煤粉颗粒粒度对煤质分析特性与燃烧特性的影响

文章编号:0253-9993(1999)06-0643-05
煤粉颗粒粒度对煤质分析特性与燃烧特性的影响
姜秀民1
,李巨斌1
,邱健荣
2
(1.东北电力学院,吉林　132012;2.华中理工大学,湖北武汉　430074)
摘　要:采用Malvern 公司的马尔文粒度仪测量煤粉颗粒的平均粒度和粒度分布、及Leco 公司
的M AC -500型工业分析仪测量煤粉的工业分析成分,对合山劣质烟煤、晋城贫煤的各4种不同粒径的细化和超细化煤样进行了试验研究,应用库仑滴定法测定了煤粉颗粒粒度对煤质全硫元素分析的影响.结果表明,煤粉颗粒粒度对煤质分析特性有很大的影响,并进一步影响煤粉的热解、着火、燃烧等特性.煤粉颗粒粒度是进行煤质分析与燃烧系统设计的重要物理参数.关键词:颗粒粒度;煤质分析特性;煤粉;燃烧特性中图分类号:TK224.1;TQ533 文献标识码:A
收稿日期:1999-07-06
基金项目:煤燃烧国家重点实验室开放基金(9803)与国家电力公司东北分公司电力工业重点科技基金(96HB -02)项目
目前,微细粒技术已被作为一种新兴的煤粉燃烧技术处于开发研究中.在我国目前的科技文献和工程实践活动中,人们习惯于将极细的粉体如10μm 以下直到亚微米的粉体称为“超细”粉体.在电站煤粉锅炉燃烧方面,把超细化煤粉定义为20μm 以下的煤粉.煤粉的物理结构参量主要包括颗粒粒度、几何形状、颗粒密度、比表面积、孔隙率和孔隙结构等.其中颗粒粒度是最基本的也是最重要的物理参数,它对煤粉颗粒的几何形状、颗粒密度、比表面积、孔隙率和孔隙结构等有重大影响.煤粉的物理结构是决定煤粉颗粒中质量、热量传递速率的重要因素,所以煤的物理结构很大程度上影响煤的着火、燃烧及燃尽等特性.笔者采用英国M alvern 公司的马尔文粒度仪较精确地测量了煤粉试样的平均颗粒粒度及其粒度分布,并结合物理特性参数对煤粉着火、燃烧及燃尽等特性的影响进行分析.还就不同颗粒粒度的煤粉试样在工业分析及全硫分析中表现出来的不同煤质分析特性进行了综合分析.
1　试验设备及试验说明
将一定量的合山劣质烟煤与晋城贫煤经过洗涤、干燥、碾磨后制成分析基煤样,然后各取一定量的两表1　试验煤样的平均颗粒粒度Table 1　Average particle size of testing coal sample
煤种平均粒径/μm 合山煤10.9023.9230.3557.40晋城煤
19.30
31.45
48.85
83.77
种煤经过反复的研磨分别制成4种粒度不同的试验煤样.采用Malvern 公司的马尔文粒度仪测量煤粉颗粒的平均粒度和粒度分布,采用Leco 公司的M AC -500型工业分析仪测量煤粉的工业分析成分,对合山劣质烟煤、晋城贫煤的各4种不同粒径煤样进行了试验研究,还应用库仑滴定法测定了煤粉颗粒粒度对煤质全硫元素分析的影响,结果见表1.
2　试验结果及分析
2.1　颗粒粒度范围对粒度分布的影响
应用英国Malvern 公司的马尔文粒度仪测得晋城与合山两种经自然粉碎煤粉各4种不同粒度煤样的粒
　第24卷第6期煤 炭 学 报
Vol .24　No .6 1999年　12月
JOURNA L OF CHINA COAL SOCIETY
Dec .　1999　
度分布如图1所示
.
图1　晋城与合山煤的颗粒粒度分布
F ig .1　Par ticle size distribution of Jincheng coal and Heshan coal
(a )晋城煤;(b )合山煤
从图1看出:颗粒粒度较小的煤样有较窄的粒度分布.而较小颗粒有较好的反应性,并且更能够响应
流体的运动[1].这就意味着通过煤粉的细化、超细化能够有效地改善煤粉的燃烧特性和炉膛内流动的不均匀性,从而完善煤粉锅炉的燃烧过程,有效地解决电站煤粉锅炉的稳燃问题及低负荷稳燃问题.这一点对于劣质煤和低挥发分煤尤为重要.
合山、晋城各煤样的着火温度(T i )如图2所示.本试验的对象是处于相对静态下的煤粉团,从图2图2　着火温度与颗粒粒度的关系Fig .2　Rela tio ns betw een ignition temperature
and par ticle size of testing coal sample
y 1=426.11142-34.42107exp [-(x -19.3)/10.42052];y 2=436.13282-96.43714exp [-(x -10.9)/8.43147]
可以明显看出,合山、晋城两种煤的4种煤样表现出相同的趋势,即随着煤样粒度的减小,其着火提前,T i 随之降低,尤其是合山(10.90μm )与晋城(19.30μm )两种超细化煤样的此种趋势更加明显.其原因是:煤粉的细化、超细化使得颗粒的比表面积大大增加,从而更加有利于挥发分的析出与煤颗粒的非均相着火.另外,在本文的试验设备和试验条件下,处于相对静态条件下的煤粉团表现出了与煤粉雾试验相近的着火特性.
