兰炭作为动力用煤的燃烧性能研究
摘 要：为了全面掌握榆林兰炭作为动力用煤的燃烧性能，在一维火焰燃烧试验炉和煤粉气流着火温度试验炉上对试验样品进行了燃烧性能研究。试验结果表明：尽管兰炭的工业分析、元素分析、发热量和无烟煤接近，但着火性能和燃烬性能明显优于国内典型无烟煤，低于原煤，而兰炭的结渣性能与原煤比较无明显变化。总体而言，兰炭的燃烧性能与原煤及无烟煤具有较大差别，需通过专业试验确定，可作为动力用煤原料或者掺配原料。
关键词：兰炭；一维火焰炉；燃烧性能
0 引 言
兰炭(半焦)是煤转换的产品，是无黏性或弱黏性的高挥发分烟煤或者褐煤在低温条件下干馏热解得到的较低挥发分的固体炭质产品[1-3]。煤经过干馏热解过程，挥发分、硫、氮等杂原子和水分都在干馏过程中释放出来，得到了含硫低、发热量高、固定碳高的优质兰炭[4]。国内兰炭产地主要集中在陕西省榆林地区、新疆维吾尔自治区昌吉州奇台县、哈密市、吐鲁番市托克逊县，内蒙古自治区鄂尔多斯市，宁夏回族自治区银川市、石嘴山市平罗县，山西省大同市等地[4]。目前大多数兰炭作为动力用煤的燃烧性能是通过热重试验分析的，该试验方法是在微量给粉(10～100 mg)且静态的条件下测试燃料的着火和燃烬等性能[5-7]。也有利用流化床试验台进行兰炭燃烧性能的研究以及兰炭在工业锅炉中的燃烧特性研究[8-9]。而兰炭是否可作为大型煤粉锅炉燃料尚未见到全面的研究。针对上述问题，笔者对榆林兰炭进行了煤质分析，同时利用煤粉气流着火温度和一维火焰炉动态燃烧试验台对兰炭的燃烧性能进行了测试，研究了兰炭作为大型煤粉锅炉燃料的特点以及锅炉设计和运行中需要注意的事项。
1 兰炭的基本煤质特性
表1为原煤及兰炭的煤质分析。由表1可知，兰炭与原煤比较，主要特征是：Mt下降较多，甚至略低于原煤的Mad；Vdaf下降较多，达到无烟煤的水平；Qnet,ar大幅度提高，达到27.89 MJ/kg，明显高于国内典型烟煤，达到王曲和滇东无烟煤的水平。碳含量升高较多，氢含量下降较多，结合挥发分的变化，这些都将导致兰炭的燃烧性能变差。哈氏可磨指数HGI由57降低到42，降低幅度为26%，将导致磨煤机研磨出力降低；兰炭的冲刷磨损指数ke升高较多，达到了14.8，为极强等级。根据电站磨煤机及制粉系统选型导则[10]，对于此类高磨损性能煤种需采用钢球磨煤机。需要注意的是兰炭ke值明显高于国内典型贫煤和无烟煤，需重点考虑制粉系统研磨件的防磨以及磨损后对研磨出力的影响、输粉相关的煤粉管道、煤粉浓缩器、燃烧器喷口钝体(或稳燃齿)等的防磨[11]。兰炭的灰熔融性、灰成分等与原煤接近，结渣和沾污性能与原煤无明显变化。
表1 原煤及兰炭的基本煤质特性参数
Table 1 Basic coal quality parameters of coal and blue-coke samples
2 煤粉气流着火温度
煤的燃烧分为着火、燃烧和燃烬3个过程，其中着火和燃烬对火力发电厂锅炉的安全和经济运行尤为重要，也是新机组锅炉设计和已运行机组掺烧时的重要参考依据，因此掌握燃煤的燃烧性能对火力发电厂十分重要[12]。准确掌握兰炭的燃烧性能，才能确定兰炭是否能够作为动力用煤的替代品，以及在锅炉设计和实际燃用过程中的注意事项，最终保证兰炭在大型煤粉锅炉上的安全经济和高效燃用。兰炭燃烧性能测试在煤粉气流着火温度试验台和一维火焰炉上进行。
2.1 煤粉气流着火温度试验台
着火测试炉系统由测试炉体及配套的给粉机、送风机、引风机、除尘器等设备构成，配置空气流量、压力、温度等测量仪表，系统示意如图1所示。
图1 煤粉气流着火温度测试炉及系统示意
Fig.1 Ignition temperature of pulverized coal-air flow test furnace and system schematic diagram
给煤量按照16.75 MJ/h的输入热量计算。用加热元件将碳化硅炉壁缓慢均匀加热，使壁温保持规定的升温速率(5～8 ℃/min)。启动送、引风机，调整一、二次风量(风温为20 ℃；一次风和二次风喷嘴出口风速分别为4和8 m/s)及炉膛负压(0～-50 Pa)，同时通过圆管形一次风喷嘴，以规定速度连续向下喷入规定浓度的煤粉气流。记录炉壁温度和煤粉气流温度，当煤粉气流温度达到炉壁温度且后期持续超过炉壁温度时的温度即为煤粉气流着火温度。试验测定的煤粉气流着火温度分别为>850、700～850、630～700、570～630、<570 ℃；对应着火性能分别为极难、难、中等、易、极易。
2.2 一维火焰炉燃烧试验台
