粒度對混煤燃燒的影響

  摘要：對水泥廠使用的煙煤和無煙煤破碎篩分后進(jìn)行綜合熱分析測試，結(jié)果顯示兩種煤炭混合后的混煤隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區(qū)間逐步向低溫區(qū)偏移，放熱集中程度也有所增強(qiáng)，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。

  國新型干法水泥生產(chǎn)中所用的燃料以煤炭為主，為降低生產(chǎn)成本、提高綜合效益，低揮發(fā)分、高灰分、低發(fā)熱量煤炭的利用受到了越來越多的關(guān)注。大中型水泥企業(yè)普遍使用優(yōu)質(zhì)煙煤和低質(zhì)煤搭配混煤生產(chǎn)，若煤種選擇恰當(dāng)，配比合理，發(fā)揮組分煤種各自的優(yōu)越性，將會給燃煤的安全和經(jīng)濟(jì)性起到良好的作用。

  混煤高效利用的因素較多，從國內(nèi)外的研究情況來看，對煤炭燃燒中粒度影響的國內(nèi)外學(xué)者普遍都比較重視，但研究結(jié)果較為復(fù)雜，對于水泥企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際而言，考查粒度對混煤燃燒的影響具有更實(shí)際的指導(dǎo)意義。

  本文通過綜合熱分析試驗(yàn)考察了水泥廠常用煤種在不同粒度狀態(tài)下的燃燒過程，以反映煙煤和無煙煤粒度變化對燃燒結(jié)果的影響，同時分析了不同粒度的煙煤和無煙煤混合后燃燒特性的變化。試驗(yàn)結(jié)果初步顯示通過煤炭綜合熱分析指導(dǎo)水泥生產(chǎn)配煤具有良好前景。

  1  試驗(yàn)條件

  實(shí)驗(yàn)用煙煤（淮南）和無煙煤（印尼）取自水泥廠原煤堆場，采用德國Netzsch STA449F3 差示掃描量熱儀對各試樣進(jìn)行燃燒測試，工作氣氛為空氣，氣體用量50 mL/ min，升溫速率為20℃/ min，測試溫度范圍RT～1000℃，試樣用量為10±0.5mg。

  2  試驗(yàn)結(jié)果及討論

  實(shí)驗(yàn)首先對兩個煤種測試了其在RT～1100℃內(nèi)的燃燒性能，如圖1和圖3所示。實(shí)驗(yàn)工作氣氛為空氣，氣體用量50 mL/ min，升溫速率為10℃/ min，試樣用量為10±0.5mg。

  為了考察粒度在煤粉燃燒中的影響，隨后的試驗(yàn)將淮南煙煤和印尼無煙煤經(jīng)過破碎、烘干后篩分為三個主要粒徑區(qū)間：125~90um，90~70um，<70um，對各區(qū)間分別測試其燃燒性能。

  （1）煙煤燃燒測試

  圖1  煙煤燃燒測試

  由圖1可見煤樣從室溫開始緩慢失水，至200℃左右基本結(jié)束，伴隨著失重有兩個吸熱峰出現(xiàn)，分別為外水和內(nèi)水的蒸發(fā)，質(zhì)量變化在16%左右。隨溫度升高，揮發(fā)分逐步析出和燃燒，同時由于揮發(fā)分的燃燒放熱焦炭也開始逐步放熱燃燒，由DSC和TG曲線可見雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn)，并在439℃和477℃達(dá)到峰值，隨后還有約2%左右的質(zhì)量減小，一般是少量較大顆粒的煤粉內(nèi)部顆粒逐步燃燒所致，至700℃左右燃燒結(jié)束，總質(zhì)量變化為65.09%。至燃燒結(jié)束最后殘留質(zhì)量為17.29%，該部分主要為煤炭中的灰分。

  圖2   煙煤不同粒度燃燒測試

  由圖2可見，淮南煙煤在不同的粒度區(qū)間內(nèi)燃燒放熱主要區(qū)間變化不大，但是隨著粒度的減小，煤粉的成分發(fā)生了偏析，小顆粒的灰分有所降低，而90um以下顆粒的灰分變化不是很明顯。

  由圖2可見在500~600℃的放熱區(qū)間內(nèi)，DSC曲線中的峰值放熱段隨著粒度的減小出現(xiàn)了增大，相對而言大顆粒的放熱集中度更高。由圖2也可見研磨后煤粉中的細(xì)粉相對粗粉固定碳的著火有所提前，原因主要在于：一是比表面積增大，更有利于揮發(fā)分的析出，促使煤粉顆粒的著火；二是粉碎時不同粒度煤粉的灰分和固定碳含量有所差異。值得注意的是對于不同的煤炭而言應(yīng)通過試驗(yàn)具體考察其成分變化趨勢。

