氧燃燒的最大失重率和平均失重率均要高于富氧燃燒的，其燃燼時間也較短。但隨著氧濃度的升高，微富氧和富氧燃燒特性參數之間的差異逐漸減小，即在氧濃度較高時將富氧燃燒中的CO2替換成N2后，反應速率變化不大。這說明在氧濃度升高后，由于燃燒反應速率較快，氣氛的影響逐漸減弱。從表3中還可以看出，在反應條件一致時，煙煤的平均和最大失重率比無煙煤高，其燃燼時間也最短，說明煙煤的反應活性較高。

表3 煤樣的燃燒特性參數Tab.3 Weight loss rate and combustion time

3 燃燒特性參數

3.1 著火溫度和燃燼溫度

著火溫度和燃燼溫度能夠反映燃料著火和完全燃燒的難易程度。在實際應用中，充分了解著火溫度和燃燼溫度對于煤的著火及完全燃燒有著重要指導意義。

圖4為兩種煤在不同反應條件下的著火溫度和燃燼溫度。其中，著火溫度 (Ti)采用TG-DTG法確定[16]，燃燼溫度 (Th)則定義為可燃物消耗98%時對應的溫度[17]。

圖4 不同氣氛條件對著火溫度和燃燼溫度的影響Fig.4 Different atmosphere conditions on the influence of Tiand Th

由圖4可知，隨著反應氣氛中氧濃度的升高，兩種煤的著火溫度和燃燼溫度都呈下降趨勢。但在相同的氧濃度下，微富氧燃燒的著火和燃燼溫度要比富氧燃燒的低 (條件2、3之間和條件4、5之間對比)。如前所述，由于N2和CO2物性的差異，N2更有利于燃燒的進行，因而在相同的氧濃度下，將富氧燃燒中的部分CO2替換為N2形成微富氧燃燒后其著火和燃燼溫度有所降低。在氧濃度為30%時，兩種煤的微富氧和富氧燃燒的著火和燃燼溫度相差較大，但在更高的氧濃度下(O2=40%)其著火和燃燼溫度卻相差較小，即高氧濃度下，燃燒反應速率加快后，氣氛的影響逐漸減弱。

在同樣的反應條件下，無煙煤的著火和燃燼溫度較高，煙煤偏低。由于煙煤都是均相著火，其揮發分首先析出著火，因而其著火溫度相對于無煙煤的非均相著火溫度要低，而無煙煤由于揮發分含量低，燃燒速率慢，故其燃燼溫度是最高的[15]。

3.2 燃燒特性指數

為進一步評價煤質燃燒特性優劣，采用文獻[18]的燃燒特性指數S來進行分析。

圖5給出了兩種煤樣燃燒特性指數S隨反應條件變化的關系曲線。

圖5 煤樣在不同氣氛下的SFig.5 S of coals in different atmosphere ratios

兩種煤樣的S都隨著氧濃度的增加而逐漸上升，說明氧濃度的升高可有效改善煤粉的綜合燃燒性能。在相同的氧濃度下，微富氧燃燒的燃燒特性指數S要比富氧燃燒的高，說明將富氧燃燒中的部分CO2替換成N2后，煤粉的燃燒性能有所改善。在同樣的條件下，由于煙煤燃燒速率快，燃燼時間短 (見表3)，著火溫度和燃燼溫度低(見圖4)，所以煙煤的反應活性較高，因而其綜合燃燒特性指數S要明顯高于無煙煤，說明煙煤的綜合燃燒性能較佳。

4 結論

隨著氧濃度的增加，煤粉的著火和燃燼溫度逐漸降低，燃燼過程縮短，放熱增強，燃燒特性指數S和表觀活化能逐漸增大，煤粉的燃燒特性得到改善。在相同的氧濃度下，由于N2和CO2的物性差異，微富氧的燃燒效果要好于富氧燃燒，但在較高的氧濃度下，燃燒反應速率較快，氣氛的改變對反應影響較小，因而兩種氣氛的燃燒特性相差不多。在反應條件發生改變后，兩種煤樣燃燒特性參數的變化趨勢雖基本一致，但不同煤種之間還略有差異。煙煤的著火和燃燼溫度較低，反應活性較高，其綜合燃燒特性指數S也要明顯高于無煙煤，而且隨氧濃度的升高，S上升幅度也較大，說明在同樣的反應條件下煙煤的燃燒性能更佳。