论文部分内容阅读
煤炭是我国火力发电的主要能量来源,且这种趋势仍在未来持续一段时间。煤粉/焦的着火特性对锅炉的设计、火焰稳定性的控制、污染物的形成及排放、煤矿及电站锅炉煤堆的自燃研究有重要意义。论文基于谢苗洛夫(Semenov)的热着火理论(TET)和热流型TG-DSC综合热分析技术,研究了煤粉/焦燃烧过程中的特征温度(主要是着火温度)、着火热、释热速率与热加速度及其对应的转化率;并对比研究了热重实验条件下固定床的着火温度及载流煤粉一维炉实验条件下的着火温度,以期获得两者之间的关系并将其发展为具有实际应用价值的研究成果。 首先,基于热重和差示扫描量热(TG-DSC)同步热分析技术,分析热流网络图,建立了煤/焦详细的热分析理论模型,该模型建立了各个温度段煤的热量变化与热天平分析间的函数关系;根据TET着火理论,DSC曲线上的拐点温度即强着火温度Tig点的切线(代表换热函数的切线)对应的环境温度与工业炉的模式壁温度范围十分吻合;提出的热加速度概念,从煤焦反应及热变化的本质特征揭示了拐点温度是煤焦着火的最高温度。 其次,通过TG-DSC实验研究表明,空气气氛下,随着加热速率的增加,DSC曲线的峰值增加,最大释热速率对应的温度则出现滞后,最大释热加速度对应的温度(Tamax)增加,加速度峰值(amax)也随之增加;Tamax越低,amax越高,表明煤焦活性越高;增加制焦温度将导致焦样的着火温度Ti、熄火温度Te、燃尽温度Tb、强着火温度点Tig及最大热流量对应的温度点TDSCmax均增加。随着原煤煤阶的增加,Ti、Te、Tb、Tig及TDSCmax也随之增加。富氧条件下,随着氧气体积分数从21%增加至100%,Tamax呈现出下降的趋势,amax呈上升趋势;相同氧体积分数下(21%),空气气氛amax值大于富氧条件下其值,说明焦样在空气条件下的反应活性较高,随着煤价的增加,Tamax增大,amax递减,表明煤焦反应活性逐渐降低。本文通过对DSC曲线进行分析,得出煤焦的热量释放特性。利用DSC曲线的拐点把煤焦燃烧的反应区间划分为三个不同反应区间:煤焦着火区、煤焦燃烧区及煤焦燃尽区。着火区内包含较为复杂的热量变化,主要有热解热、热容吸热及着火热;燃烧区内主要为可燃质反应释放热量;燃尽区内则主要为剩余可燃质的燃尽及灰分热容吸热。不同反应区间内,煤焦释热加速度与温度之间呈线性关系,利用释热加速度梯度值这一概念定量分析煤焦释热加速度与加热速率的关系。 再者,本文使用TG-DSC综合热分析仪研究不同煤阶的七种煤粉的燃烧特性。研究结果表明,煤粉低温着火主要发生在150℃~200℃温度段;吸氧增重与加热速率之间呈反比关系,加热速率提高导致吸氧增重下降。煤粉氧化反应后的最大热流量及释热加速度随加热速率的增加而增加,相同加热速率下,随着煤阶增加,释热加速度减小。煤粉在达到着火温度Ti时,随着煤阶的增加,失重随之降低。通过煤粉达到强着火点时的燃尽率来计算煤粉着火时所需的风量,即一次风量。均相着火一次风量为其挥发分燃烧所需的风量,异相着火一次风量包括挥发分着火及部分碳着火所需的风量。通过计算得出热重实验中得出的一次风率与燃煤锅炉中常用的一次风率有一定的关系。随着煤粉挥发分含量的增加,一次风率逐渐增加,TG-DSC实验得出的一次风率值在手册推荐的数据范围内。 最后通过高温载流煤粉一维炉研究不同煤粉燃烧的行为特性。结果表明,煤粉的着火温度随着煤粉中挥发分增加而降低,贫煤的着火温度高于烟煤的着火温度。着火距离所表现出的趋势与着火温度相一致,随着煤阶增加而增加。根据一维炉中得出的着火温度与热重实验得出着火温度对比,得出虽然加热条件与流动条件有所不同,但根据理论计算得出的TG-DSC条件下的极限强着火温度Tig,max与本一维炉实验条件下的着火温度偏差约为30~100℃,得出热重条件下的极限强着火强温度与流动条件下的着火温度的变化趋势相一致。