內容摘要：本文針對燃用福建無煙煤的循環流化床（CFB）鍋爐在運行中存在的問題和矛盾，提出了采用富氧燃燒技術改善福建無煙煤的著火和燃燒特性。作者通過熱重分析法研究了龍巖煤在不同氧濃度下（20%、30%、40%、60%、100%）的燃燒行為。實驗結果表明，隨著氧濃度的增大，煤樣的著火溫度及燃盡溫度均呈下降趨勢，燃燒強度增強，著火提前且燃燒時間縮短。本文還對富氧燃燒技術應用于CFB鍋爐燃燒福建無煙煤存在的若干問題進行了較深入的探討，并提出了相關建議。

關鍵詞：福建無煙煤，富氧燃燒，熱重分析法，循環流化床鍋爐 

1. 前言

    福建省煤炭資源品種單一，多數屬揮發分2～4％的Ⅱ類無煙煤，其著火和燃盡非常困難，而循環流化床（CFB）鍋爐則因其具有燃料適應性廣，燃燒效率高等優點成為燃用福建Ⅱ類無煙煤的首選爐型。該爐型在福建省發展迅速，近幾年更是向大型化發展，220t/h以上的CFB鍋爐已有10多臺，福建龍巖坑口電站正投建的30萬千瓦發電機組中就采用蒸發量達到1000t/h的CFB鍋爐，計劃于2009年并網發電。

    在CFB鍋爐生產單位和用戶的共同努力下，采用CFB鍋爐燃燒福建無煙煤已經積累了非常豐富的設計和運行經驗，但是，由于福建無煙煤的特殊性，在運行過程中仍存在一些問題和矛盾，主要有以下幾點：第一，著火溫度較高，床溫要維持在950℃以上，對于高參數大容量的CFB鍋爐，甚至達到1000℃以上，接近福建無煙煤的灰熔點，不利于安全穩定燃燒；第二，，CFB鍋爐一般采用爐內添加石灰石脫硫，而石灰石的最佳分解溫度和硫化反應溫度一般在850℃～900℃左右，因此造成福建無煙煤的燃燒和脫硫在溫度匹配上存在較大矛盾；第三，福建無煙煤中細顆粒多，又存在后燃性，因此飛灰含碳量較高，機械不完全燃燒損失高，影響了鍋爐熱效率，同時也不利于灰渣的綜合利用。因此，如何改善福建無煙煤的著火和燃燒特性是實現福建無煙煤高效穩定燃燒的關鍵。

煤燃燒過程中反應氣氛中氧濃度的大小是影響著火和燃燒特性的關鍵性因素之一[5]，因此，隨著富氧技術的成熟發展，特別是膜法富氧技術的發展[1，2] ，研究煤在高氧濃度下的燃燒特性，對煤的高效燃燒，特別是高灰分、低揮發分的劣質煤和無煙煤的高效穩定燃燒具有重要意義。

本文通過熱天平實驗，研究在不同氧濃度下龍巖煤的燃燒特性，得到了一些有益的結論。同時對富氧燃燒技術應用于CFB鍋爐燃燒福建無煙煤存在的若干問題進行了探討，提出了相關建議。

2. 熱重分析實驗

    熱重分析法是近年來國內外研究煤燃燒特性最常用的方法之一。它利用熱天平在程序升溫條件下，研究煤在燃燒過程質量隨時間溫度的變化，從而分析煤的燃燒特性。人們發現熱分析曲線不同的煤種，在實際爐膛中的燃燒特性也不同，相反當煤種的熱分析曲線相近時，在實際爐膛中的燃燒特性卻會基本相同 [3，4] 。

2.1實驗設計

    實驗是在德國 Netzsch公司生產的 STA 409C型熱天平上進行。工作氣氛為氮氣和氧氣,氧濃度分別為20%、30%、40%、60%、100％；總流量200mL/min，升溫速率20℃/min，溫度范圍為室溫～1100℃，煤樣質量約10.0±0.1 mg。

    本實驗的煤樣為龍巖煤，實驗煤樣直接取自電廠爐前，其工業分析和元素分析列于表1，平均粒度為69μm。

    實驗時將煤樣平鋪在SIC質平坩堝中,保證反應氣與試樣充分而均勻接觸,減小擴散阻力對反應的影響。

2.2實驗結果及分析

2.2.1 燃燒失重曲線（DTG曲線）的分析  

    龍巖煤樣在不同氧濃度下的DTG曲線如圖1所示。從圖中可看出，隨著氧濃度的增加，煤的DTG曲線的峰值（即最大燃燒速率）增大并向低溫區移動，并且峰區變窄，說明氧濃度的增加，提高了煤中可燃質的燃燒反應速率，使燃燒強度增強，縮短了煤樣從著火到燃盡所需的燃燒時間。

圖1. 龍巖煤樣在不同氧濃度下的DTG曲線

圖2 氧濃度對煤樣著火溫度和燃盡溫度的影響

2.2.1 氧濃度對煤樣著火特性和燃盡特性的影響

    煤的著火特性對燃煤鍋爐的高效穩定燃燒和低負荷穩定運行意義重大。煤的著火是由于放熱超過了散熱而使煤的化學反應得到自加速的結果。著火溫度是體現煤著火性能的主要指標。本文在TG－DTG曲線上采用切線法確定煤的著火溫度，燃盡溫度則定義為DTG曲線上燃燒結束區域失重速率為1%/min的點所對應的溫度值[6] 。

    圖2給出了龍巖煤樣著火溫度和燃盡溫度隨氧濃度變化的關系曲線，由圖可知，煤樣的著火溫度和燃盡溫度均隨著氧濃度的增加而降低，其中燃盡溫度降低得更多。當氧濃度為40％時，與氧濃度20％時相比，著火溫度和燃盡溫度分別降低了31.7℃和38℃。從圖中還可以看出當氧濃度超過40%時，溫度降低的趨勢變緩。

