富氧环境下煤粉燃烧特性试验研究.pdf

≥专j 、硕士学位论文⑧论文题目富氧环境下煤粉燃烧特性试验研究作者姓名指导教师刘靖昀赵虹教授翁善勇副教授学科( 专业)工程热物理所在学院机械与能源工程堂堕提交E l 期二零零六年- - 7 1浙江大学硕士学位论文摘要氧气浓度的变化对煤粉燃烧产生很大的影晌，增加氧气浓度会降低着火热和着火温度，增加反应速度、提高火焰温度、促进完全燃烧目前，世界上火力发电厂煤粉锅炉基本上都是用油点火或助燃，每年的耗油量是巨大的如果可以利用富氧空气( 高氧气浓度的空气) 助燃煤粉、替代电厂点火用油，其经济效益将十分可观本文选用了从褐煤到贫煤的不同煤样，在沉降炉和热天平两种试验台上进行了煤粉的富氧燃烧试验在沉降炉中，着火温度随氧气浓度的增加丽降低低挥发分的贫煤对氧气浓度变化最为敏感，氧浓度由1 6 ％增加到3 6 ％，着火温度下降2 4 ％，绝对值降低1 4 7 ℃，而褐煤卡列那的着火温度随氧气浓度变化最小，仅下降3 6 " C ，但由于其本身的着火温度较低，所以降幅也达到1 2 ％四种烟煤的趋势居于贫煤和褐煤之间，着火温度下降1 5 ％左右，绝对值下降6 0 ～1 0 0 ℃，且烟煤的着火温度在氧气浓度达到2 6 ％后，下降的速度降低。

通过改变沉降炉内的煤粉浓度的实验，我们可以发现：氧气浓度增加，消弱了煤粉浓度对着火温度的影响同样不同氧气浓度下煤粉细度对着火温度的影响很小，且基本相近在热天平中，不同的煤种随着氧浓度的增加最大燃烧速率对应温度T I m a x降低约5 0 " C 左右，下降比例在1 0 ％左右氧气浓度增加后煤种的着火特性向好的方面转变：T O 曲线左移，蓝线变得更加陡峭本文也分析了氧气浓度增加对反应速度、燃尽率和排放的影响，得出在两种实验设备中煤粉燃烧速度与氧气浓度基本成指数关系，燃烧速度随氧浓度增加而迅速增加；氧气浓度增加对燃尽有很大的促进，尤其对于难燃的煤种，氧气浓度从2 1 ％提高到3 6 ％，燃尽率可提高1 1 ％；氧气浓度提高后并不一定增加二氧化硫和氮氧化物的排放，在过量空气系数一定的条件下，增加氧气浓度，二氧化硫和氮氧化物的生成量反而明显降低关键词：氧气浓度；煤粉；着火温度：反应速度；燃尽率；排放；沉降炉；热天平浙江大学硕士学位论文A b s t r a c t1 1 1 ev a r i e t yo f t h eo x y g e nc o n e e n t r e t i o nw i l lm a k et h eg r e a ti n f l u e n c et ot h ec o a lc o m b u s t i o n ．T h ee n h a n c eo ft h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni sa b l et or e d u c ei g n i t i o nh e a t 、i g n i t i o n - t e m p e r a t u r ea n di n c r e a s er e a c t i o nv e l o c i t y 、f l a m et e m p e r a t u r ew h i c hw i l lp r o m o t ec o m b u s t i o nc o m p l e t e l y ．A tt h ep r e s e n tt i m e ，o i lw a su s e dt of i r e0 1 "c o m b u s t i o ns u p p o r t i n gi nt h ep u l v e r i z e dc o a lf i r e db o i l e ro ff u e le l e c t r i cp l a n ti nt h ew o r l db ya n dl a r g e ．I f t b eo x y g e n —e n r i c h e da i r ( h i g l lo x y g e nc o n c e n t r e t i o na i r ) b eu s e dt os u p p o r tc o m b u s t i o nC a ns t e a dt h eo i li nt h ep o w e rp l a n t s ，t h ee c o n o m i cb e n e f i t sw i l lb eq u i t eg o o d ．T h ep a p e rc h o o s et h ed i f f e r e n tc o a ls a m p l e sf r o mb r o w nc o a lt od r y —b u r n i n gc o a la n dm a k et h eo x y g e n ．e n r i c h m e n tc o m b u s t i o nt e s t si nt h eD r o pt u b ef u r n a c ea n dt h et h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u s ．D u r i n gD - f u r n a c ee x p e r i m e n t st h ei g n i t i o n - t e m p e r a t u r ed e c r e a s e sw i t ht h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g ．L o wv o l a t i l ed r y - b u r n i n gc o a li st h em o s ta c u t e s tt ot h eo x y g e nc o n c e n t r a t e ．O x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o m1 6 ％t o3 6 ％，1 1 l ci g n i t i o n ．t e m p e r a t u r ed e c r e a s e d2 4 ％．d e c r e a s i n gb y1 4 7 ℃．K a l i e n ac o a l ’si g n i t i o n - t e m p e r e t u r eh a sal i t t l ec h a n g ew i t ho x y g e nc o n c e n t r a t e ，d e c r e a s i n gb y3 6 " C ．B e c a u s eo fi t ’Sl o wi g n i t i o n - t e m p e r a t u r e ．t h ed e c r e a s er e a c h1 2 ％．n et r e n do f4b i t u m i n i t e sa r eb e t w e e no n eo f b r o w nc o a la n dd r y - b u r n i n gc o a l ，i g n i t i o n —t e m p e r a t u r ed e c r e a s e d1 5 ％o rs o ．6 0 ～1 0 0 ℃．A n dt h ed e c r e a s i n gv e l o c i t yo ft h eb i t u m i n i t e s ’i g n i t i o n - t e m p e r a t u r eb e c o m el o w e ra f t e rt h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o nr e a c h2 6 ％．T h el i R l ed i f f e r e n c eO C C U ra m o n gb i t u m i n i t e s ．F o rc o a lc o n c e n t r a t ee x p e r i m e n t ，W ef i n do x y g e n —e n r i c h e dw e a k e nt h ee f f e c to fc o a lc o n c e n t r a t eo ni g n i t i o n - t e m p e r a t u r e ．C o a ld i m e n s i o nh a saw e a ke f f e c to ni g n i t i o n - t e m p e r a t u r eu n d e rd i f f e r e n to x y g e nc o n c e n t r a t e ．I nt h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u s ，t h eT i m a xo fa l lt h ec o a l sd e c r e a s ew k ho x y g e nc o n c e n t r a t e si n c r e a s i n g ．A b o u t5 0 。

0 ，t h er a t ei s1 0 ％．W i t ht h ei n c r e a s i n go fo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t h ec h a r a c t e ro fi g n i t i o nt u r nb e R e r ：T Gc u r v en l o v el e f ta n dt u r ns t e e p e r ．n 地p a p e ra l s oa n a l y s et h ee f f e c to fo x y g e nc o n c e n t r a t eo nr e a c t i o nv e l o c i t y ；b u r n o u te f f i c i e n c ya n dr e l e a s eo fS 0 2a n dN O x ．T h e r ei se x p o n e n t i a lr e l a t i o nb e t w e e nC o a lr e a c t i o nv e l o c i t ya n do x y g e nc o n c e n t r a t e ．T h eh i g h e ro x y g e nc o n c e n W a t ep r o m o t e sb u r n o u te f f i c i e n c ye s p e c i a l l yf o rt h ec o a l s ．w h i c hi sd i f f i c u l tt ob u r n ,i n c r e a s i n g11 ％i nb u r n o u te f f i c i e n c y ．H i g h e ro x y g e nc o n c e n t r a t em u s tn o ti n c r e a s et h er e l e a s eo fS 0 2a n dN O x ，u n d e raa p p r o p r i a t ee x c e s sa i rr a t e ，t h e r eb e i n gl o wr e l e a s eo fs c ha n dN O x ．K e yw o r d s ：o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ；c o a lp u l v e r i z e d ；i g n i t i o n - t e m p e r a t u r e ；r e a c t i o nv e l o c i t y ；b u m o u te f f i c i e n c y ；d i s c h a r g e ；d r o pt u b ef u r n a c e ；t h c r m o g r a v i m c t r i ca p p a r a t u s2学号趁塑翌兰生圭独创性声明rY9 9 9 7 7 7本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意学位论文作者签名：≥V 1 滩畛签字日期：≯耐年弓月弓目学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝望盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权澎’江盘堂可以将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、汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：矗、1 谛畛导师签名签字日期：h 衫年弓月弓日签字目期：沙缉享月于日学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：邮编浙江大学硕士学位论文第一章绪论第一节世界能源概况1 ．1 国际能源概况1 1 1化石燃料一煤炭、石油与天然气，合计占全球现在使用能源总量的8 5 ％以上1 9 世纪7 0 年代的产业革命以来，化石燃料的消费急剧增大初期主要以煤炭为主，进入2 0 世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油以及天然气的开采与消费开始大幅度地增加，并以每年2 亿t 的速度持续增长。

虽然经历了上世纪7 0 年代的两次石油危机，石油价格高涨，但石油的消费量却不见有丝毫减少的趋势据估算与推测，2 1 世纪化石燃料中有的将被开采殆尽，有的因开采成本高以及开发使用导致的一系列环境问题而失去开采价值地质学家早已明确指出：石油耗竭之日为期不远了现在，尽管地质学家和经济学家们在激烈地争论石油开始匮乏的时间，但无论如何，化石燃料终将耗尽却是无可争辩的事实( 参见表1 ．1 ) 表1 ．1 非可再生能源占全球能耗比例及可用年限全球能源需求的高度成长国际能源机构( I E A ) 正式公布了新版《世界能源预测》，对2 0 3 0 年前的能源需求、使用进行了预测，指出未来能源需求将继续保持增长，化石类燃料及将占主导，发展中国家需求增幅较快该报告称2 0 0 0 - - 2 0 3 0年间，全球一次能源每年需求增幅为1 ．7 ％，至1 J 2 0 3 0 年时年需求将达到1 5 3 亿t 原油( 折合) ，而目前全球能源消费总量为9 0 亿t 原油( 折合) 能源需求增长的9 0 ％为化石类燃料未来全球石油每年需求增幅为1 ．6 ％，将由2 0 0 0 年的7 5 0 0 万桶／d 增至2 0 3 0 年的1 ．2 亿桶／d ，其中的3 ／4 将用于满足交通运输需求。

天然气需求增长最快，在未来2 8 年中天然气需求将翻一番，在能源需求中的份额将从目前的2 3 ％增至2 8 ％，未来将有大量的电厂使用天然气作燃料煤炭需求也会增加，但比石油和天然气的增幅要小，煤炭需求增长的2 ／3 将分布在中国和印度，可再生能源如水、电等的作用将不断增强在2 0 0 0 至2 0 3 0 年间，一次能源需求增加量的6 0 ％将用于发展中国家，特别是亚洲，这些国家在世界能源需求中所占的份额将由目前的3 0 ％增至4 3 ％中国已成为世界上的第二大一次能源消费国随着经济的不断发展，能源需求将继续增长，且需进口大量石油和天然气资源1 ．2 中国能源现状1 1 1 1 2 1 1 1 1 I浙江大学硕士学位论文中国是一个世界人口最多的国家，也是世界上能源生产和能源消费大国之一据统计，2 0 0 1 年中国能源生产量为8 ．3 9 7 亿t 标准油，占世界总量的2 1 ．6 ％，居世界第三位，排在美国、俄罗斯之后同年中国能源消耗量占世界总量的9 ．3 ％，居世界第二位2 0 0 1 年中国煤炭产量居世界第一位，占世界总量的2 4 ．4 ％；中国发电量居世界第二，占世晃总量的9 ．4 ％；中国石油产量居世界第六位，占世界总量的4 ．6 ％( 见表1 ．2 ) 。

表1 ．2 各国能源生产量和消费量占世界总数比重( 2 0 0 1 年) ％表1 ．3 中国近年来能源生产总量和构成中国能源消费量大，除总人口规模大之外，主要是经济持续高速增长、中国G D P 占世界总量的比重不断上升的必然结果据国际能源署( I E AI n t e r n a t i o n f lE n e r g yA g e n c y ) 估计，按汇率方法计算，中国G D P 总量占世界总量比重1 9 8 3 年为2 ％，1 9 9 3 年上升为3 ％我国人均能源消费和储量大大低于世界人均水平据统计，1 9 8 0 年，我国人均能源量相当于世界人均水平的3 0 ％，1 9 9 4 年上升为4 6 ％而美国1 9 9 4 年人均能源消费量相当于世界人均水平的5 ．4 6 倍，日本相当于2 ．6 9 倍，高收入国家相当于3 ．4 5 倍，中等收入国家在1 倍左右从各类主要能源储量看，中国人均原煤储量相当于世界人均水平的4 5 ％，人均水电资源储量相当于世界人均水平的5 5 ％，人均原油储量相当于世界人均水平的1 1 ％，人均天然气储量仅相当于世界人均水平的5 ％按人均能源消费量和储量看，中国又是能源“小国”，即远低于世界人均水平．表1 ．3 是列出了近几年我国历史能源生产总量和构成，从表中可以看出，煤2浙江大学硕士学位论文炭在我国能源中占有重要的地位。

