石灰石对煤炭燃烧特性影响的研究

　　第 27 卷　第 4 期2004 年 10 月 煤 炭 转 化 COAL CONV ER S ION V o l. 27　N o. 4 O ct. 2004 　　 　1) 硕士生; 2) 副教授, 中国矿业大学化工学院, 221008 江苏徐州 收稿日期: 2004204205; 修回日期: 2004206218 石灰石对煤炭燃烧特性影响的研究 李　梅1)　张　洪2)　谌天兵1) 　　摘　要　利用N ET ZSCH 409C 型差示扫描量热仪研究了石灰石对煤炭燃烧特性的影响. 结 果明, 在加入石灰石后, 燃烧明显分成两个阶段, 且随着石灰石混合比例的增加, 前期的燃烧强度 逐渐减弱, 后期的燃烧强度增强. 石灰石的添加量在 30% (以混合样的质量百分比计) 左右时, 试样 的着火温度比原煤降低约 30 ℃, 但随着石灰石的添加量的继续增加, 试样的着火温度也随着升高. 石灰石的加入使得试样的燃尽效果变差, 燃尽时间延长. 关键词　煤, 石灰石, 燃烧特性, 热 中图分类号　TQ 534 0　引　言 中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国 家, 煤炭消费始终占一次能源的 70% 以上. 其中动 力用煤占煤炭消费总量的 85% 以上, 动力煤消费中 工业锅炉及窑炉用煤约占 35%. [ 1 ]我国水泥工业热 耗水平高、产量低, 根本上是对高灰分条件下煤炭的 燃烧特性认识了解不够引起的, 水泥生产中煤炭燃 烧具有其特殊性. 分解炉内加入煤量大约为水泥生 产过程中需煤总量的 40%～ 60% , 在分解炉内煤炭 和水泥生料混合悬浮在热气中, 水泥生料以碳酸钙 和黏土矿物为主要组成, 煤炭燃烧与碳酸钙分解同 时进行, 相互影响, 燃烧温度大约只有 850 ℃～ 900 ℃, 这与常规锅炉中的燃烧条件相比发生了较大变 化. 显然如果能确切掌握水泥生产条件下煤炭的燃 烧特性, 结合生料的分解和烧成特性, 合理的窑 炉结构, 最大限度地使窑炉运行与煤的燃烧特性相 适应, 就能实现水泥生产的低耗、高产. [ 2 ]目前已有 的研究主要针对石灰石的煅烧机理, 石灰石对燃料 灰熔性的影响, 石灰石固硫效果, 石灰石固氟机理以 及石灰石改善水煤浆的吸附剂性能等方面, [ 3210 ]从 水泥工艺学的角度研究分解炉内碳酸钙对煤炭燃烧 特性的影响的研究很少. [ 11, 12 ]本文拟利用先进的热 重技术, 来系统研究将碳酸钙从 10%～ 90% 添加到 煤 (以混合样的质量百分比计) 中时, 它对煤炭燃烧 特性的影响. 1　实验部分 实验选择低挥发分、低灰分的内蒙古太西精煤 作为原煤, 其工业分析和元素分析数据见表 1; 石灰 石样品取自徐州京运水泥厂, 其化学成分见表 2. 表 1　原料煤的工业分析和元素分析数据 T ab le 1　P rox im ate and u lt im ate analysis of coal U ltim ate analysisö% , ad C H N O S P roxim ate analysisö% , ad M V A FC 92. 8 3. 89 1. 42 1. 82 0. 07 1. 4 7. 3 5. 2 86. 1 表 2　石灰石样品的化学成分 T ab le 2　Chem ical compo sit ion of lim estone (% ) Compo sit ion of lim estone CaCO 3 M gO A l2O 3 SiO 2 Fe2O 3 Percen t of m ass 96. 9 0. 78 0. 039 2. 04 0. 082 　　将煤样、石灰石原样经破碎后在 110 ℃下烘干, 再用密封式制样粉碎机统一制成粒度约 180 目的标 准试样. 将石灰石和煤粉按 (以高岭石质量计) 0% , 10% , 20% , 30% , 40% , 50% , 60% , 70% , 80% , 90% 比例称重, 充分混匀, 各试样配比及编号见第 39 页 表 3. 利用N ET ZSCH 409C 差示扫描量热仪上对各 试样进行燃烧特性实验, 工作气氛为N 2 和O 2, 流量 分别为 80 mL öm in 和 20 mL öm in, 升温速率为 20 ℃öm in, 温度变化范围为 25 ℃～ 1 100 ℃. 每个试 样重量约为 2010 m g. 由热重曲线 (T G) 和差热扫描 曲线 (D SC)对样品进行定性分析. © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表 3　煤与石灰石配合比例 T ab le 3　R atio of coal and lim estone Samp les serial num ber Compo sit ion of samp les Samp les serial num ber Compo sit ion of samp les 1 100% coal 6 50% coal+ 50% lim estone 2 90% coal+ 10% lim estone 7 40% coal+ 60% lim estone 3 80% coal+ 20% lim estone 8 30% coal+ 70% lim estone 4 70% coal+ 30% lim estone 9 20% coal+ 80% lim estone 5 60% coal+ 40% lim estone 10 10% coal+ 90% lim estone 2　结果与讨论 2. 