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循环流化床锅炉飞灰残碳燃烧特性的实验研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第31卷第1期 煤 炭 转 化 Vo1.31 No.1 2008年1月 C()AI C()NVERSION Jan.2008 循环流化床锅炉飞灰残碳燃烧特性的实验研究 罗海华" 张世红 ’ 陈汉平 ’ 刘德昌。’ 杨海平 ’ 摘 要 采用了浮选法从循环流化床锅炉飞灰中提取残碳,在德国NETZSCH公司的STA4O9 型热分析仪上研究了原煤与飞灰残碳的燃烧特性的差别,并研究了两种飞灰残碳在不同氧浓度下 的燃烧行为.实验结果表明:飞灰残碳的反应性温度以及着火温度较原煤高,残碳的反应活性并不 仅仅依赖其入炉煤,还与电厂的具体燃烧工况有关.随着氧浓度增大,飞灰残碳的着火温度呈下降 趋势,着火时间提前,飞灰残碳的综合燃烧特性指数提高;"3氧浓度小于4O 时,飞灰残碳燃烧特性 -改变较大,"3-氧浓度大于4O 时,改善趋势变缓.因此采用膜法富氧燃烧时,宜采用的氧浓度为4O 左右. 关键词 循环流化床,飞灰,残碳,TGA,燃烧特性 中图分类号TQ534,TQ051.1 3 0 引 言 1 实验部分 循环流化床锅炉(CFB)技术由于其煤种适应性 好和低成本污染排放控制等优点,在我国得到了快 实验在德国NETZSCH公司的STA409型热分 速发展,但同时在循环流化床锅炉运行中也出现了 析仪上进行,采用SiC质平坩锅 ],以利于样层表面 一些问题,对于中小型循环流化床锅炉来说,飞灰含 的气体扩散.实验采用的升温速率20 C/min,温度 碳量偏高是比较普遍的问题之一.口 ]CFB锅炉飞 从室温升至1 000 C,样品质量为10 mg4-0.5 mg, 灰含碳量高不仅降低了锅炉燃烧效率,增加了能源 试样粒径为45 m~65 m.炉内气氛为氮气和氧气 损失,而且飞灰含碳量过高了其在水泥和建筑 的混合气体(100 mI /min).原煤与飞灰残碳燃烧特 行业的应用._3“ 因此,研究人员一直在寻找更经济 性对比实验混合气体比为40/60,氧浓度变化对燃烧 实用的解决办法.随着膜法富氧技术的成熟发展,研 特性的影响实验混合气体比为(20/80,30/70,40/ 究飞灰残碳在富氧条件下的燃烧特性,对CFB锅炉 60,70/30).实验煤样开封煤(KF)和分宜煤(FY)直 高含碳飞灰处理和利用有十分重要的意义. 接取自电厂炉前,其工业分析见表1. 热分析是国内外研究燃烧特性最常用的方法之 表1 开封煤与分宜煤的工业分析 Table 1 Proximate analysis of KF and FY coal 一,是利用热天平在程序升温条件下,研究质量随时 间温度的变化,从而分析燃烧过程的一种方法.通过 计算机进行数据采集和处理,就可以得到一些燃烧 的特性值,如着火温度、燃尽温度、燃尽时间、最大失 重温度、最大失重率、燃烧前期和后期的燃烧量等, 实验飞灰取自开封(KF)和分宜(FY)两家电厂 通过这些数据组合形成的判别指标,可以很好地对 的尾部烟道后静电除尘器处.由于飞灰中的碳相对 燃烧特性进行评价.本文针对分宜410 t/h和开封 较少,为了减少测试中灰和矿物质对残碳燃烧反应 440 t/h循环流化床锅炉飞灰残碳,采用热质量分析 性的影响,减少燃烧扩散阻力,实验前对飞灰中的碳 法对两种飞灰残碳和对应原煤进行了燃烧特性的比 进行了必要的富集._6 本文采用浮选法_7 从飞灰中 较,然后对氧浓度变化对燃烧特性的影响进行了研 提取残碳,得到飞灰残碳样品,其工业分析见第62 究,得到了一些可供应用的结论. 页表2. *国家自然科学基金资助项目(50721005). 1)硕士生;2)博士、教授;3)教授;4)博士、讲师,华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,430074湖北武汉 收稿日期:2007—09—04;修回日期:2007—11-20 维普资讯 http://www.cqvip.com 煤炭表2飞灰残碳的工业分析 Table 2 Proximate analysis result of the residue carbon in fly ash 2 结果与讨论 2.1 飞灰残碳与原煤燃烧特性的比较分析 采用Best等 提出的定义比较反应性:在TGA 1 实验中,记失重份额对时19的微分为R一一 × d w,其中 为样品瞬时质量,则R=0.11/rain时对 应的温度定义为表征反应性温度7 表征反应性温 度7’ 越小,说明该物质的反应性越好. 