低氧、低气压条件下煤的燃烧反应研究及应用_陈韬.pdf

Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY中国是全球人口数量最多的国家，中国的人口数量占全球人口总数的 22%左右，资源结构呈现煤炭资源相对丰富，天然气和石油资源匮乏的问题。其中，石油探明可采量只占全球的2.4%，天然气占 1.2%，煤炭储量占全球探明储量的 14%左右，所以中国的能源结构是以煤炭为主。国民经济的发展在进入新常态以后，能源体系作为承托我国经济发展的基础，也逐步向多元化发展。近些年来，天然气消费比例逐年在上升，水电等可再生能源的表现也很强劲，煤炭的消费比例虽逐步下降，但总消费量仍然占主导地位。对我国能源政策进行综合分析发现，煤炭工业的高效及清洁利用将会成为国家未来能源发展的一个重要组成部分，也引导着国家与煤炭相关产业的转型升级与可持续发展，当前我国煤炭的清洁高效利用政策的基本框架已经逐渐清晰地显示出来1-2。在国家环保压力不断加强的背景下，解决煤*收稿日期：2022-06-16作者简介：陈韬（1977-），男，云南大关人，工程师，主要研究方向：化工工艺及节能减排技术。Feb.2023Vol.52.No.1（Sum 298）2023 年 2 月第 52 卷第 1 期（总第 298 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY低氧、低气压条件下煤的燃烧反应研究及应用*陈韬1，2，高慧敏3（1.云南招标股份有限公司，云南 昆明 650032；2.昆明理工大学，云南 昆明 650031；3.云南云天化以化磷业研究技术有限公司，云南 昆明 650028）摘要：针对低氧、低气压条件易导致煤燃烧过程供氧不足，燃烧效果差的问题，在构建的气压可控热重实验体系中，对压力、升温速率和煤粒度大小等对煤燃烧特性的影响因素进行了正交试验研究。确定了低气压下较适宜的煤燃烧条件为：压力 80.8 kPa、升温速率 15/min，粒度 100 m，并在工业化应用中得到验证。关键词：高海拔；低气压；煤；燃烧特性；热重分析中图分类号：TD451文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）01-0146-06Study and Application on Combustion Reaction of Coal under Low Oxygenand Low Air PressureCHEN Tao1,2,GAO Hui-min3(1.Yunnan Tendering Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650032,China;2.Kunming University of Science and Technology,Kunming,Yunnan 650031,China;3.Yunnan Yuntianhua Yihua Phosphorus Industry Research Technology Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650028,China)ABSTRACT：Insufficient oxygen supply occurs in coal combustion process under low oxygen and low air pressure condition,thefiring effect is bad,therefore,the orthogonal tests for influence factors(such as pressure,heating rate,coals particle size and so on)ofcoal combustion features were carried out for air pressure controllable thermogravimetric experimental system under construction.Theproper combustion conditions of coal under low air pressure were confirmed:the pressure is 80.8 kPa,the heating rate is 15/min,theparticle size is 100 m,the conditions were tested and verified in industrial application.KEY WORDS：high altitude;low air pressure;coal;combustion features;thermogravimetric analysis146张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用表 1试验条件Tab.1Experimental conditions空气序号试验条件1气体类别自然对流2气体流量3温度/25名称压力/kPaA升温速率/（/min）B粒度/mC275.815100370.820125180.81075表 2正交试验因素水平表Tab.2Orthogonal experiment factor levels的燃烧利用效率不高造成的资源浪费及燃煤带来的严重环境污染最为紧迫，必须引起各行业的足够重视。粗放型、高污染的煤炭生产和利用，是我国目前亟待解决的问题。因此，充分了解煤粉燃烧的特性及机理，在燃煤过程中，提高效率，减少污染，提高燃煤利用率，做到合理节约资源，改进我国煤炭的利用现状极为重要3-4。云南地处高原，海拔高度每升高 1 000 m，大气压力约降低 12%。如上海市的海拔高度为 4.5 m，大气压力约为 100.53 kPa，云南昆明海拔 1 891 m，大气压力约为 80.8 kPa。压力越低，相应的空气密度越小。