1　热重曲线 从图 1 可以看出, 原煤和石灰石的D T G 曲线 上都只有一个大的尖峰区域, 原煤的D T G 曲线上 的最大值点出现在 590 ℃左右, 石灰石的D T G 曲 线上的最大值点出现在 810 ℃左右. 当把石灰石添 加到煤粉中后, 燃烧明显分成两个阶段. T G 曲线上 的A 点是两阶段燃烧的分界点, A 上方的一段是煤 粉的燃烧段, A 下方的一段可以看作是石灰石的分 解以及在石灰石中包裹的炭粒在较高温度下的燃烧 段. 同时, 在添加了石灰石以后, 前期的燃烧强度降 低, 随着石灰石的混合比例的增加, 燃烧逐渐集中于 后期阶段. 图 1　部分试样的 T G2D T G 热重分析曲线 F ig. 1　T G2D T G analysis cu rves of the po rt ion samp les’s a——T G2D T G analysis curve of raw coal; b——T G2D T G analysis curve of lim estone; c——T G2D T G analysis curve of 70% coal+ 30% lim estone; d——T G2D T G analysis curve of 20% coal+ 80% lim estone 2. 2　着火特性分析 从图 1 可以看出, 最初的 T G 曲线略微向上, D T G 曲线有正增长的趋势, 这是由于表观增重所引 起的. 随后发生缓慢的氧化反应, D T G 曲线在零值 附近不断波动, 此时虽有放热, 但尚未着火. 着火应 当表现为迅速失重. 因此, 将D T G 曲线上迅速失重 的开始点作为着火点, 以该点对应的温度作为热分 析的着火温度 ti, 热分析着火温度越高, 说明着火越 困难. 各种试样的着火温度见第 40 页图 2. 从图 2 可以看出, 在煤中加入石灰石后, 随着石 灰石添加量的增加, 着火温度先降低后又逐渐升高. 93第 4 期　　　　　　　　　　　　　　　李　梅等　石灰石对煤炭燃烧特性影响的研究　　　　　　　　　　　　　　　　 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 2　各种试样的着火温度 F ig. 2　 Ign it ion temperatu re of the test samp les 在上述的实验条件下, 当石灰石的添加量在 20%～ 30% , 着火温度较原煤降低约 15 ℃～ 30 ℃. 这是由 于加入石灰石后, 煤粉颗粒之间孔隙增大, 与氧接触 的比表面积增大, 因此使得着火提前. 在石灰石的添 加量小于 70% 的情况下, 石灰石的存在都可以使试 样的着火温度降低. 当石灰石的添加量在 70%～ 90% 时, 试样的着火温度较原煤升高 10 ℃～ 25 ℃. 这可能是由于大量的石灰石以灰分的形式存在于试 样中, 相对减少试样中挥发分的含量; 同时, 这些石 灰石在同样的氧化过程中需要吸收相对较多的热 量, 因此造成着火延迟, 着火温度升高. 2. 3　最大燃烧速率和燃尽特性分析 实验由D T G 曲线上的最大极值点来确定最大 燃烧速率 (dw öd t)m ax , 其所对应的温度为 tm ax , 同时 从 T G 和D T G 曲线上可以看出, 对于原煤来说, 在 680 ℃以后, T G 曲线趋于平直,D T G 曲线波动于零 值附近. 因此, 为便于进行比较, 将 680 ℃作为特征 温度, 以此温度下的热重实验数据来表征燃尽特性. 用 f 表示燃尽率, 其定义为: f = (100 - T G680) ö(100 - TA ) 100% 式中: T G680——680 ℃时的残余物质量; TA ——燃 料总折算灰分. 各种试样的最大始失重速率和相应的温度及其 燃尽曲线见图 3 和图 4. 从图 3 可以看出, 添加石灰 石后的试样的最大始失重速率总的趋势是下降的, 只有在石灰石的添加量在 30% 的时候, 其最大燃烧 速率比原煤大, 所对应的温度 tm ax也比原煤提前 90 ℃左右. 在燃烧前期, 温度低于 600 ℃, 燃烧过程并 不是很剧烈, 这是加入的石灰石造成了煤粉的灰含 量增大, 导致前期的燃烧强度有所降低, 但是在燃烧 后期, 温度处于 650 ℃～ 815 ℃时, 燃烧失重速率有 所增加, 并且当温度在 800 ℃左右时, 又出现一个明 显的失重峰, 这主要是石灰石在高温下的分解过程, 同时也有石灰石中包裹的炭粒在较高的温度下的燃 尽过程, 因此有较大失重. 