林山虎 ，程 伟 ，曾庆春 ，吴朝刚 ，周 棋 ，张 章

（1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001；3.百色电力有限责任公司，广西 百色 533000）

在循环流化床锅炉的设计和运行中，点火时的投煤温度是锅炉安全和正常启动的关键参数。循环流化床锅炉点火启动过程中，投煤温度太高，会造成点火时间过长，影响锅炉启动时间且大幅增加点火成本；投煤温度过低，则容易出现结焦等风险。因此，确定循环流化床锅炉最佳投煤温度对于锅炉的设计和运行有重要的指导意义。

目前，煤的热分析法已广泛应用于对煤的着火、稳燃、燃尽等特性的评价，不同学者根据热分析法得出了煤的众多着火特性评价指标，而这些指标在实际锅炉点火过程中都无法单独可靠地指导投煤温度。本文采用煤的热分析法对多种燃料进行分析，并在3 MW CFB试验台上对这些燃料进行投煤着火试验研究，通过大量的数据统计分析，寻找与投煤温度相关性最高的热分析指标，并且总结了该热分析指标与投煤温度之间的差异和关系，提出了热分析指标与投煤温度之间的关系式，用于指导实际CFB锅炉投煤着火的最佳温度。

1 煤的着火评价指标

1.1 着火温度

着火温度Ti是衡量煤着火特性的重要指标之一，着火温度越低，煤越易着火；反之，则更难着火。热分析中，确定煤的着火温度最常用方法为TG-DTG法，即在DTG曲线上，过其峰值作垂线与TG曲线交于B点，过B点作TG曲线的切线，该切线与TG曲线上开始失重时的平行线的交点C所对应的温度即定义为着火温度[1-2]。

1.2 燃烧特性指数

许多学者采用燃烧特性指数S对煤的着火特性和燃尽特性进行综合评价[3-5]。该指数的定义为：

式中，(dW/dt)max为最大失重速率，%/min；(dW/dt)mean为平均失重速率，%/min；Ti为着火温度，℃；Cb为燃尽温度，℃。

燃烧特性指数S值越大，煤的燃烧特性越佳，一般来说，由褐煤到无烟煤，着火与燃尽是由易变难，S值由大变小。S值相差较大的煤种，燃尽性能差异也大，S值相近的煤种，燃烧性能也比较接近。

1.3 可燃性指数

王雅君等采用煤的可燃性指数Cb来判断燃料的着火特性[6-7]。其定义为：

该指数综合考虑了煤的最大失重速率和着火温度对煤着火特性的影响，反映了煤着火的难易程度，指数越大，煤的可燃性越好。

1.4 燃烧稳定性指数

张辉等人采用煤的燃烧稳定性指数G来评价煤粉着火的难易和燃烧强弱[6-8]。其定义如下：

因为煤的最大反应速率(dW/dt)max越大，挥发分释放就会越强烈，最大反应速率对应温度Tmax越低，挥发分释放的高峰期出现得就越早，着火温度越低，着火就越容易，这就有利于形成较高的燃烧温度，燃烧就越稳定、越充分。

