水泥用煤燃燒特性評價的實踐

楊德吉

（華潤水泥控股有限公司， 廣東 深圳 518057）

0 引言

國內外對煤的燃燒行為的研究主要針對電力和煤炭行業，著眼于煤的發熱量和煤的著火點，而水泥行業對煤的要求：由于水泥行業分解爐結構的特殊性，不僅要求燃煤發熱能力強，而且對煤的燃燒平穩性、易燃性、著火猛烈程度以及煤的燃盡時間要求也更高。一方面，煤粉在分解爐內的停留時間一般較短；另一方面分解爐內碳酸鈣分解的吸熱與燃料燃燒同時進行，則燃料的燃燒速度就會直接影響到碳酸鈣的分解速度，影響分解爐的正常運行，使入窯碳酸鈣分解率不能達到生產要求，從而增加窯系統熱負荷，造成工況不穩，難于操作控制；同時由于其燃盡度低，未燃盡煤粉易被帶入預熱器，繼續燃燒，造成預熱器局部高溫，從而引起預熱器系統的結皮堵塞。這些問題的解決都依賴于對煤燃燒特性的認識和評價。

水泥工業中煤的燃燒行為比較復雜，本文通過三十余種煙煤、無煙煤等的差熱分析試驗， 從應用的角度， 結合本公司水泥工業分解爐爐型的特點， 在差熱分析測得結果（主要包括著火溫度、最大燃燒速率、峰值溫度、燃盡溫度、燃盡時間等）的基礎上提出了煤的可燃性指數、燃燒穩定性指數、燃盡特性指數和燃燒特性指數四個評價指數。這些指數之間既有區別又有其內在的聯系，分別表征煤炭燃燒過程中不同階段的性能，而評價一種煤炭的綜合性能時，我們必須同時考慮四種性能。這樣我們引入了評分法對煤炭進行評價，構造了一個相對的可比性，即先將不同煤各特性指數看成獨立的，根據獨立的特性指數進行比較，得出該指數的排名以及對應的分數，再把各特性指數的分數相加，即可得到該煤的綜合得分。同時進行了燃盡度的測定，進一步確定未燃盡煤粉對窯系統的影響，為本公司水泥工業用煤采購提供了較好的參考。

1 試驗說明

1.1 試驗條件:

差熱分析:本實驗采用HCT-2型差熱分析儀，進行TG，DTG及DTA的同步熱分析。燃燒實驗采用氧化氣氛，氣體流量為120 mL／min。采用非等溫法進行加熱，升溫速率為15 ℃／min，從室溫開始升溫，終止溫度為1000℃，保溫1min，實驗樣品質量為10 mg。

燃盡度的測定：本實驗采用SDTGA-200灰揮測試儀，按GB/T 212 -2008 煤的工業分析方法稱樣，將灰揮測試儀設定快灰程序，放入試樣于850℃保溫10分鐘，冷卻后稱量燃燒殘余物質量得到Wr；重新放入馬弗爐中繼續保溫30分鐘，此時煤已經燃盡，取出冷卻后再稱取燃燒殘余物質量，可得到 Wr2，則可求得Wra=Wr2/Wr。

1.2 試驗數據

（1）差熱分析

以一種常用無煙煤( 如圖 1) 為例來說明差熱分析試驗中測得的參數及其意義：差熱分析的數據主要包括著火溫度、最大燃燒速率、、燃盡溫度、燃盡時間、峰寬、后半峰寬、平均燃燒速率。

著火溫度：DTG曲線上過第一峰值點 A 作垂線與TG曲線相交于一點B， 過B 點作 TG 曲線的切線， 切線與失重開始時水平線的交點 C 所對應的溫度定義為著火溫度 Ti( ℃)，表示煤的著火難易程度，反映了煤種著火性能的好壞。其數值越小，表明該煤種著火越容易。煤粉著火越容易，越有利于燃燒的穩定；最大燃燒速率和峰值溫度： DTG曲線最低點及其所對應的溫度，反映了煤著火后的后續燃燒情況，最大燃燒速度值越大，峰值溫度越小，說明煤種著火后的燃燒速度越快，煤種的燃燒穩定性越強；燃盡溫度和燃盡時間：定義為燒掉 98%燃料量時對應的溫度和所需的時間，一般來說，燃盡所需時間越長，燃盡性能越差；

