分解炉内煤的燃尽特性研究

第23卷　第7期

2001年7月

武　汉　理　工　大　学　学　报

JOURNAL OF W UHAN UN IVERSIT Y OF TECHNOLOG Y

V o l .23　N o.7　Ju l .2001

文章编号:100022405(2001)0720011204

分解炉内煤的燃尽特性研究

3

谢峻林　何　峰　袁润章(武汉理工大学)

摘　要:　煤粉的燃尽时间已成为进行分解炉设计的重要参数。针对水泥分解炉的低温燃烧工况,根据裹灰缩核模型及有关理论,采用失重分析法及扫描电镜,进行煤的燃尽特性实验方法、及煤焦燃尽时间与煤质之间的关系探讨,力求寻找到有关规律。提出的煤质评判指标(着火指数、燃尽指数)与实验方法,较好的定量反映出各煤样的燃尽特性。同时还根据水泥厂的实际实验条件,寻找出着火温度、燃尽时间与煤工业分析值之间的关系式,从而可以根据煤的工业分析结果对煤质进行预测。

关键词:　煤粉;　燃尽特性;　分解炉中图法分类号:　T K 16;　TQ 038.1

文献标识码:　A

收稿日期:2001205218.

作者简介:谢峻林(19652),女,副教授;武汉,武汉理工大学硅酸盐工程中心(430070).3教育部骨干教师计划资助.

分解炉内煤粉的燃尽程度,与所用煤种、分解炉结构和操作参数有很大关系,为保证煤粉在分解炉内的

完全燃烧,煤粉的燃尽时间已成为进行分解炉设计的重要参数[1]。特别是目前低挥发份煤、高灰分煤在分解炉内应用的迫切性日趋增大,深入研究煤粉的燃尽特性,是解决不同煤质在分解炉内得到良好应用的关键。

1　研究方法

1.1　煤粉燃尽指标的确定

在水泥分解炉内由于CaCO 3分解吸热与煤燃烧放热之间达到了热平衡,分解炉内温度基本保持不变[2]。分解炉内煤的燃尽指标,应由最大燃烧速度及各特征时间来表达,为此,从煤的微分失重与时间关系曲线确定燃尽指标D f 的计算式为:

D f =(d w d t )m ax ∃t 1 2t m t f

式中:(d w d t )m ax 为最大燃烧速度,t 0为着火时所需时间,∃t 1 2为(d w d t ) (d w d t )m ax =1 2时对应的时间区间。t m 为最大燃烧速度所对应时间,t f 为燃尽所需时间。

1.2　煤焦燃尽动力学参数确定

采用失重分析法。将直径为1000～5000Λm 的煤圆球,放入带盖坩埚内,于850℃无氧状态下加热至恒重,得到煤焦,同时求得各煤焦的密度Θc 值

。将炉温设置在850℃,炉内气氛为空气,高温进样测得各煤焦重量与时间的关系,当燃烧产物重量变化量在300s 内少于0.5%时,认为实验结束。根据裹灰缩核模型及有关理论[3,4],可建立关于k c 、k ∞、D h 的方程式:

1

k c +r 2

r 0k ∞+1

D h

(r -r 2

r 0)=4Πr 2

ΒC ∞q

(1)1

k c

(1-

r

r 0)+r 03k ∞(1-r

3

r 30)+r 06D h (1-3r 2r 20+2r

3

r 30)=

t Βc ∞c r 0

(2)对球形颗粒,t 时刻炭粒半径

r =(

m c

4 3ΠΘc

)1

3

(3)