1.5 着火燃烧稳定性指数

孙学信等采用着火稳定性指数Rw来评价煤的着火稳定性，该指标越大，则煤越容易着火稳定[9-10]。该指标表达式如下：

1.6 动力学参数

刘艳军等采用动力学分析煤的燃烧特性[11-13]。一般的气固反应的动力方程表示如下：

式中，x为反应速率，%；A为指前因子，min-1；E为活化能，kJ/mol；R为气体常数，8.314 J/（mol·K）；T为反应温度，K；n为反应级数。

而对于非等温过程，温度T与时间t有如下关系：

式中，ψ为升温速率，将其带入式（5）积分可得：

对于煤和煤焦反应，反应级数n选取为1，将式（7）取对数可得：

在热重法测定化学反应速率中，转化率x可用式（9）计算：

式中，ω0为反应时样品质量；ω为某时刻样品质量；ω∞为样品反应终止时质量。

煤的活化能越小，说明由初始状态达到活化状态所需能量越小，煤的着火度低，易于着火并燃烧；反之，则说明由初始状态达到活化需要较大能量，煤的着火度高，难易着火。

2 试验与测试

2.1 燃料分析

为了能更好地反映不同热重指标对流化床锅炉点火的指导性，本文选取了多个不同类型的煤种及混煤（1#-印尼褐煤和百色褐煤混煤、2#-波黑褐煤、4#平朔煤、5#贵州无烟煤、6#-百色褐煤、7#-百色褐煤与无烟煤混煤、9#-大屯煤、10#-罗马尼亚褐煤、11#-巴西褐煤、12#-蒙东煤）进行试验。除此之外，还选取了可以用于流化床锅炉燃烧的其他类型的燃料（3#-兰炭、8#-石油焦、13#-酒糟）进行对比验证，以提升试验结果的适用范围和判别准确性。燃料分析数据如表1所示。

表1 试验燃料的分析数据

2.2 试验煤样与试验方法

热重分析实验采用美国TA公司生产的TGA-Q50热重分析仪，其升温范围为30～900℃。试验条件为：煤样10 mg，粒径小于100目，升温速率20℃/min，模拟空气气氛。

投煤着火试验在清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室的3 MW CFB热态试验台上进行，该试验台主要用于工程项目前期的验证性试验，通过与后续投运项目的对比，试验台测试的投煤温度能可靠地指导锅炉的实际运行。试验台主要参数：设计功率3 MW，炉内速度5 m/s，炉膛截面热负荷3.03 MW/m2，循环倍率40，试验台高度29.1 m，天然气点火，给料量500～1 500 kg/h。试验条件：煤样粒径小于8 mm，常规循环流化床锅炉床料。

3 试验结果分析

3.1 TG-DTG曲线

图1给出了不同燃料的TG和DTG曲线，由此可以看出，各燃料在加热到100℃时，均存在一个失重过程，该失重与燃料水分有关，水分越高的燃料（2#、10#、12#、13#）其失重越明显，这是燃料外部水分蒸发造成的。在300～700℃，不同燃料均出现急剧失重情况，对应的DTG曲线峰值也出现在该区域，峰值出现的先后和燃料中挥发分含量密切相关，7#燃料是差异较大的两种煤的混煤，其DTG曲线还出现了双峰。在该温度区域，燃料中有机物大量挥发并与固定碳一起着火燃烧。700℃之后，多数燃料已趋于燃烧完全，仅少数燃料出现少量质量变化。

3.2 不同燃料热重着火指标与投煤着火温度相关性

根据不同燃料的TG-DTG曲线，采用上述计算方法，求得不同燃料的着火温度Ti、燃烧特性指数S、可燃性指数Cb、燃烧稳定性指数G、着火稳定性指数Rw、燃料动力学参数活化能E并且将其与3 MW CFB试验台投煤温度T0进行比较，各燃料相关指数如表2所示。

图1 不同燃料TG/DTG曲线

表2 不同燃料的着火特性指标及试验台投煤着火温度

将各着火指数与投煤着火温度进行对比，绘制如图2所示的曲线。由图2可以看出，投煤着火温度和热重分析指标着火温度及活化能有着明显的相关性，即热重着火温度、活化能越低，燃料投煤着火温度也越低。对比表1、2不难发现，挥发分越高的燃料（2#、10#、13#）其对应的着火温度就越低，这是由于燃料升温着火过程中，挥发分含量越高，越容易引燃燃料中的碳颗粒，燃料也就越容易着火燃烧。同样，挥发分含量越高，其反应的活化能也就越低，因为挥发分含量的增加使得挥发分分子间的碰撞越激烈，普通分子更易转化为活化分子，燃料氧化燃烧也就越容易[14]。

图2 不同着火指数与投煤着火温度对比

燃烧特性指数、可燃性指数、燃烧稳定性指数及着火稳定性指数与投煤着火温度并无明显关系，因为这些指数除了和着火温度有关，还和最大反应速率、平均反应速率、最大反应速率对应温度及燃尽温度等相关，而这些参数和燃料的着火方式密切相关。理论认为挥发分较高的燃料，其着火为均相着火，即挥发分先析出，随之与燃料颗粒外围的氧气发生反应，且燃烧释放的热量加热燃料颗粒使得焦炭着火；对于低挥发分的燃料为多相着火，只有温度达到一定程度，挥发分和焦炭同时着火燃烧；对于中等挥发分燃料则为联合着火[3]。因此，燃料的差异性导致其着火方式不同，进而降低了上述指数与投煤着火温度的相关性。