我国煤炭资源储量丰富，居世界第三位，与其他能源相比，煤炭具有明显的成本优势在所有化石能源中，煤炭是最便宜的一种能源，同等的发热量，用煤的成本只相当于用油的3 0 ％，天然气的4 0 ％专家预测，到2 0 1 0 年，使用石油、天然气的成本将是煤炭的8 倍，甚至更高目前，煤消耗占世界一次能源消耗的2 7 ％，世界发电量的4 5 ％，随着其它一次性资源的枯竭，煤在一次性能源结构中的比重将进一步提高，从表1 ．3 中也可以看到，进入2 1 世纪后，我国的能源生产中煤炭的比重越来越大，原油的比重逐渐下滑据有关专家预测到2 0 1 0 年煤炭在世界一次性能源消费量的比重将超过三分之一，而消费量则将由2 0 0 0 年的4 3 亿吨增长到2 0 2 0 年的5 8 亿吨在最近完成的《中国可持续能源发展战略》研究报告中，2 0 多位中科院和工程院院士一致认为，到2 0 1 0 年煤炭在一次性能源生产和消费中将占6 0 ％左右；到2 0 5 0 年，煤炭所占比例不会低于5 0 ％可以预见，在未来几十年内煤炭仍将是我国的主要能源和重要的战略物资，具有不可替代性煤炭工业在国民经济中的基础地位，将是长期的和稳固的。

我国人均能源可采储量远低于世界平均水平，2 0 0 0 年人均石油开采储量只有2 ．6 吨，人均天然气可采储量1 0 7 4 立方米，人均煤炭可采储量9 0 吨，分别为世界平均值的1 1 ．1 ％、4 ．3 ％和5 5 ．4 ％我国石油产量不可能大幅增长，2 0 2 0 年预计为1 ．8 也．0 亿吨，然后将逐渐下降我国煤炭资源虽然比较丰富，但探明程度很低从种类看，经济可采储量少，优质资源少；从布局看，我国尚未利用的煤炭精查储量大多分布在自然条件恶劣、生态环境十分脆弱的区域，尚未利用的经济精查储量中8 6 ％分布在于早缺水、远离消费中心的中、西部地区，开发、运输和利用的难度势必加大制约着开发建设；从开采条件看，煤田构造复杂，适宜露天开采的煤炭资源少；从利用水平看，资源消耗高，小型煤矿矿井资源回采率仅为1 0 ％～1 5 ％有关专家按照各类煤矿产量加权平均的方法，对煤矿的矿井回采率进行了估算，目前全国煤矿矿井回采率仅在3 0 ％左右1 1 1 ，资源破坏和浪费问题非常突出同时，煤炭资源开发中造成的生态环境破坏，带来了大量社会问题第二节研究富氧燃烧的背景及意义2 ．1 国内外研究状况1 6 1富氧助燃在国内外都有很大的发展，就目前的资料显示：在富氧助燃方面的应用，都以膜法富氧助燃为最多。

早在八十年代初许多发达国家都投入了大量人力物力来研究膜法富氧技术，特别是日本，该国曾在以气、油，煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验，得出如下结论：用2 3 ％的富氧助燃可节能1 0 ～2 5 ％；用2 5 ％的富氧助燃可节能2 0 ～4 0 ％，用2 7 ％的富氧助燃则节能高达3 0 一5 0 ％等因此日本早在十几年前就决定：工业用大型锅炉的2 6 ．6 ％、工业用中型锅炉的3 1 ．7 ％、取暖用锅炉的1 5 ％、船舶动力装置的3 3 1 3 ％，不得用普通空气，而要使浙江大学硕士学位论文用富氧空气助燃此外美国、德国、前苏联、英国、法国、捷克等均有膜法富氧用于助燃的报导值得一提的是国外绝大部分用的是整体增氧，即所需空气全用富氧来代替，所以投资非常大，只有当氧／燃料价格比小于某值时，富氧助燃才有实际意义同时，国外也出现了使用全氧来助燃，目的是消除N O x 1 9 8 9 年我国科学家开发的局部增氧助燃技术，使用富氧量仅为所需空气量的l ～3 ％而原来鼓风量和引风量均要下降5 ～5 0 ％，主要应用于玻璃窑炉，燃油、燃煤、燃气等小型的工业锅炉，社会效益和经济效益均比较好平均节约燃料1 1 ．8 ％，增产1 0 ．2 ％，产品质量亦有提高，炉窑寿命亦相应延长，且富氧后烟气排放全部低于国家环保标准，一般几个月就能收回全部投资。

图1 ．1 是锅炉助燃的典型流程1 3 1 ：图1 ．1 锅炉助燃的典型流程2 ．2 研究煤粉富氧燃烧的意义目前，世界上火力发电厂煤粉锅炉基本上都是用油点火或助燃，只有少数国家使用气体燃料在我国，电厂的燃煤锅炉很大一部分用油进行点火或助燃在用油点燃时，一般是用油将炉膛烧热，以保证煤粉在喷入炉膛时稳定燃烧同时，在运行中，由于负荷的变化，在低负荷下燃烧可能不稳定，因此需要油助燃这种点火方式耗油量很大据统计5 0 M W 机组锅炉启动一次需要耗油5 吨，1 2 5 M W机组锅炉启动一次需耗油1 5 吨，而2 0 0 M W 机组锅炉启动一次需耗油5 0 吨：一台3 0 0 M W 机组锅炉每年需点火用油4 0 0 吨、稳燃用油1 5 0 0 0 吨2 0 0 2 年我国用于锅炉点火和助燃的燃料油超过六百万吨，直接费用高达1 6 0 亿元人民币p J 面对如此严峻的形势，国家明文规定了电厂锅炉的点火和助燃用油量，发布了节约和替代燃料的“十五’钡划：“十五’' 期阎，节约和替代燃料油1 6 0 0 万吨，其中电力行业要节约和替代7 5 5 万吨随着能源供应的日趋紧张，开发无油点火与稳燃新技术，降低点火助燃用油，研究节能高效燃烧有着重要的意义。

如果可以利用富氧空气助燃达到点火时不用油或者少用油以及在低负荷时候仅用富氧空气助燃，其效益将是巨大的使用富氧空气助燃，在国内外都有很大的发展众所周知氧气浓度的变化对燃烧产生很大的影响，增加氧气浓度会降低着火热和着火温度、增加反应速度、4浙江大学硕士学位论文提高火焰温度、促进完全燃烧而且在纯氧中燃烧，可以避免由于N 2 对燃烧产生的影响，如：N O x 的生成，0 2 向可燃物的扩散等一般情况下的燃烧，使用的助燃物都是大自然中的空气空气中的氧的含量大约为2 0 ．9 ％，而有时候的燃烧，需要富氧助燃，所以有必要研究在不同氧浓度下的煤粉燃烧特性第三节本文研究的内容及方法3 ．1 富氧助燃的经济性以及影响煤粉着火特性的因素此部分为文献综述，本文在查阅大量文献的基础上，对制氧类型和制氧成本进行介绍，简单计算了富氧点火的经济性，对国内外富氧燃烧的发展状况等方面也进行了介绍，同时对影响煤粉着火特性的因素进行了研究，找出了影响煤粉着火特性的各种因素，为进一步确定试验方案提供理论依据3 ．2 试验设备与装置的介绍研究氧浓度的变化对煤粉气流着火特性的影响时，主要采用沉降炉系统在试验台的改进等方面进行了大量的工作，为试验的顺利进行提供了必要的保证。

同时在研究了氧浓度对不同煤种的煤粉燃烧特性的影响时，利用了热分析仪进行研究对热分析仪的工作原理、结构等方面进行了一定的介绍3 ．3 研究氧气浓度变化对煤粉着火温度的影响通过着火温度指数这一指标来反映氧气浓度对煤粉的着火特性的影响利用沉降炉系统在变氧气浓度下进行不同的煤种、不同煤粉浓度、不同煤粉流速以及相同煤种的不同粒径下的试验利用热天平进行不同煤种的实验，通过试验求得的最大燃烧速率对应温度T l m a x 来考察氧浓度对不同煤种着火特性的影响程度3 ．4 研究氧气浓度变化对煤粉燃烧速率、燃尽和排放的影响利用沉降炉系统与热分析仪，在变氧气浓度下对不同的煤种进行试验，求取反应速度，分析氧气浓度对燃烧速率的影响同时利用沉降炉系统对煤粉的燃尽和排放进行实验，分析富氧后对这些方面的影响，为富氧燃烧的实施提供理论支持参考文献【l 】李敏，浅谈中国能源现状及未来，山西电力，2 0 0 4 ．6【2 】濮洪九，煤炭资源——我国经济可持续发展的物质保障，煤炭经济研究，2 0 0 3 ．4【3 】沈光林，膜法富氧的应用研究，工厂动力，1 9 9 9 ．4【4 】陈武，唐辛，张希诚，我国煤炭资源及其开发利用研究，煤炭经济研究，2 0 0 3 ．7f 5 】袁德。

李明，高温空气无油点火技术研究与应用，中国科协2 0 0 4 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2 0 0 4 年学术年会论文集2 0 0 4【6 1 沈光林，膜法富氧的应用研究，低温与特气2 0 0 0 _ 3浙江大学硕士学位论文阴沈光林，聂通元等，局部增氧助燃技术及应用，节能与环保2 0 0 2【8 】孙学信，燃煤锅炉燃烧试验技术与方法，中国电力出版社，2 0 0 2【9 1 方寿奇，膜法富氧技术在燃煤锅炉上的应用，膜科学与技术，2 0 0 1【l o 】熊友辉，孙学信，动力用煤及燃烧特性的研究手段和方法，煤质技术，1 9 9 8 ．9【I l 】国家统计局，中国统计年鉴￡M 】，北京：中国统计出版社，2 0 0 56浙江大学硕士学位论文第二章富氧的经济性及影响煤粉着火特性的因素第一节富氧燃烧的经济性富氧助燃和点火，会消耗的大量的氧气，氧气的制各需要一定的费用和可用的设备，所以富氧点火和助燃的经济性以及氧气的来源都是需要认真考虑本节将介绍工业制氧的情况和以及富氧助燃的经济性1 ．1 工业制氧的情况对于这种大规模的使用氧气，氧气的来源也是一个重要内容，目前，工业制造氧气的方法大致分为深冷法，变压吸附法( P S A ) ，膜法富氧，其特点如下：I ．I ．1 深冷法深冷法制氧是以空气为原料，利用氧气和氮气临界温度的差异，用深度冷冻的方法将空气冷凝后精馏，将氧气与氮气分离。

液态氧气可以在中心厂生产，然后用槽车或输配管道输送，或者液态氧气直接在现场生产深冷制氧法技术成熟、可靠，其优点是：除可获得高纯度的氧气外，还可获得氮、氩等附产品气体：其缺点在于设备多、流程复杂、占地面积大等由于深冷制氧的冷量是由压缩至0 ．6 M P a 以上的原料空气节流或膨胀而获得，因而电耗相对较高，特别是中、小型的深冷制氧装置，因原料空气需压缩到更高的压力，单位氧气电耗更高，随着技术的不断发展，该法制氧所需的能耗也在降低目前常用的空分装置是将深冷法和变压吸附法结合起来，这样能耗将大为降低，每吨氧气电耗大约为4 9 0 k w h ( 注：以1 8 0 N m 3 ／h 的产气量为例) ，大型设备能耗应小于此数字而且制氧规模很大，可达5 0 0 0 0 m 3 ／h 以上，能满足各种大量需氧的情况 注：参考成都深冷空分设备工程有限公司1 8 0 m 3 ／l l 空分设备和杭州制氧机厂的产品)1 ．1 ．2 变压吸附法利用分子筛吸附剂在常温下处于不同工况时，对不同气体组分具有不同的吸附能力的特性，通过变压吸附剂完成空气分离而研制的常用P S A ( 超大气压吸附常压解吸) 和V P S A ( 常压吸附真空解吸) 两种方法。

和深冷法相比，变压吸附法具有一次性投资少、流程简单、操作方便、自动化程度高、劳动定员少、能耗低、开停车方便、可快速便捷获得氧且占地面积小等优点制氧规模受技术限制，其经济规模为2 0 0 0 ～3 0 0 0 N m 3 ／h t 2 “，由于设备切换工作频繁，致使该工艺对设备质量要求非常高随着技术发展，经济规模将提高，制氧成本会下降，目前可查得：每吨氧气电耗小于2 8 0 k w h ：氧气纯度高达9 5 ％；制氧规模达到5 0 0 0N o ／h 7浙江大学硕士学位论文1 ．1 ．3 膜法富氧技术膜法富氧技术，系指利用空气中各组分透过高分子膜的渗透速率不同，在压力差驱使下，将空气中的氧气富集而获得富氧空气的技术膜法富氧可使富氧空气中氧浓度达到2 8 ％～4 5 ％在规模小于1 5 0 0 0 N m ’／h时，膜法富氧投资、维修及操作费用较深冷法和P A S 法经济此外膜法设备简单，操作方便和安全、启动快、规模可中可小、不污染环境、投资少、节能效果显著等优点有关性能指标( 注：参考火星8 6 3 网站公布的技术信息) ：产品氧浓度2 7 ～3 1 ％，流量根据用户需要选配，最大可达每小时一万五千立方米( 能配一台一千喃a ／4 , 时蒸汽发电锅炉富氧助燃) 。

电耗约O ．0 8 , 4 3 ．1 2 k w h ／m 3 富氧空气，占地0 ．0 2 ～O ．0 6 ∥／m j 富氧空气1 ．1 ．4 制氧设备选取参考在文中讨论氧气的价格是比较困难的，因为氧气的价格受许多因素的影响，例如设备利用率，初投资，金融利率，折旧，电费和地理位置等所以，我们只能作一些简单的判断：( 1 ) 容量大且设备利用率为1 0 0 ％时，就地深冷制氧可能是最低廉的 2 ) 当负荷不断变动且容量较小时，用槽车运输液态氧气是适宜的 3 ) 在小容量、中等容量且设备利用系数高时，P S A ／V S A 可能是最适合 4 ) 在小容量且需要的氧气浓度较低时，薄膜法可能最具竞争力1 ．2 富氧点火经济性估算设想将锅炉的下层一次风由普通空气换成高氧气浓度的气体，锅炉启动时直接点燃富氧的一次风煤粉气流此种点火方式所需要的改造费用很低，其经济性主要考虑氧气的来源及费用即可另外，如果采用局部富氧，即采用少量高浓度氧气在一次风喷日附近吹入，形成一个稳定的点火源，由局部引燃整个一次风，这样需要的氧气量更少，其经济性非常高所有设想的可行性还在实验中，本节仅讨论底层一次风全部富氧的经济性。