两种残碳和原煤的TG和DTG曲线见图1和图 2.入炉煤与飞灰残碳的TGA特征温度见表3. , .曼 巨 承 图1分宜煤残碳和原煤的TG和DTG曲线 Fig.1 TG and DTG curves of FY residue carbon (FY RC)and original coal(FY OC) ■——Residue carbon;口——Original coal 表3入炉煤和飞灰残碳的TGA特征温度 Table 3 TGA characteristic temperatures of original coal(OC)and residue carbon(RC)in fly ash Sample Ti/C 7"or/C 7"m ̄x/C 7’h/C V… V… FYOC 462.3 475.2 518.7 583.6 11.1 7.8 FYRC 56O.2 570.3 604.7 659.1 17.1 12.8 KFOC 495.3 520.6 538.8 599.6 12.4 9.6 KFOC 508.7 527.3 549.4 627.8 15.6 10.1 由表3可知,两种残碳的着火温度及表征反应 性温度均比相应的原煤高,说明残碳的燃烧反应性 较原煤差.由图1和图2可以看出,两种残碳着火后, 最大燃烧速率比原煤要大,整个燃烧过程的平均燃 烧速率也比原煤快.原因是残碳具有比原煤大得多 转 化 2008年 看 术 图2开封煤残碳和原煤的TG和DTG曲线 Fig.2 TG and DTG curves of KF residue carbon (KF RC)and original coal(KF OC) ■一一Residue carbon;口——0riginal coal 的比表面积,氧气扩散能力较入炉煤要强,从而残碳 的燃烧速率较快.综合分析,残碳的着火温度较高, 需要采取措施保证其着火;虽燃烧速率较快,但燃尽 温度较高,燃尽时间较长,需要残碳在炉内停留更多 的时间,这表明残碳燃烧反应性较入炉煤差;另外, 由表3可知,尽管分宜原煤的着火温度及表征反应 性温度 低于开封人炉煤,但分宜残碳的着火温度 及表征反应性温度丁 反而高于开封残碳,这说明残 碳的反应活性并不仅仅依赖其原煤,还与电厂的具 体燃烧工况有关,因为分宜电厂循环流化床锅炉采 用飞灰再循环技术,其残碳在炉内停留时间较开封 残碳长,分宜残碳经过长时间的热解和燃烧,反应性 降低得更多. 2.2氧浓度对飞灰残碳燃烧特性的影响分析 本文采用西安热工院与普华燃烧研究中心共同 制定的着火稳燃特性指标R _5 对飞灰残碳燃烧稳 定性进行比较. R 一560/T.+650/T +0.27(dw/dt) (1) 式中: 为飞灰残碳的着火温度, C;r, 为飞灰残 碳燃烧最大失重峰温度, C;(dw/dt) 为飞灰残碳 燃烧最大失重速率,S-1.R 值越大,表明飞灰残碳 的燃烧稳定性越好. 为了全面评价飞灰残碳的燃烧情况,引进描述 燃烧特性指数尸进行描述_g]: P一—(dw/dt)m ̄(dw/dt).... f 1 —’ ’… h 式中:尸为燃烧特性指数;(dw/dt max为最大燃烧速 率,S一;(dw/dt) 为平均燃烧速率,S_。;Ti为着火 温度,C;7 为燃尽温度,℃.P值越大,表明飞灰残 碳的综合燃烧特性越好. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 罗海华等 循环流化床锅炉飞灰残碳燃烧特性的实验研究 两种飞灰残碳在4种不同氧浓度下的TG和DTG曲线见图3和图4所示. 图3分宜飞灰残碳的TG和DTG曲线 Fig.3 TG and DTG curves of FY residue carbon in different oxygen concentrations a…TG:b——DTG ■——2O ;◆——30 ;▲——40 ;V——70 100 2o0 300 400 500 6OO 700 800 9OO l 000 Ty℃ 图4开封飞灰残碳的TG和DTG曲线 Fig.4 TG and DTG curves of KF residue carbon in different oxygen concentrations a——TG.b——DTG ■——2O ;◆——30 ;▲——40%;V——70 氧浓度与着火温度的关系见图5,从图5可以看 残碳的着火提前.而当 (O)由40%变化到70%时, 着火温度无明显下降,说明过高氧浓度对飞灰残碳的 着火温度下降趋势不明显.