峰寬：峰寬溫度差所對應的DTG曲線下所包圍的面積，為煤中可燃質聚集燃燒份額的大小，峰寬越大，煤可燃質聚集份額越多。

后半峰寬及其與峰寬的比值：后半峰寬反映煤炭燃盡的集中耗時程度，它與峰寬的比值可以間接反映煤后期燃燒的快慢，也就是燃盡程度。比值越小，表明煤燃盡所需時間越短，后期燃燒所需時間越少；反之，后期燃燒所需時間越長，燃盡情況越差；

表1 一種無煙煤的差熱分析參數

圖1 一種無煙煤差熱分析曲線

（2）燃盡度

燃盡度是指在一定條件下煤粉中燃燒掉的可燃組分的質量分數，在客觀意義上講就是反應的完全程度，燃盡度的計算公式為：

公式中 Rc為燃盡度，Wr和 Wra分別為在一定的實驗條件下的煤燃燒殘余物質量和灰分的質量分數，Wc和Wca分別為試樣的質量和相應灰分的質量百分數。

2 評價參數的建立

利用煤的熱分析曲線所能測得的基本參數，定義了以下評價指數：

（一）煤的可燃性指數Cb：綜合考慮了煤的最大失重速率和著火溫度兩因素對煤著火性能的影響，煤的可燃性指數反應了煤著火的難易程度，其值越大，煤的可燃性越好。

（二）煤的燃燒穩定性指數G：煤樣的最大失重速率越大，揮發分釋放的就會越強烈；峰值溫度越低，揮發分釋放的高峰期出現得越早，著火溫度越低，著火就越容易，這有利于形成較高的燃燒溫度，燃燒就越穩定、越充分，煤粉的燃燒性能越好。從這個意義出發定義燃燒穩定性指數：煤粉燃燒穩定性是煤粉著火難易和燃燒強弱的綜合反映。煤的燃燒穩定性指數定義為：

公式中：Tmax為峰值溫度，K；其他參數同上。

（三）燃盡特性指數 Hj：燃盡特性指數的大小反映了煤燃盡性能的好壞，其值越大，燃盡性能越好。

（四）燃燒特性指數 SN：煤的活性、著火猛烈程度、最大燃燒速度、燃盡性能等的綜合指標，較全面的反映了整個燃燒過程的特性。SN值越大，表明煤的燃燒特性越佳。一般而言，由褐煤到無煙煤，著火與燃盡是由易變難，而其值則由大變小，SN值相差較大的煤種，燃燒性能差異也大；SN值相近的煤種，燃燒性能則比較接近。

其他參數同上。

表 3列出了幾種典型的煙煤、無煙煤的可燃性指數、燃燒穩定性指數、燃盡特性指數和燃燒特性指數，然后根據獨立的特性指數進行比較，相應的得出該指數的排名以及對應的分數，再把各特性指數的分數相加到的綜合評分。

3 實際煤樣分析

從表2 可知， 從水泥行業用煤角度來講， 內蒙煤的四個指數都較高， 特別是燃盡特性指數和燃燒特性指數較其它煤都要好，可算是優質煤； 總的來說無煙煤的可燃性指數和燃燒穩定性指數比煙煤的低， 基本上都小于1；燃盡特性指數和燃燒特性指數低得更多，使得差熱分析試驗中燃盡時間較長， 跟眾多煙煤比較來看， 它的綜合燃燒性能較差; 而混煤的四個指數基本上是介于兩者之間；云南煙煤的可燃性指數、燃燒穩定性指數雖然不太好，但其燃盡特性還可以。貴州煙煤由于灰分較高變質程度較深，其四個指數均較其它煙煤差，其可燃性指數、燃燒穩定性指數與無煙煤差不多，只是燃盡特性指數和燃燒特性指數比無煙煤要好；散裝蒸汽煤的四個指數均比較差，可算是劣質煤。

表2 典型煤樣的評價指數及綜合評分

表 3 給出了對三種燃盡特性差別較大的煤進行的燃盡度試驗數據，以更好地進行比較說明。

表3 三種無煙煤的差熱與燃盡度測試數據

4 結論

（一）在差熱分析測得結果得出了煤的可燃性指數、燃燒穩定性指數、燃盡特性指數和燃燒特性指數四個評價指數，并引入了評分法對煤炭進行評價，構造了一個相對的可比性，為本公司水泥工業用煤采購提供了較好的參考。

（二）對在差熱分析試驗中發現的燃盡特性較差的煤，進行了燃盡度的測定，進一步確定避免未燃盡煤粉對窯系統的影響。