西安热工研究院有限公司(TPRI)煤粉燃烧一维火焰炉试验台如图2所示。气、粉混合物由锥体顶部引入，炉顶及第一级炉体的锥型渐扩结构使气粉混合物在加热过程中均匀膨胀，充满截面，消除了烟气回流，形成无轴向混合的柱塞状流动。因此沿炉膛轴向测定的参数可表征煤粉气流燃烧过程的特征。具体试验方法及燃煤燃烬和结渣性能评价参见DL/T 1106—2009《煤粉燃烧结渣特性和燃烬率一维火焰测试方法》[13]。
图2 TPRI煤粉燃烧一维火焰炉试验台
Fig.2 one-dimensional flame furnace combustion test-bed of TPRI
2.3 其他试验条件
试验煤样均为空干基状态，入炉煤煤粉细度R90(%)的控制标准如下
R90=0.5nVdaf±2.0 烟煤、褐煤
R90=0.5nVdaf±1.0 贫煤、无烟煤
式中，n为煤粉均匀性指数，取1。
按照上述要求，原煤和兰炭的煤粉细度R90分别要求控制在18.67%和2.62%，实际制样时，原煤和兰炭的煤粉细度R90分别控制在18%和9%。煤粉细度R90达到2.62%，属于超细煤粉，在锅炉燃用过程中采用超细煤粉将导致制粉电耗过高，燃烧性能测试结果也表明对于此类兰炭由于燃烧性能良好，可适当将煤粉细度放宽，在保证较高燃烧经济性的情况下又可避免制粉电耗增加过多。
3 兰炭作为动力用煤的燃烧特性分析
3.1 兰炭的着火性能
大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则[14]规定通过煤粉气流着火温度IT来反映煤粉的着火性能，并根据该指标的高低来确定锅炉合适的燃烧方式。
图3为兰炭的IT与国内典型无烟煤、贫煤、烟煤包括高灰分烟煤的比较。对原煤、兰炭及其混煤进行了IT的测试，煤样的基本煤质特征参数及IT测试结果见表2。
图3 兰炭与国内典型煤种的煤粉气流着火温度比较
Fig.3 Ignition temperature comparison between char and typical coal in domestic
由图3、表2可知：① 兰炭的挥发分降低， IT较原煤上升130 ℃，燃烧稳定性变差，与文献[15]研究结果类似，但又有所不同。该文献指出兰炭的通用着火性能指标小于原煤，是一种难以着火燃烬的燃料。本次兰炭IT为650 ℃，根据文献[14]的划分，仍属于较易着火煤种(IT<700 ℃)，与无烟煤的着火性能相差较大。② 在相同干燥无灰基挥发分下，本次原煤的着火性能优良，IT基本达到同类煤中的较低值，尽管兰炭的挥发分Vdaf仅为5.64%， 但其IT远低于国内典型无烟煤，整体上IT属于烟煤等级，与高灰分烟煤接近。
3.2 兰炭的燃烧性能测试
依据文献[13]对原煤和兰炭进行了一维火焰炉的燃烧性能测试，测试结果如图4、图5所示，其中取样点位置1～6表示随着烟气流程从上到下的6个测点，其中第6点代表炉膛出口。
由图4、图5可知:① 兰炭的燃烧温度高于原煤，初步分析与其热值高有关；② 在相同的测点位置，兰炭的飞灰含碳量升高较多，燃烬性能明显变差。表明对于已建机组掺烧兰炭可能会导致燃烬性能的下降。但与国内典型烟煤比较，兰炭的燃烬性能仍达到极易(>98.3%)等级，仍具有烟煤的燃烬性能。兰炭燃烬性能优于国内典型无烟煤和贫煤，基本达到灰分偏高的烟煤水平。
图6为兰炭和原煤在不同煤粉炉内停留时间下的燃烬率比较。由图6可见，由于兰炭燃烧温度高，烟气膨胀，导致兰炭在试验炉内的停留时间缩短。当兰炭着火并达到稳定燃烧状态后，在相同炉内停留时间下兰炭的燃烬率低于原煤。试验也表明为了保证兰炭达到良好的燃烧经济性，首先要保证兰炭在炉内的停留时间并采取强化燃烧的一些措施，如对于新建兰炭机组可考虑较一般烟煤更高的燃烬高度(最上层燃烧器中心距屏底距离)，或者燃烧器设计时考虑稳燃措施如采用煤粉浓缩技术，或者采取合适的运行措施如提高煤粉细度，即降低煤粉细度R90等。
表2 兰炭及国内典型煤种的基本煤质分析
Table 2 Basic coal quality analysis of char and typical coal in domestic
图4 兰炭与原煤的一维火焰炉燃烧温度和燃烬率比较
Fig.4 Combustion temperature and burnout comparison between char and coal
图5 兰炭与国内典型煤种的一维火焰炉燃烬率比较
Fig.5 Burnout-rate comparison between char and typical coal in domestic
图6 煤粉在炉内停留时间对兰炭与原煤燃烬率的影响
Fig.6 The influence of changes with residence time of pulverized coal in furnace on Burnout rate of Char and coal
3.3 兰炭的结渣性能测试