3. 富氧燃燒技術應用于CFB鍋爐燃燒福建無煙煤若干問題的探討

3.1對添加石灰石脫硫的影響

   CFB鍋爐爐內脫硫通常采用向爐內添加石灰石等脫硫劑在燃燒的同時實現脫硫。其主要反應方程式如下：

    石灰石煅燒分解反應：

    CaCO3CaO  +  CO2 ↑（1）

    脫硫反應（硫酸鹽化反應）：

    CaCO3+SO2+1/2 O2  →  CaSO4  +  CO2 ↑（2）

    CaO+SO2 + 1/2 O2  →  CaSO4（3）

    脫硫逆向反應：

    CaSO4→CaO+SO2  +  1/2 O2（4）

    上述反應的化學平衡受反應溫度、SO2濃度和O2濃度的影響，毛玉如[7]等的研究認為，SO2濃度的增大可以明顯升高硫化產物CaSO4的熱穩定溫度（起始分解溫度）上限，即抑制了脫硫逆向反應（4）式的進行；O2濃度對反應平衡的作用與SO2類似，高O2濃度也能有效抑制CaSO4的分解，并且，有利于保證硫化反應在氧化性氣氛下進行，生成產物以CaSO4為主導。此外，采用富氧燃燒，可以降低煤的著火和燃盡溫度，因此可以采用較低的床溫，這有利于解決福建無煙煤燃燒溫度和采用石灰石爐內脫硫溫度不匹配的矛盾，提高石灰石的利用率。

3.2 對脫硫灰渣綜合利用的影響

    CFB鍋爐的脫硫灰渣的性質與煤粉爐粉煤灰相比存在較大差別，主要特點為飛灰含碳量高、玻璃體較少、CaO含量高并具有一定的自硬性等[8] ，這些差異制約了CFB鍋爐脫硫灰渣的綜合利用。采用富氧燃燒則上述問題均可以得到一定程度的改善。其一，采用富氧燃燒降低了煤的燃盡溫度，縮短燃盡時間，這將有效提高煤的燃盡率，特別是提高在爐膛中停留時間最短的細顆粒的燃盡率，因此飛灰含碳量將大大降低；其二，由3.1中的分析可知，采用富氧燃燒可以提高石灰石利用率，這就意味著在達到相同脫硫效率的情況下可以降低鈣硫摩爾比，從而減少灰渣中的CaO和自硬性；最后，富氧燃燒提高了燃燒強度，因此有利于煤中礦物質燃燒后形成玻璃體，即增加灰渣的活性和流動性。

3.3 氧濃度的選取

    根據上述分析，采用富氧燃燒可以改善福建無煙煤的著火和燃燒特性，并且有利于CFB鍋爐爐內添加石灰石的脫硫反應及脫硫灰渣的綜合利用。但富氧濃度不宜過高，由熱重分析實驗結果可以看出，當氧濃度超過40%時，龍巖煤樣著火溫度和燃盡溫度降低的趨勢變緩，同時，氧濃度過高將造成燃燒強度太強，爐膛內溫度急劇升高，從而造成煤和石灰石的燒結，反而不利于灰熔點較低的福建無煙煤的穩定安全燃燒，以及石灰石的脫硫反應，此外，制氧投資等費用也將猛增，綜合效益反而下降，因此，建議富氧濃度在30％左右為最佳。

４. 結論　

   （1）隨著氧濃度的增加，龍巖煤的燃燒熱重曲線向低溫區移動，最大燃燒速率增大且出現得越早，說明氧濃度的增加，提高了燃燒強度，加快了燃燒速度。

   （2）隨著氧濃度的增加，龍巖煤的著火溫度和燃盡溫度均降低，氧濃度對燃盡溫度的影響更大一些。結果顯示隨著氧濃度的增加，著火提前且燃燒時間縮短，促進了燃燒完全。當氧濃度超過40%時，這種趨勢變緩。

   （3）采用富氧燃燒有利于CFB鍋爐爐內添加石灰石進行正向的脫硫反應，形成穩定的產物CaSO4，并提高石灰石的利用率。

   （4）采用富氧燃燒可改善CFB鍋爐脫硫灰渣特性中制約其綜合利用的不利因素。

   （5）從對燃燒改善的程度和經濟性等方面綜合考慮，建議富氧濃度在30％左右為最佳。

參考文獻：

[1]. 沈光林．膜法富氧技術及其應用研究[J]．化工進展，1996．（２）： 45-47．

[2]. 劉慶才等．富氧燃燒的主要環境影響因素概述[J]．節能與環保，2004．（２）：26-28．

[3]. 華峰等．熱重-差熱分析方法研究煤粉的燃燒特性[J]．山東電力技術，1998．（6）：6-10．

[4]. 孫學信．燃煤鍋爐燃燒試驗技術與方法[Ｍ]．中國電力出版社，2002．1．

[5]. 許晉源等．燃燒學[Ｍ]．機械工業出版社，1990．5．

[6]. 姜秀民，李巨斌，邱健榮．超細化煤粉燃燒特性的研究[J]．中國電機工程學報，2000．（6）：71-74，78    

[7]. 毛玉如，方夢祥，駱仲泱等．O2/CO2氣氛下石灰石煅燒與硫化反應研究[J]．燃料化學學報，2004．（3）：323-328．

[8]. 岳煥玲，原永濤等．循環流化床鍋爐灰渣綜合利用[J]．鍋爐技術，2006．（4）：36-40． 

文章作者：鄒崢 羅鴻春 集美大學機械工程學院 廈門 361021