海拔高度每升高 1 000 m，平均气温降低5，空气密度降低 10%左右。云南省平均气温为15，空气的密度为 0.822 kg/m3，其中氧含量约为 17%5。在云南海拔高、氧气浓度低、压力低的地理条件下，煤燃烧火焰会变长，火焰面也将变厚。在同等燃氧当量比时，空气的补给量将比标准大气压下大幅增加，绝热火焰温度大幅下降，致使云南的煤燃烧效率更低。本文通过对不同操作条件下煤着火特性的研究，从而对高海拔低气压地区的煤燃烧影响因素进行定量分析，给燃煤锅炉运行条件选择提供一定的参考。1试验流程及参数试验利用热重分析仪及低压实验系统进行。将煤样磨至粒度为 75 m、100 m、125 m，然后用热重分析仪在不同绝对压力即 80.8 kPa、75.8kPa、70.8 kPa 下，使煤样在升温速率为 10/min、15/min 和 20/min 下达到终温，以分析比较煤在不同条件下的燃烧特性及其参数。试验所获取的燃烧特性参数包括煤粉的着火温度及着火时间、煤粉最大燃烧速度所对应的温度、燃烬温度等燃烧特性指数，从而更好地揭示出煤粉在低压条件下的燃烧特性。试验系统示意图如图 1所示。为了探求压力大小、升温速率快慢和煤粉的粒度大小等因素对煤燃烧的影响大小，设置了三因素三水平的正交实验。试验条件及参数如下表 1和 2 所示。2数据处理方法热重分析方法分为静态和动态两种。静态分析方法是在恒温条件下测定物质质量和压力之间联系的一种方法。该方法得到的结论比较精确，但比较耗费时间。动态分析方法就是对物质进行热重分析和导数热重分析。将物质质量的变化速率（dm/dt）对温度 T（或时间 t）作图，得到 TG的导数曲线导数热重分析曲线。通过对 TG 以及DTG 曲线的分析可以了解物质的分解温度、挥发温度及过程6-8。TG 和 DTG 曲线示例如图 2 所示。TG 曲线上，物质质量基本不发生变化的部分称为平台期。当被测物质质量改变达到热天平的检测范围时的温度，为起始分解温度，也叫起始温度。当累计质量变化达到最大，此时的温度为终止温度。起始温度与终止温度间的区间为反应区间。导出 TG 曲线后通过绘图工具将 TG 曲线对回流管炉胆排气口给气口真空压力表微型真空泵热重分析仪箱体孔真空调节阀抽气图 1低压热重分析系统示意图Fig.1Schematic diagram of low air pressurethermogravimetric analysis system陈韬，等：低氧、低气压条件下煤的燃烧反应研究及应用147Feb.2023Vol.52.No.1(Sum 298)2023 年 2 月第 52 卷第 1 期(总第 298 期)云南冶金YUNNAN METALLURGY水分起始可燃物TG 曲线DTG 曲线10090807060质量分数/%质量变化率/（dm/dt）10-1-2-3-4-5温度/0100200300400500600700800900剩余灰分图 2TG、DTG 示意图Fig.2Schematic diagram of TG,DTG温度取一阶导数得出 DTG 曲线。在 DTG 曲线中，峰的面积直观地体现着发生变化的样品质量，与TG 图相比较，更适用于开展定量分析，同时更便于进行反应动力学计算。对应到本研究中，如图 3 所示，通过 TG、DTG 曲线可以得到煤粉的燃烧特性参数有着火温度 Ti，燃烬温度 Tf，最大失重速率温度 Tp 等。着火温度一直作为评价着火特性的一项重要指标，指从缓慢的氧化反应过渡到高速燃烧状态的瞬间转变的温度，达到着火温度所需要的时间就是着火时间。知道燃料的着火温度，就可以合理地设计燃烧的加热过程，组织加热工况，这对燃料快速稳定的燃烧有着重要的意义。燃烬温度，即燃烧过程完成时的温度，体现在 TG 曲线中就是质量不再随温度升高而改变的那一刻的温度。最大失重速率温度，如果这个值越低，就代表着燃烧可以在较低的温度下达到最大速率，燃烧反应进行顺利。3结果与讨论煤燃烧特征参数评价指标选取着火温度、着火时间、燃烬温度和最大失重速率温度来考察各因素对煤粉燃烧的影响程度。3.1各因素对着火温度的影响按着火温度进行处理的结果如表 3。按着火温度进行处理的正交趋势图如图 4。表 3按着火温度处理表Tab.3Processing as per ignition temperature560550540530520510500490480470A1A2A3B1B2B3C1C2C3Ti/图 4按着火温度处理的正交趋势图Fig.4Orthogonal trend chart for processing as perignition temperature图 3燃烧特征温度的确定Fig.3Confirmation of combustion characteristic temperature名称压力/kPa1着火温度/275.8530180.8480370.8546480.8492575.8532670.8550780.8520K11 492K21 578K31 642k1497k2526k3547R50升温速率/（/min）2101010151515201 5561 5741 5825195255278粒度/m375125100100751251251 5581 5541 60051951853315875.851620100970.82075546水分起始可燃物TG 曲线DTG 曲线10090807060质量分数/%质量变化率/（dm/dt）10-1-2-3-4-5温度/0100200300400500600700800900abcTiTpTf剩余灰分148张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用如表 3 和图 4 所示，对于着火温度，影响最大的是压力，其次是粒度，最后是升温速率。对于着火温度来说，最优的反应条件是：压力为80.8 kPa、升温速率为 5/min、粒度为 100 m。但从结果看出：升温速率每个水平对着火温度的影响差别不大，粒度为 75 m 和 100 m 的结果也非常接近，最主要的影响因素是压力。3.2各因素对着火时间的影响按着火时间进行处理的结果如表 4