水泥工业中煤的燃烧特性评价方法

摘要水泥工业中煤的燃烧行为比较复杂，传统的工业分析评价方法已不能适用。

本文通过六十余种烟煤、无烟煤等的热分析试验，从应用的角度、结合水泥工业分解炉炉型的特点，提出了燃烧烈度（I）、放热强度（Q）、燃烧特性指数（S）等三个评价指标。

试验结果表明：评价一种煤的燃烧性能，要综合考虑燃烧烈度I、放热强度Q、燃烧特性指数S三个指标的大小，只有燃烧特性指数S较高，烈度I不高，平均放热强度Q较大的煤，其综合燃烧性能堪称是较好的。

对烟煤和无烟煤，在评价这些参数的时候本文还给出了量化指标。

这种评价方法对分解炉的设计具有一定的指导意义。

关键词煤粉燃烧烈度放热强度燃烧特性指数分解炉
1 引言
在新型干法水泥生产过程中，分解炉内发生着煤粉燃烧和碳酸盐的分解反应，煤粉燃烧放热，碳酸盐吸热分解。

煤粉的燃烧状况影响着分解炉的发热能力和水泥窑的熟料产量。

当今由于能源日益紧缩，无烟煤、低挥发分煤的应用在水泥行业也愈加广泛，这些煤在分解炉内的燃烧行为与烟煤有很大的不同，给设计和操作带来了许多问题，分解炉内易结皮堵塞。

此外，煤燃烧不完全还会引起回转窑内高温带提前而造成结圈、结蛋等问题，这些问题的解决首先依赖于对煤的燃烧特性的认识和评价。

国内有不少学者对煤的燃烧特性进行了研究，如同济大学的缪岩在煤的工业分析的基础上提出了煤燃烧特性参数ZM【1】；南京电力高等专科学校的叶江明提出了煤燃烧特性的模糊综合评判模型【2】。

国外利用TG-DSC （热重－差示扫描量热法）研究煤的燃烧特性的较多，主要是对煤的燃烧行为进行研究：如西班牙的A•Arenillas，F•Rubiera用TG/DTA法研究了不同种类煤混合后的燃烧现象【3】；美国肯塔基州的Yong Chen，Shigekatsu Mori等人用TG/DTA研究了不同种类的诸如烟煤、无烟煤、褐煤等粒径在37～4000µm的煤颗粒的燃烧机理【4】；西班牙的Jose J•Pis，G. de la Puente等人用DTA方法研究了洗煤和已氧化煤的燃烧放热过程【5】【6】。

这些研究主要面向电力和煤炭行业，着眼于煤的发热量和煤的着火点。

由于水泥行业分解炉结构的特殊性，不仅要求燃煤发热能力强、而且对煤的燃烧平稳性、易燃性、着火猛烈程度、燃尽时间等都有要求，因此上述评价指标不适用于水泥行业。

本文应用德国耐驰热重仪器（TG-DSC）对煤进行热分析试验，通过煤的放热起始温度（T onset）、放热结束温度（T end）、燃烧持续时间（t）、放热量（q）、失重速率（dTg/dt）等基本参数推导出适合于水泥工业分解炉用煤的三个评价指标——燃烧烈度（I）、放热强度（Q）、燃烧特性指数（S）。

