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基于不同掺混方式的混煤燃烧特性研究

文档作者：默会龙		点击数：	更新时间： 2021年07月06日
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长沙理工大学
硕士学位论文
基于不同掺混方式的混煤燃烧特性研究
姓名：默会龙
申请学位级别：硕士
专业：动力机械及工程
指导教师：刘亮
20090401
摘要
由于煤炭资源供应紧张、交通运输能力不足，电力燃用低质煤的政策等导致
燃煤电站锅炉很难稳定的燃用设计煤种。为了尽可能的降低成本，满足国家污染
物排放政策的规定，越来越多的电厂开始燃用掺加低质煤的混煤。混煤燃烧是一
个极其复杂的物理化学过程，在其煤粉燃烧过程中，各煤种的煤粉之间相互影响，
相互制约，使混煤表现出不同于单一煤种的燃烧特性。由于煤种的多变、并且偏
离设计煤种，这样就给锅炉的安全运行带来了诸如燃烧稳定性差、结渣、污染物
排放量升高等问题。因此研究混煤燃烧特性对于解决出现的问题和更好的发挥混
煤的优越性，以及锅炉设计和燃烧过程的控制都具有重要的意义。近年来对混煤
燃烧特性的研究越来越多，但是很少有人进行不同掺混方式对混煤燃烧特性影响
的研究。
本文定义了两种不同的掺混方式，第一种掺混方式“先磨后混”：单独磨制原
煤然后混合各单煤粉而得到混合煤粉；第二种掺混方式“先混后磨”：原煤混合后
直接磨制得到混合煤粉。选取了湖南某电厂的一种典型无烟煤和一种典型烟煤，
从两种不同掺混方式入手，进行了煤粉的工业分析实验、粒度分布实验、热重实
验以及卧式煤粉炉燃烧试验。
工业分析实验中发现混煤中的挥发分含量随着平煤天安含量的增加而增加，
先磨后混掺混方式所得混煤的挥发分含量高于先混后磨方式。粒度分布实验中发
现先磨后混掺混方式下的混煤中细粉比例较先混后磨方式的多。
热重实验中对两种不同掺混方式下混煤着火温度、燃烬温度、最大失重速率
及其对应温度进行研究，并且利用可燃性指数、稳燃指数以及综合燃烧特性指数
验证不同掺混方式的优劣，研究了不同掺混方式对混煤燃烧特性的影响。从
A仃henius定律出发，采用Coats．Redfem积分法对不同掺混方式下混煤的燃烧动力
学参数进行计算；得出本文实验条件下一级反应并不适合所有试样，并且利用求
出的活化能和频率因子进一步验证第一种掺混方式优于第二种方式的结论。通过
在某电厂中的工业试验，更进一步的说明了第一种掺混方式的优越性。
总之，通过工业分析实验、粒度分布实验、热重实验以及卧式煤粉炉燃烧半
工业试验和电厂工业试验可以得出第一种掺混方式下混煤的燃烧特性优于第二种
掺混方式。
关键词： 掺混方式、混煤、燃烧特性混煤、热重分析、动力学参数
Abstract
Because of the shortage of coal resources and trafhc capability in China and the
policy of low—rank coal combustion in power plant，the PC-fired boiler cannot be used
coal under design．More and more power plant began to use the blended coal to saVe
energy and decrease pollution． The blended coal combustion is an extraordinary
complex physicocmemical process．During the combustion of blended coal， the coals
af．fect each other， so the blended coals exhibit the diff．erent combustion characteristic
疔om the single coal．The variety of combustion coal brings many new problems which
influence the safety of boiler operation，such as 10w stability of combustion， hi曲
possibility of slagging easily etc．．Therefore，it’s necessary to stlldy the combustion
characteristics of blended coal in order to s01Ve problems and take adVantage of
blended coal．Understanding the combustion behaViour of blended coal is of utmost
importance for the design of boilers and control of the combustion process．In recent
years there has been an increasing utilization of coal blends f．or combustion，but less
stlldy on the possible interactiVe ef-fects by the dif．ferent blended way during
combustion characteristics of the indiVidual conlponents has done yet．
There are two dif．ferent blended ways，one is”blended single powdered coal”：
blended the pulVerized coal that is obtained by grinded the single coals respectiVely'
the other is’’blended raw coal¨：blended the raw coals then grinded them to obtain the
blended coal．In this thesis，proximate analysis experiment，panicle size distribution
experiment，the肌ograVimetric experiment and a horizontal combustion test-bed test
are used to inVestigate combustion perflomance of bituminous auld aJltllracite，which
are taken行om a Power plant in Hunan ProVince．
It is concluded in the proximate analysis experiment that with the increase of the
bituminous content in the bIended coals，the volatile content increases，and the v01atile
content of the blended coal obtained by the first blended way is better than its obtained
by the second blended way．In the particle size distribution experiment，it is concluded
that the fine particles of the mixed coal powder obtained by the f；irst blended way is
more than those obtained by the second blended way：
The research of the ignition temperature，the bumout temperature，the maximum
mass loss rate and the co玎esponding temperature were inVest追ated by
themo盯aVimetric analysis． The thesis used the paf啪eters of the fl锄啪ability
index(G)、comprehensive discrimination index(回and combustion stabilized index(G)
to evaluate the blended coals that were mixed with two dif．ferent blended ways．At the
Il
same time the effbct of dif．f．erent blended ways on the combustion were analyzed．
Coats—Redf．em integral method was used to obtain the kinetics of the complex
combustion process． It is concluded that the reaction progression obtained in this
experiment condition wasn’t fit for all the samples，and it is如rther Validated by the
actiVation energy and the f}equency f．actor that the first blended way is better than the
second blended way．In the end，the superiority of the first blended way was fhnher
made out by the practical expe—mental results in a power pl ant．
In a word， It is concluded by proximate analysis experiment， particle size
distribution experiment，themograVimetric experiment锄d the horizontal combustion
test-bed test and the industnal field test that the combustion characteristics of the
blended coal obtained by the行rst blended way is better than those obtained by the
second blended way．
Keywords：blended way； blended coals；combustion characteristics； TGA；
“netics parameters；
111
长沙理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取
得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其
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人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果
由本人承担。
作者签名：≮歇佘艺日期：矽，年j，月／夕日
学位论文版权使用授权书
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校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查
阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入
有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本
学位论文。
本学位论文属于
l、保密口，在年解密后适用本授权书。
2、不保密团。
(请在以上相应方框内打“√")
作者签名：啄瓜芝日期：砷年，月
导师签名： 日期：溯年
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日
r月一日
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吵
1．1引言
第一章绪论
能源不仅是实现全球经济可持续发展的重要保障，同时也是人类赖以生存的
基础。能源是我国实现农业、工业、国防以及科学技术现代化和提高、改善人们
生活水平的必要条件，是现代化生产的主要动力和重要原材料的来源。因此作为
我国能源中的煤炭就是一种重要且宝贵的资源。
世界能源消费中，随着经济的发展，能源消费结构在不断变化，国内外学者
对世界能源发展与结构变化趋势进行大量研究得出：在过去160年世界先后出现
过三个能源发展阶段，l 880年前基本上是以生物质燃料为主，l 850～1930年煤炭
消耗比例增加最多，1930～1980年石油消耗比例增加最多【11。在50年代到60年
代前期，煤炭的消费占居了第一位，达到50％以上，到了60年代后期，煤炭消耗
