低氧气氛下煤粉燃烧特性
摘 要：为研究煤粉低氮燃烧时CO2成分在低氧含量气氛下对燃烧的作用，在热重分析仪上进行了煤粉低氧气氛下的燃烧试验。通过模拟真实燃烧反应中的反应气氛，研究了O2/CO2混合比例、升温速率对煤粉燃烧特性的影响。结果表明，在O2/CO2混合气氛下，温度为1 000 ℃以内均存在着燃烧反应和气化反应的竞争关系。CO2含量高时，CO2与煤粉的气化反应对煤粉燃烧反应抑制程度逐渐增加。O2/CO2比例降低，煤粉的燃尽温度升高幅度明显，煤粉难以燃尽；煤粉的点火温度受CO2含量影响不大；升温速率由10 ℃/min升至20 ℃/min对煤粉可燃性和着火稳定性提升明显，20 ℃/min升至30 ℃/min影响不大。
关键词：低氮燃烧；还原气氛；燃烧特性；热重试验；升温速率
0 引 言
我国煤炭资源相对较为丰富，煤的清洁、高效利用对于我国而言意义重大[1]。随着环保要求的日益严格，通过低氮燃烧技术来控制NOx排放成为燃煤清洁利用的重要方向。不论是采用低氧燃烧还是烟气再循环的措施，均是通过控制主燃烧区保持低的过量空气系数(即低氧气氛)来实现低氮燃烧的[2-4]。因此控制主燃烧区内低氧气氛是低氮燃烧的关键，研究低氧气氛下煤粉燃烧特性是实现低氮燃烧的基础。煤粉在还原性气氛中燃烧时，由于CO2的存在，一定条件下会与煤粉发生气化反应。对煤粉在CO2、CO2/O2等气氛条件下煤粉燃烧/气化反应动力学的研究表明，由于CO2/O2的混合气氛下存在煤粉燃烧和CO2气化的反应，其反应过程中的关键因素有：CO2对低氮燃烧的作用[5-8]；还原气氛对着火及燃尽的影响[9-14]；CO2对挥发分析出的影响[15]；反应过程中燃烧与CO2的竞争关系[16]。
王萌等 [5]、陈洁等 [6]和孙志君等[7]分别在水平管式炉、热重-傅里叶红外联用(TG-FTIR)和微型流化床反应器上的研究，以及Liu 等[8]的研究一致认为CO2的存在会促进低氮燃烧。
针对还原气氛对着火和燃尽的影响不同学者有较大争议。文献[9-12]的研究认为，在高浓度CO2气氛下，煤粉着火和燃尽要较空气气氛会有较大的延迟，且燃尽率较低。Brix等[13]、Borrego等[14]的研究则表明，2种气氛下的燃烧并没有什么不同。
对于CO2气氛对挥发分析出的影响，李庆钊等[15]在热重分析仪上的试验表明，气氛对煤和煤焦开始脱挥发分的时间影响不明显，但对其燃烧速率和燃尽时间影响很大。对于反应过程中燃烧与CO2气化的竞争关系，李治刚等[16]的研究表明，煤在高浓度CO2氛围中的燃烧温度在360～1 100 ℃；煤在高浓度CO2氛围中的气化温度在1 100～1 300 ℃。
目前学者主要是基于富氧燃烧开展研究工作，其反应气氛为CO2/O2的混合物，而实际燃烧过程中多是采用空气燃烧，反应气氛内含有大量氮气。因此，基于烟气再循环低氮燃烧的思路，考虑反应气氛中N2的存在，利用同步热分析仪，进行了煤粉在氧气氛下的热重分析试验，分别分析了反应气氛、升温速率、煤种等条件下的煤粉燃烧特性，可为烟气再
循环系统低氮燃烧的实现提供参考。
1 试 验
试验采用STA449F3型同步TG-DSC热分析仪，仪器温度0～1 500 ℃，升温速率0～50 ℃/min。通过图1的配气装置改造，实现3路反应气进气控制，可分别控制进入热分析仪内的N2、O2和CO2的进气量，实现反应气氛的精确控制。由于热分析仪只设置了2路载气作为反应气，为实现3路反应进气，在O2和CO2气路中增加了MFC(气体质量流量控制器)，分别控制O2和CO2的进气量，O2和CO2在进入热分析仪前在混合器内充分混合，总流量由热分析仪控制，反应气流量控制精确，MFC控制的O2和CO2反应气流量之和与实际热分析仪内反应气流量误差小于2%。
图1 配气系统流程
Fig.1 Schematic diagram of gas distribution system
以神府东胜煤为试验煤种,其工业分析和元素分析见表1。试验用煤粒径为53～75 μm的比例超过90%，升温速率为10～30 ℃/min，不同工况试验载气总流量不变，为200 mL/min，在反应达到设定温度后继续停留10 min完成试验过程。
表1 东胜煤的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of Dongsheng coal sample
表2为不同反应条件下，煤粉在还原性气氛下的燃烧特性。
2 结果与分析
2.1 典型工况分析
判断煤粉燃烧特性的指标包括：着火温度Tig，燃尽温度Tb，最大反应速率(dw/dt)max，最大反应速率温度Tmax，平均反应速率(dw/dt)mean，着火稳定性指数Ci，煤粉可燃性指数Cb，煤粉燃烧特性综合指数S。其中Ci、Cb和S是综合评价指标[12,15,17]。
表2 东胜煤热重试验结果
Table 2 Thermogravimetric riesults of Dongsheng coal
着火温度和燃尽温度是煤燃烧过程中重要的特征参数，着火温度反映了煤样着火的难易程度，掌握煤种的着火温度对于工程实际中煤的点燃和稳燃具有着重要意义；燃尽温度是煤样基本燃尽时的温度，燃尽温度越低，表明燃尽时间越短，煤样越容易燃尽。