  （2）無煙煤燃燒測試

  由圖3可見該煤樣從室溫開始緩慢失水，至170℃左右基本結(jié)束，伴隨著失重有一個吸熱峰出現(xiàn)，內(nèi)水很少，質(zhì)量變化在1.5%左右。由圖可見在200~400℃的范圍內(nèi)質(zhì)量基本無變化，從410℃左右開始煤粉開始燃燒放熱失重，燃燒峰值溫度約572℃，至700℃左右燃燒結(jié)束，總質(zhì)量變化為65%。至燃燒結(jié)束最后殘留質(zhì)量為33.13%，該部分主要為煤炭中的灰分。

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  圖3   印尼無煙煤燃燒測試

  圖4   無煙煤不同粒度燃燒測試

  由圖4可見，無煙煤在不同的粒度區(qū)間內(nèi)燃燒放熱主要區(qū)間有所變化，其燃燒開始溫度在500℃左右，但隨著粒度的減小，煤粉放熱結(jié)束溫度發(fā)生了較大的提前，粗顆在700℃左右結(jié)束放熱而細(xì)粉則提前到640℃左右。同時也可見不同粒徑的煤粉的成分發(fā)生了較大偏析，隨著粒徑的降低，灰分含量明顯升高。

  （3）混煤燃燒測試

  將破碎篩分后的煙煤及無煙煤按照等質(zhì)量混合后測試混煤的燃燒特性，圖5~7顯示了隨著不同粒徑的煤炭混合的變化趨勢。其中圖5使用的混煤由大顆粒煙煤混合三種不同粒度無煙煤組成；圖6使用的混煤由中顆粒煙煤混合三種不同粒度無煙煤組成；圖7使用的混煤由小顆粒煙煤混合三種不同粒度無煙煤組成。

  由圖5可見在大顆粒煙煤和不同粒徑無煙煤的混煤測試中，隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區(qū)間逐步向低溫區(qū)偏移，放熱集中程度也有所增強(qiáng)，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。對比之前的測試可知，煙煤中大顆粒和無煙煤的小顆?；曳趾扛?，因此由圖2可見這兩種煤種的組合其灰分含量最高。

  圖5  煙煤大顆粒混煤測試

  由圖6可見在大顆粒煙煤和不同粒徑無煙煤的混煤測試中，隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區(qū)間逐步向低溫區(qū)偏移，放熱集中程度也有所增強(qiáng)，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。

  對比圖5可見混煤中的固定碳燃盡溫度隨著煙煤顆粒的減小而向高溫段偏移。由圖5的H1Y3（煙煤大顆粒搭配無煙煤小顆粒）也可見其放熱在500~600℃段內(nèi)達(dá)到高峰，峰值出現(xiàn)在550℃；而圖6中H2Y3（煙煤中顆粒搭配無煙煤小顆粒）曲線可見在500~600℃段內(nèi)放熱也達(dá)到高峰，但峰值不明顯。

  圖6  煙煤中顆粒混煤測試

  圖7  煙煤小顆?；烀簻y試

  由圖7可見在大顆粒煙煤和不同粒徑無煙煤的混煤測試中，隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區(qū)間逐步向低溫區(qū)偏移，放熱集中程度也有所增強(qiáng)，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。

  對比圖5、6可見混煤中的固定碳燃盡溫度隨著煙煤顆粒的減小而向高溫段偏移。從圖7的H3Y3（煙煤小顆粒搭配無煙煤小顆粒）曲線可見在500~600℃段內(nèi)的高峰放熱階段內(nèi)有兩處較為明顯的雙峰出現(xiàn)，這和煙煤大顆粒、中顆粒中類似曲線對比可見其放熱不如之前兩者放熱平穩(wěn)，兩種煤種的小顆粒混合燃燒時更多的體現(xiàn)其單煤種燃燒特點(diǎn)，且這種趨勢在較大顆粒的煤種混合時表現(xiàn)的并不明顯。

  3 結(jié)論與展望

  （1）粒度對淮南煙煤的燃燒起止溫度范圍影響不大，但峰值放熱區(qū)間大顆粒比小顆粒跟集中。隨著粒度的減小，煤粉的成分發(fā)生了偏析，小顆粒的灰分有所降低，而90um以下顆粒的灰分變化不是很明顯。

  （2）粒度對印尼無煙煤的燃燒開始溫度影響不大，但隨著粒度的減小，煤粉放熱結(jié)束溫度發(fā)生了較大的提前。同時也可見不同粒徑的煤粉的成分發(fā)生了較大偏析，隨著粒徑的降低，灰分含量明顯升高。

  （3）混煤中隨著無煙煤粒徑的減小，混煤的放熱區(qū)間逐步向低溫區(qū)偏移，放熱集中程度也有所增強(qiáng)，放熱峰值溫度也有較大程度的降低。

  （4）混煤中無煙煤的小顆粒比煙煤的小顆粒對混煤的集中放熱影響更明顯。

  （5）相關(guān)的試驗(yàn)初步展示了不同粒度狀態(tài)下煤炭的燃燒過程，并顯示通過煤炭綜合熱分析指導(dǎo)水泥生產(chǎn)配煤具有良好前景。

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