量退居第二位，实行以油、气为主的能源结构，到了1996年，石油、天然气、水
能、核能等优质能源占了73％，煤炭消耗在逐渐缩小。据预测，未来20年内，世界
能源消费量年均增长为2．0％，而煤炭的增长率为1．7％，低于平均水平【21。
我国是世界能源消费大国，而我国的能源结构却很不合理。2003年我国GDP
只占世界的4％，重要资源消耗所占世界比重却很高，石油为7．4％、原煤31％、
钢铁27％、氧化铝25％【3】。统计资料显示，2007年中国的GDP占世界GDP的比
重大约为7％，却消耗了超过全球总产量20％的主要能源和原材料。长期以来，我
国的能源消耗一直以煤炭为主，煤炭消耗占我国能源总消耗量比重高达75％，而
美国这一比重只有27．4％，日本为23．6％，英国为32．3％，法国为10．6％，是世界
上这一比重最高的国家。有数据显示，1996年我国煤炭消费量占世界煤炭消费量
的29．5％，在一次能源消费构成中，煤炭占据了绝对主导地位，所占比重高于75％，
到2010年比重下降为约60％，至2050年，则再降为约50嘣4。6】。目前，我国煤炭
年消耗量在12亿吨左右，已经成为世界煤炭消费的第一大国。
我国的能源矿产探明可比储量约占总值的11％，资源总量居世界第三位，其
中石油的储量为1041亿吨，居世界第十一位；天然气的储量为47万亿m3，居世
界第十四位；水利资源理论储量6．8亿kW，其中可开发储量3．8亿kW，可达到年
发达量1．9万亿度，均居世界之首；煤炭探明储量为10229亿吨，居世界第二位。
煤炭是世界上最丰富的燃料，占世界一次能源的23％。我国是世界上最大的煤炭
生产国和消费国，占世界煤炭总量的24．3％，占一次能源总产量的68．2％，占一次
能源总消费量的67．1％17’8J。
我国77％的发电能源、65％的化工原料、45％的民用商品能源都是由煤炭提供。
丰富的煤炭资源和我国历史、经济方面的条件相结合，形成了我国能源结构以煤
为主的格局【9】。并且，在今后相当长的时间内，这种以煤为主的能源结构不会发生
很大的变化。在20世纪50年代，全国煤炭消耗量为2000～10000万吨，在60—70
年代，煤炭消耗量为1～4．50亿吨；自1980年开始，煤炭年消耗量达8亿吨。特别
是进入“十五”以来，随着我国经济的快速发展，煤炭需求量大幅度增加，2003
年我国煤炭消费量为15．8亿吨，其中火电厂(含供热)燃煤量约为8．5亿吨，比2000
年增长了44％，占我国煤炭消费总增长量的80％。2004年，我国煤炭消费量达到
19亿吨，其中发电煤炭消费量8．63亿吨，比2003年增长了13．6％。2005年我国
的煤炭消费量达到21．4亿吨f】叽坦】。煤炭消费的增长速度大于能源消费的增长速
度，据《BP世界能源统计2007》显示，2006年，我国煤炭消费量较2005年增长
了8．7％，占据全球煤炭消费增长的七成多。按照目前的发展态势，中国已成为世
界第二大能源消费国、第一大煤炭消费国。
随着我国经济的快速发展，近年来，中国电力工业取得了迅猛的发展。2004
年发电装机容量比1980年提高了5倍以上，2005年全国电力装机突破5亿千瓦，
2006年底全国总装机突破6亿千瓦(仅次于美国，位居世界第二位)¨¨。电力监管
2007年度度报告指出，截至2007年底，全国发电装机容量达到71329万千瓦，同
比增长14．36％。2003～2007年5年中增加电力装机容量接近于此前52年的总和。
根据中国电力工业最新发展规划，到20lO年，全国电力装机总容量将达8．4亿kw。
随着电力工业的迅猛发展，中国以燃煤发电为主的格局在很长的一段时间内不会
有很大的变化。
我国煤炭资源在地理分布上的总格局是“西多东少、北富南贫一。目前经济欠
发达的山西、内蒙古、陕西、新疆、贵州、宁夏等6省(自治区)，其煤炭资源总量
为4．19万亿t，占全国煤炭资源总量的82．8％。而我国经济最发达，耗用煤量最大
的京、津、冀、辽、鲁、苏、沪、浙、闽、台、粤、琼、港、桂等14个东南沿海
省(市、区)，其煤炭资源量仅为O．27万亿t，仅占全国煤炭资源总量的5．3％，相对
而言资源十分贫乏【I 31。显而易见，我国存在煤炭资源赋存丰度与地区经济发达程
度呈逆向分布的特点，形成煤炭基地远离煤炭消费市场、煤炭资源中心远离煤炭
消费中心的现状，从而导致我国煤炭运输形成“北煤南运、西煤东运”的格局。
我国东、中、西部经济发展的不平衡在短时间内将难以消除，而东部缺煤地区由
于开采程度高、资源逐渐枯竭，煤炭供应方面依赖西部地区的现象将更加突出。
当前我国电力紧张，电煤消耗的不断增加，又由于我国所特有的资源分布所
导致的煤炭供应不足，另外我国的动力用煤煤质逐年下降，以及运输能力不足和
国家有关对锅炉等燃烧设备尽量燃用劣质煤的政策等原因，造成用煤企业不可能
燃用单一煤种，而不得不燃用2种或2种以上的混煤。一般来说，混煤燃烧时，
如果煤种选择恰当，配比合理，混合均匀，创造良好的燃烧条件，发挥组分煤种
2
各自的优越性，取长补短，就能给电厂的安全运行、经济性、环保性带来良好的
影响，同时也能使新建电厂有更大的选择余地，能允许操作系统对电厂参数做出
更好的控制，可以为适应不断变化的操作做一定限度的翻新改进【l41。
动力配煤的基本原理是利用各种煤在性质上的差异，通过混合后，实现相互
取长补短，发挥各掺配煤种的优点，使最终通过掺混所获得的混煤在综合性能上
达到用户要求的最佳性能状态。混煤本身是～种物理掺混的结果，然而由于燃烧
等过程的化学作用使得混煤的性质与单煤相比发生了变化，在一定程度上这种变
化难于预测。由于混煤的燃烧特性并不是组分煤种的简单叠加，再加上单一煤的
组成及特性不同，混煤中不同的组分颗粒在燃烧过程中相互影响、制约，使得混
煤的煤质特性比单一煤更复杂，从而难以简单地由掺混比例预知其特性。目前混
煤的燃烧更多的依赖于操作者的经验，由于对混煤的特性缺乏足够了解，致使许
多电厂在燃烧混煤时配置不当，出现诸如：燃烧设备运行水平下降、着火困难、
燃烧不稳定、飞灰含碳量增高和容易结渣、积灰加剧、污染物排放量增加等问题，
这些问题影响了机组的安全、高效和经济运行。因此，研究混煤燃烧的特性就具
有重要意义。
1．2混煤燃烧特性的研究手段
动力用煤的燃烧特性主要是指煤的着火特性、挥发分析出特性、燃烬特性、
热解特性、表面积和孔隙特性、积灰结渣特性和污染物的排放特性等。对锅炉安
全经济运行，晟重要的是煤的着火稳定性、燃烬性和结渣特性。
热分析是国内外研究煤燃挠特性最常用的方法之一。它利用热天平在程序升
温条件下，研究煤的质量随时间温度的变化，从而分析煤的燃烧过程的一种方法。
通过计算机进行数据采集和处理，就可以得到一些煤燃烧的特性值，如着火温度、
燃烬温度、燃烬时间、最大失重温度、最大失重率、燃烧前期和后期的燃烧量等，
通过这些数据组合形成的判别指标，可以很好地对燃烧特性进行评价。此外，近
年来热天平与气相色谱仪(Gc)、付里叶变换红外光谱仪(FTIR)等设备的联用研究热
解产物，使得对煤燃烧过程及污染物的排放特性的研究成为可能。
滴管炉常用来研究煤的燃烧过程，燃烬特性与S0x和Nox、微量元素的排放
特性等。近些年来，有的国家也开始用直管燃烧炉(DTF)来研究煤的积灰结渣特性，
DTF也是获取实际燃烧动力学参数的有力手段。在我国的几个主要研究机构中，
利用沉降炉来研究煤的燃烧特性与污染物排放，其优点是易于控制和取样。
激光法【l 5J是将煤粒子粘附在热电偶尖端，用激光打在煤粒子上测量着火时的
粒子表面温度。此试验可探讨以表面反应为主进行的扩散动力燃烧机理，碳粒燃
烬时间和初始当量直径的关系，碳粒燃烧过程中表面温度的变化规律，活化能、
指前因子等参数对燃烧过程的影响等。通过对碳／炭粒表面氧化反应生成物CO／C02
比值的研究，从而更好地解决碳／炭粒着火的极限模拟问题。
用石英玻璃管流化床，电加热，配置傅立叶远红外色谱仪对烟气进行在线检
测，通过对烟气成分和烟气量的计算，得到脱除挥发分的焦炭的反应速率。同时
由于挥发分很少，也可以根据C02，CO，cH4计算碳的转化率【16】。
1．3混煤燃烧的研究现状
对于混煤的研究在国内外都较为活跃，为了提高锅炉运行的稳定性、经济性
以及安全性、环保性，国内外专家在燃烧机理、混煤方式、掺混比例等方面做了
比较多的理论和实验研究。目前实验室实验主要集中采用单煤和混煤的热解分析、
热重分析，以及电镜扫描、一维炉试烧、流化床、沉降炉试烧等方法；理论研究
方面则致力于构建描述多组分混煤热解、燃烧全过程的数学模型、探求不同煤种
混合最佳比例的优化算法，探讨NOx、SOx以及焦渣生成和发展的内在机理。
1．3．1国外混煤燃烧概况
在国外，由于煤炭生产和消费隶属不同的经营者，利益分开。一般，使用者
会根据锅炉设计煤种购煤，生产者按所产煤质供煤。混煤过程则是在煤矿、中转
单位和煤处理厂完成。三者之间对于混煤的最终特性缺乏沟通，由于利益的关系，
只考虑自己的环节，从而导致了许多问题。
对混煤的研究起始与七十年代，其中发展较好的是美国、日本、德国等国家【17】。
这些国家使用混煤的主要目的是：采用低硫煤与高硫煤混合以降低SOx的排放，
降低锅炉的结渣、沾污和积灰，充分利用高热值煤，保证灰碳含量和发热量稳定
等等。有关混煤的研究主要包括：混合系统和混合方法、混煤着火燃烧性能、采用
混煤方法减轻结渣、采用混煤方法降低NOx及SOx排放量的研究，以及混煤燃烧
设备及燃烧技术的研究。
美国动力用煤大部分为优质煤，在煤粉炉中不存在燃烧问题，因此将精力集
中于污染物排放的控制上。由于美国东部、中部煤含硫较多，而西部煤含硫少，
为了满足SOx排放要求，东部和中部的电厂须使用西部煤或必须安装脱硫装置。
如果采用东部、中部煤掺烧西部煤，既可减少运行费用与脱硫装置，又能满足排
放要求。因此美国在采用混烧降低SOx的排放方面进行了较深入研究。
日本资源短缺的国情决定了其燃料依赖进口，为了减少运费，近几年开始扩
大利用发热量高的无烟煤等低挥发分煤，因而出现了在煤粉锅炉中混烧无烟煤和
石油焦的低挥发分燃料倾向。目前，日本对混烧不同煤种时出现的污染物增加及
未燃损失增加等正在进行深入研究【”】。
德国混煤燃烧起于70年代初。当时，一些烧褐煤的电厂因其质量性能常常偏
离设计指标，使电厂无法满负荷运行。因而采用了在褐煤中掺煤烟煤的方法，通
4
过混烧来提高低热值褐煤的利用价值。近些年，其国内越来越多的专家意识到必
须加强对煤质特性、混煤燃烧特性的研究才能保证混煤的有效性。因此针对混煤
的着火和可磨性等进行分析研究，并对燃用混煤电站的初期投资和运行成本进行
了分析。还有人研究了不同氧浓度下不同细度混煤的着火情况，主要结论是：混煤
的掺混比例对煤的着火有一定影响；在低氧环境中，混煤的着火性随掺混比例变化
的趋势不同；对于粗粒煤，不同的氧浓度下，掺混比例的变化对着火的影响较明显。
J．Haas【l 9】为了寻找混煤燃烧特性与组分煤种燃烧特性的对应关系，通过在绝
热反应炉中对六种单煤及十五种混煤的试验研究发现：两种烟煤混合时，灰熔融
特性、挥发分和固定炭是一种线性关系。其他的如高挥发分物质在绝热反应器中
试验时，析出N和焦炭燃烧也是线性的关系。烟煤和褐煤组成的混煤，其挥发分
析出是非线性的。由此最终得出因为挥发分中的矿物质可能和第二种煤的矿物质
发生了反应，导致混煤的无机物相图是非线性的结论。
D．Peralta【20】为了研究混煤间的相互作用，他设计氧弹式热量计的氧气分压低
于测量发热量时的数值，这就使得反应的继续进行依赖于混煤的特性及相互反应。
并对焦炭残余物的热重结果进行分析表明：混煤的燃烬特性取决于燃烧速率较慢
的煤种。
s．su【2l】从实验室规模及半工业化实验的实验方法和判别指标方法(挥发分、发
热量、煤素质、燃料比、镜质组反射率)入手对前人的研究做了总结得出：大多数
混煤之间都存在相互反应。无烟煤和烟煤混烧，燃烧相对独立；高挥发分和低挥
发分烟煤混烧，组分间的相互作用较为明显。低挥发分煤种或无烟煤中掺烧高挥
发分煤种通常能改善着火和火焰稳定性以及燃烬率。并且挥发分含量可以作为判
别着火和火焰稳定性的指标，通常挥发分含量越高，着火和火焰稳定性越好，但
对低阶、高挥发分煤种并不适合。还得出煤素质指标用来预测着火和燃烬还需要
更多的证据，镜质组反射率能够定性反应混煤的燃烬率【221。
总之，国外根据本国的具体情况对混煤的燃烧特性进行了较为详细的研究，
国外学者所采用的研究方法基本是理论和试验相结合的方法。
1．3．2国内混煤燃烧概况
1．3．2．1热解特性研究
热解是煤燃烧过程的重要初始阶段，这一过程产生的气态分解产物即挥发分
包括C02、CO、CH4、H2、C2H6、重烃类气体及焦油等物质，其中的易燃成分
对着火有着极大的影响；而一些含氮、硫的前驱物则与污染物的形成关系密切。
煤热解特性的研究涉及挥发分的析出特性、析出机理、普遍规律以及与实际炉内
热解的相关关系，有利于指导实际的燃烧。由于热解是煤燃烧过程中重要的初始
过程，对着火有极大的影响，同时对污染物的形成起着重要的作用，因此，对单
煤热解的理论和实验研究受到越来越多人们的重视【23。251。
李永华等【26】利用NETZSCH—STA 409型差热天平，对烟煤的3个单煤种和8
个混配工况通过不同升温速率进行了热分析试验。结果表明：烟煤混煤的燃烧特
性基本处于组分煤种之间，少量混煤的特性不同于组分煤种。在高升温速率的条
件下，燃烬时间短，燃烧猛烈，燃烬温度较高。并且燃烧分布曲线DTG的温度区
域及燃烧峰的高低、形状显示了不同煤种燃烧性能的差异。煤的反应性能越强，
燃烧峰就越偏向低温区；煤的干燥无灰基份额越高，且可反应表面积越大，燃烧
峰就越高；煤的燃烬性能越好，燃烧峰后段就越陡；煤颗粒的膨胀及孔隙率增加
会使后期燃烧速度仍然很高。
平传娟等【27】利用管式电炉做为热解室，改变热解终温，在惰性气氛下对无烟