21 武　汉　理　工　大　学　学　报 2001年7月

在实验中,边界层内气流近乎静止,因此边界层扩散系数k∞用下式做近似计算[5]。

k∞=0.00063165(T m 1600)0.75 d0(4)式中:d0为煤粒原始粒径,T a为边界层气体温度,T m为焦粒与边界层温度的平均值,5为煤粒燃烧反应机理系数,根据裹灰缩核模型假设炭表面只发生反应C+O2→CO2,5=1,实验根据分解炉工况,取T m=850℃,

k∞可由(4)式求得,任何时刻的m c、q及Θc由实验获得,Β、C∞为已知,联立此(2)、(3)、(4)三个方程,求得炭粒在k c、D h值。

2　结果与讨论

通过上述实验及理论分析,可得到反映煤燃尽特性的各参数:k c、t f、D f,结果列于表1。

表1　各煤样煤焦的燃尽特性测试结果比较

煤分类无烟煤贫煤烟煤

试样煤编号1#2#6#7#8#11#3#4#5#9#10#

t f s7.757.428.976.115.926.313.503.033.714.133.92煤焦

k c(10-1) m・s-12.552.731.732.092.622.264.033.944.254.973.80煤粉D f(10-6)6.506.707.4014.409.507.5025.3023.0011.1015.0025.70

由表1煤焦实验可见,灰分含量较高的5#、9#、3#烟煤的反应速度常数k c最大,4#、10#烟煤次之, 6#无烟煤反应速度常数最小,其他挥发分含量中等的2#、7#、8#、11#贫煤及1#无烟煤的k c值居中。从燃尽时间的计算值来看,在标准大气压,850℃条件下,对0.08mm煤焦颗粒,烟煤的燃尽时间为4～5s,贫煤为6～7s,无烟煤为8～10s。

由煤粉实验可见,4#、10#烟煤、及3#高灰分烟煤燃尽指数大,灰分含量较高的5#、9#烟煤与7#、8#贫煤相当,1#、2#、6#、11#等低挥发分煤的燃尽指数最小。

3　影响煤燃尽特性的因素

从上述分析可见,不同煤质的燃烧特性有较大的区别,为分析其中的原因,对11种煤焦样及不同温度下的3#煤样进行扫描电镜分析,典型煤样结果见图1～6。

比较图1～6可见,随着煤燃烧过程的进行,内部孔隙随着温度的升高而变大,但当燃烧进行到一定程度,温度较高时煤粒内部孔隙又变小,说明高温时孔隙收缩。10#烟煤煤焦内有很多大的连通孔隙,高灰分3#烟煤及11#煤焦的孔隙率较10#小。燃烧进行过程是固定碳不断消耗过程,烟煤煤焦的孔隙率大,使固定碳与氧接触面积大,燃烧过程比孔隙率低的无烟煤更容易进行。结果燃尽时间短、燃尽指数大。但当煤粒温度迅速升高到较高温度,孔隙率减小,固定碳的燃烧速度降低,又由于高温下灰分矿物的作用,使固定碳活性增强,结果对高灰分煤的燃烧速度起到促进作用,其化学反应速度常数变为最大,但由于受着火过程影响,在挥发分含量相近时,高灰分烟煤的焦炭燃尽时间还是比其它烟煤长。

比较上述分析可得出共同的规律,即烟煤的燃尽特性好,无烟煤的燃尽特性差,煤中的灰分含量对其燃尽过程有较大影响,有些对煤的燃尽过程起到促进作用。且利用失重分析法进行煤的燃尽指数判断,获得与煤焦实验相一致的结果,使实验方法互相得到了验证。

4　煤的燃尽时间与工业分析值关系

由于煤焦燃尽时间测试方法及数值计算方法较复杂,使实际应用有困难。为方便工厂使用,为此来讨论煤焦燃尽时间与煤的工业分析值之间的关系。图7、8、9分别表示了固定碳、灰分及挥发分对煤焦燃尽时间的影响规律。由图可以看到:固定碳含量、灰分含量的影响规律复杂,而挥发分的影响规律非常明显。

综合考虑煤工业分析值,经过大量实验及数据处理发现:煤焦的燃尽时间与煤的挥发分含量、固定碳含量及灰分含量之间存在关系式:t f=2.5(V f C f)0.3

将实验用煤的工业分析值带入上式,求得煤的燃尽时间,见图10,比较实验值(数据点)和计算值(实线),显然两者很接近。