这一点与樊越胜等 研究 氧浓度对神木烟煤着火温度的影响结果是一致的. 氧浓度与最大燃烧速率的关系见图6,由图6可 .P(0),% 图5氧浓度与着火温度的关系 Fig.5 Influence of oxygen concentration on residue carbon ignition temperature ■——KF residue carbon;●——FY residue carbon 出,随着氧浓度的增加,开封和分宜飞灰残碳燃烧着 图6氧浓度与最大燃烧速率的关系 火温度71 呈先快后慢的下降趋势,但不同飞灰残碳 Fig.6 Influence of oxygen concentration 敏感程度不一样,在当 (O)由20 变化到40%时, on residue carbon combustion rate 着火温度分别下降了47.2 C和32 lC,说明富氧可使 ●——KF residue carbom●——FY residue carbon 维普资讯 http://www.cqvip.com 64 煤炭转化 2008年 知,随着氧浓度的增加,两种飞灰残碳的最大燃烧速 氧浓度再增加对残碳的燃烧速率影响较小.原因可 率先快后慢地增加.开封残碳最大燃烧速率随氧浓 能是提高氧浓度时,促进了参与燃烧的氧分子向碳 度的影响较分宜残碳大,氧浓度为20%时,开封残碳 粒表面的转移与扩散,加快了燃烧速率,但与此同 的最大燃烧速率低于分宜残碳近5%/rain,随着氧 时,残碳的燃烧速率还受到了化学反应能力的, 浓度提高,两者的最大燃烧速率差距越来越小,氧浓 因而氧浓度对燃烧速率影响是有限的. 度到70%时,两者的最大燃烧速率几乎相等.氧浓度 随着氧浓度的增加,两种飞灰残碳燃烧稳定性 在20 9,6~40%区间内对残碳的燃烧速率影响较大, 指数都逐渐增加(见图7),由图7可以看出,当氧浓 图7残碳燃烧稳定性和燃烧特性指数与氧浓度的关系 Fig.7 Relation between R ,P and oxygen concentration ■——KF residue carbon;●——FY residue carbon 度40 9,6~70%时,燃烧特性指数增加幅度比氧浓度 低于40 时指数增加幅度小,说明一定量氧浓度无 3 结 论 论对提高飞灰残碳的着火稳燃还是对改进整个燃烧 1)残碳的着火温度以及表征反应性温度较高, 特性具有显著的效果,但氧浓度太高,改善效果不是 虽燃烧速率较快,但燃尽温度较高,燃尽时间较长, 很明显.由此可见,采取富氧燃烧降低了残碳的着火 需要残碳在炉内停留更多的时间,从而残碳燃烧反 温度,加快燃烧反应速度,提高了残碳的燃烧反应 应性较入炉煤较差. 性.但是随着氧浓度的继续增加,氧浓度对残碳的燃 2)残碳的反应活性并不仅仅依赖其入炉煤,还 与电厂的具体燃烧工况有关. 烧特性的影响越来越小,对残碳燃烧特性改善最佳 3)随着氧浓度的增加,飞灰残碳的着火温度均 的氧浓度为40%左右,结合膜法富氧在氧浓度40 降低,残碳易着火燃烧,使其燃烧时间缩短,表征飞 范围具有良好的经济性以及此法已经在很多小型锅 灰残碳着火稳定性指数R 和综合燃烧特性指数P 炉上应用取得的效果[1 ],相信采用膜法富氧燃烧 增加,这种趋势都变缓.在采用膜法富氧燃烧时,最 飞灰残碳将会在实际应用上产生很好的效果. 佳的氧浓度范围为30%~40%. 参 考 文 献 [1] 吕俊复,张守玉等.循环流化床锅炉的飞灰含碳量问题口].动力工程,2004,24(2):170—175. E2]张守玉,王文选,杨玉来等.锅炉飞灰燃烧特性实验研究EJ].煤炭转化,2003,26(4):65—68. [3]于广辉,路霁钨,郭庆杰等.循环流化床锅炉飞灰残碳生成机理研究[J].煤炭转化,2000,23(3):19—25. [4]Blackstock T H,Tyson S S.Present Status and Future Initiatives Regarding Coal Ash Utilization in the United States Author Affiliation[c]∥Proceedings of the American Power Conference 2.IIT Illinois Inst of Technology.American Coal Ash Assoe Source,1996:1O52—1054. [5]孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方法[M].