在实际工程中，影响CFB锅炉投煤着火的因素众多，除燃料种类外，床温、风量、炉内流化情况等对其都有重要影响，因而采用SPSS软件对热分析指标和投煤温度的相关性进行更深入分析。SPSS软件是世界上最早使用的统计分析软件，其广泛应用于各个行业和领域，具有数据管理、统计分析、趋势预测等功能[15-16]。CFB试验台投煤温度和热重各着火指标的相关性如表3所示，由该表可以看出，试验台投煤着火温度与热重着火点、活化能的Pearson相关系数分别为0.789和0.748，并且通过了置信度（双侧）0.01水平检验。这说明煤质的热重着火温度和活化能与CFB试验台投煤温度的相关性并不是偶然性的，它们和CFB试验台投煤温度具有高度相关性。而燃烧特性指数、着火稳定指数、煤的可燃性指数及燃烧稳定性指数与投煤着火温度相关性并不显著。相关性分析表明，采用热重分析得出的燃料着火温度、活化能能够在一定程度上指导CFB试验台投煤着火。

表3 热重着火指标和CFB试验台投煤着火温度相关性

3.3 热重着火温度与投煤温度之间的关系

虽然热重着火温度及活化能对CFB试验台投煤温度均具有一定的指导性，但通过热重分析计算活化能较为烦琐，而通过热重曲线获得燃料着火温度相对简单，且燃料水分较高时，偏差依然较大（燃料如燃料2#、10#的偏差超过100℃），因而本文着重寻找一种可以通过热重着火温度来指导CFB锅炉投煤的方法。通过着火温度与投煤温度的关系图可以看出，热重着火温度均低于CFB试验台投煤温度，这和许多学者的试验结果是一致的[17]。本文认为，这主要是由于热重分析和CFB试验台试验条件的不同所引起的，因为在热重分析时，温度是靠外部热量来维持的，控制的是升温速率，水分吸热的多少并不会影响温度，所以燃料中的水分基本上不会对热重着火温度测试产生影响；而CFB锅炉投煤则是靠燃料自身的反应来提升温度，当燃料水分较高时，汽化会吸收大量热量，降低了炉内的温度水平从而影响点火投煤（如燃料2#、10#），导致CFB锅炉投煤温度与热重着火温度产生偏差。将各燃料热重着火温度Ti与CFB试验台投煤温度T0的差值和燃料水分Mar作图（图3），除去畸形点后，可得关系式：

通过该公式计算的投煤温度与3 MW CFB试验台实际投煤温度数据相比，最大偏差在25℃范围内，说明其能够很好地指导CFB锅炉投煤点火。但在实际应用中，考虑到操作方式和外界条件的不同，为了保证点火的安全性，可在此公式计算基础上提高一定温度再进行投煤，结合计算与实际投煤之间的偏差，增加30℃是可靠且合理的，即：

图3 投煤温度和热重着火温度、水分的关系

4 结论

多个燃料的热重分析表明，不同煤种由于其水分、挥发分等含量的不同，其TG/DTG曲线存在明显差异，多数燃料在700℃反应完全。CFB试验台投煤温度随着燃料热重着火温度、活化能的变化而变化，统计学分析也表明它们之间有明显的相关性，而这种相关性与燃料中挥发分的含量有密切关系。其他热重着火指标和CFB试验台投煤温度之间并无明显关系，这是由于这些着火指标包含的相关参数和燃料的着火方式密切相关，而不同燃料之间着火方式存在较大差异。热重着火温度和CFB试验台投煤温度之间存在一定差异，实际投煤温度高于热重着火温度，这种差异与试验条件和燃料水分有关。通过大量数据分析，本文提出了通过热重着火温度和燃料水分计算CFB过路投煤温度的关系式，该公式可以用于指导实际锅炉投煤点火。