2 热分析试验说明
首先用大同烟煤（图1）为例来说明热分析试验中可以测得的参数，试验条件如下：
分析仪器：Netzsch STA 409PC
气氛：空气流速：O2：13ml/min 吹扫N2：40 ml/min 保护N2：10 ml/min
温度：室温～1000℃升温速率：10K/min
样品称重：10mg左右
图1中各个物理量的意义如下：
（1）、TG（Thermal Gravity）曲线：热重曲线
Onset：煤开始失重时的温度，记作，单位：℃；
Mass change：煤在燃烧过程中的失重比率，单位：%；
Residual change：煤中残余物的比率，单位：%；
（2）、DSC（Differential Scanning Calorimeter ）曲线：放热曲线
Onset：煤开始放热时的温度，记作T onset，单位：℃；
End：放热结束时的温度，记作T end，单位：℃；
Area：煤的放热量，记作q，单位：J/g；
Peak：最大放热强度时的温度（℃），记作T peak，单位：℃；
Height：从峰尖到DSC基线的高度，记作H，单位mw/mg；
Width：Height达到半高时所对应的峰宽温度，记作W，单位：℃
（3）、DTG（Differential Thermal Gravity）：热重微分曲线
Value：最大失重速率（%/min）及所对应的温度（℃）；
图1 大同烟煤的热分析曲线
3 评价参数的建立
利用煤的热分析曲线所能测得的基本参数，定义了以下评价参数：
3.1 燃烧烈度（I）
燃烧烈度表示放热过程中瞬间放热的强烈程度。

单位：mw/mg.min。

燃烧烈度较大时放热较为集中，有可能带来局部高温和氧气不足，严重时还会烧毁预燃室壁面。

燃烧烈度定义为：
I= H/ W （3.1）
3.2 平均放热强度（Q）
从放热角度也就是DSC曲线出发，定义了平均放热强度Q。

平均放热强度表示煤从开始放热到放热结束这段时间内的平均放热程度，单位：J/g.℃。

它的计算公式为（3.2）：
式（3.4）的意义为：煤的活性越大，易燃性越大，燃尽越快，煤的燃烧特性就越好；而对于值也就是煤着火的猛烈程度，在水泥行业中并不是越大越好，因为它会产生集中放热，有可能带来局部高温而造成粘堵，从而对燃烧室产生不利的影响。

根据多年来的经验，煤粉在燃烧的时候，无论对于燃烧器还是分解炉，都希望煤粉的燃烧能“削峰填谷”，也就是不希望煤粉在短时间内燃烧太剧烈，所以在对指数求解问题上采用了两边逼近法来求取，即在求取n值时，分别取n=-2，-1.8，-1.6，……，-0.8，-0.5来对多种煤样求取S 值，以下图2就是各种煤样随n值不同时的S值。

图2 不同煤种燃烧特性指数S与猛烈程度的关系
图2列出了几种典型的烟煤、无烟煤、褐煤、低挥发分煤的燃烧特性指数S与着火猛烈程度的n次方的关系。

从图4可以看出，当n为－2～－1.4时，燃烧特性指数S受指数影响不大，几乎不易区分不同煤种燃烧性能的好坏；其次，我们排除河北蔚县烟煤根据实际燃烧状况所不可能在的区域：n＝－1.0～－0.4，因此，我们选n=－1.2较为合适，并且根据工业用煤的实际燃烧状况，它符合这几种典型煤的燃烧性能。

这样，燃烧特性指数S的公式应为式（3.6）
4 实际煤样分析
由以上分析可知，对于水泥工业，S值越大，煤的燃烧特性越佳，煤质越优，但是我们在判定某种煤的综合燃烧性能的时候，还要考虑到燃烧烈度I和平均放热强度Q的大小，只有燃烧烈度I不高、平均放热强度Q较大并且燃烧特性指数S也大的时候，才认为这种煤的综合燃烧性能是比较好的。