煤与烟煤的混煤进行快速加热条件下的热解。并采用低温氮气吸附方法研究得出
混煤焦表面形态的变化规律：煤焦的比表面积与煤种及热解温度密切相关。在相
同的热解温度下，三者的焦比表面积无烟煤最高于，烟煤焦居中，混煤最低。并
且混煤焦的比表面积随烟煤掺混比例的增加先增加后减小，最后得出微孔是造成
比表面积变化的关键原因。
平传娟，周俊虎等【28J利用热天平试验测试数据，采用Coats．Redfem积分方法
求解无烟煤和烟煤不同比例混煤的热解动力学参数。实验结果发现在整个活泼热
解阶段，无烟煤和烟煤的活化能与其热解反应性的对应关系发生了歧变，无烟煤
具有较低的活化能，而烟煤具有较高的活化能。并且发现组分煤种对于混煤的热
解动力学参数具有较大的影响；同时由于无烟煤热解活化能与反应性的歧变，不
能仅从活化能的高低来判断混煤热解反应性的高低。
周俊虎等【29】利用热重分析仪和傅里叶红外光谱仪，对混煤在惰性气氛中的慢
速热解特性进行了动态分析，考察了煤种、掺混比例以及加热速率对热解的影响。
结果表明：混煤的热解与单煤的热解有相似之处，热解组分的析出随温度的变化
基本规律一致，但其组分析出量并不是单煤热解析出量的简单叠加，由于掺混煤
种间的相互作用，混煤热解气体在析出时间和析出量上均发生了变化。并且通过
对红外吸收光谱的分析，发现掺混煤种对混煤热解气体析出规律具有很大的影响，
混煤中高活性煤种的存在会降低混煤热解的初析温度，并增加热解气体的析出量，
其掺混比例越高，影响也就越明显，只有合适的掺混比例才能改善其热解特性，
在实际应用应该注意进行适当的燃烧测试。
1．3．2．2混煤燃烧特性研究
煤的着火特性是评价煤粉着火难易程度的重要指标。着火特性首先涉及对于
着火机理的研究，当前均相着火、非均相着火、联合着火基本囊括了煤在各种条
件下的着火情况。在工业煤粉燃烧条件下，最常见的着火方式为联合着火方式，
6
即挥发分火焰直接引燃炭粒，整个煤粉几乎同时着火。煤的着火特性非常复杂，
但对锅炉运行人员来说又极其重要，在目前多数电厂采用混煤燃烧的情况下，掌
握混煤煤粉气流的着火特性，将十分有利于锅炉设备的安全和经济运行。
在整个煤粉燃烧过程中，热解及挥发分的燃烧过程是十分迅速的，而煤焦的
非均相燃烧过程则缓慢的多，煤焦的燃烬率决定了煤粉的最终燃烬率。尤其对于
混煤燃烧而言，煤种差异造成燃烧阶段的差异，“抢风”更容易造成煤焦燃烧阶段
缺氧，造成整体燃烧效率下降。因而有必要对混煤的燃烬性能进行实验研究，进
而对混煤焦燃烧阶段的反应动力学、活化能和频率因子进行研究。
对于燃煤锅炉尤其大型电站锅炉来说，煤粉的燃烬特性将直接影响锅炉的燃
烧效率和运行经济性。反映煤的燃烬特性的指标主要是燃烬时间。燃烬时间【30】定
义为烧掉98％燃料量时所需的时间。一般来说，燃烬所需时间越长，燃烬性能越
j‘
乏芒。
陈冬林等【3l’32】对烟煤与无烟煤的混煤进行研究，混煤着火特性呈现了烟煤的
特点，即混煤的着火温度接近单纯烟煤的着火温度，主要取决于烟煤的比例及其
挥发分的含量；认为混煤的燃烬时间取决于其中无烟煤的燃烬时间，并认为无烟
煤掺入烟煤后对燃烬特性没有多大改善。
张晓杰等p3】利用热天平对混煤的着火温度进行测量，并对数据分析得出：两
种着火特性相差很大的煤混烧时，混煤的着火温度只取决于易着火的煤，并且由
于混煤比例的变化引起易着火煤的煤粉浓度发生变化从而导致了着火温度的变
化。
曾令大等【34】采用热重分析仪对西塞山发电有限公司二期工程2×680Mw超超
临界锅炉拟燃用混煤的着火稳定性和燃烬性进行了分析，结果表明：设计煤种的
着火稳燃性一般，燃烬性较差，并从煤的着火稳定性对锅炉结构的分析来看切圆
燃烧和对冲燃烧2种燃烧方式的着火稳定性基本相同，若煤种性能变化和煤质下
降时，切圆燃烧方式的适应能力要强一些。
黄伟等【35】采用热天平和一维火焰炉对耒阳低挥发分无烟煤及其混煤的着火、
燃烧、燃烬以及结渣特性等进行试验研究， 分析了挥发分含量及掺配比对煤燃烧
性能的影响。并且根据试验结果，作者运用模糊数学方法进行综合评判，确定了
混煤的最佳掺配比，为混煤的合理燃烧提供了科学依据。
李永华等人【36J在CRF热态试验台上对某电厂常用的3种褐煤及其混煤和某电
厂常用的烟煤及其混煤进行了试验研究，详细讨论了其燃烬、结渣和污染物排放
特性及影响因素。得出混煤燃烬特性介于组分煤种之间，燃烬性能随着难燃煤份
额的提高而变差；作者【3。7】还提出了用焦渣比的方法作为差别结渣特性的依据并且
判别结果和实际锅炉燃烧情况吻合较好，同时还提出不适当的混煤比例会导致强
结渣性，可以通过掺混不易结渣煤，以达到减轻结渣的目的，对于实际应用中混
7
煤比例要根据试验具体情况进行确定。对于污染物排放方面，随着氧浓度的增加，
各工况下NOx的生成量基本是单调增加的；sOx的生成和氧量的变化关系较复杂，
并不是一种单调的增减关系。
孙明等【38】利用德国进口的NETzSCH—409C型差示热天平，对无烟煤、烟煤
组成的混煤及无烟煤和瘦焦煤所组成混煤进行热重实验。从着火温度曲线看出，
混煤的着火温度随着其中掺混烟煤比例的增大而逐渐下降，特别是当无烟煤：烟煤
>l：3时，着火温度下降明显，最大下降30℃。而当无烟煤：烟煤10．5cm)残留的水分，称为外部水分。其余以物理化学结合力吸附在试样的毛
细管(直径<10．5cm)中的水分，称为内部水分。试样中的全水分在稍高于lOO℃下，
经过足够的时间，可全部从试样中脱出。工业分析测定的是试样的全水分。
在实验室条件下自然风干，去除试样外部水分后的试样称为空气干燥基(或称
分析基)。
(2)挥发分：把试样与空气隔绝在一定的温度条件下加热一定的时间后，由试
样中有机物分解出来的液体(此时称为蒸气状态)和气体产物的总和称为挥发分，但
所谓挥发分在数量上并不包括试样中游离水分蒸发的水蒸气。
挥发分并不是试样固有的有机物质的形态，而是特定条件下的产物，是当试
样受热时才形成的，所以说挥发分含量的多少，是指试样所析出的挥发分的量，
而不是指挥发分在试样中的含量。挥发分也称挥发分产率。
(3)灰分：灰分是指将试样中所有可燃物在一定温度(8l 5±1 O)℃下完全燃烧以
及其中矿物质在空气中经过一系列分解、化合等复杂反应后所剩余的残渣。
试样中灰分来自矿物质，但它的组成或质量与试样中矿物质不完全相同。它
是矿物质一定条件下的产物，所以称为在一定温度下的“灰分产率”较为确切，
一般简称为灰分。由于矿物质的真实含量很难测出，所以常用灰分率作为矿物质
含量的近似值。
挥发分逸出后的残留物称为焦渣，试样燃烧后，其中的灰分转入焦渣中，焦
渣质量减去灰分质量，就是固定碳质量。固定碳是相对于挥发分中的碳而言的，
是燃烧中以单质形式存在的碳，固定碳的燃点很高，需要在较高温度下才能着火
燃烧，所以燃料中固定碳的含量愈高，则燃料愈难燃烧，着火燃烧的温度也就越
高。
2．1．2工业分析测定说明及结果分析
2．1．2．1水分测定
(1)实验设备仪器
(a)鼓风干燥箱，采用的是长沙仪器仪表厂制造FNl01．2A型鼓风干燥箱。
(b)小型玻璃称量瓶与干燥箱、干燥器。
(c)分析天平，使用的是型号为TG328A的光学读数分析天平，精确到0．1mg。
(2)实验方法
将洗净干燥的称量瓶加盖称其重量，精确到O．000lg，并保持质量不变。称取
分析试样1士O．19，精确到0．000lg，倒入称量瓶中，将盖打开，放入已预先加热到
145℃的烘箱内进行干燥。干燥10min。然后，取出称量瓶加盖，在干燥器中冷却
至室温，再称其质量。
(3)计算方法
分析试样干燥后减少的质量占原质量的百分数即为分析试样水分含量讹d：
讹咖丝×100％ (2．1)
G
式中：△仍——分析试样干燥减少的重量，g
G．一分析试样的质量，g
2．1．2．2挥发分的测定
(1)实验设备仪器
(a)马弗炉，长沙中华电炉厂制造的SX．4．10型马弗炉，最高温度可达1100℃。
(b)挥发分坩锅、坩锅架、坩锅架夹子、干燥器、分析天平
12
(2)实验方法
称取分析试样1士O．19，精确到0．1mg。将称取的试样放在已预先在900℃下达
到恒质量的挥发分坩埚中，加盖。将坩埚放在坩埚架上，将坩埚架移入己加热到
900士1 0℃的马弗炉的恒温区内，立即开动秒表，关闭炉门，使试样在炉中持续加
热7min。迅速从炉内取出坩埚，先在空气中冷却5min，再将坩埚移至干燥器中冷
却到室温，最后称其质量。注意：坩埚架移入马弗炉时，炉温稍有下降，但要求
在3min内必须使炉温恢复到900士10℃，否则实验作废。若坩埚或坩埚盖的内表面
聚有黑烟，则此次实验也作废。应找出原因，予以改正。
(3)计算方法
分析试样经7min、915士10℃加热后减轻的质量占原样品质量的百分数，减去
分析试样的水分质量含量尬J，即为分析试样的挥发分砌d
砌扣垒翌×100％一胸d％ (2．2)
G
式中：△G’，——分析试样在挥发分测定中失去的重量，g
G一分析试样的质量，g
2．1．2．3灰分的测定
(1)实验设备仪器
长沙中华电炉厂制造的Sx．4．10型马弗炉和KSY-4D温度控制器、分析天平、
干燥器、瓷舟，长柄坩埚钳、耐热金属丝架。
(2)实验方法
称取分析试样1士0．19，精确到0．1mg，倒入已经处理且质量恒定的灰皿中，用
摆动方法使样品摊平，放入温度不超过100℃的马弗炉中。炉门留有15mm左右的
缝隙(或打开炉门的通风孔)，保持自然通风，在30min内使炉温缓慢升至500℃，
在此温度下维持30min，然后继续升温至815士10℃。关闭炉门，继续恒温，灼烧
1h。取出灰皿，先放在石棉板上冷却5min，再移入干燥器冷却到室温，称质量。
以后，进行每次30min的检查性灼烧、称质量，直到质量变化少于O．0019为止。
最后一次质量作为计算依据。生物质灰分含量小于1 5％时，可不进行检查性灼烧。。
(3)计算方法
试样灼烧后残留的质量占原分析试样质量的百分数即为分析试样的灰分彳口d
门彳口扣羔×100％ (2．3．)
G
式中：G么——分析试样灼烧后残余物的质量，g
G-一原分析试样质量，g
2 1 2．4固定碳的说明及结果
煤中固定碳是指煤去除了水分、拌发分及灰分后的残留物，或者说．它是在
测定挥发分后的残余物碱去叛分后的残渣。固定碳是相对于挥发分中的碳而高的，
是燃烧中以单质形式存在的碳，固定碳的燃点很高，需要在较高温度下才能着火
燃烧，所以燃料中固定碳的含量愈高，则燃料愈难燃烧，着火燃烧的温度也就越
高。
表2 4 试验煤样的r业分析
固定碳是根据水分、灰分和挥发分的含量计算出来的，其计算公式为：
心f100一(^缸+％+一劫(2 4) 式中：，Gr为分析基的固定碳含量(％)
^幻——为分析基的水分含量(％)
y0——为分析基的挥发分含量(％)
一。J——为分析基的扶分含量(％)。
十蝉*t#％m“I％l
圈2 l不同掺j匣方式F抛煤挥发分随掺混比倒变化情况
从工业分析实验数据列表可知平煤天安具有挥发分含量高，灰分含量较低，
固定碳含量低的特点；而巩义金鼎煤具有挥发分含量低，灰分含量低，固定碳含
量高的特点。各混合试样中水分、挥发分、灰分及固定碳含量均介于两种单煤之
间。
从图2．1中可以看出，混煤中挥发分的含量随着平煤天安比例的增加而增加；
但在不同掺混方式下，相同掺混比例的混煤，其挥发分含量略有差别，在先磨后
混的掺混方式下，其挥发分含量在各个掺混比例的混煤中都比先混后磨方式要大，
并且随平煤天安比例的增大，其差别也增加(25％的掺混比例下为O．37，而在75％
的掺混比例时达到3．05)。这种情况的发生，可能跟掺混方式有关，我们这样认为：
先磨后混方式其混煤中煤粉颗粒粒度要均匀些，较小粒度颗粒份额(比重)较大，其
受热较均匀，内部传热热阻较小，气体成分更容易逸出，因而挥发分含量就较多。
而随平煤天安比例的增加，差别也增大，可能的原因是在先混后磨掺混方式下，
其混煤中平煤天安粗颗粒比例较多，在相同的加热速率下，煤粉颗粒内部传热较
慢而影响到挥发分的逸出，最终使得总的挥发分含量较先磨后混方式下相同比例
的挥发分含量少些。
2．2煤的颗粒特性
2．2．1概述
煤的颗粒特性是指煤的形状与大小，而煤的形状是各种各样的，大小范围也
很宽，有以微米为单位的粉末，也有以毫米为单位的煤粒。如果颗粒是大小均匀
的球形，可以取其直径作为粒径。若颗粒的大小形状不一，则应按一定的方法确
定其平均粒径。因此，粒径可分为单一粒径(代表单个粒子)和粒子群的平均粒径(代
表许多不同粒径的粒子群)。
2．2．1．1粒度分布表示法
煤的粒度组成可以用粒度分布的测定值表示，一般是用粒径西与它所占重量
百分数而的粒度特性曲线表示，也可用粒径讲与它所占体积百分’，f的粒度特性
曲线表示。
呢=，z兰刃蠢(2．1)
得
以2携(2．2)
式中职刀——n个粒子的总重量；
刀——粒子个数；
15
以——粒子群平均粒径(等体积粒径)；
r。。——粒子的真实重度。
对于粒子细到无法一粒一粒数数目时，则可采用重量平均直径法或比表面积
平均直径法等求其粒径。
重量平均直径d它是各粒径以所处的相邻筛的孔径西和西+，的平均直径)与其
重量份额所乘积的总和，即
d=Σ‘‘J’以‘ (、2．⋯3，)
此法较简单，实质是算术平均法，它突出了粗颗粒的作用。
比表面平均直径法是在颗粒的比表面积起重要作用时才应用。设非球形颗粒
的比表面积为o 7，则
。’钢黻面积／颗粒㈣2鬻=去(2．4)
式中九——球形度，即形状系数九=spb／sfb；
Spb——圆球体的表面积； Sr颗粒的表面积。
设分布粒度非球形颗粒的平均比表面积孑’为
苫’：以长’‘ (2．5)
若球形度相同，则
孑’=≠4轰似(2．6) 以d。瓮“‘ p⋯，
用平均粒径孑表示的比表面积为
"丽‘2·7)
(以d)
⋯～7
则
或
扣峦弋1 “，
厶J
d．=dm-‘‘，
(2．8)
d 2石(2．9) 一+J’． 、一’’，
、’!