1 ．2 ．1 一次风用氧量估算在一次风中加入部分氧气或者使用富氧空气作为一次风输送煤粉，这样可在燃烧前，使煤粉和富氧空气预混，达到较好的燃烧状况，只需对设备稍作改造由前面的叙述可以知道，目前氧气的制备有三种主要的方法：深冷法、变压吸附法、膜法由于这三种制氧方法得到的氧气浓度依次为约1 0 0 ％、9 5 ％、3 5 ％，各不相同，所以下面分别对这三种浓度的富氧空气掺入量作简单的估算表2 ．1计算了1 2 5 M W 机组点火时，一层一次风喷嘴，风管内风速( 空气与煤粉混合后)假设为3 0 m ／s ，一次风温度( 煤粉，富氧，空气混合后) 分别为2 0 、8 0 、1 6 0 ℃，掺后氧浓度3 0 ％时，需掺入不同舍氧量富氧空气的体积流量表2 ．13 0 ％富氧浓度下不同一次风温度需要的富氧空气量( N m 3 ／h )8浙江大学硕士学位论文表2 t 2 计算了一次风温度为8 0 " C 时，不同富氧浓度下，需要的不同制氧方式的富氧空气量表2 ．28 0 ℃时不同富氧浓度下需要的富氧空气量( N m 3 ／h )从上表中可知用变压吸附法和深冷法富氧技术得到的富氧空气掺入量约为2 5 0 0 ～5 8 0 0 N m 3 ／h 。

用膜法富氧技术得到的富氧空气掺入量约1 4 0 0 0 ～3 0 0 0 0 N m 3 ／h ，无论是用那种方式的富氧空气，所需的富氧空气量都非常大从目前查到的资料来看，用变压吸附法和深冷法即时供应氧气都能满足需要，而膜法富氧需要至少2 台制氧设备同时运转才能满足即时供应的需要但是考虑到氧气或者说富氧空气可以储存，以及氧气的使用是间断的( 仅点火和低负荷时使用氧气) ，则对制氧设备的制氧能力要求会降低具体需要的制氧能力可根据锅炉台数、实际年点火次数和运行状况来确定1 ．2 ．2 供氧方案分析氧气来源可以有两种主要的方法，一是外部运输液氧，二是自备制氧机，有大致如下三种方案：方案一：在厂内建液氧贮槽，通过槽车从外面运输液氧此种方法初投资较少，仅需要建一个能存储满足一次点火需要的氧气量的液氧贮槽即可通过槽车运输液氧，装入液氧贮槽，为点火备用液氧贮槽的容积可以根据一次点火的需氧量确定以1 2 5 M W 机组为例，一次点火需要的液氧大致为5 0 0 0N m 3 ／h * 6 h = 3 0 0 0 0N m 3 ，换算成液氧接近4 0 m 3 方案二：自备小型制氧机，在厂内建液氧贮槽此种方案需要自备一台小型制氧机，小型制氧机连续工作，生产的氧气存储在液氧贮槽，供点火时使用，比购买氧气价格便宜，其经济性要比方案一高，但初投资要比方案一高出一个小型制氧机的价格。

此种方案中生产的氧气需要存储在液氧贮槽，所以适合用空分制氧方式的小型制氧机，而变压吸附( P S A ) 和膜法制氧的出口压力低，而且制氧纯度较低，需要浪费较大的能耗将氧气液化存储方案三：建大型制氧设备，即时供氧，剩余时间的氧气及附属产品出售建大型空分设备，生产的产品纯度和种类多( 纯氧、纯氮、氩、氖、氪、氙等) ，如果有好的销售路径，其经济效益将是三种方案中最高的，但是所需要的初投资很高，一般一台6 0 0 0 N m 3 ／h 的空分制氧设备，其初投资超过4 0 0 0 万，变9浙江大学硕士学位论文压吸附制氧也在3 0 0 0 万左右，而单套膜法富氧制氧规模无法达到这个用气量1 ．2 ．3 富氧点火成本估算因为加入氧气仅需要很小的改造，故改造费用忽略不算方案一的初投资仅为建一液氧贮槽，容积为4 0 m 3 造价在5 0 w 左右，方案二的初投资比方案一增加一个小型制氧机，～台小型制氧机2 0 0 m 3 ／h 的制氧能力能满足每6 天点火一次的氧气使用量，造价在l O O w 左右，加上液氧贮槽总投资约1 5 0 W 此方案中不采用变压吸附和膜法制氧，原因主要在于难于储存制备的氧气。

方案三的初投资取决于采用何种方法制氧，采用深冷空分法制氧，初投资大约为4 0 0 0 多万元，采用变压吸附法，投资大约为3 0 0 0 万左右对于膜法富氧的投资还不确定下面对从不同制氧方式、制氧能力等方面分析各种方案，以一次风温度8 0 ℃，富氧后一次风富氧浓度3 0 ％计算，点火时间按照8 小时计算，则一次点火需要的纯氧量为4 4 9 3 " 1 ．4 2 9 ' 8 ／1 0 0 0 = 5 1 ．3 6 t ，用电价格0 3f r d k w h ，表2 ．3 分析了各种方案的运行成本表2 ．3 富氧3 0 ％的不同方案对比制氧供氧类制氧规制氧电耗运行成本备注类型型模N m 3 ／1 1方案一外部存储后，，4 ．1 万／次液氧参考价8 0 0 元／t外运运输供应方案二深冷存储后0 ．7 5 5 万，空分2 0 04 9 0 k w h ／t存储供应次深冷即时供O ．4 4 k w h ／N m ’0 ．4 7 5 万，附加产品种类多．可对外空分应4 5 0 00 2次销售方寰三变压即时供4 8 0 00 ．3 8 k w h ／m 30 ．4 3 8 了j f起停方便，可即开即用即时供吸附应O ，次氧0 ．0 8 ~ o ．1 2膜法即时供2 5 4 0 0k w h ／m 3 富0 ．6 1 万／次’至少两台同时供氧应氧空气将一次风的富氧浓度降低到2 6 ％重新分析，其他相同：一次风温度8 0 ℃，每次点火时间S 小时，用电价格0 ．3 元／k w h 计算，则一次点火需要的纯氧量为2 4 9 6 " 1 ．4 2 9 " 8 ／1 0 0 0 = 2 8 ．5 t ，各方案的制氧成本如表2 ．4表2 ．4 富氧2 6 ％时的备方案的制氧成本制氧供氧类制氧规制氧电耗运行成本备注类型型模N m 3 ／h方案一外部存储后，，2 ．2 8 万，次液氧参考价8 0 0 元，t外运运输供应方案二深冷存储后2 0 04 9 0 k w h ／t0 ．4 2 万／次存储空分供应方案三深冷即时供2 4 9 60 ．4 4 k w h ／N m 30 ．2 6 4 万，附加产品种类多，可对外即时供空分应0 2次销售1 0浙江大学硬士学位论文氧变压即时供0 ．3 8 k w l ．d m ’0 ．2 4 3 万，吸附应2 6 6 5起停方便，可即开即用0 2次即时供0 ．0 8 - - 0 ．1 2膜法1 4 0 8 6k w l l ／m 3 富0 ．3 3 8 万／应次单台容量可以达到氧空气注：制氧规模下降，制氧电耗会有所上升。

表格中仍按原有的电耗数据计算，其中深冷空分的制氧电耗按照6 0 0 0 N m 3 ／1 1 的大型设各计算，实际会比0 ．4 4 0 ．4 4 k w h ／N m J 高出一些，另外不同厂家的产品制氧电耗有一定差别．1 ．2 ．4 对比投油点火和等离子点火电厂锅炉目前常用的点火方式主要为投油和等离子点火，下面简单的计算一下各自的点火成本按投油量3 2 0 0 k g ／h ，油价3 5 0 0 元，吨计算，等离子点火的初投资大致在5 0 0 W 左右，运行费用主要在电耗和电极损耗，按照下表计算表2 ．5 等离子点火的运行费用富氧点火的成本可参照表2 ．4 ，对比等离子点火和投油点火，各自的点火费用汇总如表2 ．6 表2 ．6 等离子点火和富氧点火的经济性对比从表2 ．6 的分析中可以看出，如果按照上述一次风富氧2 6 ％计算，富氧点火运行成本比投油点火低很多，略高于等离子点火，但考虑到从技术角度可以进一步降低氧气的用量如采用上面提到的局部点火，富氧点火的经济性将很有市场竞争力，且富氧点火的初投资要低很多第二节富氧燃烧的优越性和应用实例2 ．1 富氧燃烧的优越性2 ．1 ．1 富氧对着火的影响降低着火热：Q 。

B r ( V 口, G k C l t 警坞·1 0 0 瑚- W Y l ／佤一t o )+ 叫罴【2 5 1 0 + e q ( ¨o ) 】一而仟t r y - - W m f1 0 2 5 1 0 + c q ( ¨0 ) 】}( 1 )式( 1 ) 中着火热是针对整个燃烧系统而言，对于煤粉气流着火来说，影响着火燃烧过程的因素是一次风气流在炉内空气动力结构，负荷、煤种、煤粉特浙江大学硕士学位论文性、热风温度均相同时，式( 1 ) 可改写为：如∞彳( 职4 - 砂c + D( 2 )式( 2 ) 中，A 、B 、C 、D 为条件相同时系数由式( 2 ) ，煤粉的着火热Q z n在其它条件相同时取决于一次风风率r l k 即决定于一次风量r l k V o ，假设一次风中所提供的氧量为一定值，则氧气浓度提高，必然降低一次风量的体积总量2 ．1 ．2 富氧对燃烧的影响‘2 ．1 ．2 ．1 加快反应速度、提高火焰温度针对一定的化学反应a A + b B - - ．- c C + d D ，化学反应速度为W2k c ：c ：，在温度一定时k 是一定的，化学反应速度仅与反应物A 、B 的浓度相关。

增加氧气浓度势必会加快反应速度同时，反应速度提高后，反应放热速度增加，火焰温度也必然提高，对于稳燃非常有利2 ．1 ．2 ．2 加快火焰传播速度近似计算火焰传播速度的公式为：“，2w Ⅱ卜．燃烧反应速度，g ' 户k 0 ’e x p l 一寿) + G ，从上面得知，提高氧气浓度，即提高了燃烧反应速度W m ，同时也降低了T z h ，因而可使火焰传播速度增加火焰传播速度也可称为燃烧速度，在保证喷口不被烧坏的前提下，提高火焰传播速度总是可以增强火焰稳定性的2 ．1 ．3 减少排烟量这一点对整体富氧尤显突出，采用富氧空气，比起2 1 ％的空气，当所需的氧气量一定的时候，排烟量将有很大的降低对于电站锅炉，q 2 为主要热损失，如用富氧燃烧，锅炉效率的提高是显而易见2 ．1 ．4 降低过量空气系数由于空气中含7 9 ％氮，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出，且氮分子不可能与燃料中可燃物反应以及空气通过燃料层阻力等诸多因素．因此，必须以过剩空气使燃料燃烧获得足够的氧量，而使煤充分燃烧采用富氧燃烧后，氮气的浓度降低，阻碍氧分子向碳表面吸附层的扩散和燃烧产物从碳表面的气体边界层排出的能力必然减弱，所以所需得过量空气必然减少，因而降低过量空气系数。

2 ．2 富氧助燃的应用实例富氧助燃在国内外都有很大的发展，但对于大型锅炉富氧助燃应用较少对于小型锅炉或者窑炉，大部分使用膜法富氧助燃，也有使用高浓度氧气的下面简单介绍几个富氧助燃应用的实例浙江大学硕士学位论文( 1 ) ．焚烧垃圾电厂富氧助燃在国外亦有较多应用，图2 ．1 是德国W T E ( w a s t e - t o - e n e r g y ) 电厂应用的S Y N C O M 过程【m ，在国外的应用超过2 0 0 家图2 ．I W T E 电厂的S Y N C O M 过程此过程包含：M A R T I N 反转炉排、红外热温燃烧控制系统、烟气再循环系统和底风富氧此类富氧对于促进燃烧、降低污染物具有较高效果，与普通情况相比，可降低飞灰中有机污染物3 5 ％( C O 、炭氢化合物、P c D D ／F ) ，对于底灰也有降低，在点火时可降低约为4 5 ％，在T O Ca n dd i o x i n s ( I - T Eo f P C D D ／F ) ．时为5 5 ％这是由于氧的局部压力增加，燃烧床温度提高1 3 5 ℃，增] 日至U 1 2 0 0 此外的重要特征还有强烈的烧结、提高底灰固定，减少飞灰。

此电厂垃圾消耗量约为7 t ／h ，垃圾热值约为11 0 0 0 K J ／k g 氧气消耗量为1 3 0 0 N m 3 ／h 此电厂采用外部运输液氧 2 ) 燃煤蒸汽锅炉1 2 a l1 9 9 8 年6 月，江苏阜宁化肥厂的W G C 2 0 ／3 ．8 2 ．1 型燃煤蒸汽锅炉成功的应用膜法富氧助燃技术，该炉上富氧前共进行了5 6 h 的测试，平均每小时耗煤2 ．7 吨左右吨煤产蒸汽约7 ．3 8 t ，使用富氧技术后平均吨煤产蒸汽达8 ．2 9 t ，平均节能大于1 1 ％，最高达1 6 ．2 ％，炉膛温度提高9 0 ℃，林格曼黑度小于一级不到半年就能收回全部投资，而膜组件寿命可达I O 年以上，仅机，泵需日常维护，其它均免维护，故具有显著地经济效益和社会效益其加氧方法如下：由增压风机将富氧空气增压至3 0 0 0 ～4 5 0 0 P a 后进入富氧预热器加热至大于8 0 " C 后分为两路：一路通入炉排下面的二、三风区由导风器、富氧均化喷头在横向均匀地高速喷入炉内煤层进入炉膛，使该燃烧区内的火焰温度升高，并增强火焰刚性；另一路富氧空气由后拱前端，通过具有扩散角的“富氧高温喷嘴”，喷入火焰上部，使火焰中的未完全燃烧物达到完全燃烧，可获得浙江大学硕士学位论文降低烟气黑度、提高火焰温度的效果。