在汇总了六十多种烟煤、无烟煤的热分析试验后，本文给出了判定烟煤、无烟煤这三个指标大小的具体量值（见结论）。

这里以白山金刚无烟煤、越南雄王无烟煤、太行前景烟煤、大同烟煤为例来说明它们燃烧特性优劣的判定过程。

表1为这四种煤的工业分析值。

表1 煤的工业分析值
表2给出了这四种煤热分析试验测出的参数以及三个指标值，为了更好地比较它们的燃烧特性，表中还列出了其它煤种的燃烧特性参数。

表2 几种煤种的燃烧特性比较
煤种放热峰
高度H
(mW/mg)
半高宽
W
(min)
燃烧烈度I
（mw/mg.min）
放热量
q
(J/g )
放热起
始温度
T onset
（℃）
终止反
应温度
T end
（℃）
平均放热
强度
Q(J/g.℃)
热重燃
尽时间
t
(min)
失重起
始温度
（℃）
平均燃烧速
度 (%/min)
燃烧
特性
指数S
(10-10)
白山
金刚
无烟
煤
21.027 3.011248158671894.5574.30624 2.797.15
恒新
无烟
煤
20.21 7.8 2.59 13168 494 630 96.82 60.6 526 3.43 13.48 恒威
无烟
煤
25 7.3 3.42 19188 245 575 58.15 58.7 457 3.17 14.03 越南
雄王
无烟
煤
24.719.4 2.6319920450611123.7361.60481 2.9316.87
太行
前景
烟煤
17.4911.4 1.531919620769239.5869.2420 1.6920.62
金路
树脂
烟煤
17.26 9 1.92 14533 213 562 41.64 54.2 424 2.64 24.29
凌源
富源
烟煤
16.36 10.7 1.53 15753 213 559 46.06 58.67 402 2.28 28.86
哥伦
比亚
26.97 10.9 2.47 23189 228 538 74.80 51.70 397 3.51 30.83
煤种放热峰
高度H
(mW/mg)
半高宽
W
(min)
燃烧烈度I
（mw/mg.min）
放热量
q
(J/g )
放热起
始温度
T onset
（℃）
终止反
应温度
T end
（℃）
平均放热
强度
Q(J/g.℃)
热重燃
尽时间
t
(min)
失重起
始温度
（℃）
平均燃烧速
度 (%/min)
燃烧
特性
指数S
(10-10)
烟煤
大同
烟煤
21.2711.7 1.822056320655758.5853.90392 2.6831.33
黑河
海豹
烟煤
16.82 9.1 1.85 14065 212 521 45.52 50.42 395 2.56 31.85
英德
烟煤
20.79 12.4 1.68 20874 203 555 59.30 53.90 395 2.8 33.11
从表2可知，从水泥行业用煤角度来讲，白山金刚无烟煤的燃烧烈度较高（I>3.0mw/mg.min），平均放热强度一般，燃烧特性指数S也很低（S<11）,与众多无烟煤比较来看，它的综合燃烧性能较差；而越南雄王无烟煤的燃烧烈度不高（I<3.0mw/mg.min），平均放热强度较高，燃烧特性指数S也较高，与众多无烟煤比较来看，它的综合燃烧性能较好。

同理，太行前景烟煤虽然燃烧烈度不高，但是它的平均放热强度较低（Q<40 J/g.℃），这容易引起热量不足，燃烧特性指数S较低，使得热重燃尽时间较长，与众多烟煤比较来看，它的综合燃烧性能一般；而大同烟煤的烈度不高，平均放热强度较好，燃烧特性指数也较高，它的综合燃烧性能很好，它可算是优质煤。

5 结论
通过我院六十余种煤样的热分析试验，可以得到以下结论：
（1）从放热角度出发，提出了表明瞬间放热强烈程度的物理量——燃烧烈度I。

烟煤与无烟煤有不同的判别依据，无烟煤当I>3.0mw/mg.min时，烈度较大；而在烟煤中，当I>2.6mw/mg.min时，烈度较大。

（2）从放热角度出发，提出了平均放热强度Q，它表明煤从开始放热到放热结束这段时间内的平均放热程度。

无烟煤中，Q <85J/g.℃时，放热强度较小；而在烟煤中，Q <40J/g.℃时，放热强度较小.
（3）从热重角度出发，提出了表明煤的易燃性、着火猛烈程度以及煤燃尽快慢的物理量——煤的燃烧特性指数S。

无烟煤中，当S<11时，应引起足够的重视，此种煤的燃烧性能较差；而当S>15时，煤的燃烧性能较优。

（4）在水泥工业中，评价一种煤的燃烧性能，要权衡燃烧烈度I、放热强度Q、燃烧特性指数S三者之间的关系，只有当燃烧特性指数S较高，烈度I不高，而平均放热强度Q又较大的煤，其综合燃烧性能堪称是较好的。