％di
式中n——标准筛层数。
上述重量平均直径法和比表面积平均直径法中均需知道颗粒群中全部粒子的
16
粒度分布。
2．2．1．3颗粒特性的测定方法
目前，测定煤的颗粒特性与粒度分布的方法有筛分法、激光分析法、电子显
微镜扫描法等，这里由于实验条件等限制，本文采用筛分法来测定颗粒特性。
2．2．2筛分法
将大小不同的煤粒进行分级时，一般可用筛分法。普通的筛子用平织的金属
丝网制成。对孔径为25．4mm(1in)以上的孔，直接称呼开孔的尺寸来表示孔的大小。
对孔径小于25．4mm(1in)的孔，用25．4mm(1in)长度上的孔数表示，称为“网目”，
简称为目。
2．2．2．1测定原理
用不同孔径的筛子，对煤粒进行分级筛分，即对煤粒中各种不同规格直径的
粒子进行分类，并用重量份额xi来表示，在次基础上获得煤粒的平均粒径以及粒
度分布。
2．2．2．2实验仪器
型号为TG328A的光学读数分析天平，量程为10009(精度为0．01)
筛网一套(规格根据具体样品粗细而定)
振动机一台、软毛刷一把、搪瓷盘3到5个
2．2．2．3实验方法
将煤样首先按规定缩分，称重5009样品放在已选好的筛子上，然后进行筛分。
筛分有两种方法，即人工筛分与机械筛分，其要求分述如下：
(1)机械筛分
机械筛分时先将选定的各规格的筛子叠在一起，大孔径的筛子在上，是孔径
的筛子在下，最上面放盖了，最下面放底盘。筛分时间为15min，筛分结束时要进
行检查性筛分，即当每分钟筛下的煤粒重量不超过59时，筛分结束。
(2)人工筛分
可以按机械筛分一样，将筛子从大到小叠好，也可分几次进行，先把试样放
在较大筛子中进行筛分。完成后，把留在底盘上的煤粒倒入较小孔径的筛子中筛
分。但同样，在每一次几个筛子筛分的最后进行检查性筛分。
人工筛分的全过程也要15min。筛分时，要将筛网端平，在左右方向上摆，要
均匀地进行，不可猛烈敲打振动，更不要全样品外漏和飞扬(要用盖子将最上面的
筛子盖好)。首先筛分约3min后，用软干毛刷子仔细刷筛底一次，再筛约2min，
刷筛底一次；接着再筛5min刷筛底一次，最后再筛5min结束。
17
对于用较大孔径的筛子筛分时，可适当减少筛分时间，但应进行检查性筛分
合格为原则。
筛分结束后，要从上到下轻轻地将叠在一起的筛子分开，分别将筛子底部用
软干毛刷子刷干净，然后倒入已经写有筛子的盘子中，并逐个地在上称重，其总
重量应与筛分前的重量一致，误差不得超过士5％，否则应予和重做。
2．2．3数据整理与分析
(1)计算出两筛网的平均孔径西
盔=垒{鱼(mm或∥m) (2．10)
Z
式中dI——上面筛子的孔径；
比——下面筛子的孔径；
对于最上面的筛子(如10毫米的筛子)，其平均孔径为它本身(即磊=10毫米)，
对于最下面的筛子，其平均孔径磊等于该筛子孔径的二分之一。
(2)计算重量份额
重量份额而是停留在每一个筛子上试样的重量R与试样总重量之比。对试样
总重量为5009而言，即
p
矿孟(2Ⅲ)
(3)计算平均粒径d
平均粒径是所有各项平均孔径与其对应的试样份额乘积之和，即
扣Σtt (2．12)
‘一J J 、7
(4)绘制粒度分布曲线
粒度分布曲线是以粒径磊为横坐标，以西所占重量百分数xi为纵坐标而绘制
的一和粒度特性曲线，它可以清楚地看出颗粒大小分布情况。
为了能更直观的分析颗粒分布情况本文采用饼状图来表示各粒度所占的质量
百分比。如表2．5一表2．12和图2．2～图2．9所示：
分析表2．5～表2．12实验数据，可以得出，在平煤天安与巩义金鼎掺混比例分
别是3：1、l：1、及3：1的混煤中，先磨后混掺混方式的混煤，小于160目的颗
粒粒度群所占百分比均大于先混后磨的同比例混煤(小于160目的颗粒群所占比例
分别是：掺混比例为l：3时，68．1 3％VS 64．78％；掺混比例为l：1时，71．08％VS
64．1％；掺混比例为3：1时，70．85％VS 59．87％)。这说明先磨后混方式中细小颗
粒群所占比例相较先混后磨方式的大，由于颗粒小，细煤粉份额较多，内部传热
热阻小，在相同的加热速率下，其综合燃烧性能就优于相同掺混比的先混后磨混
煤。
在2 5平煤大安筛分数据
1 8()月<160日>200日
图2 3先路肝魁平巩1：3粒度分布饼状目
=霉圆 流詈詈洲 嵌袋一黼耋詈Ⅲ
丧2 7屯洮后磨甲巩l：3筛分数据
粒度D(日) >80 80～100 120～100 14肌120 160～140 1 80～160 200～180 <200
平均粒径(mm)018 0165 01375 01275 01225 0105 0 085 0 0375
卣分比(％1 IO 34 4 86 9 02 4 45 6 5s 25 6 10 58 28 6
2凰655％、—■㈣蕊秘曩■ r。M⋯⋯
粒度D(目1 >80 8¨100 120～too 14¨120 16¨140 18¨160 200～180<200
平均粒轻(mm)018 0165 0l 375 01275 01225 0105 0 085 O 0375
卣分比(％) 6 6 8 5 6l 8 4 75 2 89 25 5 14 5 30 38
26 2％
4 5％
200日<180U>200H
38％
幽2 5先磨厉混平巩1：】牡度分布饼状陶
=== m黜洲洲 嵌袋袋 叫∞ⅢⅢ⋯㈨
炭2 9九泄肝磨下巩l：l筛分数据
29 86％
刳2 7 先磨后棍平巩3：1丰立度分m饼状阿
<160>Z00¨
=冒口 =；㈣∞锄㈤ 浆袋一 龆薹薹⋯
覆一
在2lI丸混后磨、F巩3l筛分数据
粒度D(目) >80 80～1 00 1 20～l 00 140～120】60～140 180～i60 200～l 80 <200
平均粒释(mm)018 0165 0l 375 01275 01225 0105 0 085 0 0375
卣分比(％1 12 49 7 89 10 39 5 36 4 05 21 9 8 41 29 51
●—“l“)¨‘|『5<)”>∞8fJ
口【2⋯{80 80～loo 120～100 140一120 160一140 180～160 20¨l 80<200
平均粒衽(mm) 018 0165 01375 01275 01225 0105 0 085 0 0375
自分比(％) 2 86 4 61 7 05 2 68 4 57 2 86 401 6 35 2l
目2 9巩义金鼎粒度分布饼状附
⋯n10 012 0“n⋯18
l二3*m#}A＆／-
图2．IO不同掺混方式l：3混煤筛分曲线
脚211不同掺混方式l：l混煤筛分益线
O*⋯n12 0⋯⋯⋯∞
3：l**#}i％，_
图2 12不同掺混方式3：1混煤筛分曲线
两种不同掺掘方式下，先磨后混掺混方式相较于先混后磨掺混方式的混煤，
前一种混煤中颗粒较小的煤粉所占比例要大于后～种掺混方式，由于细煤粉份额
较多，其燃烧性能可能就要优于相同掺混比的混煤。
2．3小结
本章介绍了煤的工业分析和粒度分布的原理和测定方法，测定了两种单煤和
两种不同掺混方式下六个混煤试样的水分、挥发分、灰分和固定碳含量以及不同
掺混方式下所得混煤试样的颗粒分布情况。
(1)混煤中挥发分的含量随着烟煤(平煤天安)比例的增加而增加：但在不同掺混
方式下，相同掺混比例的混煤其挥发分含量略有差别。产生这种差别的主要原因
是由于先磨后混方式所得混煤中煤粉颗粒粒度更加均匀，较小粒度颗粒份额(比重)
较大，其受热更加均匀，气体成分更容易逸出。
f2)从不同掺混方式下的粒度测试看．先磨后混方式所得棍煤中颗粒较小的煤
粉所占比例要大于先混后磨所得混煤。
罐
飞一隧∞
m
∞
*
*
”
∞
”
o
第三章不同掺混方式混煤热重实验及燃烧特性分析
本章采用热重分析法，在空气氛围中，对燃烧性能相差较大的烟煤和无烟煤
及其以两种不同掺混方式下按不同比例掺混得到的混煤进行燃烧性能热分析实验
研究。并根据对不同掺混方式下不同配比混煤的TG、DTG曲线的变化情况进行分
析比较，从而了解不同掺混方式下混煤燃烧特性的基本规律以及影响因素，并得
出两种不同掺混方式的优劣。
3．1热重分析法概述
热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。
在热分析技术中，热重法使用最为广泛。热重法是在程序控制温度下借助热天平
以获得物质的质量与温度关系的一种技术，是研究物质分解动力学的重要手段之
一，具有试样用量少，热解速率快并能在测定温度范围内研究原料受热发生热反
应的全过程等优点。通过各试样的热分析，可以了解单、混煤受热过程中的基本
变化规律，为研究混煤燃烧过程提供了重要的基础数据。
3．2实验仪器介绍
(1)用途及使用范围
本次实验所使用的仪器是由北京光学仪器生产厂生产的WCT-2型热天平。该
微机差热天平为高温型(wCT-1为中温型的)微机化的DTA．TG．DTG同时分析仪，
它可以对微机试样同时进行差热分析，热重测量及热重微分测量，广泛应用于化
学、物理学、地理、生物学等基础科学领域以及化工、冶金、地质、电工、陶瓷、
轻纺、食品、医药、农林等行业的生产企业、科研单位及广大院校。
wcT-2型微机差热天平是目前国产最新、最先进的热分析仪器。用途十分广
泛，可进行物质的能得到物质的相转变，凝聚体系的相图，固体的热分解，有固
体参加的化学反应，试样的要求、纯度和鉴定，无机固体的表面吸附物质的测定，
催化活性和多相反应速度的研究，液晶，铁电转换一一居里点，聚合物，煤及其
有关的含碳物质，石油及其有关产物，纤维，炸药、推进剂和烟火，水凝水泥，
玻璃和陶瓷，配位化合物，空间研究的应用，反应动力学相变，分解化合、脱水、
吸附、解析、熔化、凝固、升华、蒸发等现象的研究；可对物质进行鉴别分析，
组份分析，还可进行热参数和动力学参数测定。
wCT_2型微机差热天平适宜于研究物质的相变、分解、化合、脱水、吸附、
解吸、熔化、凝固、升华、蒸发等现象及对物质作鉴别分析、组分分析、热参数
24
测定和动力学参数测定等。该差热天平带有真空及气氛控制系统，可以在真空、
静态气氛及流动性气氛下进行实验。
(2)主要技术指标
温度范围：
调温速度：
程序方式：
差热量程：
热重量程：
微分量程：
坩埚容积：
室温～1500(中温型为室温～1100)(℃)
O．1～40，间隔0．1(℃／min)
升温、保温、降温，可分十段设置
±10、±25、±50、±100、±250、±500、±1000、±2500(uV)
l、2、5、10、20、50、100、200、500，(mg)
2、5、10、20、50(mV／min)
0．06m1
电调零范围：±50mg
微机系统：486或486以上微机(随市场而定)
内存容积：≥8M
显示器：37cm彩色
绘图仪：DXY系统，八笔彩色
绘图面积：184mm×260mm，A4纸
3．3实验基本原理及影响因素研究
3．3．1实验基本原理
WCT-2型微机差热天平其基本原理是测定在温度程序控制下，样品质量变化
与温度之间关系的技术，实验结果所形成的温度和质量之间的关系曲线，称为热
重(TG)曲线。该仪器主要由以下几部分组成：
(1)第一部分为仪器主体，它包括加热系统和称重系统两部分组成，加热部分
由硅碳管电炉组成，其升温的终止温度范围为为120℃～1500℃，升温速率可由计
算机设定，升温速率范围为O．1列min～40科min，可根据不同的实验目的设置不同
的升温速率和终止温度。称重系统主要由天平组成，它可单独使用或通过测量分
析程序在线使用。同时可连续记录实验过程中的样品质量，其量程为O～500mg。
(2)第二部分即恒温水浴系统，主要由加热系统、控制系统和循环泵组成，其
主要作用是为天平系统提供一个恒定的温度环境，从而确保测量的精确性。一般
情况下，恒温水浴的水温调整应至少比室温高出2℃，以此来避免室温变化对天平
测量精度的影响。其具体工作过程为由控制系统设定恒温温度，由加热系统执行，
并将水体加热到设定温度并恒温，然后由循环泵将恒温水体在天平和恒温水浴系
统间循环，以此来保证天平系统在测量过程中温度恒定。
(3)第三部分即气体循环系统，这一系统包括气源(钢瓶)、流量计和管路系统组
成。目的是为热重分析仪提供所需的气氛气体和保护气体。保护气体主要采用各
种惰性气体(如氮气等)，目的是为了使实验过程中产生的气体尽快排出，以免对实
验仪器造成损害。气氛气体则根据实验目的的不同采用不同的气体，如进行各种
材料的热解实验，则采用惰性气体作为气氛气体；如进行燃烧实验，则根据不同
的实验目的采用氧气或压缩空气作为气氛气体。本实验主要是研究不同掺混方式
下混煤的燃烧特性，故采用空气作为气氛气体。
(4)第四部分即控制和数据采集、分析系统，主要由计算机和热分析仪专用的
测量软件和分析软件组成。测量软件的主要功能为控制热分析仪的正常运作，可
通过测量软件设定不同的实验条件，如：实验的终止温度、升温速率和采样速率
等各种参数，从而设定不同的实验条件；另外测量软件还可实时记录实验过程中
的各种原始数据，如：加热时间、温度以及与温度相对应的样品质量。分析软件
则可对实验过程中所采得的原始数据进行各种分析计算，求取各种参数，另外还
可对原始数据进行导出，满足其他各种计算的需要。
3．3．2实验影响因素研究
热重法(TG)是在温度程序的控制下，测量物质质量与温度之间的关系的技术。
这里值得一提的是，定义为质量的变化而不是重量变化是基于在磁场作用下，强
磁性材料达到居里点时，虽然无质量变化，却有表观失重。而热重法则指测试试
样在受热过程中实质上的质量变化【4引。
任何一种分析测量技术都必须考虑到测定结果的准确可靠性和重复性。为了
要得到准确性和重复性好的热重测定曲线，就必须对能影响其测定结果的各种因
素仔细分析。影响热重法测定结果的因素，大致有下列几个方面：仪器因素、实
验条件、参数的选择和试样的影响因素等等。
首先分析析仪器因素。在热重法测定中，常常会发生热重基线漂移现象，也
就是说，热重基线漂移造成了一种试样质量损失或质量增加的假象。这种漂移主
要与加热炉内的气体浮力和对流作用有关。当试样受热时，周围的气体因温度升