图 3　各种试样的最大始失重速率和相应的温度 F ig. 3　Samp les the m ax im um velocity of m ass lo ss and its co rresponding temperatu re 图 4　各种试样的燃尽曲线 F ig. 4　Samp les bu rnou t cu rve 对于原煤而言, 在 680 ℃时, 95% 左右的可燃质 基本燃尽; 在加入石灰石后, 随着石灰石添加量的增 加, 燃尽率随着降低. 当石灰石的添加量达到 90% 时, 此温度下的燃尽率只有 30% 左右, 当温度处于 770 ℃～ 820 ℃时基本燃尽. 2. 4　吸放热特性研究 从第 41 页图 5 的D SC 曲线可以看出, 原煤样 和掺入石灰石后的试样的D SC 曲线有很大的不同. 原煤的D SC 曲线峰值高, 并且在最高放热峰的位 置, 曲线近乎水平且持续时间较长, 这说明原煤样的 放热集中, 发热量大. 单纯的石灰石在 680 ℃～ 860 ℃之间有一大的不对称的吸热峰, 这是石灰石分解 引起的. 掺入石灰石后的试样的放热峰相对较窄, 发 热量减少. 随着石灰石添加量的增加, 800 ℃左右由 石灰石分解引起的吸热峰的峰值变大, 这是由于石 灰石的量的增加, 使得其分解所需吸收的热量增大 的缘故. 如果从石灰石分解的角度来看, 可以发现, 当试样中煤粉所占比例增大时, 石灰石的分解温度 就会降低. 这是由于煤粉放出的热量被石灰石吸收, 在相对较低的温度下, 吸收的热量就可以满足石灰 石分解所需的热量, 因此石灰石的分解温度降低. 04　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　煤　炭　转　化　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004 年 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图 5　部分试样的 T G2D SC 曲线 F ig. 5　T G2D SC analysis cu rves of po rt ion samp les a——T G2D SC analysis curve of raw coal; b——T G2D SC analysis curve of lim estone; c——T G2D SC analysis curve of 70% coal+ 30% lim estone; d——T G2D SC analysis curve of 20% coal+ 80% lim estone 3　结　论 1) 原煤的燃烧主要集中于燃烧前期; 石灰石的 分解主要集中于燃烧后期. 在煤粉与石灰石混烧的 情况下, 燃烧过程明显地分成两个阶段, 随着石灰石 的混合比例的增大, 燃烧过程逐渐集中于燃烧后期. 2) 当石灰石的量在 30% 左右时, 试样的着火点 比原煤约降低 30 ℃, 此时的最大燃烧速率也比原煤 快, 随着石灰石混合比例的增加, 最大燃烧速率有后 移的趋势, 同时燃尽性变差. 3) 加入石灰石后, 由于试样的折算灰分增大, 它的放热量降低. 在煤粉占较大比例的试样中, 石灰 石的分解温度相对较低. 参　考　文　献 [ 1 ]　熊友辉, 孙学信. 动力用煤及燃烧特性的研究手段和方法. 煤质技术, 1998 (5) : 27231 [ 2 ]　沈　威. 水泥工艺学. 北京: 中国建筑工业出版社, 1986 [ 3 ]　宁静涛, 钟北京, 傅维标. 微细石灰石粉末高温煅烧分解研究. 燃料科学与技术, 2003, 9 (3) : 2052208 [ 4 ]　叶巧明, 张其春. 提高石灰石掺量增加粉煤灰活性的研究. 成都理工学院学报, 2002, 29 (6) : 7022705 [ 5 ]　杨志忠, 何秀英. 石灰石对CFB 锅炉灰熔性影响的试验研究. 动力工程, 2002, 22 (6) : 206722071 [ 6 ]　Zhang L ian, A tsush i S, Yo sh ih iko N. CCSEM A nalysis of A sh from Com bustion of Coal A dded w ith L im estone. 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Fuel, 1997, 76 (14ö15) : 140121407 ANALY SIS OF THE PARAM ETERS THAT INFL UENCE THE EFF IC IENCY OF AD VANCED REBURN ING Shen Box iong and Sun X ingfu (Colleg e of E nv ironm en ta l S cience and E ng ineering ,N anka i U n iversity , 300071 T ianj in) ABSTRACT　By the experim en ta l study, the param eters tha t influence the efficiency of de2 NO in advanced rebu rn ing