北京:中国电力出版社,2002. [6]Hurt R,Gibbins J.Residual Carbon from Pulverized Coal Fired Boilers:Size Distribution and Combustion Reactivity口].Fuel, 1995,74(4).47】一480. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 罗海华等循环流化床锅炉飞灰残碳燃烧特性的实验研究 65 [7] 余泉茂.利用浮选法从粉煤灰中提碳提高粉煤灰质量的研究[J].南昌大学学报,2001,23(3):82—85.  P E,Solomon P R,Serio M A et a1.The Relationship Be[8] Besttween Char Reactivity and Physical and Chemical Structural Features[J].Prepr Pap Am Chem Soc,Div Fuel Chem,1987,32(4):138—146.  [9] 姜秀民,李巨斌,邱健荣.超细化煤粉燃烧特性的研究[J].中国电机工程学报,2000,20(6):71—78.[1o] 樊越胜,邹峥,高巨宝等.富氧气氛下煤粉燃烧特性改善的实验研究[J].西安交通大学学报,2006,40(1):19-20.  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EXPERIMENTAL RESEARCH oN CoMBUSTIoN CHARACTERISTICS oF RESIDUAL CARBoN oF FLY ASH FRoM CFB BoILER Luo Haihua Zhang Shihong Chen Hanping Liu Dechang and Yang Haiping (State Key Laboratory Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,430074 Wuhan) ABSTRACT The residual carbon involved was extracted from Kaifeng(440 t/h),and Fenyi (410 t/h)CFB boiler fly ash by floating.The combustion characteristic of two residual carbons and the original coal particles was analyzed using thermal analysis(TGA,STA409C,Netzsch, Germany).It was observed that the ignition temperature of the residual carbon is much higher than that of original coal sample.The combustion property of residual carbon reaction is not only dependent on original coal property,it also relates to the operating condition.Simultaneously it was found that higher oxygen content is favor for the upgrading of combustion behavior of residual carbon,and oxygen—rich combustion of residual carbon can lower ignition temperature, accelerate the combustion rate.It can be derived that oxygen concentration of 40 is the optimal chose to improve combustion characteristics residual carbon best. KEY WORDS CFB boiler,fly ash,residual carbon,TGA,combustion characteristic 

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