姚志鹏 / 上海市质量监督检验技术研究院

利用热重分析仪研究链条锅炉燃烧用煤特性

姚志鹏 / 上海市质量监督检验技术研究院

针对链条锅炉燃烧用煤特点，并在得到有代表性的四种烟煤工业分析条件下，利用热重分析仪对样品的热解特性进行了热重实验。通过对TG、DTG曲线分别进行分析，得到了煤炭的初始失重温度、初始放热温度、最大反应指数、燃烧90%可燃质时间等热解重要参数。同时结合挥发份和焦炭在燃烧过程中的次序，对取得的四种煤炭的着火温度、燃烧最大速度两个重要参数进行了分析。

热重；链条锅炉

0　引言

当今我国工业锅炉主要仍然以链条锅炉为主，因此通过研究链条锅炉的用煤特性来达到节能减排目标很有必要。链条锅炉为了保证足够的燃烧效率，提高运行经济性，必须对燃煤的粒度及挥发分、水分及灰分的含量提出一定要求：即0 ～ 6 mm的细屑不超过60%，其中0 ～ 3 mm的细屑少于35%，煤块的尺寸最好小于25 mm，最大不超过30 ～ 40 mm，使飞灰热损失不致过大。为创造良好的飞灰燃尽条件，燃料的挥发分不要小于15% ～ 20%（因为低挥发分的焦炭，燃尽困难）；还有燃煤的灰分最好也不大于30%。因为灰分的增大，意味着燃煤的发热量降低，同时会出现较厚的煤层及渣层，影响正常通风，不利于煤的燃烧及燃尽。若为减轻上述状况而加快炉排速度，则有可能使炉排起始部分的煤层不能及时着火而影响整个燃烧过程。所以对煤的灰分也要有一定限制［1］。

煤燃烧特性对链条炉的设计和运行有着重要的影响，因此对煤燃烧特性参数的研究很有必要。其燃烧特性参数主要有：着火温度、着火时间、燃烧最大速率、燃烬程度等。除此之外，研究表明，除了挥发分含量外，挥发分的成分以及挥发分析出的特性，包括挥发分的初始析出温度、最大析出速率、以及挥发分的析出时间等，对煤的着火和燃烧特性都有一定程度的影响。所以，对挥发分析出特性的研究也是煤粉燃烧研究的一个重要方面［2］。

1　实验原理分析

利用热分析技术可以研究物质的物理、化学性质与温度之间的关系。热分析是对热转变机理和物理化学变化的热动力学过程的研究。热分析方法包括的范围很广，主要有热重分析法、差热分析法及差示扫描量热法，其中热重分析法应用较为广泛。

热重分析法（Thermogravimetric Analysis，简称TG法）是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术 。用于热重法的仪器是热天平，它能连续记录质量与温度的函数关系（TG曲线）［3］。

本文实验采用某光学仪器厂生产的WCT-2A型热天平。该仪器可以对微量试样同时进行差热分析、热重分析及热重微分测量，主要包括天平、炉子、程序控温系统、记录系统。在控制温度下，试样受热后重量减轻，天平向上移动，使变压器内磁场移动，输电功能改变 ；另一方面加热电炉温度缓慢升高时，热电偶所产生的电位差输入温度控制器，经放大后由信号接收系统绘出TG热分析图谱。从热重法可派生出微商热重法（DTG），它是TG曲线对时间的一阶导数。以物质的质量变化速率dm/dτ对温度T作图。DTG曲线上的峰值代替TG曲线上的阶梯， DTG曲线提高了TG曲线的分辨力，体现了反应速度的快慢。本实验采用升温热重法对煤燃烧特性进行研究，实验在热天平上进行，实验流程如图1。

2　实验过程及结果

在电子天平上称取10.0 mg样品粉末放入坩锅内，尽量摊平以忽略传质的影响。调节保护气氮气流量为50 mL/min，调节反应气氧气流量为100 mL/min。调整TG零点，待指针稳定后，选取TG量程范围为10 mg，在热天平控制程序中设置升温程序。保持40 ℃/min的升温速率，升温至900 ℃恒温，进行燃烧反应。

实验采用热重分析法对获得的TG曲线进行动力学研究。为了消除起始试样质量的因素，对试样质量做无因次化处理，定义转化率为X，其意义为：某时刻反应物的质量失重与整个反应中的总质量失重之比，如式（1）所示。

图1　热重实验系统示意图

针对链条锅炉适用煤种，选取了有代表性的七台河桃山烟煤、开滦唐家庄烟煤、邢台烟煤、北票冠山烟煤四种煤，对其进行了热天平实验。实验得出的煤燃烧特性如图2 ～ 5所示。

图2　七台河桃山烟煤燃烧特性图

图3　开滦唐家庄烟煤燃烧特性图

图4　邢台烟煤燃烧特性图

图5　北票冠山烟煤燃烧特性图

另外，实验取得的其他特征参数汇总于表1。

表1　实验结果特征参数汇总

3　实验结果分析

首先取煤在水分蒸发后经过一段平稳后开始失重的点为着火温度，不同的煤样表现出不同的着火温度。实验的四个煤样中，煤的着火温度集中在300 ～ 400 ℃，七台河桃山烟煤的着火温度要达到374 ℃，而北票冠山烟煤的着火温度为335 ℃。煤的燃烧在水分蒸发后，在DTG 曲线中只有一个峰值，峰值点为燃烧最大速率点，开滦唐家庄烟煤的燃烧最大速度最高达到了0.88 mg/min，且燃烧90%可燃质时间仅为18 min；而北票冠山烟煤的燃烧最大速度仅为0.54 mg/min，燃烧90%可燃质时间达到了25.5 min。由实验数据分析可得，随着实验煤样可燃基挥发分的提高，煤种的着火温度随之下降，但是同时也可以看出灰分对煤燃烧的影响。从对四种煤样的实验结果可以看出，煤在400 ℃之前，燃烬度的变化较小，这一过程有水分的蒸发与挥发分的析出，只有少量的挥发分燃烧；在400 ～ 1 800 ℃，燃烬度从10%变化到100%，这是由于挥发分燃烧产生的温度达到焦炭燃烧的着火温度，因此这一过程是挥发分燃烧与焦炭燃烧的叠加，这与燃烧特性曲线是一致的。

4　结语

实验表明，通过热重分析仪可以得到烟煤的着火温度、燃烧最大速度等重要燃烧特性参数。得到这些参数后，在确定用煤的条件下，对设计锅炉和制定锅炉运行规程都十分有益。

［1］ 徐通模.锅炉燃烧设备［M］.西安：西安交通大学出版社，1990.

［2］ 史绍熙.煤和石油的高效率低污染燃烧过程的基础研究［M］.长沙:湖南科学技术出版社，1997.

［3］ 孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方法［M］.北京:中国电力出版社，2002.

For the combustion of coal properties by means of thermogravimetric analysis of chain boiler

Yao Zhipeng
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research）

According to the characteristics of coal combustion in chain boiler， analysis condition of four kinds of coal industry representative，the pyrolysis characteristics of samples using thermogravimetric were investigated by thermogravimetric experiment. Through the analysis of TG、DTG respectively， the initial pyrolysis temperature， the initial exothermic temperature， maximum reaction index， combustion parameters of 90% combustible pyrolysis time were gained. At the same time with the order of volatile and coke in the combustion process， the four kinds of coal combustion ignition temperature， maximum speed of two important parameters are analyzed.

thermogravimetric； Chain boiler