上述两路富氧空气均由阀门加以适当控制 3 ) 玻璃窑炉l Z l l1 9 9 7 年4 月在四川威远康达建材集团6 3 m 2 的高碱球窑上使用膜法富氧助燃技术及装置，经该集团生产处的日常统计：平均节能1 2 ．6 ％，最高达1 7 ．8 ％，产量和质量均有明显提高，窑炉的大弦温度平均下降了l l 辐射温度平均下降了2 2 " ( 2 ，故窑炉寿命有所延长，而且烟气排放达标等，一直运行至今，性能稳定；年创效益达5 0 ～6 5 万元玻璃窑的加氧方式一般都采用富氧喷嘴，目前把氧气引入玻璃熔窑有四种基本方法，氧气⋯燃料喷枪，空气⋯氧气⋯燃料喷枪二次空气预混合和在喷枪下喷氧 4 ) 燃油锅炉㈣燃油锅炉富氧燃烧工艺流程图【1 9 1 如图2 ．2 所示：踟遵巡谶1 4浙江大学硕士学位论文的纤维素、木质素发生脱水、脱C O 、脱甲烷等反应，而后逐渐形成为含碳丰富的可燃化石燃料．一煤煤在化学和物理上是非均相的矿物或岩石，除了含有水和矿物杂质( 灰分)以外，其可燃成分主要是碳和氢，并和少量的0 、H 、S 、N 等一起构成有机聚合物各种有机聚合物粒子间，常由不同的碳氢支链相互连结成更大的离子，大粒子之间夹杂着各种杂质，或留有细小的孔穴和缝隙。

煤的化学成分和结构十分复杂，从不同的侧面分析可以得到很多不同的特性，但作为能源使用，主要了解它与燃烧有关的特性3 ．1 煤的燃烧以煤为主体来描述煤的燃烧过程，首先是煤样被外来能量加热和干燥，到l o o ℃以上水分逐渐蒸发，而后挥发物开始析出和煤焦的产生，释放出的挥发分和氧气相遇，达到着火条件便开始着火，挥发分对焦炭起到引燃的作用，在挥发分析出大部分后便开始剧烈的氧化反应一般认为，在煤的燃烧过程中从开始干燥、挥发分析出到大部分烧完，大约只占煤总燃烧时间的1 0 ％，而9 0 ％的时间是用在使焦炭燃尽【2 】同时上述的各个阶段可能顺序发生，也可能交叉或者同步进行，煤焦可能在挥发分没有完全析出前就开始着火燃烧过程可以分为两个阶段，第一个阶段燃料和氧化剂进行缓慢氧化作用积累活化分子和提高可燃物温度，第二个阶段反应速度进行的非常迅速并释放出强烈的光和热对于煤的着火来说没有一个合适的简单定义，一般说来着火被描述成为燃料与氧化剂达到一个连续的反应过程，经常用可见火焰来鉴别着火然而有时煤也能够在较低温度下很缓慢的进行反应，没有可见火焰，例如煤堆的自燃有时着火被定义成为：当一个可燃物容积中热产生的速率超过热损失的速率时，着火便发生。

按照现代理论，碳粒的燃烧是在碳的吸附表面进行，首先氧气通过气流边界层在灰层中扩散和在煤粒内部微孔中扩散，并在煤的表面上发生化学吸附与氧化反应，解吸后的产物通过内部微孔扩散到达煤的外表面，通过灰层进而通过气流边晃层进入主气流进行扩散煤的整个燃烧时间由化学反应时间和扩散时间构成化学反应时间主要取决于煤的本性和温度，扩散时间主要取决于气流速度和灰层厚度3 ．2 煤的着火模式及判据煤的着火特性很大程度上取决于煤粒的排列和集合形态一般可以分为单颗煤粒、堆积煤层和煤粉雾三种集合形态不同的堆积形态，煤着火特性不同，关于煤粉火炬着火的研究主要是单颗煤粒和煤粉雾着火，燃料从没有察觉发生反应到转变成迅速发生反应的状态称为燃料的着火煤的着火一般分为两种：第一种认为是燃料和氧化剂混合物开始于自发的化浙江大学硕士学位论文学反应，这种着火称为自着火第二种着火方式是在燃烧室中，燃料与氧化剂混合物受到外界加热或灼热燃烧产物的回流与可燃混合物掺混使本身温度还有反应速度迅速上升的过程，这种着火称为强迫着火强迫着火也可以说是点燃着火，目前就燃烧系统结构的不同，点燃方式也不尽相同，大体上点燃方式可以分为三种：炽热壁点火、电火花点火、气流点火三种形式。

3 ．2 ．1 煤的着火模式早期的研究都认为煤的着火总是在气相中发生，即煤粒加热后，释放出的挥发分与空气中的氧混合后，在一定条件下着火，然后迅速燃尽，挥发分燃烧产生的热量使残留焦炭被加热，达到焦炭的着火温度后，焦炭才开始燃烧直至燃尽直到2 0 世纪6 0 年代中期，H o w a r d 和E s s e n h i g h 首先从实验中证明上述结论并不全部适用．他们对1 0 0 0 1 x m 的P i t t s b u r g h 烟煤颗粒的着火研究发现着火是在表面上进行，而挥发分的大量析出是在可见火焰峰面后3 0 ～4 0 m s 才发生的后来，T h o m a s 、b a n d y o p a d h y a y 和B h a d u r i 等都证明了煤粒着火存在非均相着火目前，这两种煤粒的着火机理己为人们所普遍接受对于机理性的研究，争论一直存在：N e u l e t o n 和s i r l i n g 对暴露在震动的热氧气中的煤粒的着火进行了研究1 1 ”，他们对着火后的煤粒的结构的分析及对着火温度与临界温度( 相应最大挥发分析出率时的温度) 进行分析，认为这些试验的结果是气相均相中发生着火的．他们在后来的试验中加入一些阻燃剂，阻燃剂显然抑制了气相反应，并表明阻燃剂对着火温度没有影响。

据此，他们也开始认为可能着火发生在煤粒的表面而W i c k e l l 3 1 在这一点上有不同观点，这种阻燃剂覆盖了煤的反应活性表面而影响非均相反应动力学，这也就是说煤的表面着火机理也可能导致表面着火温度的变化3 ．2 ．2 着火温度的判据【1 1对于着火温度的求取，我们按照多相着火模型一般所采用的s e m e n o v 热力着火理论I n ，通过求取烟气温度曲线的临界点或转变点而得到按照s e m e t l o v 热力着火理论，着火点的判据可以用临界条件：Q l = Q 2 及d Q l ／d T = d Q J d T来判别，所得到得热力着火温度为临界着火温度点煤粒与周围空气的温度，雨在强迫着火过程中环境温度很高，远高于临界着火温度，因此，在煤粒温度达到环境温度时，反应已经进行得相当剧烈，即Q I 》Q 2 ，这就必然在更高的温度点达到生成热和散热的平衡整个温度实际是温度曲线的转变点温度，也就是实际强迫点火下的着火温度如果假定着火前质量消耗忽略不计，即r e = m 0 为常数，则煤粒的方程为：邓祭= l 静一学，陪．1 6浙江大学硕士学位论文即E ．，d 2 T ：旦塑。

d t 2( m o c ) d T胛其中Q = Q 1 - Q 2 = m c 等口l则s e m e n o v 的临界条件可表示为：d T ／d t - - - 0 及d Z T ／d t 2 = 0此种情况可理解为一冷的煤粒投入到温度为T i ( 临界着火点温度) 空气中通常的热点火工况，环境温度远高于着火温度，Q 2 < o ，Q = Q I —Q 2 > o 恒定，即t i T > 0 ，着火是必然的情况一般可定义温度曲线的转变点，即d 2 T ／d t 2 = o 的点为着火点，此点的温度即为着火温度由此着火条件为d T ／d t > 0 及d 2 T ／d t 2 = 0 该转折点实际上就是在各种具体的加热条件下煤的着火温度对于各种实际的研究过程，人们采用了各种不同的试验手段，也采用不同的着火判据．下面将各种着火判据归纳如下( 1 ) S c m e r l o v 判据这是最常用的判据，即上面所叙述的判据d T ／d t > _ 0 及d 2 T ／d 1 2 = o ，适合于煤粉群着火时的着火温度的判别( 2 ) 绝热判据( V a n tH o f f 判据)绝热判据即对于点火时，用d T ／d x = 0 ，即当在可燃质温度场中的温度梯度由于可燃物的燃烧出现d T ／d , x = 0 ，当燃烧释放的热量在局部“积累”而无法传出时，即为出现爆燃现象，这一着火过程在文献l 第2 章中已详细分析。

在s t e v e n的煤联合着火模型中就采用了这一判据( 3 ) 煤总体质量消耗率跃迁判据当煤的质量消耗率发生突变，使反应状态由动力控制转变为扩散控制时，该转变点即为着火点，该判据对于同时考虑多相反应和均相反应的着火模型时更方便；可以避免上述方法带来的实质上的困难，如文献8 所示的着火机理研究中采用了此法 4 ) 气体可燃浓度判据即混合可燃气体的浓度无达到高温混合气体可燃浓度极限时，开始着火、从这个定义看出，这个判据用于均相着火，对于煤常用于挥发分着火模型 5 ) 恒温壁面系统超温判据即T1 > T - ，当气流温度高于当地壁面温度时，气流将放热给壁面，定义此点为着火点，该判据相当于Q 1 > Q 2 ，在一维着火试验中，常用此判别方法 6 ) 闪光法随着光学检测系统的完善．现代燃烧研究利用燃烧发光这一现象而采用出现“闪光”作为着火的判据已经成为着火的主要判据之一特别是在高强度高速加热条件下的着火研究，更是必须用光学方法才可能进行精确测量，如激光点火的研究浙江大擎硕士学位论文( 7 ) 其他判断着火的方法除了上面几种，还有如爆炸法，以群体发生爆炸作为着火点：还有压力突升法，以容器内可燃物的压力突升为着火判据等等。

3 ．2 ．3 反应速度的求取煤的燃烧速度主要取决于焦碳的燃烧速度，而焦碳的燃烧属于多相燃烧反应，其特征是物质的化学反应发生在分界表面上，既可以在内表面上进行又可以在外表面上进行，没有明显的界限可以说，多相反应越急剧的进行，如反应温度越高和固体的反应性越强，则反应很大程度上集中到物体外表面上进行因此，所谓外部反应表面可以理解为物体的极限反应表面在异相反应的五个步骤中，最慢的步骤对反应速度起决定作用，视具体情况可以分为三个区域多相反应，可以从两个方面分析，一方面是扩散过程，反应分子扩散到表面和生成物从表面扩散离开，这两者是彼此联系的另一方面是吸附、反应和解吸附过程，其中反应与解吸附很难分清，通常是看作一个步骤，即分子在表面上进行反应即认为其他生成物现在以氧与碳的化学反应与氧气向碳球表面的扩散两个过程来考察上述两个过程根据F i c k 扩散定律，氧气从周围向单位表面积的碳球表面扩散量为：g = f l ( C 0 2 ，一C 0 2 』)另外，设／表示每消耗l k g 氧所烧掉的碳的重量，即f ：堕塑堑塑壁塑重量! 丝!每消耗l 段氧气例如对反应C + 0 2 - + C 0 2 ，f = 1 2 ／3 2 = 0 ．3 7 5对反应2 C + 0 2 - - ．2 C O ．f = 2 4 ／3 2 = 0 ．7 5对反应4 C + 3 0 2 - ·2 C O + 2 C 0 2 ，f = 4 S ／9 6 = 0 ．5由于碳的反应总是产生C 0 2 和C O ，故，值总在O ．3 7 5 ～0 ．7 5 范围，此时在碳表面的反应速度以燃烧比速度K ；= k c ：, [ k g ( C ) ／m 2 ·J 】( 1 )式中七——化学反应常数，由A r r h e n i u n s 定律决定：Fk = k o e x p ( 一嵩)n 』E ——活化能( J ／t 0 0 1 ) ；n 一反应级数；k ——频率因子为常数。

在稳定状态时扩散来的氧量等于碳燃烧消耗的氧量即p ( c o ：．一C 0 2 』) = 圮& 1 8浙扛大学硕士学位论文设n = l代入公式( 1 ) 中，c 0 2 , $ - - - - T 专C 0 2 ，- T ——∥可得碳的燃烧比速度：《= 丁y C O T 2 ．i + 虿( 2 )( 3 )如令后 击表示燃烧反应的表观速度常数，则三二kB《= 皿·c Q ，坤( 4 )由此可以分为动力燃烧工况，扩散燃烧工况和过渡燃烧工况三种在温度较低时，属于动力燃烧工况区域，此时口> 》k ，本次试验一般处于该反应区域这样燃烧反应的表观速度常数可以忽略口的影响，只考虑k 的影响即可K 的求法根据A r r h e n i u s 定律求得因为在试验的结果中，可以根据测得的温度点、取样，求得反应的活化能和频率因子等常数，所以可以得到不同工况下，即不同氧浓度对反应速度常数的影响3 ．3 煤粉气流的着火3 ．3 ．1 煤粉的燃烧阶段煤粉在炉内燃烧过程大致可分为三个阶段 1 ) 干燥预热和挥发分析出、着火阶段在干燥预热和挥发分析出、着火阶段内，水分要蒸发，挥发分要析出，挥发分一经析出便马上着火，煤粉的温度也要升高至着火温度。