高而膨胀，造成密度变小。结果气体对试样支持器及试样的浮力也随之减小，在
热天平中表现为质量增加。与浮力效应同时存在的是对流的影响。由于天平系统
置于常温之下，而试样周围的气体受热变轻形成向上的热气流。这种热空气对流
在天平上引起试样的表观质量损失。假如加热炉顶有出气通道，这种空气造成的
表观质量损失尤为显著。如果气体外溢受阻，上升的热气流会置换上部温度较低
的气体，而下降的气流会对试样支架进行冲击，产生表观质量增加。
另外，存放热重测定的试样容器一坩埚对热重曲线有不可忽视的影响。可从
坩埚的大小、形状和结构材料三个方面加以讨论。坩埚的大小和形状主要与试样
的装填量有关。当试样量较多时，使用的坩埚深而且大，造成气体产物的扩散困
26
难，容易使热重曲线终止温度和高温偏移。一般选用的坩埚要轻，传热好，有利
于克服气体产物扩散和传热不畅造成的滞后对TG曲线的影响。对于材质，应选择
对试样、中间产物、最终产物和气氛没有反应活性和催化活性的材料作为坩埚的
材质。在本次实验中采用A1203坩埚。在使用铂坩埚时，尤其要注意不能用于含磷、
硫、卤素的高聚物试样。因此，对于不同的试样最好选用不同的坩埚。
其次，要分析实验条件和实验参数的选择对热重法测定结果的影响。这些实
验条件和参数包括升温速率、实验气氛等等。
(1)升温速率：试样的升温速率是靠热量在介质经过试样坩埚再至试样之间的
传递进行的。于是，在加热的炉子和试样之间形成了温差。由于试样的性质、尺
寸以及试样本身的物理或化学变化引起的热焙的变化，试样内部形成了温度梯度。
当升温速率增加，这种温差也随之增大。结果导致热重曲线的起始温度和终止温
度偏高。若提高升温速率，曲线向高温方向推移。通常热重法测定时采用的升温
速率多为5℃／min～40℃／min居多。实践表明，热重法测定的升温速率不宜选得的
太快，对传热差的高分子试样一般选用5～10℃／min，对传热好的金属一般可选用
10～20℃／min。在作热重法测定时，一定要标明升温速率。
(2)实验气氛：热天平周围的气氛对热重法的测定有很显著的影响。如燃烧反
应，要求在实验过程中有氧气存在，根据不同的实验目的，可以通入纯氧气或空
气；如果是热解反应，则要求通入其他的惰性气体，以保证反应空间内是一个无
氧的环境。
热重法可在静态和动态气氛下进行测定。如果反应是可逆的分解反应，进行
热重测定时采用静态气氛，虽然随着升温，分解速率增大，但由于试样周围的气
体浓度增大又会使分解速率下降。另一方面，由于炉内气体的对流又会造成样品
周围的气体浓度不断地变化。这些因素会严重影响实验结果。
(3)试样的影响：试样对热重测定的影响主要有两个方面：即试样量和试样粒
度。对于试样量，当试样用量多时，试样内部形成的温差也大，当表面达到分解
温度后，要过一定时间才能使内部也达到分解温度。一般来讲，试样用量增加会
使TG曲线向高温方向偏移。当试样用量在热天平灵敏度范围内的话，试样用量尽
量少为好。但有时为了提高测定灵敏度，也有增加试样用量的情况。试样粒度对
热传导、气体扩散有较大的影响。粒度越小，比表面积越大，反应速率越快，热
重曲线上的起始温度和终止温度降低，反应区间变小。同时要求试样装填要颗粒
均匀，为了得到能重复的结果，操作时尽量做到试样装填情况一致。
(4)对于仪器本身的原因，由于条件限制我们只能严格按照其操作规程进行操
作，以此来保证测定结果的准确。具体措旌主要有：在仪器安装、调试完成以后，
首先需要用标准样品对仪器进行标定，通过利用其自带的软件和测定标准样品所
取得的实验数据生成标准的温度校正文件和灵敏度校正文件，然后在此基础上进
27
行其他后继的测量。对于坩埚的选用，在生物质热解过程中我们选用了A1203坩埚，
其对我们所测试的样品有较高的稳定性。为了保证测量的精度，测量所用的A1203
坩埚必须预先进行热处理到等于或高于其最高测量温度。除此之外，在各种不同
的实验条件下，在测量样品之前，需要在相同的实验条件下做基线，然后在基线
的基础上进行样品的实际测量，以此来克服热重基线的漂移，避免试样质量损失
或质量增加的假象，提高测量的精度。
3．4单、混煤热重实验结果分析
3-4．1热重实验曲线及分析
本次实验中采用05×1．5mm氧化铝坩埚，试样为两种单煤粉、不同掺混方式
所得三种质量配比的混合煤粉。实验基本条件为：试样lOmg左右，TG量程为10mg，
DTG量程为10mg，min，起始温度为室温，终止温度为1000℃，升温速率分别为
20℃／min，空气气氛下实验，使用henven软件控制并得到原始数据和曲线图。
图3．1～图3．8是实验曲线图，实验曲线图是通过数据图象处理软件Odgin对
数据进行处理得出的，首先用记事本将实验原始数据打开，粗选一下数据，将不
合理的数据删去，然后导入Excd中，由于实验所得数据以毫克为计量单位，为了
形象地说明生物质热解随温度失重的百分率，用下式进行转换。
TG转换公式为【49】：
姗舻I鬟掣到“毗m， BD
睇
n5
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一
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瓷
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昌
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¨一
暑
{
啦粤
兰
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nO
图3．1平煤天安煤TG曲线图3．2先磨后混1：3混煤TG．DTG曲线
将得出的结果导入Excel中，利用式(4．1)进行转换，然后用Origin7．5软件导
入数据，然后生成曲线图，并进行简单的标明等处理，Ori茁n软件是Windos平台
下用于数据分析，工程绘图的软件，它的功能大，各国科技工作者均使用该软件。
从图3．1的TG曲线上可以看出平煤天安单煤300℃前是煤中失去水份过程因
此失重可i明显，从400℃开始挥发分析山失重明显加快，井在到达合适温度时丌始
着火燃烧，到900℃_左右时基本趋势趋于平缓，达到最大失重量。在DTG曲线E
可以看出．从300℃左右曲线，r始上升到530℃左右到达最大值，然后丌始迅速下
降，温度在700℃时下降趋势丌始减缓，当温度到达900℃时又迅速下降。530℃
时曲线达到峰值，印挥发分析出并燃烧达到最大值，达到最大失重速率，然后开
始F降。从530℃=j|=始挥友分开始减少逐渐并引燃焦碳，当温度到达900℃左右时
焦碳迅速燃烧，DTG曲线迅速下降，950℃左右基本达到稳定状态。
圈3 3先混后磨l：3混煤TG．DTG曲线图3 4先磨后混1：I拖煤TG—DTG曲线
图3 2TG曲线上可以看出400℃前足煤中失去水份过程因此失重不明显，从
450℃开始挥发分析出失重明显加快，并在到达合适温度时丌始着火燃烧，到900
℃左右时基本趋势趋于平缓，达到最大失重量。DTG曲线上可以看出。从400℃
左右曲线开始上升到650℃左右到达最大值，然后开始迅速下降，温度在800℃时
下降趋势开始减缓．当温度到达900℃时又迅速下降，930℃左右达到稳定状态。
图3 3TG曲线上可以看出450℃前是煤中失去水份过程因此失重不明显．从
450℃开始挥发分析出失重明显加快，并在到达合适温度时开始着火燃烧，到900
℃左右时基本趋势趋于平缓，达到虽大失重量。DTG曲线上可以看出，从400℃
左右曲线开始上升到650℃左右到达最大值，然后开始迅速下降，温度在750℃时
下降趋势开始减缓，当温度到达900℃时叉迅速下降，在950℃左右基本达到稳定
状态。
图3 4TG曲线上町以看出400℃前是煤中失去水份过程因此失重不明显，从
450℃开始挥发分析出失重明显加快，并在到达合适温度时开始着火燃烧，到750
℃左右时基本趋势趋于平缓，达到培大失重量。DTG曲线上可以看出，从400℃
左右曲线开始上升在510℃左右形成一个小的波峰，这个可能是山于烟煤的挥发分
析皑到达温度先着火而形成，到650℃左右到达最大值，然后开始迅速下降，当温
度到达800℃时基本达到稳定状态。
{陡i T(D
图3 5先棍后磨1：1混煤TO．DTG曲线图
图3．5TG曲线上可以看出400℃前是煤中
450℃左右开始挥发分析出失重明显加快，并在
800℃左右时基本趋势趋于平缓，达到最大失重
℃左右曲线开始上升到650℃左右到达最大值，
830℃时基本达到稳定状态。
{隈b
∞
¨
∞t
i
∞菩
l
qt
T n，
3 6先磨后混3：l混煤T6．DTG曲线
失去水份过程因此失重不明显，从
到达合适温度时开始着火燃烧，到
量。DTG曲线上可以看出，从400
然后开始迅速下降，当温度到达
∞
¨
∞j
n1
∞
T㈣T(甜
图3 7先混后磨3 l混煤TG-DTG曲线圈3 8巩义金鼎煤TG．DTG雎线
图3．6TG曲线上可以看出400℃前是煤中失去水份过程因此失重不明显，从
450℃左右开始挥发分析出失重明显加快，并在到达合适温度时开始着火燃烧，到
800℃左右时基本趋势趋于平缓，达到最大失重量。DTG曲线E可以看出，从400
℃左右曲线开始上升到530℃左右到达最大值，然后开始下降，到620℃左右变的
缓慢，到700℃左右时迅速下降，当温度到达800℃时基本达到稳定状态。
图3 7TG曲线上可以看出400℃前是煤中失去水份过程因此失重不明显，从
450℃左右开始挥发分析出失重明显加快，并在到达合适温度时开始着火燃烧，到
920℃左右时基本趋势趋于平缓，达到最大失重量。DTG曲线上可以看出，从400
℃左右曲线开始上升到540℃左右到达最大值，然后开始下降，到640℃左右变的
缓慢，到850℃左右时迅速下降，当温度到达920℃时基本达到稳定状态。
图3．8中TG曲线上可以看出500℃前是煤中失去水份过程因此失重不明显，
从550℃开始挥发分析出失重明显加快，并在到达合适温度时开始着火燃烧，到
950℃左右时基本趋势趋于平缓，达到最大失重量。DTG曲线上可以看出，从450
℃左右曲线开始迅速上升在600℃左右到达最大值，然后开始迅速下降，当温度到
达850℃时基本达到稳定状态。
3．4．2单煤和不同掺混方式下混煤的燃烧特性
由于混煤不同组分煤种之间的相互影响、相互作用，其燃烧特性：着火特性、
燃烬特性、稳燃特性等和单一煤种相比都有较大的差异，尤其当组分煤种的煤质
差异较大时，这种差异更加明显哪】。
为了更好的描述煤的燃烧特性，检测不同掺混方式下混煤的着火特性、燃烧
稳定性、燃烬特性方面的区别，本文利用常用的着火温度、燃烬温度、最大失重
速率以及其对应的最大温度等特征参数，对单煤和不同掺混方式下混煤进行分析，
并利用可燃性指数、稳燃性指数以及综合燃烧特性指标，分别对两种单煤和不同
掺混方式下的混煤进行计算分析，判断两种掺混方式下混煤燃烧特性的优劣性。
3．4．2．1燃烧特征温度和特征参数的确定
1．着火温度乃
热重曲线详细描述了煤在燃烧过程中的水分蒸发、挥发分析出、着火、燃烧
及燃烬各个阶段中的重要变化及相应的变化速度。通过对试样记录曲线的研究，
能确定它们的着火温度。煤粒在升温的过程中被外来能量加热和干燥，lOO℃以上
煤中的水分逐渐蒸发，随着温度的进一步升高挥发分析出，失重量增加，当达到
某一温度时，氧化速度迅速增加，失重突然加剧，以及放热突然加快的瞬间温度，
可以称其为着火温度“。着火温度“的高低是在外热源加热条件一致时，燃料被点
燃难易程度的一种外在反映，可以直接用来比较煤本身的燃烧性能。着火温度“
的大小反映了煤种的着火性能或煤种活化能的高低，其数值越小，表明该煤种着
火越容易。利用热分析曲线TG和DTG可以得到煤粉的燃烧温度，从而确定其着
火温度【51】。如图3．9所示在DTG曲线上，过峰值点A作垂线与TG曲线相交于一
点B，过B点作TG曲线的切线与TG开始曲线的平行线交于一点C，则此点所对
应的温度就是通常所说的着火温度。
2．燃烬温度砌
燃烬温度可以定义为煤样可燃部分燃烧掉98％燃料量时即TG曲线趋于平缓
时所对应的温度砌，该温度所对应的时间为燃烬时间【521。一般情况下，燃烬所需
时间越短，其燃烬性能就越好。
3．最大失重速率(最大燃烧速率)(d删f)用甜
DTG曲线是重量变化速率作为温度或时间的函数被连续记录而得到的，DTG
曲线上出现的各种峰对应着TG曲线的各个重量变化阶段，并且峰下的面积与样品
对应的重量变化是成正比的【531。在热天平试验中，最大失重速率反映了煤的燃烧
速度。峰值的大小代表失重速率的大小，所以可以从TG．DTG图上看到最大峰即
最大失重速率(d舢fh口J以及其对应的温度即为最大失重速率对应最大温度％甜。
最大失重速率(d删f)小。的值越大则表明试样的燃烧越剧烈，最大失重速率对应最
大温度L。，越低则表明越容易形成较高的燃烧温度，燃烧越稳定。
各试样的温度参数和最大失重速率见表3．1。
3．4．2．2燃烧评价指标
为了全面评价混煤的燃烧性能，本文采用可燃性指数C6、综合燃烧特性指数、
稳燃指数G来对比两种掺混方式对混煤燃烧特性的影响。
1．可燃性指数【541c6
可燃性指数a主要反映煤样燃烧前期的反应能力，该值越大，煤的可燃性
越好。其定义式为：
C6=(机／df)一／Z2 (3·1)
式中砰一着火温度，℃；
(d删f)mⅡ广_最大失重速率，m∥min。
2．稳燃性指数【54】G
煤的燃烧稳定性是锅炉运行，特别是变负荷运行工况下能否稳定着火的重要
指标，它既反映着火难易程度，又体现煤种着火后的燃烧情况。其定义式为：
G=(dw／df)一／互乙(3．2)
式中砰一着火温度，℃；
(d删f)朋口厂_最大失重速率，m∥min；
％口厂_最大失重速率所对应的温度，℃。
3．综合燃烧特性指数【55】S
因为对于缓慢加热的燃烧，燃烧反应初期即在着火阶段，可认为是属于化学
反应动力学控制区，即由化学反应动力学因素控制反应速度，并可近似地用
A丌henius定律表达燃烧速率‘561， 即：
(警卜xp【．础酬(3．3)
式中(爿一燃烧速度；