以工况1空气气氛燃烧为例，分析其着火温度和燃尽温度，其TG-DSC曲线如图2所示。煤粉燃烧试验中确定燃点及燃尽点的方法有多种，本文着火温度的确定采用较常用的TG-DTG法。在TG曲线上斜率最大值点A，作TG曲线的切线，该切线交TG曲线上开始失重时的平行线于一点C，C点对应的温度定义为着火温度；该切线与失重结束时的平行线相交于点D，对应温度定义为燃尽温度。
图2 典型工况TG-DSC曲线
Fig.2 TG-DSC curve of typical condition
着火稳定性指数综合了着火温度和反应速率，指数值越大，着火越稳定；煤粉可燃性指数主要反映煤粉开始燃烧时的可燃性，指数越大，可燃性越好；煤粉燃烧特性综合指数是综合评定标准，其数值越大，煤粉燃烧越好。
对于工况1，煤粉在温度升至136 ℃前是水分的脱除过程，脱除水分占总质量的1.66%；温度升至170 ℃后，热重曲线有一略微升高的过程，这是因为炉内气氛中的氧扩散到煤颗粒表面和内部孔隙，发生物理吸附；煤粉在空气气氛中，292 ℃挥发分开始析出，着火温度为402.8 ℃，在495.7 ℃燃烧速度达到最大值(11.27%/min)，煤粉燃尽温度为552 ℃，煤粉最终剩余质量分数为10.83%，着火稳定性指数95.42，煤粉可燃性指数24.66，煤粉燃烧特性综合指数0.116。差热分析DSC曲线体现了煤粉燃烧过程中的放热情况，与失重曲线结合可反应煤粉燃烧的综合特性。
2.2 反应气氛的影响
控制反应气氛处于还原性气氛，是控制燃烧过程中NOx生成的关键因素。反应气氛对煤粉燃烧特性影响十分重要，之前学者研究反应气氛的影响主要针对富氧燃烧的理念，研究CO2/O2气氛中一般以氧气气氛大于20%为主，本文研究以烟气再循环理念控制氮氧化物燃烧为主，烟气再循环回流至反应器后，反应器内氮气仍占80%左右。本文在氮气占总气量为80%的基础上，研究O2/CO2的配比分别为0/20%、5%/15%、10%/10%、15%/5%、20%/0的不同工况下的煤粉燃烧特性，如图3所示。
图3 反应气氛对煤粉燃烧特性的影响
Fig.3 Effect of reaction atmosphere on the coal combustion
如图3(a)所示，对于不同的反应气氛，可明显看出随着反应气氛中CO2成分的逐渐增加，煤粉燃烧的燃尽温度逐渐滞后，煤粉反应的速率也相应下降。反应气氛为80%N2/20%CO2条件下，由于在低温条件下煤粉与CO2的气化反应速率较低，在温度达到1 000 ℃时煤粉残余物仍有38.98%未反应。如图3(b)所示，随着反应气氛中CO2含量的逐渐增加，由于煤粉与CO2生成CO的反应是吸热反应，煤粉的燃烧反应与气化反应在混合气氛下产生竞争关系，因此反应的放热量逐渐减少。DSC曲线的峰值也随着CO2含量的增加而向高温区偏移，与煤粉燃烧过程相符合。
不同反应条件下的煤粉燃烧特性参数见表3。煤粉的燃尽温度由20%O2的552 ℃升高至5%O2/15%CO2的738.3 ℃，最大反应速率和平均速率也随着CO2含量的增加，分别由-11.27%/min和-3.143%/min降至-4.35%/min和-2.557%/min。即氧含量降低为1/4时，最大反应速率和平均速率分别为高氧浓度下的38.6%和81.4%，最大反应速率和平均速率与氧含量呈正相关的关系。如图4(a)所示，最大反应速率和平均反应速率分别与氧含量的5.974次方和4.812次方相关，而此时平均反应速率的相关性不高，主要原因是氧含量为0时煤粉主要发生气化反应而未完全燃烧。如图4(b)所示，除去氧含量为0的工况，最大反应速率和平均速率分别与氧含量的6.132次方和2.594次方相关，此时最大反应速率与包含氧含量为0工况相差不大，而平均反应速率与氧含量的相关性变化明显。
表3 反应气氛对煤粉燃烧特性指数的影响
Table 3 Effect of reaction atmosphere on the coal combustion index
图4 氧含量与反应速率拟合曲线
Fig.4 Fitting curve of oxygen content and reaction rate
因此，在不同的反应气氛下，燃烧时最大反应速率受反应气氛中氧含量的影响程度更大，平均反应速率受其影响略小。最大反应速率约与氧含量的6.13次方成正比，平均反应速率约与氧含量的2.60次方成正比。
图5为不同反应气氛下，煤粉着火稳定性指标、可燃性指标和燃烧特性综合指数的变化趋势。三者均与反应气氛氧含量的正相关，近似呈线性关系。
2.3 升温速率的影响
为研究升温速率对煤粉燃烧特性的影响，分别进行升温速率为10、20和30 ℃/min工况条件下的煤粉燃烧特性试验。反应气氛选取10%CO2/10%O2，终温1 000 ℃。