w ith amm on ia in ject ion have been invest iga ted. T hese param eters include tem pera tu re in rebu rn ing area, excess oxygen ra t io , in it ia l N H 3öNO and in it ia l na tu ra l gasöNO. O n the bases of the experim en ta l da ta, it show s tha t the op t im um param eters fo r advanced rebu rn ing area are tem pera tu re from 1 100 ℃ to 1 200 ℃, excess oxygen ra t io abou t 017, in it ia l N H 3öNO from 019 to 112 and in it ia l na tu ra l gasöNO from 3 to 5. T he study w ill p rovide theo ry foundat ion fo r the techno logy of advanced rebu rn ing to de2NO. KEY WORD S　advanced rebu rn ing, param eters, experim en ta l study (上接第 41 页) [ 11 ]　吴建其, 卢迪芬. 石灰石与水泥熟料混合粉磨特性的研究. 华南理工大学学报 (自然版) , 1999, 27 (12) : 57261 [ 12 ]　李建锡. 分解炉中CaCO 3 分解与煤燃烧的相互作用研究. 水泥技术, 2000, 1: 20224 [ 13 ]　刘　豪, 邱建荣, 吴　昊等. 钙基复合添加剂与煤粉混烧的燃烧特性研究. 煤炭转化, 2002, 25 (2) : 67270 INVEST IGAT ION ON THE EFFECTS OF L IM ESTONE ON THE CHARACTER IST ICS OF COM BUST ION L iM e i　Zhang Hong and Chen Tianb ing (Colleg e of Chem ica l E ng ineering and T echnology , Ch ina U n iversity of M in ing and T echnology , 221008 X uz hou ) ABSTRACT 　 T he effects of lim estone on the characterist ics of coa l com bu st ion w ere invest iga ted by the m ethod of therm ogravim etry ana lysis. T he resu lts show tha t after adding the lim estone, the com bu st ion p rocess obviou sly separa ted in to tw o stages, and w ith the increasing of the ra t io of lim estone, the bu rn ing in ten sity of the ex2period is w eakened gradually and in the anaphase the bu rn ing in ten sity is st reng thened. W hen the lim estoneö(coa l+ lim estone) ra t io reach abou t w t. 30% , the test sam p les’s ign ite tem pera tu res low er rough ly 30 ℃ than pu re coa l, bu t w ith the increasing of lim estone con t inuou sly, the test sam p les’s ign ite tem pera tu res go up. A dding w ith the lim estone m akes the efficiency of bu rnou t w o rse, the t im e of bu rnou t is po stponed. KEY WORD S　coa l, lim estone, com bu st ion characterist ics, therm al ana lysis 05　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　煤　炭　转　化　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004 年 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.