彳——指前因子o
B一活化能；
32
尺——气体常数。
对(3．3)式求导，整理得
叁一昙一(I詈—)I。=I=—(爿I一专 ●仅’4，4-
Ed丁k出／ k出J丁2 、7
在着火点有：
尝昙(戬乃=(锨五专B5，
E df L df／r：￡L出／M丁2 、7
或： 要票f等]c胳：迎堂嚣型鳖(3．6)
E d八山／7’：瓦(d∥／出并：￡巧2死、7
式中(詈)ilax一最大燃烧速度．
(詈)i；z一着火’温度下的燃烧撼
(警)二一平均燃烧速度．
五——燃烬温度：
乃——-着火温度。
式(3．6)左边可作如下解释：眺表示煤的活性，E值越小。反应能力越高；
杀(d∥／df)；：乃为燃烧速度在着火点的转化率，其值越大，表明着火越猛烈；
(d形／山k／(d形／m)；：7：为燃烧速度峰值与着火时燃烧速度之比；(d形／df乙／瓦为平均
燃烧速度与燃烬温度之比，其值越大，表明燃烬越快。这几项的乘积综合反映了煤粉的
燃烧特性。
将式(3．6)右边简记为：
s=(d形／出k(d矽／出Z。／Z2瓦(3．7)
综合燃烧特性指数S全面反映了试样的着火和燃烬性能，S的值越大说明试样
的综合燃烧性能越好。
各试样的燃烧特性评价指标数值见表3．1。
3．4．2．4燃烧特性分析
图3．1 0为两种单煤的TG．DTG曲线，图3．11～图3．13分别为不同掺混方式下
33
相同掺混比例的TG．DTG曲线图。
从图3．10中TG曲线可以看出巩义金鼎煤的TG曲线明显比平煤天安的右移，
这说明巩义金鼎的挥发分析出以及着火燃烧要落后于平煤天安，平煤天安煤的着
火温度低，巩义金鼎煤的着火温度高，说明平煤天安由初始稳定状念达到活化状
态所需要的能量较小，所以着火温度低；而巩义金鼎煤由初始稳定状态达到活化
状态需要吸收较多的能量，因此着火温度较高，比平煤天安高出了近150℃。并
且巩义金鼎煤的失重量明显小于平煤天安的失重量，这同前人的烟煤比无烟煤更
容易着火燃烧的结论相吻合。
表3．1燃烧特性指数
∞
屿
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枷蜘啪哪!0∞
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∞
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基
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图3．9着火温度确定示意图图3．10两种单煤TG．DTG曲线
图3．10DTG曲线上可以看出平煤天安的波峰明显比巩义金鼎的波峰偏向于左
侧，而且高于巩义金鼎的波峰。这说明平煤天安的最大失重速率大于巩义金鼎，
而％甜小于巩义金鼎。煤着火后失重速率越高，其所对应温度L口工越低，越容易
形成较高的燃烧温度，燃烧越稳定， 燃烬程度也越好。最大失重速率反映的是试
样在着火后燃烧的强度，最大失重速率越大，试样在着火后燃烧越剧烈，燃烧温
竹
∞
町
∞
m
∞
∞
∞
∞
∞
S
9上
度也越高，燃烧越稳定。由图3．10和表3．1的数值可以得出平煤天安的着火、燃
烬、燃烧稳定性能好于巩义金鼎。这同烟煤燃烧性能比无烟煤燃烧性能好的结论
吻合。
枷咖鲫1咖
T∞
∞
n●
∞
02瓷
目
a1 b
∞
也1
枷瞄咖'仰
T∞
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∞
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n3夸
∞宕
Q1
nO
图3．1l不同掺混方式l：3TG-DTG曲线图3．12不同掺混方式l：1TG-DTG曲线
由表3．1可得出在不考虑掺混方式的情况下，随着平煤天安煤比例增加，混煤
的着火温度逐渐减小，并且其温度要远远小于难着火煤巩义金鼎在相同条件下的
着火温度，这和其他学者在无烟煤中掺入烟煤能改变其着火温度的结论【57’58l相符
合。对于两种不同掺混方式的混合煤粉，图3．12中先磨后混方式下试样的TG曲
线的斜率明显大于先混后磨试样的斜率而且其失重明显早于先混后磨试样，结合
图3．14可以看出先混后磨方式所得试样的着火温度高于先磨后混试样，说明先磨
后混试样着火更容易。从表3．1和图3．14中还可以看出无论哪种方法得到的混合
试样其着火温度都低于难燃煤的着火温度，并且先磨后混掺混方式的着火温度要
低于先混后磨掺混方式的着火温度，这说明少量的烟煤掺混比例就能明显的降
n5
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＼
吆3
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踟
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已湖
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枷
枷
420
枷咖啪1咖∞ ∞ ∞ ∞
T∞ 平煤天安含量(帕
图3．13不同掺混方式3：lTG．DTG曲线图3．14不同掺混方式混煤着火温度
低混煤的着火温度，并且在相同的条件下先磨后混的掺混方式更有利于混煤的着
火燃烧。
同样从表3．1和图3．1 1中可知，平煤天安和巩义金鼎相比，其燃烬温度更低，
35
∞
∞
∞
砷
∞
∞
∞
∞
^毒v
2
也可以说明平煤天安的燃烬性能更好。当两种煤相混时，燃烬性能好的煤占的比
例越大，混煤的燃烬性能也越好。实验结果可知两种煤混合后所得混煤的燃烬温
度有了很大的改善，并且先磨后混掺混方式所得试样的燃烬温度要低于先混后磨
掺混方式所得试样的燃烬温度，这说明按先磨后混的掺混方式所得混煤的燃烬性
能优于先混后磨的掺混方式。
从表3．1、图3．14～图3．17中可以看出，相同掺混比例、相同实验条件下，不
同掺混方式的混煤燃烧热重曲线基本趋势相同，但在具体表现形式上稍有差别。
可以很明显地看出，先磨后混掺混方式下的混煤，其燃烧速率相较先混后磨掺混
方式的混煤燃烧速率大(其中掺混比例为1：1时表现尤为突出，先磨后混掺混方式
下混煤的最大燃烧速率为0．61838，而先混后磨方式下混煤的最大燃烧速率就为
O．399)，并且燃烧过程更集中(先磨后混掺混方式下，失重主要集中在330℃～780
℃温度区间，而先混后磨掺混方式，失重温度范围要宽些，大约在330℃一830℃温
度区间)。
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O．12
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40 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 卯∞ m ∞
混煤中平煤天安台量(％) 平煤天安含量(％)
图3．15不同掺混方式下混煤燃烬温度图3．16不同掺混方式下混煤稳燃指数
由以上分析可知混煤的着火性能取决于烟煤所占比例，其综合燃烧性能随着
烟煤比例的增大而增强，在所选取的比例中以平煤天安和巩义金鼎3：l时燃烧性能
为最好。从表3．1中可看出，在各种掺混比例下，先磨后混掺混方式下的混煤其着
火温度、燃烬温度、及最大燃烧速率对应温度都比先混后磨掺混方式下的混煤低；
其最大燃烧速率在相同的掺混比例下，基本上也比先混后磨掺混方式下的混煤大。
在巩义金鼎中加入了平煤天安煤后混煤的可燃性指数∞增大，表明该试样的燃烧
性能变好；同时稳燃指数G和燃烧综合特性指标S都有所增大，这表明在难燃的
无烟煤巩义金鼎中掺入烟煤平煤天安，可以改善其着火温度；同样还可以看出按
照先磨后混的掺混方式得到的混合煤粉其各项参数也都优于先混后磨的掺混方
式。
36
3．5小结
加∞ 40 ∞ ∞ 70 ∞
平煤天安含量(％)
图3．17不同掺混方式下混煤综合燃烧特性指数
本章介绍了热重实验基本原理及其影响因素，并对各试样在相同的实验条件
下进行了热重实验，且着重分析了两种掺混方式下的混煤的着火温度A、燃烬温
度砌、最大失重速率以(d删f)辨似及其对就的最大温度砌似。对混煤的可燃性指
数C6、综合燃烧特性指数S、稳燃指数G进行了对比。
(1)在相同的实验条件下无烟煤的着火、燃烬性能、燃烧稳定性能都明显比烟
煤的差。作为无烟煤的巩义金鼎着火温度比平煤天安高出了l 50℃；平煤天安的最
大失重速率大于巩义金鼎，且％甜小于巩义金鼎。失重速率越高，其所对应温度
L口工越低，越容易形成较高的燃烧温度，燃烧越稳定，燃烬程度也越好。
(2)在相同升温速率、质量比的情况下，先磨后混方式下的混煤同先混后磨方
式下的混煤相比，其各项着火特性、燃烧特性都有所改善，先磨后混方式优于先
混后磨方式。
(3)另外在相同升温速率、质量比的条件下，先磨后混掺混方式下所得混合煤
粉同先混后磨掺混方式所得煤粉相比，前者的综合燃烧特性指数S、可燃性指数
C6、稳燃性指数G都优于后者。
37
4
2
O
8
6
4
1
，
，
O
O
O
台H×∞籁霉趟搬璎饕姐婚
第四章燃烧动力学研究
在上一章中对热重实验数据进行计算分析，利用着火温度、燃烬温度、最大
失重速率及其对应最大温度、可燃性指数C6、稳燃性指数G、综合燃烧特性指数
S对不同掺混方式下三种比例的混煤进行了研究，得到了相关的规律。活化能是反
应物的基本粒子由非活化状态达活化状态所需能量。燃烧动力学参数是描述煤与
氧反应性能最基本的参数。在燃烧动力学参数中，活化能是一个十分重要的参数，
它代表反应物的分子由初始稳定状态变为活化分子所需吸收的能量。活化能比着
火温度更能从本质上描述煤的着火性能为了进一步了解不同掺混方式对混煤燃烧
特性的影响，本章将从燃烧动力学方面对两种不同掺混方式下所得混煤做进一步
的研究。
4．1热重动力学概述
热重法【59】(TG)是在程序控制下，测量物质与温度之间关系的技术。它具有速
度快、试样用量少、对反应物和反应产物不需要进行分析，还可以对反应的全过
程进行研究，因此它是研究化学反应动力学的重要手段之一。本文采用热重法对
混煤燃烧动力学进行研究。
4．1．1反应动力学表达式
燃烧过程的反应方程式可以用热重动力学的基本表达式表示如下：
A(固体)一B(固体)+C(气体) (4．1)
根据热重曲线，先求出变化率Q： 口口=—：—卫L—一：=—竺— (144．．2Z)1 ％一，‰z帆‘。
式中，聊r试样起始质量；
肌——试样在时间t时的质量；
研∞——试样反应结束时的质量；
则，分解速率为：
式中， 七为速率常数。
根据A丌henius公式
一警=：KI七，QZ)- 山、7 (4．3)
七=彳P盯(4．4)
式中，彳——频率因子，
D一活化能，
R——气体常数。
(4．3)中的函数k(0【)取决于反应机理。对于简单反应，
后(口)=(1一口)4 (4．5)
(4．5)式中n为反应级数，将(4．5)和(4．4)代入(4．3)，则可以得到燃烧反应动力学
方程的一般表达式为：
—等—：=彳彳PP{剧(1I一l一口口)”l ((44．．66)l
df 、7 、7
4．1．2反应动力学的数据处理方法
利用热天平研究反应动力学过程，常采用两种实验方式‘60】：等温方式和非等
温方式。等温法(或称静态法)是用化学法或其它物理方法研究动力学时普遍采用的
方法，是使样品处在恒温的状态下进行实验研究。非等温法(或称动态法)，指的是
试样的温度是随时间按线性方式变化的，试样在不同温度下的质量由热天平连续
记录下来。其主要优点在于可以从一条热重曲线上获得有关的动力学数据，并且
是在从开始到结束的整个温度范围内连续对动力学进行观测。本文采用非等温法。
从实验测定的热重曲线获得反应动力学参数数据的常用数学处理方法有微分
法和积分法。微分法需要用到精确的微商热重数据，而微商热重数据往往是热重
数据数值微分然后平滑处理之后的结果，并且曲线对试验条件较敏感，存在较大
的误差。对于煤粉的燃烧来说，由于固体本身参与了反应，因此这个过程气固两
相的催化动力学反应是不相同的。煤粉燃烧反应中，高分子主链发生无规则烈解，
并且反应的进行有赖于气体的扩散，涉及相界面控制，所以不适宜应用微分法研
究其动力学参数的变化。由于以上原因本文采用积分法进行燃烧动力学参数的求
解。
4．2燃烧动力学参数求解与分析
4．2．1燃烧动力学参数求解原理
对于热重分析的非等温过程，温度T和时间T存在如下关系：
乒乃邯·f (4．7)
式中，乃卜一升室温温速；率。
联立方程(4．6)、(4．7)，并整理可以得到：
39
等=妒(·一口)”
对方程(4．8)两边积分处理得到：
旖=号pr
播=参等(-一警)e冲(一蠢)
对方程式(4．10)积分，整理，两边取对数，得
当n≠1时，
当n=1时，
h[箭H鼢警)愕
h[半]=ln[篙(t一警)]-畚
(4．8)
(4．9)
(4．10)
(4．11)
(4．12)
式(4．11)和(4．12)且口为Coats-Redfempu方程
由于对一般的反应温区和大部分的E值而言’寺》1，(1一警卜所以方程(4．11)和(4．12)右端第一项几乎都是常数，因此，当n≠1时，lIl[篱]对；
作图；而当n_l时，lnI兰丐}堕l对；作图，两种情况下都能得到一条直线，此
直线的斜率为一簧，由直线的斜率和截距可以确定反应的活化能和频率因子。
4．2．2燃烧动力学参数的求解和数据分析
本文在描述煤的燃烧机理时，将DTG曲线分为两部分，在DTG峰值的前后
分别采用不同的燃烧机理模型来描述。反应机理函数豇@)=(1一口)”中的反应级数n
在DTG峰值前后分别选取O．2，0．3，0．5，O．75，1．0，1．5，2．O。当n≠1时， hl[篱]为纵坐标，吾为横坐标作图，然后对所得曲线进行拟合；而当n2l
时，lnI二坐参型I为纵坐标，对；为横坐标作图，然后对所得曲线进行拟合得到拟
合方程表示为Y=A+BX。为了作图方便把方程(4．1 1)和(4．12)中等式左侧用】nG(a)
表示。
本文以平煤天安煤为例列出详细计算过程。