升温速率对煤粉的燃烧特性的影响如图6所示,升温速率对煤粉的燃烧特性的影响比较明显。升温速率快，则反应停留时间相对较低，挥发分析出和焦炭燃烧的反应过程相对滞后，则煤粉的着火温度和燃尽温度均有所推迟。3个升温速率条件下煤粉的着火温度分别为397.8、410.7和427.4 ℃，燃尽温度分别为553.4、664和737.2 ℃。20 ℃/min工况相较10 ℃/min工况在最大反应速率和平均速率上提升明显，且平均反应速率约是10 ℃/min工况的2倍。
图5 煤粉燃烧特性指数与氧含量关系
Fig.5 Relationships between coal combustion index and oxygen content
图6 升温速率对煤粉燃烧特性的影响
Fig.6 Effect of heating rate on the coal combustion
3 结 论
1)O2/CO2混合气氛在1 000 ℃以内存在着燃烧和气化的竞争。
2)O2/CO2配比的增加，对煤粉着火温度影响不大，与燃尽温度呈正相关关系，挥发分的析出在氧含量为0.15左右最大。
3)升温速率由10 ℃/min升至20 ℃/min时，对煤粉可燃性和着火稳定性提升明显，而由20 ℃/min升至30 ℃/min时影响不大。
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Combustion characteristic of pulverized coal in hypoxic atmosphere
Abstract :In order to investigate the effect of CO2 component to combustion in the hypoxic atmosphere，while realizing low NOx combustion of pulverized coal,experiments of coal combustion in hypoxic atmosphere were conducted on thermogravimetric analyzer.To simulate the real reaction atmosphere,effects of different O2/CO2mixing ratios and heating rates to the combustion characteristic were conducted.The results show that a competitive relation is found between combustion and gasification of coal in the O2/CO2mixing atmosphere,when the reaction temperature is below 1 000 ℃.Higher CO2 content will improve the restriction level of pulverized coal combustion by gasification reaction with coal.Lower O2/CO2 mixing ratio will restrain the burnout of coal,while the ignition temperature is hardly impacted by the CO2 content.A heating rate improvement of 10 ℃/min to 20 ℃/min will apparently enhance the ignition and combustion stability of coal,while improvement of 20 ℃/min to 30 ℃/min has no such influence.
Key words:low NOx combustion;reducing atmosphere;combustion characteristic;thermogravimetric experiment;heating rate
中图分类号：TK16；X51
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2017)03-0071-05
收稿日期：2017-01-18；责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2017.03.014
基金项目：北京市科技计划重大科技成果转化落地培育资助项目(Z161100004816012)；煤炭科学技术研究院科技发展基金资助项目(2016JC04)
引用格式：程晓磊.低氧气氛下煤粉燃烧特性[J].洁净煤技术，2017，23(3)：71-75,80.
Cheng Xiaolei.Combustion characteristic of pulverized coal in hypoxic atmosphere[J].Clean Coal Technology，2017，23(3)：71-75,80.