表3为原煤与兰炭从1到6测点的烟温及渣棒的渣型。由表3可知，兰炭和原煤的最高结渣等级均为熔融，按照《煤粉燃烧结渣特性和燃烬率一维火焰炉测试方法》[13]中规定的结渣指数的计算方法和结渣等级的判别方法，原煤和兰炭的结渣指数分别为1.129和0.694，最终判别结果显示原煤和兰炭均为严重结渣煤种。
表3 原煤与兰炭的结渣性能测试结果
Table 3 Slagging test results of coal and blue-coke
3.4 燃烧性能小结
本次原煤为极易着火和极易燃烬燃烧性能优良的烟煤，而兰炭尽管挥发分达到无烟煤水平，燃烧性能较原煤有所下降，但在很大程度上保留了原煤的燃烧性能，为中等着火和极易燃烬，基本达到燃烧性能中等的烟煤水平，燃烧性能远优于国内典型无烟煤和贫煤。
4 结 论
1)兰炭产品在工业分析、元素分析和发热量上和原煤差别较大，接近无烟煤水平。兰炭具有无烟煤的低挥发分、高热值以及燃烧温度高等特点。兰炭的燃烧性能更接近高灰分烟煤水平，明显优于国内典型贫煤和无烟煤。兰炭的灰熔融性、灰成分和原煤比较无明显变化，一维火焰炉结渣性能试验表明兰炭的结渣性能和原煤无明显变化，为严重结渣。
2)兰炭可单独作为大型煤粉锅炉燃料或者掺烧燃料，防结渣是需重点考虑问题。对于试验兰炭，采用常规烟煤机组的炉型即可，只是相对于原煤锅炉，兰炭锅炉应为瘦高炉型，以促进稳燃和燃烬。
3)兰炭用于大型煤粉锅炉，还需要注意由于哈氏可磨性指数降低和冲刷磨损指数升高较多带来的磨煤机研磨出力降低和制粉系统、燃烧器喷口等磨损性增强的问题，防磨方面还需进行深入研究，以确保兰炭在大型煤粉锅炉上的长期安全燃用。
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Combustion characteristics of blue-coke as fuel for pulverized coal boiler
Abstract:In order to master the possibility of using blue-coke as fuel for pulverized coal boiler,the combustion tests of blue-coke were conducted on the one-dimensional flame furnace and pulverized coal ignition temperature test furnace.The results show that the proximate analysis,elemental analysis and calorific value of blue-coke were closed to anthracite.The ignition and burnout performance of blue-coke is superior to typical anthracite in China,but the corresponding performance is lower than raw coal.The slagging property of the two is similar.Overall,there are many differences in combustion performance among char and raw coal,anthracite.The blue-coke could be used as raw material or blending material for power plants.
Key words:blue-coke;one-dimensional flame furnace;combustion characteristics
中图分类号：TQ536
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)02-0084-05
收稿日期：2015-07-15；责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.02.018
引用格式：刘家利，杨忠灿，王志超,等.兰炭作为动力用煤的燃烧性能研究[J].洁净煤技术，2016，22(2)：84-88.
LIU Jiali,YANG Zhongcan,WANG Zhichao,et al.Combustion characteristics of blue-coke as fuel for pulverized coal boiler[J].Clean Coal Technology，2016，22(2)：84-88.