笔者还对图2进行了曲线拟合,结果发现用一次指数函数y =y 0+ex p [-(x -x 0)/t ]对T i 与颗粒粒度的关系进行拟合,达到了非常好的拟合效果,其具体的拟合公式如图中y 1,y 2所示.从图2不难看出,煤粉的细化、超细化对合山煤着火特性的影响更大,
而对晋城煤的影响虽然也很显著,但相对于合山煤而言则较小.其原因在于:合山煤的挥发分要高于晋城煤,所以在加温过程中合山煤中挥发分的析出更快,而挥发分的析出与着火对煤的着火特性起决定性作用,因此,合山煤着火特性受煤粉颗粒粒径的影响更大. 煤粉气流的着火温度也随着煤粉的细度而变化,煤粉颗粒越小,着火越容易.这是因为在同样的煤粉浓度下,煤粉越细,进行燃烧反应的表面积就会越大,而煤粉本身的热阻却减小,因而在加热时,细煤粉的温升速度要比粗煤粉快,这样就可以加快化学反应速度,更快地达到着火.由此可见,对于难着火的低挥发分煤,细化与超细化会强化它的着火过程.2.2　颗粒粒度对煤质工业分析的影响
采用Leco 公司的MAC -500型工业分析仪分别测定颗粒粒度不同煤样的各种成分见表2.
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煤 炭 学 报
1999年第24卷
表2　煤样颗粒粒度对工业分析结果的影响
Table 2　The influence of particle size on proximate
analysis of testing coal sample
%　煤种
粒度/μm W ad FC ad V ad A ad
合山煤
57.40
3.0331.441
4.0751.4630.352.9531.0014.4951.5623.922.9130.8114.8551.4310.902.82
29.65
16.11
51.42
晋城煤
83.77
3.0566.0610.8020.0948.852.8171.1011.311
4.7831.452.5570.8311.6614.9619.30
2.69
70.38
11.79
15.14
从对不同颗粒粒度煤样进行工业分析的结果
可以看出:煤样颗粒粒度是进行煤样工业分析时
不可忽视的一个重要参数,合山煤与晋城煤的各个分析成分都体现出与颗粒粒度的一定关系,这是颗粒粒度影响煤微观颗粒结构的一种宏观外在
体现.从这个意义上说,煤粉颗粒粒度可以被视为煤粉的一个宏观的基本状态参数,从它入手可以构建全面的表征煤粉宏观特性与微观特性体系.
工业分析中挥发分的含量与煤粉燃烧特性息息相关,对于同一煤种而言,
其与煤粉颗粒粒度
图3　煤样挥发分随颗粒粒度的变化Fig .3　Volatile matter change with par ticle
size of testing coal sample 的关系如图3所示.从图3可以看出,随着煤粉的细化、超细化,煤粉的挥发分呈上升趋势,而且由于合山煤挥发分相对于晋城煤含量较高而且灰分含量大,经细化、超细化后物质解离程度更好,所以增加的趋势更为明显.
挥发分的含量多少是影响煤粉颗粒着火与燃烧特性的一个重要指标.煤粒的着火温度随挥发分的变化规律如图4所示,挥发分升高时,煤粉气流的着火温显著降低,着火热亦随之减小,因此,随着煤粉的细化、超细化,煤粉的挥发分含量升高,可有效地改善其着火与燃烧过程.挥发分对煤粉着火与燃烧过程的
影响还表现在火焰传播速度上,如图5所示.在相同
的气粉比条件下,挥发分升高,煤粉火炬中火焰传播速度显著提高,从而火焰的扩展条件改善,着火速度
提高,燃烧的稳定性增强[2]
.
图4　煤粒着火温度与挥发分的关系Fig .4　Relations between volatile matter and ig nition temperature of testing coal
sample
图5　挥发分对火焰传播速度的影响F ig .5　The influence of volatile ma tter on
flame propagation rate
2.3　颗粒粒度对煤质全硫元素分析的影响
笔者还应用库仑滴定法测定了煤粉颗粒粒度对煤质全硫元素分析的影响,结果如图6所示.以合山30.35μm 及晋城48.85μm 两个煤样为例,应用型号为Leco CHN 600元素分析仪测得C ,H ,N 三种元素,然后应用全硫分析仪测出S 元素的含量,O 元素的含量则由差减法得出.所得元素分析结果见表3.