此阶段是大量吸热的阶段 2 ) 燃烧阶段当煤粉温度升高至着火点，而煤粉浓度又适合时，煤粉就开始着火燃烧阶段是一个强放热阶段，这个阶段需要大量的氧气，以满足燃烧的需要这一阶段进行的快慢主要取决于燃料与氧反应速度和混合接触速度 3 ) 燃尽阶段在燃尽阶段中，未燃尽而被灰包围的少量残碳继续燃烧，直到燃尽成为灰渣此阶段一般在氧气供应不足，气粉混合较弱，炉内温度较低的情况下进行的，因此需要时间较长将燃烧过程分为上述三个阶段主要是为了分析问题方便实际上，各个阶段是交错进行的在上述阶段中，最重要的是着火和燃尽两个阶段要使燃料燃烧完全，首先要实现迅速而稳定的着火，保证燃烧过程的良好开端只有实现了迅速而稳定的着火，燃烧和燃尽阶段才有可能进行，燃烧效率才有可能提高只要1 9浙江大学硕士学位论文燃烧和燃尽过程顺利进行，就可以释放大量热量，维持着火所需要的高温条件，又为着火提供必要的热源着火和燃尽是相辅相成的，但着火是前提3 ．3 ．2 浓度效应单颗粒煤粉与煤粉气流的着火有着较大的差别，如果将单颗粒研究成果应用到实际煤粉气流中会出现较大的偏差，仅就着火温度而言，由于颗粒间的相互影响，煤焦和煤粉颗粒群着火温度在6 2 0 ～7 0 0 K 之间，而对应的单颗粒着火温度为1 0 5 0 ～1 2 0 0 K 。

因此对煤粉气流的着火特性的研究仅采用对单颗粒的研究是远远不够的，必须专门对煤粉气流的着火特性进行研究实际和理论研究都表明，油滴燃烧的影响可达到1 ／d = 2 5 ( 1 为距离，d 为液滴半径) 的地方，只有当l ／d > 2 5 时，才能认为发生的是单液滴燃烧，这一尺寸概念相当于边长为2 m m 的空间内只有一个颗粒对于煤粉，虽然热解产物可能没有那么多，但由于挥发分析出时的喷射和氧向表面的扩散，单颗粒所能影响的距离可能与此相当而这种情况在实际过程中是很少存在的，因此在分析煤粉颗粒的着火和燃烧时必须考虑到相邻颗粒对它的影响，即要将混合物中的煤粉作为一个整体加以研究颗粒间的相互影响包括很多方面：改变阻力系数、流场和着火行为，因浓度变化面延长或缩短着火时间，对热量和氧量的竞争，改变颗粒周围的气体分布等，而这些影响可波及到较远的流场中事实上，人们从一开始研究煤颗粒着火时就注意到这个问题C a s s e l 和L i e b m a n n 采用少量的空气携带尽可能少的煤粉喷入相对大空间的滴管炉，以消除颗粒间相互作用来研究单颗粒的着火特性此后的许多研究者都沿袭了这一方法，表2 ．7 是采用静止单颗粒技术和喷射少许颗粒技术所测的着火温度，可以看出两者相差很大，这除了煤样、加热条件等不同之外，主要应是由于采用喷射少许煤粉技术难以实现单颗粒的状态。

表2 ．7 试验方法和着火温度作者方法颗粒尺寸燃科0 2 ／．6着火温度( ℃)K a r c z e t a l l T M石英丝固着1 0 0 ～6 0 0 p m无烟煤，烟煤．烟煤焦2 13 5 0 ～9 0 0C h e n e t a l p r t l喷注6 0 ～2 3 0 p m无墙堞，烟煤，3 种煤焦2 1J 5 0 ～4 5 0S e t x a s & 勘蚓咖曲埘喷注e 0 ～2 3 0 1 t m无烟煤，塌煤，( 高襄分^ - 5 0 ％)2 13 5 0 ～4 5 0B r 0 嫩＆鲥咖曲m "喷注6 0 ～2 3 0 p m无熘煤，烟煤，3 种攥焦0 ～7 03 5 0 ～4 5 0一个煤颗粒所受周围颗粒影响的大小除自身因素外，主要取决于影响到它的周围颗粒数及其与这些颗粒间的距离，即取决于整个煤粉气流中的煤粉浓度煤粉浓度决定了颗粒间相互作用的程度，在煤粉气流着火过程中起主要的作用，这就是所谓的浓度效应3 ．4 影响煤粉气流着火的因素的研究3 ．4 ．1 煤质特性浙江大学硕士学位论文几乎所有的试验都表明，煤质对煤粉气流着火的影响规律与单粒煤着火是完全一致的，文献1 1 2 1 对四种不同的煤进行了着火温度的测定，其结果如图2 ．3 所示。

从图中可见，不同的煤种，着火温度的差别是很大的，挥发分含量越低( 对应于煤化程度越高) 的煤，其着火温度一般较高，虽然在某些条件下，不尽如此，但总的趋势是一致的图2 ．3 煤粉浓度与着火温度的关系1 青山煤2 焦作煤3 云浮煤4 莱阳煤3 ．4 ．2 煤粉浓度撵耪浓度．9 时图2 ．4 着火温度与煤粉浓度的关系煤粉浓度是煤粉气流着火特性的最主要的影响因素，煤粉浓度的改变引起着火温度的显著变化从图2 ．3 可以看出，对于所有的煤种，随着煤粉浓度的增加，着火温度首先显著降低( 除低挥发分的莱阳煤外) ，着火温度降到某一值后不再继续降低，而是有一定程度的升高，即存在一个对应最小着火温度的最佳煤粉浓度，且挥发分含量越高的煤，最佳煤粉浓度越小仅从传热方面看，煤粉气流主要受炉壁的辐射加热，随着煤粉浓度的增加，整个煤粉气流的吸热增加，升温速度也加快因此，在较低的加热温度下就可以着火，当煤粉浓度很高时由于吸热的颗粒数显著增多，煤粉气流的总吸热量增加，但是，颗粒对辐射的屏蔽使得在煤粉浓度达到一定值以后．煤粉气流所能吸收的热量随煤粉浓度增加而增加很少，而煤粉气流的热容则迅速增加，对应的煤粉气流的升温速度反而降低。

因此必须提高炉壁温度来增加热强度，则所测的着火温度必然会有所提高从燃烧机理方面看，当煤粉气流中煤粉受热升温时，颗粒将热解或发生表面多相化学反应，发生热解的温度一般较低，而多相反应发生的温度一般较高，当煤粉浓度较低，颗粒升温速度很慢，煤粉可用于析出挥发分的时间较长，但热解产生的挥发分少，不足以引起整个煤粉气流均相着火，而氧量相对较多极易到达颗粒表面，着火只能是非均相的，因而着火温度也较高，当浓度升高时，升温速度加快，且整个煤粉气流中颗粒析出挥发分也多，均相着火可能发生，因而造成2 l浙江大学硕士学位论文了着火温度的逐渐降低当煤粉浓度很高时，煤粉气流的升温速度反而降低，煤粒在温度不高时析出挥发分也不多，但是由于煤粉浓度很高，整个气流中挥发分浓度增加较快，正是这一对矛盾的影响造成了图2 ．3 中除莱阳煤外，其他三种煤在较大的煤粉浓度范围内着火温度变化不大，只有在煤粉浓度很大时，浓度的增加使得升温速度明显减慢，挥发分的浓度效应不足以抵消升温速度的降低，这样才出现着火温度的提高H e r t z b e r g 在研究煤粉颗粒群着火时发现，不论对低挥发分的无烟煤还是高挥发分的烟煤，随着煤粉浓度的增加．着火温度都是先逐渐降低，而后在一定温度处保持不变，只是挥发分含量较高的煤发生这一转变的煤粉浓度较低，如图2 ．4 所示，H e r t z b e r g 认为高浓度下着火温度的几乎不变是受热解控制的。

3 ．4 ．3 粒径的影响对青山煤、焦作煤和云浮煤不同粒径时着火温度的测量结果如图2 ．5 所示，从中可以得出下结论：( 1 ) 对所试验的煤种，在不同粒径时最小着火温度所对应的最佳煤粉浓度是很接近的，只是粒径大对应的最小着火温度稍高些；( 2 ) 当煤粉浓度小于最佳煤粉浓度时，随着煤粉浓度的增加，着火温度都是降低的，在相同的煤粉浓度下，粒径越大，着火温度越高；( 3 ) 当煤粉浓度大于最佳煤粉浓度时，不同粒径的着火温度差别不大，只是粒径小时，着火温度稍早出现上升的趋势关于粒径对着火温度的影响，可作如下简化分析：煤粉浓度( 定义为单位质量( 1 k g ) 空气中的煤粉质量) ，即p 一鼍P 薜N 一专P ．s 一．N磁型霜图2 ．5 煤粉粒径对煤粉气流着火温度的影响因而，当煤粉浓度∥相同时，总颗粒数N c 1 ／C ，总颗粒表面积N S p 一1 ／d p当颗粒仅接受辐射加热时，不计散热，颗粒的热平衡方程：鼍咖^ 等= 靠d ；6 do 旺：一f ：) - a 石d2 vC T p _ 、浙江大学硕士学位论文因此，颗粒的升温速度d T p ／d t o c l ／d D气体的加热( 不计散热) 表示为：d Tc 』：N a 万d 2 ( 丁．T )gd tP 、gP7即气体的升温速度d T ／d t o c1 ／d , ，。

所以整个煤粉气流的升温速度也应；f ' ：l l ( 1 ／d p )成正比，一般认为热解为等直径过程，则单个颗粒的挥发分析出速度与d D 3 成正比，而整个煤粉气流中挥发分的析出速度一N d c ∥，即与粒径无关，而与煤粉浓度成正比，煤粉浓度越高，析出挥发分越多以上可以看出，煤粉气流的升温速度与粒径成反比，对于极低浓度下的多相着火，煤粉粒径减小，升愠速度加快，对应的着火温度也降低对于在较低煤粉浓度下的均相着火和熟解速度与粒径无关，仅与煤粉浓度成正比，因此粒径越小时，煤粉气流升温速度越快，更早地开始热解，在相同的炉壁温度下，更快地达到着火条件，亦即要求更低的加热温度当煤粉浓度很高时，辐射的热量几乎完全被煤粉气流所吸收，这时煤粉气流的升温速度仅由气流的外部加热表面积( 一般不变) 控制，与颗粒的粒径无关，着火只受热解和挥发分的燃烧控制，只要有足够的时间达到挥发分着火浓度极限和着火湿度，着火即可以发生在滴管炉中着火时间有限，高浓度时必须提高加热温度来缩短加热时间，因而在一定的浓度后所测的着火温度有所上升另外，煤粉浓度相同时，小颗粒的总表面积大，辐射经过时衰减快，更早进入热解和挥发分燃烧控制状态。

结合上一点对煤粉浓度影响的分析，可以看出，最佳煤粉浓度是由传热和均相反应机理共同控制的，而均相着火机理显得更重要，在最佳煤粉浓度之前，着火主要受加热过程控制，而在此之后则受热解控制，这才决定了最佳煤粉浓度与粒径关系不大，在最佳煤粉浓度附近着火度出现低平段，在最佳煤粉浓度之后粒径的影响并不大在热负荷较小的滴管炉中，这些现象的出现可以证明，在最佳煤粉浓度附近和之后着火是均相的3 ．4 ．4 氧浓度的影响采用不同模型计算煤粒着火温度随含氧量变化的规律，如图2 ．6 所示均相着火采用的是文献【2 1 发展的模型进行计算发现着火温度随含氧量增加而升高，而对应用非均相着火计算得着火温度随含氧量增加而下降图2 ．7 是不同含氧量条件下不同粒径大小煤粒着火温度的测量值，可以看出测量结果表明非均相着火模型计算的结果更加合理浙江大学硕士学位论文耗攘度体朗比图2 ．6 均相和非均相着火模型氧浓度对着火图2 ．7 不同直径条件下氧浓度对着火温度温度的影响的影响煤粉颗粒与煤粉气流的着火有一定的差别，故氧气浓度对他们的影响也不能一概两论图2 ，S 是氧浓度对焦作煤的煤粉气流着火温度的影响，试验时氧浓度的改变是通过在一次风中加～定量而实现的。

焦作煤的宽筛分( < 1 4 7 ／, t m ) 在氧气体积浓度为1 5 ％的情况下进行了试验，其结果如图2 ．8 所示．可以看出，在氧浓度降低时气流的着火温度有显著的提高，这是因为氧浓度降低时，燃烧化学反应速度相应降低，对应的着火温度必然提高从图2 ．8 还可以看出，氧浓度降低导致最小着火温度对应的煤粉浓度向低浓度区移动这是由于煤粉气流中氧量较少，在较低的煤粉浓度下，着火就进入了热解和挥发分燃烧控制状态图2 ．8 气流中氧浓度对着火温度的影响( 焦作煤)po毯娟长稚7 狮6 0 0枷3 ∞+ ￡* r∞弱墓J4 0 萱长鳓3 02 00j1 01 5∞笱入¨流速u ．m ／s图2 ．9 不同流速下的着火温度与着火距离关于变氧浓度下炭／碳粒燃烧速率，文献[ 4 】给出了对于低氧浓度( o ．0 5 < Y o < O ．2 3 3 ，氧浓度为质量相对浓度) 下炭／碳粒的燃烧速率与环境氧浓度Y Q 的关系：G l ～：∥急浙江大学硕士学位论文其中G d Y o ．删2 3 3 表示炭／碳粒在空气中的无因次燃烧速率；G c 表示氧浓度小于空气中的氧浓度( 0 ．2 3 3 ) 时炭／碳粒的有因次燃烧速率。