蝰前濡唐区间为460～530℃．蝰后濡席区间为530～590℃。
40
表4．1平煤大安峰前参数表
-'．8
．2-o
一锄∞
o
三
“
利用表4．1的数据做拟合曲线图如下：
1．26 1．2B 1．3D 1翌1．3． 1麓
1，r(×lO’
图4．1峰前n=0．2拟合曲线
1．2B 1．∞ 1．藿1．M '蕊
1，r(×l呻
图4．3峰前n=0．5拟合曲线
41
．2●
'．2B 1．2B '∞ 'j2 1 3． 1冀
1，r(×ln
图4．2峰前n=O．3拟合曲线
1．2B 1．2B 130 1．蟹1．轴1．∞
1厂r(×1吨
图4．4峰前n=O．75拟合曲线
拍
一口一o
uI
—e)ouI ^B)oul
．4$
-12
．1．●
-'-e
一百
呈·1J
1．为1．2B 1∞ 1卫'爿’蕊
1，r(xl呐
图4．5峰前n_1．5拟合曲线
1舶1重1曩1墨
1，r(×l叻
图4．7峰前n=1拟合曲线
1瑚1翌1捌1届
1，r(×103l
图4．6蜂前n-2拟合曲线
1．俺"8 1j时'．复
们。(×1吨
图4．8峰后n=0．2拟合曲线
表4．2峰前拟合方程相关参数及动力学参数
从以上数据可以得出峰前，n=l时，线形关系最好，拟合方程为
Y=9．58777—8．6113X。所以后(口)=(卜口)1是最适合用来描述该段反应机理的方程。
活化能E=71．56265 kJ／mol，频率因子A=2．51×106 S‘1
42
舢
一B)ouI
表4．3平煤天安峰后参数表
利用表4．1的数据做拟合曲线图如下：
矗6
i
万．a7
三
．¨
'’6 118 1∞ 1忽1盈1墨
1，r(xln
图4．9峰后n=O．3拟合曲线
1．'B 1．侣1．∞ 1卫’捌'a
1厂r(×tn
图4．1l峰后n=0．75拟合曲线
43
田
o
C
'．侣1．他1皿1丑1盈'盖
1，r(xI的
图4．10峰后n=O．5拟合曲线
”6 1．他1∞ 1五1埘1石
1，r(×l的
图4．12峰后n=1．5拟合曲线
一e)o
uI
一_一o
uI
m2
也3
州
也5
言舶
。
三也7
电8
．09
-1D
1'6 '．'8 1曲1卫1埘1篇
1，r(×Ioal
图4．13峰后n=2．0拟合曲线
也5
也6
也7
也8
言
宅∞
●-
。1D
．1．1
．1上
1．16 1．'8 1．2D 1．22 '．硝'．26
1厂r(×l的
图4．14峰后n=1．0拟合曲线
表4．3峰后拟合方程相关参数及动力学参数表
从以上数据可以得出峰后，n=2时，线形关系最好，拟合方程为
Y=9．3 102-8．25963X。所以后他)=(1一口)2是最适合用来描述该段反应机理的方程。
活化能E=68．63753 kJ／mol，频率因子A=1．83×106 S～。
利用同样的方法求巩义金鼎和两种不同掺混方式下的6个混煤试样的动力学
参数如表4．4所示，最适合的反应级数和线形关系最好的拟合方程如表4．5所示。
表4．4巩义金鼎及混煤峰前动力学参数计算数据
表4．5巩义金鼎及混煤峰前反应级数和拟合方程
试样温度范围频率因子A(s‘1) 活化能E(kJ／m01) 相关系数
由表4．3和表4．7可以看出在本文给出的实验条件下，反应指数并不和其他学
者得出的煤的燃烧反应通常描述为一级反应【62。671的结论一致。从本文所选的级数
来看是二级反应较多，对于所选煤种可能二级反应更适合些，反应级数和煤种以
及反应条件有关。但本文还是通过计算选择了相关系数绝对值最接近1的，线形
关系最好的反应级数来计算得出动力学参数。
表4．7巩义金鼎及混煤峰后反应级数和拟合方程
45
：，=¨j＼j、＼。≮：、。。+一勰 ：Ij＼＼ -鬻-鬻22 LΣ笔恳∞ ∞ ∞ ∞ ’∞
T献女*t∞
5不同掺混方式r峰前活化能目4 l 6不同掺混方式下峰后活化能
表4 4、表4．6以及图4 15、4 16可以看出，无烟煤(巩义金鼎)的活化能值最
大，烟煤r平煤天安)的最小．无论哪种掺混方式下的混煤活化能值都介于无烟煤和
烟煤之间。这说明烟煤的活性最大，其由初始状态达到活化状态所需能量最小，
这和上一章中分析得到的烟煤的着火温度最低的结论一致。随着平煤天安比例增
加，相应阶段的活化能基本都在降低，这说明掺入烟煤f平煤天安)有利于燃烧，这
和燃烧评价指标的结论也一致。可见，易着火煤的掺混对难着火煤的着火性能改
善有很大帮助。当掺混比例大干50％毗上时，随着平煤天安比例增加，活化能继
续下降，且下降的幅度更大，或者说下降的更急，这也与着火温度的变化情况基
本相同。同时还可以看出，不同温度段的煤的活化能和频率因子之间存在一种关
系，即在相同下，活化能增大，频率因子也增大，频率因子增加幅度比活化能的
大。
两种不同的掺混方式下比较。从表4．3～4 7．图4 15和图4．16可以看出在相
同的掺混比例下，峰前先磨后混的方式比先混后磨方式的活化能和频率因子都要
低，其变化趋势基本上是由随着烟煤(平煤天安)掺混比例的增加而变急；峰后两种
掺混方式活化能的变化随着烟煤(平煤天安)掺混比例的增加整体趋势是减小，先磨
后混方式在小于25％时表现的较急，大于25％小于50％时又相对变缓，当比例大
于75％时变化趋势明显变急。先混后磨方式在小于25％时降低速度比先磨后混快，
在25％到50％区倒时反而比先磨后混的变化更快，尤其在50％到75％区间基本没
有什么变化。然后又急剧下降。另外一点不同于峰前的是在I：1比例时先磨后混
方式的活化能小于先混后磨方式。总体来说两种掺混方式的规律是先磨后混方式
的话化能较先混后磨方式的小，这也和卜一章中的着火特性相符台。
4．3小结
本章从反应动力学入手，介绍了反应动力学的基本表达式以及动力学参数的
求解过程，对单煤和两种不同掺混方式下的混煤动力学参数进行比较分析。得出：
(1)反应级数和煤种以及反应条件有关，并不是所有的反应级数都是一级的。
(2)巩义金鼎的活化能大于平煤天安的活化能，在巩义金鼎中掺混平煤天安，
随着平煤天安掺入量的增加混煤的活化能将会逐渐变小并趋近于平煤天安的活化
能，并且混煤的活化能始终介于两种成分煤之间。
(3)在相同的实验条件下，两种不同的掺混方式所得混合煤粉的活化能比较表
明，先磨后混掺混方式下的混煤活化能小于先混后磨方式，这与上一章所得燃烧
特性比较所得结果相符合，进一步说明了先磨后混方式比先混后磨方式更能发挥
混煤燃烧特性的优越性。
47
第五章卧式炉半工业试验和电厂工业试验研究
为检验不同掺混方式的实际燃烧状况，在卧式煤粉燃烧炉上进行了不同掺混
方式下的混煤燃烧试验，通过对不同掺混方式下混煤燃烧的飞灰含碳量的对比，
从而确定两种不同掺混方式下混煤燃烬特性的优劣。并根据课题组在湖南华电某
发电公司3、4号300MW锅炉上进行的工业试验结果进一步验证本文结果。
5．1卧式炉半工业试验研究
5．1．1卧式炉简介
本次实验采用的是长沙理工大学燃烧实验台，该燃烧实验台主要组件为一卧
式炉以及计算机监控系统。卧式炉主要组成部分为：炉膛燃烧室本体、燃油系统、
煤粉仓、煤粉绞龙、给料电机、离心鼓风机、空气加热器、二次风分配器、引风
机、旋风分离器等组成。试验系统如图5．1所示。
图5．1卧式煤粉炉燃烧实验系统示意图
5．1．2卧式炉系统组成
燃烧台本体：煤燃烧实验台的炉膛呈～字型布置，由下部的钢架支撑，以保
证炉膛的整体性。燃烧室横截面为0．4×0．5m，长度为4m，燃烧器从上到下布置
为上二次风、中二次风、下二次风。燃烧室热负荷为16×104kcal／h，断面热负荷
为9．2×105kcal／h，炉膛根据测试需要布置看火孔、测量孔、人孔及防爆门。炉墙
48
由里向外依次为耐火混凝土、普板、硅酸铝纤维毡、泡沫石棉，最外层由不锈钢
板作外包装。
送风系统：由送风机来的冷空气经过炉膛尾部的空气预热器、电加热器加热
到250℃，再经分配器分别送往一、二次风喷口，通过阀门调节一、二次风的流量。
引风系统：烟气经过炮膛发问的空气预热器冷却和旋风分离器的除尘，由引
风机通过排烟通道排到大气中。
空气预热系统：空气预热器采用电加热器，一共9根电加热丝，分成3组，
每三根电加热器为一组，每组采用△接线法，每组的功率是18kw。
燃料输送系统：煤粉仓的煤粉在给粉绞龙的推动下，进入落粉管，与一次风
混合进入燃烧室，给粉绞龙用电动机带动，给粉量可以调节。
燃油系统：燃油系统由油泵、油枪和储油罐组成，油泵为特制柴油齿轮泵，
油枪采用两个特制油中级储油罐为1m×lm×1m。
燃烧器：燃烧器从上到下布置为上二次风、中二次风、一次风、下二次风。
对煤粉早期混合影响较大的是中二次风和下二次风，下二次风要起托粉作用，所
以下二次风率保持不变，通过改变中二次风和上二次风之间的风量分配来达到分
级送风的效果。一次风率设计值为34％，过量空气系数为1．25，给粉量为36kg／ll，
一、二次风温为350℃。
5．1．3计算机监控系统
5．1．3．1计算机监控系统的监控任务
燃料和空气供给系统的监测、控制、报警与保护：针对不同种类的燃料，建
立煤、轻油燃烧的切换模块，合理组织燃料的入炉，包括一、二次风分配，前吹
扫，自动点火，火焰检测，燃烧投切等，并给出相应的实时监测、上下限报警与
超高值保护信号。
送风量的监测、控制：实时监测和控制送风量，保证炉膛内燃料燃烧。
炉膛负压的监测、控制：实时监测炉膛负压，并控制负压在(．30～．50)Pa范围。
炉膛前、中、后部的温度、炉膛出口烟温、排烟温度的监测与报警实时监测
炉膛的前部、中部和后部的温度，同时对炉膛尾部的出口烟温、排烟温度进行实
时监测，并实现极限温度报警。
供风、冷却、除灰、烟气系统监测、控制、报警与保护一、二次风温、风压
检测，空预器进出口温度及电加热温度检测，一、二次风量检测，烟气氧量在线
检测等，控制各参数在正常的范围之内，并对其进行超限报警与保护。同时提供
燃烧介质采样口，以便进行煤粉颗粒等的采样分析。
着火可视化检测：通过布置在炉膛前部的火焰探头，得到着火火焰图像，通
过计算机处理后，得到着火火焰温度分布、着火距离等，以指导相应的燃烧调整
49
和分析。
5．1．3．2监控系统
温度采集系统：温度监控利用热电偶采集温度值，热电偶将测得的温度值以
4～20mA的电流输入计算机模拟量采集板卡，计算机经过处理得出热电偶测得的
温度值。
流量压力采集系统：流量压力采集系统中一次风和上中下三个二次风的采集
利用管道中的差压，用差压变送器测出其差压，以4～20mA的电流输入计算机模
拟量采集板卡，计算机经过处理得出管道中一二次风的流量。
炉膛负压利用炉膛和大气的差压用差压变送器测量，差压变送器输出4～
20mA的电流输入计算机模拟量采集板卡，计算机经过处理得出炉膛内部的负压
值。
火焰监控系统：火焰监控系统采用CCD彩色摄像机拍摄，SDK～2000视频卡
采集图像。通过CCD火焰探测器获得锅炉炉膛火焰的燃烧信息，经过计算机图像
处理，得出火焰温度图像。
5．2试验方法和步骤
在进行试验的过程中严格按照燃烧试验台系统操作说明书来进行操作动作。
(1)检查燃烧试验台的每个子系统的设备是否正常。
(2)在确认燃烧试验台的设备都处于正常状态则可以进行试验，先将系统总电
源打开，系统控制设备通电，打开本次试验所需的控制和监控设备。本次试验为
打开变频器控制柜内部【鼓风机】、【引风机】、【油泵】、【给煤机】【计算机柜】和
【本柜控制】空气开关。启动计算机，打开监控程序，将变频器控制柜控制打向
【计算机控制】，电加热器控制柜控制打向【远操】。
(3)开启引风机，将引风机运转频率调到最大50Hz，15秒之后打开鼓风机，
将鼓风机运转频率调到最大50Hz，对整个试验台的通道进行吹扫。
(4)用电加热器加热空气升高炉膛平均温度至100℃左右
(i)吹扫5分钟之后将鼓风机频率调至10Hz，引风机频率调至20Hz，此时
炉膛负压为一10Pa左右，保持炉膛负压不变，微调引风机。
(ii)开电加热器，打开第一组电加热丝，用电加热器加热空气来升高炉膛温
度。
(iii)加热半小时之后关闭第一组电加热丝，打开第二组电加热丝继续加热升
高炉温。
(iv)在第二组电加热丝加热半小时后关闭第二组电加热丝，同时打开第一组
和第三组电加热丝，加快炉膛升温。
50
(v)在第一组和第三组电加热丝同时被打开半小时后炉膛平均温度达到loo
℃左右，此时将第一组和第三组电加热丝关闭，打开第二组电加热丝，使电加热
器出口空气温度保持在250℃。做完这些操作后准备投油点火升温。
(5)投油燃烧提升炉膛温度至1200℃
(讥)用1．5号油嘴来点火，燃烧半小时使炉膛前部平均温度升至500～800
℃，炉膛尾部平均温度升至200～400℃。
(诚)1．5号油嘴燃烧半小时之后，炉膛前部平均温度升至500～800℃，炉膛尾
部平均温度升至200～400℃。用第二根油枪上4号油嘴，将4号油嘴的油枪放进
炉膛点火燃烧后将1．5号油嘴关闭退出炉膛。根据烟气氧量指示，加大送风量，将
鼓风机运行频率调制13Hz，使烟气氧量保持在6～8％；增大引风机运行至25Hz，
同时微调引风机频率，使炉膛负压保持在．10Pa左右，使炉膛温度继续上升。
(Viii)4号油嘴燃烧半小时之后炉膛前部平均温度为800～l000℃，炉膛尾部平
均温度为400～500℃。将第一根油枪换上6．5号油嘴，将第一根油枪进入炉膛点
火燃烧，6．5号油枪点燃之后将4号油嘴的油枪关闭退出炉膛。根据烟气氧量指示，
加大送风量，将鼓风机运行频率调至26Hz，使烟气氧量保持在6～8％；增大引风
机运行频率至34Hz，同时微调引风机频率，是炉膛负压保持在．10Pa左右，继续
加热炉膛。
(iX)用6．5号油嘴燃烧O．5小时之后炉膛前部平均温度达到1100～1200℃，
炉膛尾部平均温度为500～600℃。准备投煤粉燃烧。
(6)投煤粉燃烧，调整送风量和一、二次风量的比例，使煤粉脱离燃油独立燃
烧。
(x)打开给煤机，给煤机频率调至3Hz，小煤量煤粉投进炉膛，关闭6．5号油
嘴，停止燃油燃烧，同时根据烟气氧量指示调节鼓风机的频率来调节送风量，引
风机则根据炉膛负压来调整，使炉膛负压维持在．10Pa左右。调节总送风量和一次
风、上中下二次风的风量，观察煤粉的燃烧情况，使之形成火焰。如果炉膛前部