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第6期姜秀民等:煤粉颗粒粒度对煤质分析特性与燃烧特性的影响
图6　合山与晋城煤颗粒粒度对全硫分析的影响
Fig .6　T he influence of particle size on total sulfur analy sis of Heshan and Jincheng testing coal sample 表3　合山30.35μm 及晋城48.85μm 煤样的元素分析Table 3　Ultimate analysis of Heshan 30.35μm and
Jincheng 48.85μm testing coal sample
%　
煤　样　w (C ad )w (H a d )w (O ad )w (N ad )w (S ad )合山(30.35)33.451.974.640.644.79晋城(48.85)
77.73
2.33
1.11
0.99
0.25
图6(a )为合山煤的全硫分析结果,本试验所选取的是合山高硫煤;图6(b )
为晋城煤的全硫分析结果.可以看出,合山煤随着颗粒粒度的减小全硫分增加较
大,而晋城煤则相对较小.以合山57.40μm 与合山10.90μm 为例,后者比前者的全硫分增加2.34%.可以说,由于合
山煤中灰分含量高,经煤粉细化、超细化使得合山煤中含无机硫的矿物质有更大的解离度,所以全硫分析中硫元素的析出随着颗粒粒度的减小有较大程度的增加.
3　结 论
(1)经自然粉碎的煤粉,颗粒粒度较小的煤样有较窄的粒度分布.而较小颗粒有较好的反应性,并且更能够响应流体的运动,这就意味着通过煤粉的细化、超细化能够有效地改善煤粉的燃烧特性和炉膛内流
动的不均匀性,从而完善煤粉锅炉的燃烧过程,有效地解决电站煤粉锅炉的稳燃问题及低负荷稳燃问题.这一点对于劣质煤和低挥发分煤尤为重要.
(2)随着煤样粒度的减小,其着火提前,着火温度随之降低,尤其是两种超细化煤样此种趋势更加明显.煤粉的细化、超细化使得颗粒的比表面积大大增加,从而更加有利于挥发分的析出与煤颗粒的非均相着火.另外,在本文的试验设备和试验条件下,处于相对静态条件下的煤粉团表现出了与煤粉雾试验相近的着火特性.
(3)煤粉经细化、超细化后物质解离程度更好,挥发分呈上升趋势.由于合山煤挥发分相对于晋城煤含量较高而且灰分含量大,所以增加的趋势更为明显.燃料性质中对煤粉着火过程影响最大的是挥发分含量,挥发分升高时,煤粉气流的着火温度显著降低,着火热亦随之减小,因此煤粉的细化、超细化,使煤粉的挥发分含量升高,可有效地改善其着火与燃烧过程.挥发分对煤粉着火与燃烧过程的影响还表现在火焰传播速度上,在相同的气粉比条件下,挥发分升高,煤粉火炬中火焰传播速度显著提高,从而火焰的扩展条件改善,着火速度提高,燃烧的稳定性增强.
(4)随着煤粉的细化、超细化,煤中含无机硫的矿物质的解离度更大,所以全硫分析中硫元素的析出随着颗粒粒度的减小有所增加.(5)煤样颗粒粒度是进行煤样工业分析时不可忽视的一个重要参数,是影响煤微观颗粒结构的一种宏观外在体现,从它入手可以构建全面表征煤粉的宏观特性与微观特性体系.
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1999年第24卷
参考文献:
[1]　孙学信,陈建原.煤粉燃烧物理化学基础[M ].武汉:华中理工大学出版社,1991[2]　范从振.电厂锅炉原理[M ].北京:水利电力出版社,1984
作者简介:
姜秀民(1956-),男,辽宁昌图人,教授,国际能源基金会国际顾问委员会委员.长期从事煤的清洁高效燃烧理论与技术的研究工作,在循环流化床燃烧理论与技术及油页岩、泥炭、低热值褐煤,生物质燃料的燃烧理论及应用研究方面取得了一系列成果.完成国家科技攻关项目2项,省部级重点科研项目及应用研究项目30余项.将科研成果应用于生产实践开发出的4种新型循环流化床锅炉获国家级节能产品证书.获省部级科技成果奖5项,国家发明与实用新型专利6项.在国内外公开发表学术论文60余篇.
The influence of particle size on compositions analyzing
and combustion characteristics of pulverized coal
JIANG Xiu -min 1
,LI Ju -bin 1
,QI U Jian -rong
2
(1.Northeast Institute of Electric Power Engineer ing ,Jilin 132012,Ch ina ;2.Huaz hong University o f Science an d Technology ,Wuhan
430074,C h ina )
A bstract :Experimental investigation and theoretical analy zing has proved that there are great influence of parti -cle size on compositions analyzing characteristics ,and till further influence py roly sis ,ig nitability ,combustion and burnout characteristics .Pulverized coal particle size is a very im portant physical parameter fo r compositions analy zing characteristics and its combustion system design .Experimental investigatio ns are based on four differ -ent particle size coals taken from Heshan and Jincheng respectively ,their particle size analysis by M alvern grain structure analy sis apparatus ,their proximate analy sis by MAC -500meter ,their total surfer analysis by coulometry titration .
Key words :particle size ;coal compositions analyzing characteristics ;pulverized coal ;combustio n characteristics
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第6期姜秀民等:煤粉颗粒粒度对煤质分析特性与燃烧特性的影响。