Y b 是给定的环境氧浓度( O ．0 5 < Y o , * < 0 ．2 3 3 ) ·3 ．4 ．5 气流速度的影响气流速度提高对着火不利，主要表现在两方面：( 1 ) 流速提高，气流受热时间缩短；( 2 ) 流速提高，必然会降低管壁温度因此，要维持原来的温度，必然要加大点火功率试验发现，随着气流速度的提高，着火距离明显延长，如图2 ．9 所示，对长广煤在煤粉浓度0 ．5 ，最商壁温9 5 0 " C 条件下，当流速由5 m ／s 提高到2 3 m ／s 时，着火距离由2 7 c m 伸长到6 0 c m ，但着火温度变化不大3 ．4 ．6 掺杂的影响文献1 1 4 】专门对煤粉空气流中掺有甲烷气体后气流的燃烧燃特性进行了分析，对爆燃特性影响的研究通过可燃界限的低限来表示j 5 I 糟最虚k g 翻’图2 ．1 0 贮能与甲烷含量对煤粒可燃图2 ．1 1 甲烷含量对煤的点火下限的影响下限的影响点火能为5 K J图2 ．1 0 示出了加入2 ％甲烷和没有甲烷加入在不同点燃能量条件下可燃低限的变化规律图2 ，1 1 示出在点燃能量为5 1 0 的条件下可燃低限随甲烷浓度的变化，可以看出，当甲烷浓度上升到5 ％时，煤粉浓度为零。

这是可以理解的，这也表明煤矿瓦斯爆炸，是煤尘和可燃气体共同作用之故，在煤粉仓和管道中的爆炸，如果温度合适，有一部分可燃气体挥发，将会大大增加爆燃的可能性参考文献1 1 ] 岑可法，姚强，骆仲泱等，高等燃烧学，浙江大学出版社，2 0 0 2【2 】顾恒祥，燃料与燃烧，西北工业大学出版社，] 9 9 3【3 1 刘伯谦，煤在流化床中的着火过程和流化床启动过程研究，浙江大学博士学位论文1 4 ] 章明川．煤粉着火及切圆燃烧火焰稳定性分析，清华大学博士论文，1 9 9 0浙江大学硕士学位论文[ 5 】章明川，徐旭常，切圆燃烧煤粉火焰稳定性分析模型及其应用，热力发电．1 9 9 2 ( s ) ．【6 1 王致均，锅炉燃烧过程，重庆大学出版社，1 9 8 7f 7 1J u n t g e n ，H ．a n dv a nH e c k , K ．H ．F u e lP r o c ．T e c h n 0 1 ．2 ：2 6 1 - 2 9 3 ，1 9 7 9【8 】V ．S ．G u r u r a j a n ．M e c h a n i s m sf o rt h eI g n i t i o no fP u l v e r i z eC o a lP a r t i c l e s ．C o m b u s t i o na n dF l a m e , V 8 1 ．N 2 ，l1 9 —1 3 2 ，1 9 9 0【9 1 & P ．G u p a t , c t c ．I g n i t i o nT e m p e r a t u r e sa n dC o a l - r e l a t e dI n f l u e n c e s ．C o m b u s t i o na n dF l a m e ，7 9 ．1 9 9 0[ 1 0 】H o w a r d ，J ．B ．a n dE s s e n h i g h , ＆H ．M e c h a n i s mo fs o l i d —p a r t i c a lc o m b u s t i o nw i t hS i m u l a n o u sG a sP h a s eV o l a t i l e sC o m b u s t i o n ．E l e v e n t hS y m p o s i u m ( I n t ．) o nC o m b u s t i o n ，T h eC o m b u s t i o nI n s t i t u t e ，P i t t s b u r g h ，3 9 9 ．- 4 0 8 ，1 9 6 7【1 l 】N c t t l e t o n ，M ．A ．a n d ，R ．T h eI g n i t i o no f c l o u d so f p a r t i c l e si nS h o c kH e a t e dO x y g e n ．P r o c ．R o y ．S o c ．L o n d ．A 3 0 0 ，6 2 ～7 7 。

1 9 6 7[ 1 2 】J o h n s s o nJEAk i n e t i cm o d e lf b rN O xf o r m a t i o ni nf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n ．P r u e ．1 0t hI n t e r C o n f ．F B C ．1 1 l l ～1 1 1 8 ．1 9 8 9【1 3 ]W a l l ，tFP h o n g a n a m , D ．G u r u r a j a n , V S ，e ta 1 ．I n d i c a t o r so fi g n i t i o nf o rC l o u d so fP u l v e r i z e d C o a l ，C o m b u s t i o n a n d F l a m e ，7 2 ：1 1 1 - 1 1 8 ，1 9 9 2【1 4 】A ．B ．F u e r t n s ．D i r e c tm e a s u r e m e n to fi g n i t i o nt c m p e r a t u r n so fp u l v e r i z e dc o a lp a r t i c l e s ．F u e l 。

V 7 2 ．N 9 ，1 2 8 7 —1 2 9 2 ，1 9 9 3【1 5 】傅维标等，一种计算在变氢浓度下炭／碳粒燃烧速率的简便方法，燃烧科学与技术，1 9 9 6N O ．2[ 1 6 】陈义胜等，单颗粒煤粉燃烧数学模型，钢铁研究学报，1 9 9 7 6[ 1 7 】O ．G o h l k e ，M ．B u s c h ，R e d u c t i o no fc o m b u s t i o nb y - p r o d u c t si nW T Ep l a n t s ：0 5e n r i c h m e n to fu n d e r f i r ea i ri nt h eM A R T I NS Y N C O Mp r o c e s sw a s t e - t o - e n e r g y ( W T E ) p l a n t s ，C h e m o s p h e r e , 4 2 ( 2 0 0 1 ) 5 4 5 - - 5 5 0【1 8 】沈光林膜法富氧的应用研究，工厂动力，1 9 9 9 ( 4 ) ．．【l9 】苏德胜，宋明勇，膜法富氧局部增氧助燃节能技术，油气田地面工程( O C S E ) ，1 9 9 9 ，1 8 ( 2 )【2 0 】方寿奇，膜法富氧技术在燃煤锅炉上的应用，膜科学与技术，2 0 0 1 ，2 1 ( 3 ) -【2 1 】沈光林，刘更生，丁建林等，膜法富氧局部增氧助燃技术及其在各种锅炉和窑炉中的应用研究，膜科学与技术，1 9 9 8 ，1 8 ( 2 )[ 2 2 】黄美荣，李新贵，董志请，大规模膜法空气分离技术应用进展，现代化工，2 0 0 2 ，2 2 ( 9 ) ．．【2 3 】赵宝泉，王从厚。

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在特定的气氛中以一定的温升速度加热坩埚中的煤样，用热天平连续称量煤样的重量并记录其随温度的变化，得到的曲线为热重分析曲线( T G ) ，将重量对时间求导后得到微分热重曲线( D T G ) 热重法主要特点：．定量性强，能准确测量物质质量的变化和变化率，用很少的量就可以进行试验．可以得到加热过程中的燃烧特性曲线，从燃烧特性益线上的特殊点可以比较各种煤的相对反应特性．可以得到煤在热重分析试验中的动力参数，用这些参数比较各种煤的相对反应性能．热重分析法简单易行，试验结果重现性好，可用来比较大量的煤种的燃烧特性并根据所获得的试验数据总结出一定的规律，人为的规定一些判定指标，用来判断未知煤种的燃烧特性．热重分析中煤粉的反应属于均相反应，加热速度低，一般的设定范围是5 , - - 2 0 ℃／u f i n ，煤粉在反应期间处于静态，加热条件与实际的锅炉燃烧有一定的差别一D ．管式沉降炉法：是利用热电偶测量煤粉着火时的温度：管式沉降炉是测量煤燃烧特性的一个关键设备炉子的体积小，炉内温度可以按照需要控制在一定的水平最高温度可以达到2 2 0 0 K ，能够承受的加热速度达到1 0 5 度／秒和炉膛煤浙江大学硕士学位论文粉气流的加热速度有相同的数量级，并且二者的加热方式相当，主要是采用对流加热的方法，所以管式沉降炉能够很好地模拟实际锅炉的热力特性，并且试验所需的煤粉量很小，而且可以在反应区中的任何位置取样，测定煤粉在不同气氛，不同温度和不同区域内的反应速度。

E ．着火指数法：是用定量的氧化性气体( 空气或者是氧气) 携带定量煤粉吹进炽热的炉膛，测定使煤粉着火的最低炉膛温度( 定义为着火指数) ；F ．激光法：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以上是几种对煤燃烧特性测量的试验系统，前三种属于热力着火范畴，对于层燃炉、煤粉堆积自燃时着火预报有重要意义，后三种属于强迫点燃范畴，强燃主要针对煤粉燃烧器的点火和稳燃浙江大学热能所采用煤粉沉降炉及热天平对煤粉着火特性、结渣特性、燃尽特性进行了大量的试验研究，本论文的主要试验工作也是采用沉降炉和热天平完成第一节热重分析仪的工作原理与应用1 ．1 热重分析仪简介热重分析仪( 热天平) 是在程序控制温度下，测量物质的物理性质和温度的关系的一种仪器在热分析技术中，热重法、差热分析法、差示扫描量法应用最广泛热分析技术开始于1 8 8 7 年L eC h a t e l i e r 的对粘土的研究[ 6 1 ，至今已经有1 0 0多年的历史1 8 9 9 年R o b e r e t sA u s t e r 采用热重分析仪对钢铁等金属进行研究，1 9 1 5 年H o h d a 研究出热重分析仪，1 9 5 8 年F r e e m e a nC a r r o l l 对T G 测量方法进行研究，七十年代热分析仪在自动化和微量化方面趋于完善，1 9 7 1 年B r a d l e y 等介绍了一种可以把装有试样的试样盘自动的送入炉膛，使得热重分析仪的发展技术完全自动化。

热重分析仪在四十年代以前的发展速度很慢，只是四十年代以后的发展才比较的迅速热重分析仪应用于煤粉的高温裂解反应也就是开始于四十年代后期热天平主要由记录天平、炉子、程序控温装置、记录仪器和支撑器等几个部分组成，其中最要的组成部分是记录天平，它基本上与一台优质的分析天平相同，如对准确度、重现性、抗震性能、反应性、结构坚固程度以及适应环境温度变化的能力等都有较高的要求记录天平根据动作方式可以分为两个大类：偏转型和指零型，无论哪一种方式，都是将测量到的重量变化用适当的转换器变成与重量变化成比例的电信号，并可以将得到的连续记录转换成其他方式如原数据的微分、积分、对数或者其他函数等，用来进行对试验的多方面的热分析图3 ．1 是本试验热重分析仪的主要部分一炉体，图中样品坩锅置于支撑架7 上，样品的重量变化用扭转式微电天平来测量，当试样因分解作用或化学反应浙江大学硕士学位论文发生重量变化时，天平梁发生偏转，梁中心的纽带同时被拉紧，光电检测元件的偏转输出变大，导致吸引线圈中电流的改变．在天平一端悬挂着一根位于吸引线圈中的磁棒，能通过自动调节线圈电流使天平梁保持平衡状态．吸引线圈中的电流变化与样品的重量变化成正比，由计算机自动采集数据得到T G 曲线．燃烧失重速率曲线D T O 可以通过对曲线的数学分析得到。

差示分析是在程序控制湿度下，测量物质和参比物的温度差和温度关系的一种技术，理论依据为：试样发生物理或者是化学变化的时候，所释放或者是吸收的热量使试样温度和参比物质的温度不同，从而产生响应的差热曲线，可以得到放热或者是吸热峰差示扫描法( D S C ) 是在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物质的功率差与温度关系的一种曲线其根据测量方法的不同可以分为：功率补偿型D S C 和热流型D S C 图3 ．1 热重分析仪炉膛部分结构图l 气体出口阀2 防护架3 加热元件4 隔热材料5 双层外壳6 保护管7 样品支架8 气体出口管路9 连接插头1 0 冷却风扇本实验室采用的德国N e t z s c h 公司生产的N E T Z S C HS T A4 4 9 C 型热重分析仪，支持器形状如图3 ．1 中所示，热电偶放置于支撑器中部并与其合成一体，坩锅材料为A 1 2 0 3 ，试验样品量通常控制在2 0 m g 以下加热炉是温控系统的控制对象，用电热材料元件进行加热，可以的控制以5 0 ℃／m i n 以下的升温速率在1 5 0 0 " C 下进行精确测量，升温过程和数据采集通过联机计算机按照设定程序进行。

浙江大学硕士学位论文1 ．2 热重分析特征值点的确定国内外许多研究机构将热重分析引入煤样燃烧特性的研究，取得了许多丰硕成果并逐渐趋向成熟国内最早采用热天平研究煤的燃烧特性的是1 9 7 9 年清华大学林灏教授通过多年的积累，西安热工所、华中理工大学等许多科研单位都在热天平研究方面有了丰富的经验分析失重曲线，可得到一些煤燃烧的特征值，如着火温度、燃烬温度、燃烬时间、最大失重温度、最大失重率等，通过对得到的特征值进行加工处理，得到评价煤种燃烧特性的各种参数，来指导电站锅炉用煤这种技术样品量少，通过改变气流流量及样品重量，可减少外扩散的影响，其功能相当于一个微分反应器，同时能够程序控温、自动收集和处理数据，其所得参数反映了煤的物理和化学特性的总影响，如孔径分布、灰层扩散，有效表面积及少量无机杂质的催化作用，活性中心的数量和性质等通过记录燃烧过程重量随时间或温度的动态变化过程，分析测定燃烧特性参数，可以用来计算燃烧反应性和反应的活化能大部分学者通过对T G 曲线和D S C 曲线等进行分析，但不同的研究装置不同的研究机构采用的研究方式和研究结果通常有所差异．煤的燃烧反应与燃烧条件密切相关，不同条件下的燃烧反应过程有所不同，甚至会有明显差异。