温度下降至looO℃，则插入油枪助燃提升炉膛温度，待炉膛温度升至给煤前水平，
就关闭油枪，继续调节送风量和引风量。
(I)经过30分钟的调节送风量和抽风量，煤粉终于在没有投油的情况下形成
火焰。此时鼓风机送风频率12Hz，引风机运行频率28Hz，炉膛负压．15Pa，一次
风量25m3／h，上二次风量11m3／ll，中二次风量25m3／Il，下二次风量13m3／h。此时
烟气氧量为15．O％。此时不是锅炉的最优运行状态，还需继续调节。
(II)加大给煤量继续调节，经过20分钟的调节终于使炉膛处于最优运行状
态，此时给煤机运行频率7．8Hz，给煤量为40kg／ll，鼓风机运行频率为24Hz，引
风机运行频率为36Hz，炉膛负压．18Pa，烟气氧量7．18％，一次风量60m3／h，上二
次风量18m3／h，中二次风量20m3／h，下二次风量30m3／h。
(7)记录试验数据，做完试验，准备关闭燃烧试验台。
(8)关闭给煤机，停止投入煤粉，停止电加热器，增大引风机频率至50Hz，
鼓风机频率降至lOHz，连续吹扫冷却8～lO小时，待炉膛温度降至100℃左右即
可停止鼓风机和引风机，断开系统电源，打开炉膛盖板，检查炉膛，提取炉灰进
行飞灰含碳量的测定。
5．3试验结果与分析
5．3．1试验煤质分析
本试验煤种采用某电厂典型烟煤(平煤天安)和典型无烟煤(巩义金鼎)，并按照
不同掺混方式及三个不同的掺混比例得到六个混煤试样。所有试样的工业分析见
表2．4。严格遵守上述实验方法和步骤进行煤粉在卧式炉上的燃烧试验。
5．3．2卧式试验炉运行情况
卧式试验炉由于油枪启动电磁阀故障，小油枪雾化喷嘴烧坏，在点火启动过
程中，改用手动阀开启动，并用大油枪直接点火，由于卧式炉尾部积灰较多，刚
开始点火时，炉内温度低、雾化油过多，炉内负压不稳，波动较大，通过调试及
运行一段时间后，负压基本稳定，炉内最高温度上升到1200℃时，情况好转。待
炉膛前部平均温度达到1100一1200℃，炉膛尾部温度达到500～600℃。准备投煤粉
燃烧。
投煤粉燃烧，调整送风量和一二次风量比例，使煤粉脱离燃油独立燃烧并稳
定。
记录试验数据，做完试验，准备关闭燃烧试验台。
关闭给煤机，停止投入煤粉，停止电加热器，增大引风机频率至50Hz，鼓风
机频率降至10Hz，连续吹扫冷却8～10小时，待炉膛温度降至100℃左右即可停
止鼓风机和引风机，断开系统电源，打开炉膛盖板，检查炉膛，提取炉灰进行飞
灰含碳量的测定。
按以上步骤重复进行各种试验煤粉的燃烧试验。
5．3．3试验数据整理与分析
各次试验前，在炉膛中前部及后部分别放置了两块取样板，在燃烧试验完成
后，取出，收集飞灰样，进行飞灰含碳量的测定。试验数据见表2
从卧式炉试烧情况来看，由于每次实验完全烧煤前，都必须投油进行，且烧
煤燃烧不稳定时，也必须投油辅助燃烧，因而导致所取飞灰试样做烧失实验时总
体含碳量数值较高，但比较各次试验数据，亦可发现一些基本规律：炉后飞灰含
碳量总体来说，要比炉膛前部取样点飞灰含碳量低，这是由于试验操作引起的，
52
在炉膛前半部取样点附近．由于燃烧不稳、配风不均等原因，使得部分燃料来不
及燃烧或燃烧不完全就沉积下来，因而相对米|兑，其含碳量要高于炉膛后部飞扶
俞碳量。
袭5 l 异燃料卧式炉燃烧后灰样中E灰古碳鼙一览表
飞灰古碳量(％
燃料种类
卧式炉前部墩样点灰样卧式炉后部取样点灰样
十m*女☆t～W软女}t∞
图5．2炉前灰样含量与掺混方式的关系图5．3炉后扶样含量与掺混方式的
关系
从图5．2和图5 3可以看出：在相同的掺混方式下随着往无烟煤(巩义金鼎)中
添加烟煤(平煤天安)比例的增加，飞狄含碳量明显减少。各种掺混比例情况下，先
磨后混掺混方式对飞灰含碳量有一定的影响。对炉膛前半部取出的灰样分析得出，
先磨后混掺混方式所得混煤在卧式炉燃烧后其飞灰含碳量要低于先混后磨掺混方
式下所得混煤屯灰含碳量，其最大差值发生在掺混比例为l：1时，两种掺混方式
下飞灰含碳量相差l 76％f28 79％>27 03％1；在炉后取样分析的结果更加显著，其
飞攻含碳量差别达4 88％(22 9％>l 8 02％)，这说明掺混方式对混煤的燃烬特性有较
大影响。即先磨后混掺混方式的混煤的燃烬特性要优于先混后磨掺混方式。
5．4电厂工业试验研究
基于不同掺混方式的混煤燃烧特性研究是大唐集团公司湖南分公司2007年科
技攻关项目《大型电站锅炉混煤掺烧及运行经济性研究》的子课题，本子课题的
主要内容是进行实验室内的热重实验、颗粒分布、卧式炉燃烧试验。攻关项目中
的另外部分是由湖南省电力公司试验研究院主持的混煤燃烧模型研究和电厂中实
际工业试验研究，课题组根据实验室中的实验结论，在电厂中依据其实际情况做
了相关的试验研究。针对不同电厂实际情况提出了“分磨制粉、炉内混烧”和“分
磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”【68】的具体实施方法。“分磨制粉、仓内掺混、炉内
混烧”也就是本文所给出的先磨后混掺混方式。传统的混煤掺烧方式“炉前掺混、
炉内混烧”，指燃料在进入原煤仓之前，通过各种手段按一定比例混合均匀后进入
磨煤机中磨制成煤粉，再送入炉内燃烧。“炉前掺混、炉内混烧”对应于本文所给
出的先混后磨掺混方式。
表5．2不同方式下电厂运行结果
课题组中的湖南省电力公司试验研究院在湖南华电某发电公司3、4号300MW
锅炉上进行了工业试验，同一工况下多次试验结果平均值见表5．2。第一种工况的
试验：该电厂使用的是以前一直使用的“炉前掺混，炉内混烧"方式，表5．2中可
以得出在满负荷情况下其飞灰含碳量平均值为5．35％，炉渣可燃物含量平均值为
4．55％，机械不完全燃烧损失平均值为2．76％，锅炉效率平均值为91．14％。
第二种工况的试验：利用“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧"这种方式从表
5．2中可以得出在满负荷情况下，其飞灰含碳量平均值为2．45％，炉渣可燃物含量
平均值为1．81％，机械不完全燃烧损失平均值为1．21％，锅炉效率平均值为92．59％。
从两种试验的数据可以看出，相同的锅炉、同样煤质、同样负荷下，“分磨制
粉、仓内掺混、炉内混烧"下飞灰含碳量比“炉前掺混，炉内混烧"下飞灰含碳
量低2．90％，炉渣可燃物含量和机械不完全燃烧损失分别相应降低2．74％、1．55％，
而锅炉效率升高了约1．5％，相应可降低供电煤耗59／kw．h。
通过表5．2和以上分析数据可以明显看出在该电厂试用“分磨制粉、仓内掺混、
炉内混烧”比原用方式有一定的优越性，同时也证明了本文的先磨后混掺混方式
优于先混后磨方式。
5．5小结
本章主要介绍了卧式燃烧炉的结构和实验方法，利用卧式炉对各试验煤种进
行了半工业试验并结合实际电厂工业试验得出：
(1)从卧式炉燃烧试验看出，平煤天安与巩义金鼎在不同掺混方式下，其燃烬
水平有较明显的差异。掺混比例对燃烬水平也有直接的影响。
(2)随着烟煤(平煤天安)比例的增加，混煤的燃烬率逐渐提高。
(3)两种掺混方式中，先磨后混方式下煤粉燃烬率大于先混后磨方式。
(4)两种工况下工业试验的数据能明显看出第二种工况下试验的飞灰含碳量
低、炉渣可燃物含量和机械不完全燃烧损失的数据都低于第一种工况，而锅炉效
率升高了约1．5％。这就证明了“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧"比原来采用的
“炉前掺混，炉内混烧"方式更能达到电厂节能的要求。其结果同样验证了本文
先磨后混掺混方式优于先混后磨掺方式的结论。
55
结论与展望
结论
本文从不同掺混方式入手，选取大唐集团湖南分公司某电厂正常燃用的典型
无烟煤(巩义金鼎)和典型烟煤(平煤天安)，选用三种不同配比按两种不同掺混方式
制取六个试样，对其以及两个单煤试样进行工业分析、颗粒分布实验、热重实验、
卧式煤粉燃烧炉试验，对试样的燃烧特性进行了深入的研究。得出如下结论：
(1)烟煤(平煤天安)具有挥发分含量高，灰分含量较低，固定碳含量低的特点；
而无烟煤(巩义金鼎)具有挥发分含量低，灰分含量低，固定碳含量高的特点。各混
合试样中水分、挥发分、灰分及固定碳含量均介于两种单煤之间。混煤中挥发分
的含量随着天安煤比例增加而增加；但在不同掺混方式下，相同掺混比例的混煤，
其挥发分含量略有差别，在先磨后混的掺混方式下，其挥发分含量在各个掺混比
例的混煤中都比先混后磨方式要大，并且随天安煤比例增大，其差别增加。从不
同掺混方式下的粒度测试看，先磨后混方式所得混煤中颗粒较小的煤粉所占比例
要大于先混后磨所得混煤。
(2)相同的实验条件下无烟煤的着火、燃烬性能、燃烧稳定性能都明显比烟煤
的差。在相同升温速率、质量比的情况下，两种不同掺混方式所得混煤相比，其
各项温度指标、最大失重速率，先磨后混方式都优于先混后磨方式。并且前者的
综合燃烧特性指数S、可燃性指数C6、稳燃性指数G都优于后者。
(3)无烟煤的活化能大于烟煤的活化能，在无烟煤中掺混烟煤，随着烟煤掺入
量的增加混煤的活化能将会逐渐变小并趋近于烟煤活化能。混煤的活化能始终介
于两种成分煤之间。在相同的实验条件下，两种不同的掺混方式所得混合煤粉的
活化能比较表明，先磨后混掺混方掺混下的混煤活化能小于先混后磨方式。
(4)通过卧式炉燃烧试验也得出，平煤天安与巩义金鼎在不同掺混方式下，其
燃烬水平有较明显的差异。掺混比例对燃烬水平也有直接的影响。随着烟煤(平煤
天安)比例的增加，混煤的燃烬率逐渐提高。两种不同掺混方式中，先磨后混方式
下煤粉燃烬率大于先混后磨方式。并且通过课题组在实际电厂的运行试验也证明
了先磨后混掺混方式的优越性。
展望
对于颗粒分布特性的研究本文使用的是机械筛分的实验方法，其中不免会受
到环境条件及人为因素影响。燃烧特性还包括结渣特性、污染物排放特性等，由
56
于时间关系本文没有对其进行研究，文只是对其中的一部分进行了分析和研究。
结合本文所做的工作，本文作者提出以下几点建议：
(1)为了更全面地研究不同掺混方式下混煤的颗粒分布情况，可以采用激光粒
度仪对试样进行精确分析。详细了解颗粒分布情况，总结其分布规律分析其对燃
烧特性的影响。并且可以把掺混比例做的更多些以便发现细微变化规律。同时还
可以对可磨性指数和煤的破碎机理进行研究，来分析颗粒分布变化规律的具体原
因。
(2)不同煤种的成分差异比较大，本文选择研究的煤种是烟煤和无烟煤，不能
代表所有煤种混合燃烧的情况。可以进一步对褐煤、贫煤、的混燃情况进行研究。
(3)对燃烧特性的研究由于时间原因，本文只研究了着火温度、燃烬温度、最
大失重速率和其对应最大温度以及综合燃烧特性指数S、可燃性指数∞、稳燃性
指数G，还可以从结渣特性、NOX、SOx的释放规律等方面综合考虑不同掺混方式
对混煤燃烧特性的影响。另外本文的掺混比例只选用了l：3、1：1、3：1三个比
例，还可以细化配比比例进行研究。
(4)本文只是在实验室中进行了两种不同掺混方式对混煤燃烧特性的影响，通
过以上三个方面可以确定具体掺混方式的优越性。先磨后混方式可以对应电厂中
采用分磨磨制后再采用炉前掺混或者炉内掺烧，先混后磨方式就是目前电厂中普
遍采用的原煤混合后进行磨制方法。在确定掺混方式后再根据电厂实际运行条件、
经济性等确定这种掺混方式是否真正可行。
57
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致谢
值此论文完成之际，首先要感谢我尊敬的导师刘亮教授几年来的悉心教导和
亲切关怀。他一直以严谨求是的学术作风和敢于探索钻研的科学精神指引本文的
完成。他不仅在我的学业上付出了极大的心血，而且在生活中也给予了我无微不
至的关心，刘老师平易近人，乐观、大度的人生态度深深的影响了我，他对我生
活上和学习上的帮助令我终身难忘。
感谢陈冬林教授三年来在学业上对我的关心和指导。
感谢鄢晓忠教授在实验上给与的指导和帮助。
同时感谢课题组湖中南省电力公司试验研究院的朱光明博士以及其他成员在
本文撰写过程中所给予我的帮助。
在论文完成过程中同一实验室的裴晓冲、孙国超、蒋朝勇、刘唐庆等同学对
我提供了无私的帮助，在我的三年研究生期间最难忘的就是平时与你们的热烈交
流，有时候常常为一个学术上的问题争的面红耳赤，我想，若干年后这种景象仍
会在我的脑海中时常显现。对他们表示衷心的感谢，同时也感谢06级全体研究生
同学，是你们让我度过了三年难忘的美好时光。
在三年的学习生活中，我还得到了其他众多老师、同学的热心帮助，在生活、
学习中给予了我很大的关怀与支持，在此一并向他们表示由衷的谢意!
特别感谢我慈祥的父母和我的女朋友，感谢我的家人，感谢他们为我的工作
和学习提供了强大的精神动力，他们对我的关爱将激励我不断向前。
62
默会龙
2009年4月于
长沙理工大学能动学院
附录：攻读学位期间参加科研项目和发表论文情况
参加的科研项目：
[1]中国大唐集团公司湖南分公司2007年科技公关合作项目一一大型电站锅炉混
煤掺烧及运行经济性研究．项目起止时间：2007．6～2008．12
[2]2×75t／h循环流化床锅炉冷态及燃烧特性研究．湖南骏泰浆纸有限责任公司
[3]5#锅炉除尘除雾系统改造研究．湖南华菱湘潭钢铁公司．2007—2008
[4]20t／h进口锅炉节能改造热工性能检测研究．湖南中烟工业有限责任公司
2．发表的论文：
默会龙，刘亮，白晓玲等．混煤掺混方式对其燃烧特性的影响研究．电站系统工
程，2009，25(2)：13—15
63
基于不同掺混方式的混煤燃烧特性研究
作者： 默会龙
学位授予单位： 长沙理工大学
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1504763.aspx
授权使用：上海海事大学(wflshyxy)，授权号：ea06ed56-48bb-41ee-8093-9de200a133ee
下载时间：2010年8月30日

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