这种差异体现在热重曲线上便是线型的不同下面对燃烧曲线上各特征点进行说明a 、挥发份初析点：挥发份初析点是指试样开始失重时的点，它是衡量煤质挥发份析出难易的一个重要因素，通常取D T G 曲线上开始恒定出现负值的点，J o h nw ．C u m m i n g 将该点的温度称为第一引发温度用，本文中将挥发份初析温度记作T s T G ，％0 0 ．O9 0 ．08 0 ．07 006 0 ．O5 0 ．04 0 ，03 0 ．O2 0 ．0D T G ／( ％／m i n )0．1 0．2 0- 3 0- 4 0，5 0- 6 0- 7 0．8 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 6 0 07 0 08 0 0T e m p e r a t u r e ，o C图3 ．2 热重曲线主要特征值点图b 、着火点：指煤样开始燃烧的点，该点的温度是衡量煤粉着火特性的重要特征点，定义为着火温度，记作T i ，它能够直观的反应出煤样燃烧的难易程度，当煤样开始着火，便引发煤粉失重速率的加速，分析煤样的D T G 曲线便可以发浙江大学硕士学位论文现呈迅速下降趋势，见图3 ．2 所示。

该点的温度的求取不同的研究机构采用的方法有所不同，大部分采用分析T G 曲线，利用切线法来确定煤的着火湿度，即在D T G 曲线上，过峰值点作垂线与T O 曲线交于一点，过该点作T G 曲线的切线，该切线与失重开始时平行线的交点所对应的温度定义为着火温度，图3 ．2 中标明了该点求取的方法c 、最大失重速率点，失重曲线显示在煤样燃烧过程中出现了两个燃烧峰值，前一峰为易燃段，后一峰为难燃段，如图3 ．2 中所示，D T | 1 3 曲线在最大失重速率点后仍然有一个很小的峰，燃烧峰值的高度对应着失重速率的大小，通常两个峰值的大小受到外界试验条件的影响最大失重速率点是反应煤质特性的一个重要参数点，对应着反应过程中最快反应速度点，在D T G 曲线上表现为最低峰值点，如图3 ．2 中所示虚线最低峰值点，在该点D T G 曲线呈现峰值并开始出现失重速率的下降，前锋和后峰最大失重速率点的温度和最大失重速率分别记为互和％一、呒其中失重速率∥也可以表示成为d w ／d t ，相应的最大失重速率可用( a w ／a t ) ～来表示d 、最大燃烧速率对应温度T I m a x ．．D T 曲线上最大失重速率点所对应的温度。

e 、燃烬点：国内众多文献通常采用烧掉9 8 ％可燃质时的点为燃烬点，因为如果按照燃烧到1 0 0 ％可燃质来计算，可能许多煤样的燃烧时间会拖的很长，如果按照9 5 ％计算可能许多煤样在难燃峰刚刚开始便已经完成，采用9 8 ％可燃质燃烧完成的点即减小了误差又保证了燃料燃烧的基本完全，到达该点所用时间记为‰．同时燃烬点还可以通过D T G 曲线进行确定，M o r g a n 等则选取失重速率为．1 ％／m i n 时的点定义为燃烬点，并将该点温度定义为烧尽温度B 一8 l 本试验采用热重分析仪进行不同煤种在不同氧浓度下的热分析试验，并根据对试验的线型、特征点情况的观察以及活化能的求取，找出氧浓度的不同对煤粉着火温度，燃烧速率等方面的影响第二节沉降炉试验系统的工作原理及应用本次试验采用沉降炉试验台，沉降炉试验台是进行煤质燃烧试验的最主要也是最有效的试验工具，它可以在动态条件下直接得到煤粉气流的着火温度、燃尽度和结渣状况，而且沉降炉内豹颗粒的升漫速率很快，比较接近于实际情况，试验结果也较为理想沉降炉试验台系统图见图3 ．3 ，沉降炉试验台包括主体和辅机，主体分为着火段和燃尽段，辅机设备主要有空气压缩机( 送风机) 、引风机、空气预热器、流量测量装置、给粉机等。

浙江大学硕士学位论文3 ．3 沉降炉试验台系统图2 ．1 沉降炉本体沉降炉主体部分分为两段：着火段和燃尽段着火段的温度范围可以从室温到1 0 0 0 1 2 ，适合多种煤种的着火条件沉降炉着火段的炉芯是碳化硅管，内径, 1 , 1 5 0 m m ，沿炉芯壁一周开轴向直孔，内穿加热用的电热丝( 铁铬铝合金) ，分两段进行控制，上段长3 0 e m ，用三组电阻加热，试验电压可以进行调节，范围是0 , - - 2 2 0 V ，在试验过程中电压一般是控制在5 0 ~ 1 1 0 V ，功率是0 ．3 ～1 ．5 K W 着火段下段长1 1 0 e m ，电压范围也是0 - 2 2 0 V ，功率是0 ．7 ，I O K W ，在试验过程中电压范围一般控制在6 0 - - , 9 0 伏，在这个电压范围内对升温速度、沉降炉炉膛温度水平的控制都是可以实现的着火段后侧有2 5个插孔，可以深入炉膛内部，每个插孔间距5 e m ，前侧有1 4 个观火孔，间距9 e m ，通过观火孔上的石英玻璃可以看到炉内燃烧情况燃尽段采用硅钼棒加热，最高温度可以达到1 5 0 0 " C ，接近真实锅炉的最高温度范围，可以进行结渣、燃尽等试验。

燃尽段采用硅钼棒进行加热，分为东西和南北两组分别控制，加热功率可以通过电压、电流调节，加热时控制电流O ～1 0 0 A ，控温时控制电流0 ～1 3 0 A 由于硅钼棒的电阻随温度变化较为明显，升温时候需要逐步提高电压，以防电流过高2 ．2 空预器进入沉降炉的空气首先进入空气预热器进行预热，其空气的流量是由转子流量计计量空预器采用电阻丝进行加热，其加热部分为耐热材质的厚壁管，厚壁轴向均匀分布很多孔，内穿电阻丝．管子内部是螺旋盘管，材质为不锈钢，钢管是通过电阻丝传热从而升温并加热管内流过的空气管子的外面是一层保温层，浙江大学硕士学位论文以免向外界散热空预器的壁温可以加热到9 0 0 ℃，能将压缩空气加热到4 5 0 ℃，完全可以满足常规煤粉试验的要求，并且可以根据需要调节风温可用计算机进行测量，空预器出1 ：3 空气温度控制误差范围士3 ℃基本上达到试验的要求2 ．3 数据采集系统数据采集系统是为了记录试验过程中着火段内的烟气温度，通过对不同工况炉内烟气温度的变化来表征着火的差别采集系统在沉降炉的着火段安装2 5 个烟温测点，采用K 型热电偶( 镍铬镍硅) ，热电偶通过屏蔽线连接到计算机的采集着火板。

热电偶布置如图3 ．4 所示，热电偶深入炉膛6 c m ，接近炉膛中心，能较为准确的反映煤粉气流的温度采集系统能对炉内温度进行连续监测，大约每1 ．5 秒采集一次，并可以实现每一测点随时间的变化曲线及炉内烟温分布曲线计算机采集板上另外预留燃尽段测点及风温、风压测点接口，本次试验中未采用试验过程中由于煤粉可能会粘结到热电偶上，引起热电偶端点温度突然升高，造成测量误差，在数据处理中将这类有误差的数据剔除图3 ．4 热电偶布置图2 ．4 给粉机给粉采用自行设计的螺旋式给料机，采用螺旋转头给粉，旋转震动，将粉带出，进行给粉影响给粉量的因素主要有以下几点：A 转速：转速的快慢决定了给粉的快慢，电机通过皮带传动，带动给粉机分为5 个转速档，从而也就确定了5 个给粉状态B 振动：给粉机自身的振动对给粉量有很大的影响，给粉量一般随振动的增加而增加C 煤粉特性：煤粉的细度、流动性等煤粉自身的特性也对给粉量有一定影晌为了了解给粉机的特性，我们也选取了2 种煤进行给粉机的特性试验给粉机和电动机之间通过皮带传动，由于设备自身的原因限制，仅能有5 个档位，其转速分别为；5 1 5 、9 1 5 、1 4 3 0 、1 9 5 0 、2 5 8 0 。

另外由于给粉机的振动也能增加给’粉量，所以可以通过加装振动装置来改变给粉量试验结果如图3 ．5 所示，加装偏心装置和振动装置可以使给粉量明显增加浙江大学硕士学位论文4 0 0 03 5 0 03 0 0 02 5 0 0暑2 0 0 01 5 ∞1 0 0 05 0 005 1 59 1 51 4 3 01 9 5 02 5 8 0r ／l l nr ／m n图3 ．6 乎二煤两次给粉量测量图3 ．5 不同情况下的给粉机转给粉量实验过程中，给粉量的重合性对试验有较大的影响，对此我们对平二煤进行不同时间的给粉量测量，结果如图3 ．6 所示，具有较好的重合性，所以可以认为测量的给粉量可以作为试验时的给粉量进行计算煤种自身的流动性对给粉量也有一定影响，下图3 ．7 是四种实验用煤在不同转速下的给粉量拟合曲线不难看出富动1 2 的给粉量要稍高于其它3 种煤，但差距不是很大，对试验的影响可以忽略由于给粉机的震动，在给粉过程中煤粉会压缩，变实，流动性变差，使给粉不均匀因此，在试验的过程中，每～个工况，都必须要把煤样取出，重新装粉在测量过程中煤粉要采取分次添粉，防止一次添加过多导致煤粉压实，影响给粉的均匀性。

图3 ．7 四种煤不同转速下的给粉量2 5 实验相关参数的确定2 ．5 ．1 风量风温风速煤粉燃烧所需要的理论空气量可通过下式计算r 0 = O ．0 8 8 9 ( c a r + 0 ．3 7 5 S ，) + 0 ．2 6 5 日，～0 ．0 3 3 3 0 r为保证炉内温度的均匀性以及减少工作量，取消了一次风二次风温度在试验过程中控制在3 0 0 ℃，风温采用可控硅温控表进行控制空气通过送风机进入转子流量计，进行计量、调节，经过流量计后的空气进入空气预热器进行加热，浙江大学硕士学位论文作为二次风送入沉降炉．空气预热器采用3 组电热丝进行加热，电压在试验过程中保持在1 0 0 V 左右当二次风温度达到实验要求时，温控表反馈控制温度，系统自动停止其中一组电热丝对空气预热器的加热，当温度下降后系统重新开启停止加热的电热丝，从而实现对二次风温度的控制，达到试验标准和要求试验中风量的改变对二次风温度会产生较大的波动，主要原因是不同压力、流量气流的沿程散热不同所以当工况( 主要指送风量) 发生变化的时候要重新调整空预器壁温使二次风温度稳定在3 0 0 4 C ，这需要一定的稳定时间炉内风速对煤粉颗粒在炉内停留时间有较大的影响，停留时间的长短直接影响煤粉的受热过程，对本次试验所采用的着火温度确定方法一一以第八观火孔出现连续火星时对应的着火段壁温为着火温度——有直接的影响，所以比较着火温度应考虑炉内风速的影响，炉内风速可采用下式计算Z + 2 7 3 矿V = —I —一×一2 7 3AV ：通入沉降炉内的风量A ：炉内横截面面积T I ：炉内某截面的气流温度2 ．5 ．2 尾部负压及燃尽段温度尾部负压控制的选取是保持着火段的微正压为标准的，这样主要目的是为了避免漏风现象的发生，同时要保证在试验过程不会由于风速过快，使煤粉着火困难，影响测量的准确性，增大试验误差。

通过反复试验比较和调节，在本试验过程中尾部负压保持在．0 ．6 c m 水柱，所有试验工况相同做着火温度指数试验时，燃尽段温度控制在9 0 0 " C ，整个试验过程保持不变，沉降炉燃尽段由于受到漏风的影响，燃尽段内烟气温度分布不均匀，将燃尽段温度升至1 1 0 0 ℃，均匀取5 点进行烟温测量，温度分布如图3 ．8 所示，1 2 0 0l O O OS8 0 06 0 0簧4 0 02 0 0012345测点图3 ．8 燃尽段的烟温分布曲线从图中可见，第2 测点温度最高，接近燃尽段壁温1 1 0 0 " ( 2 ，靠近底部的测点5 温度最低，第1 测点温度低的主要原因是着火段与燃尽段链接处漏风以及着火段温度较低，流过来的烟气温度低所致3 、4 、5 测点温度逐步降低，是由于浙江大学硕士学位论文燃尽段本体漏风严重所致．本次试验主要研究煤粉的着火特性，重要测量数据在着火段内完成燃尽段漏风对着火的影响不大，燃尽段对煤粉着火特性试验过程中的主要作用是：A ．使煤粉燃烧完全，不至于使沉降炉发生堵塞，防止烟气在着火段产生正压过大向外喷，影响煤粉着火特性的测量B ．保证着火段试验工况的稳定，出口气流环境相同。

燃尽段对煤粉着火特性的影响可以忽略：C 试验过程中燃尽段的壁温一致因而燃尽段对煤粉着火特性试验测量的影响可以忽略不考虑参考文献【1 】岑可法，姚强，骆仲泱等，商等燃烧学，浙江大学出版社，2 0 0 2【2 】陶著，煤化学，冶金工业出版社，1 9 8 4【3 】顾恒祥，燃料与燃烧，西北工业大学出版社，1 9 9 3【4 1 李余增，热分析，精华大学出版社，1 9 8 7【5 】宋鸿思，热天平，计量出版社，1 9 8 5【6 】孙学信，燃煤锅炉燃烧试验技术与方法，中国电力出版社，2 0 0 2【7 】聂其红，孙绍增，李争起等，褐煤混煤燃烧特性的熟重分析法研究．燃烧科学与技术，2 0 0 1 ．1【8 】姜秀民李巨斌等，超细化煤粉燃烧特性的研究，中国电机工程学报V 0 1 ．2 0 N o 6J u n ．2 0 0 0【9 】朱群益，李瑞扬，秦裕琨等，煤粉燃烧反应动力学参数的试验研究，动力工程，2 0 0 0 ．6[ 1 1 】朱学栋，朱子彬等，煤热失霆动力学的研究，商校化学工程学报，1 9 9 9 ．6[ 1 2 】冯晓东，王渐芬等，煤燃烧特性研究方法概述，能源工程，1 9 9 8 ．1f 1 4 】熊友辉，孙学信，动力用煤及燃烧特性的研究手段和方法，煤质技术，1 9 9 8 ．9[ 1 5 】刘文珍，陈孟丽，动力用煤热分析特征指标的研究，热力发电．，1 9 9 1 ．6浙江大学硕士学位论文第四章氧气浓度变化对煤粉着火特性影响不管用何种方式来燃用煤，首先要将煤加热，使其达到“着火温度”，然后煤粉燃烧，最终达到稳定的着火和火焰传播的延续。

所以煤的着火温度是煤粉着火特性的一个重要指标，通过对不同煤种的着火温度的对比，可以直观的看出煤的着火难易程度本章通过着火温度指数这一指标来反映煤粉在不同氧气浓度下的着火特性另外，煤粉的着火特性还强烈的取决于煤布置方式和形态，如单颗粒煤粉、煤粉堆、煤粉气流的着火温度相差大，本次试验选用的热天平和沉降炉两种试验设备，分别针对静止状态的煤粉层和煤粉气流第一节氧气浓度变化对煤粉气流着火特性的影响1 ．1 试验条件对煤粉气流着火特性的试验中使用的主要试验设备为沉降炉，在第三章中有详细叙述为了使得到的数据具有可比性，分析性，提高试验数据的精确性减小试验误差，保持各试样试验工况的稳定，即试验参数的恒定不变所以试验前要充分考虑试验设备的影响利用沉降炉进行煤粉着火特性的试验研究时，煤粉气流在炉内的着火受到较多的外界因素影响，对于影响其测量精度的参数选择可以从影响煤粉着火性能的因素来分析，如前文论述的那样，煤粉着火特性不单单是煤粉本身的物理化学特性，而与试验过程中环境因素有很大关系作为试验过程中的控制参数选取，则应该从影响煤粉着火性能的试验环境因素来考虑，我们知道影响煤粉着火性能因素包括：煤粉浓度、煤样粒度、风温、风量等参数。

本次试验中主要控制、维持其在整个试验过程中恒定的试验参数包括：给粉量、风温、风量、燃尽段温度水平、尾部负压的大小等1 ．2 试验现象煤粉着火特性试验过程中，按照预定工况通入煤粉和风，然后逐步升高着火段壁温，煤粉试样开始只是在着火段尾部偶尔出现火星，随着炉膛温度升高，形成的火星数量增多，亮度增加，形成位置上移，火星情况趋于稳定着火段壁面温度继续升高，形成密集而连续的火花群，火花群较明亮火花群前的火星量较火花群后少，明亮程度也要比集中点后暗；温度继续上升，火花群中心点位置上移，当到达第八观火孔的位置时，记录着火段炉膛壁面温度——即该种煤的沉降炉着火温度指数煤质不同试验现象也不同，但是大体趋势上相同，都是开始出现火星后着火煤质较好( 挥发分高、灰分小，着火温度指数低) 的煤产生火星量不多便开始形成连续的火花群，火花群的稳定程度要大，如试验中的四种烟煤而对于卡列那这类褐煤情况则较为特殊，挥发分和水分都含量极高，极易着火在沉降炉试验3 7浙江大学硬士学位论文中随着炉膛温度升高，首先在着火段尾部偶尔出现明亮火星，当炉膛温度继续升高时，火花群有时候会突然升高，迅速充满整个炉膛，即煤粉从喷口出来后直接燃烧，容易导致给粉管煤粉粘结而堵管。

这类煤的着火温度指数的求得较为困难对于煤质较差，挥发分含量低的煤，如东北贫煤，当壁温升高到很高温度，产生火星量多，但是很暗，不易连续，随着壁温的升高也很不容易在第八观火孔下形成连续的火星群试验中通入氧气后，煤粉在高氧气浓度下试验现象向煤质好的方向变化，火星变得明亮，产生火星量不多便开始形成连续的火花群，火花群也容易稳定1 ．3 氧气浓度变化对煤粉气流着火温度的影响我们知道不同的煤种，着火温度的差别是很大的，挥发分含量越低( 对应于煤化程度越高) 的煤，其着火温度一般较高，虽然不尽如此，但总的趋势是一致的这些都是指空气状态下燃烧，当煤粉所燃烧的环境发生变化，氧气浓度提高了，不同的煤种着火温度的变化趋势及幅度是否一致? 贫煤、褐煤、烟煤，那类煤对于氧气浓度变化产生的影响( 对氧气的敏感程度) 最大? 同是烟煤，煤质相近，着火温度随氧气浓度变化是否相同? 这些问题正是本节所要研究的此次试验的目的是获得氧气浓度的变化对煤粉气流着火的影响，在试验中同时考虑其他的因素影响试验中分别设计了不同煤种、不同煤粉浓度、不同粒径下氧气浓度变化的对着火影响的试验试验中选取4 个烟煤，1 个贫煤，1 个褐煤，煤质见表4 ．I ，给粉量见表4 ．2 。

表4 ．1 试验用煤的元素分析与工业分析浙江大学硕士学位论文试验中氧气浓度取1 6 ％、2 1 ％、2 6 ％、3 1 ％、3 6 ％，氧气浓度增加后，会影响二次风的体积流量或者过量空气系数为选择最佳配风方式首先进行如下实验选用平二煤按照过量空气系数不变和二次风体积流量不变两种方法通入不同氧浓度的气体，给粉量5 挡，燃尽段壁温为9 0 0 ～9 1 0 ℃．试验工况见表4 ．3 ，工况1 为过量空气系数相同，工况2 为总流量相同表4 ．3 试验工况氧气风温风量：N m 5 ／h )过量空气系数煤种浓度( ℃)工况I工况2工况1工况23 6 ％3 0 02 ．341 ．22 ．0 63 1 ％3 0 02 ．741 ．21 ．7 7平二2 6 ％3 0 03 ．241 ．21 ．4 92 1 ％3 0 0441 ．21 ．21 6 ％3 0 05 ．341 ．2O ．9 1实验结果如图4 ．1 所示pV妊靶毯娟≤槔图4 ．1 两种情况下氧浓度与着火温度的关系从上图可见，总流量相同和过量空气系数相同两种情况下着火温度最大相差8 " 0 ，可认为两种方式对沉降炉着火温度指数影响的差别不大，但仍然可见总风量减少，着火温度降低。

过量空气系数的变化对煤粉气流着火温度影响不大，这是由子着火初期只需要部分氧量在下面的实验中为保证炉内的流场相同，增加试验结果的对比性，二次风量都是按照总流量不变来进行的1 ．3 ．1 氧气浓度对不同煤种的着火温度的影响1 ．3 ．1 ．1 试验方案试验中选取平二、保德煤、准混、富动1 2 、东北贫煤、卡列那六种煤，其中卡列那为褐煤，东北贫煤为贫煤，其余为烟煤试验中给粉量全部为5 挡，具体给粉量参见表4 ．2 ，试验具体工况参加表4 ．4 表4 ．4 氧气浓度对不同煤种影响的试验工况燥种I 氧气浓度J 风温( ℃) I风量I 燃尽段壁温J 给耪量浙江大学硕士学位论文( N m 3 ／h )3 6 ％3 0 049 0 0 - 9 1 05 档平二，保德煤、准3 1 ％3 0 049 0 0 ．9 1 05 挡混、富动1 2 、东北2 6 ％3 0 049 0 0 ．9 l O5 挡贫煤、卡列那2 1 ％3 0 049 0 0 ．9 1 05 挡1 6 ％3 0 049 0 0 ．9 1 05 挡1 ．3 ．1 ．2 试验结果及分析分剐对以上试验选取的六种煤进行了沉降炉着火试验，得出沉降炉着火温度指数，如图4 ’2 。

1 6 ％2 1 $2 6 ％3 1 ％3 6 ％氧浓度( ％)图4 ．2 不同煤种的氧浓度与着火温度的关系从图4 ．2 可以看出不同煤种随氧气浓度的增加，着火温度均成下降趋势，但不同煤种敏感程度不一样，见表4 ．5 贫煤对氧气浓度变化最为敏感，着火温度下降2 4 ％，直接降低1 4 7 ℃，而褐煤卡列那的着火温度指数随氧气浓度变化最小，仅下降3 6 ℃，但由于其本身的着火温度较低，所以降幅也达到1 2 ％四种烟煤的趋势居于贫煤和褐煤之间，着火温度下降1 5 ％左右，6 0 ～1 0 0 " C 表4 ．5 不同煤种的着火温度随氧气浓度下降情况东北贫煤富动1 2平二保德准混卡列那绝对值( ℃)1 4 76 48 79 98 23 6工竖亘坌些f 塑丝! !! !! !! !! !上面的试验可以从沉降炉中煤的燃烧情况解释煤粉在炉内燃烧，首先是挥发分的析出和燃烧，这一部分很难被直接观察到，观火孔所观察到的火星主要是焦炭的燃烧挥发分析出过程中对焦炭起到破碎和形成孔隙作用，增加的了焦炭的表面积挥发分高的褐煤，在挥发分析出后比表面积增加较多，氧气向碳的表面转移和扩散也就更容易，而贫煤等挥发分少的煤则相对差一些，氧气向碳的表面转移和扩散成为燃烧的瓶颈，这时增加环境的氧气浓度，必然会对这类煤产生更好的效果。

挥发分与着火温度下降的关系可参见图4 ．3㈣啪藿；善}蛳蝴渤|耄聊^pv籁靶巡赠长枢浙江大学硕士学位论文1 6 01 4 0p1 2 0理1 0 0邕8 0萋嚣鼻2 005 ∞5 4 ￡5 2 0釜霖5 0 0韬霎伽_ 4 6 04 4 01 3 8 72 7 ～挥2 8 ．发1 分4 ：9 ％．0 ) 72 9 ．33 9 ．8慨2 1 k 浓袅％) 3 城3 矾图4 ．3 着火温度下降与挥发分的关系图4 ．4 四种烟煤的氧浓度与着火温度关系为了比较同种烟煤之间氧浓度的变化对着火温度的影响将四种烟煤单独绘成图4 ．4 可以看出即使同是烟煤，着火温度变化也有一定差异，富动1 2 变化最少，降低1 2 ％，保德变化明显，降低1 8 ％而且四种烟煤在氧气浓度达到2 6 ％～3 1 ％之间后，着火温度下降速度变缓，这对确定富氧助燃的最佳氧气浓度有积极的指导作用1 ．3 ．2 变氧浓度下煤粉浓度对着火温度的影响沉降炉实验的煤粉浓度指沉降炉炉膛内煤粉气流浓度煤粉浓度是煤粉气流着火特性的最主要的影响因素之一，煤粉浓度的改变引起着火温度的显著变化文献【‘l 中描述随着煤粉浓度的增加，着火温度首先显著降低( 除低挥发分的莱阳煤外) ，着火温度降到某一值后不再继续降低，而是有一定程度的升高，即存在一个对应最小着火温度的最佳煤粉浓度，且挥发分挥发分含量越高的煤，最佳煤粉浓度越小。

本次试验主要是考察在不同氧浓度条件下变化煤粉浓度对煤粉气流的着火特性的影响，此时着火温度会随着煤粉浓度的增加会产生怎样的变化，从而考察氧浓度和煤粉浓度对着火的影响程度1 ．3 ．2 ．1 试验方案通过改变给粉档位，调整给粉量，使得炉内的煤粉气流的煤粉浓度改变，选用保德煤，给粉量分别为7 8 、1 7 4 和5 5 8 9 ／h ，风量仍是4 N m 3 ／h ，煤粉浓度为O ．0 1 5 、O ．0 3 3 、O ．m k g ／k g ，氧气浓度仍取1 6 ％、2 1 ％、2 6 ％、3 1 ％、3 6 ％五个工况1 ．3 ．2 ．2 试验结果分析按照以上工况对保德煤进行沉降炉着火试验，试验结果如下表所示表4 ．6 不同煤粉浓度下着火温度( ℃)塑冬鉴鏖! 塑Q 塑g 垄21 塑( ! ! ! 壁堂! 塑g ! 趔3 6 ％4 4 94 4 94 4 93 1 ％4 6 44 6 04 6 32 6 ％4 8 44 7 54 7 52 1 ％5 2 95 1 l5 l l1 5 ％5 4 85 3 95 3 7为便于分析将试验结果绘成图，如图4 ．5 所示，在不同的氧气浓度下，各工4 1浙江大学硕士学位论文况的着火温度相差不大，5 挡给煤的着火温度反而比其它工况的着火温度高，主要因为试验中的各工况的给粉量较少。

无法形成高的煤粉浓度，挥发分析出的浓度不够，反应主要为非均相反应；同时由于5 档的煤粉浓度高于其他工况，在沉降炉内煤粉气流主要受炉壁的辐射和对流加热，随着煤粉浓度的增加，煤粉气流的热容增加在固定的下落距离内无法达到着火温度，只有通过提高壁温来缩短加热时间，使其在规定的位置发生着火，因而在浓度提高后所测的着火温度有所上升，即沉降炉着火温度指数增加图4 ．5 不同给粉量下氧浓度与着火温度的关系虽然由于试验条件及试验误差的影响煤的浓度对着火温度指数的影响不明显，但是随着氧浓度的增加着火温度指数的变化规律依然是很明显的降低并且从图4 ．5 中也可以看出，在氧浓度2 6 ％以后，由于煤粉浓度引起的着火温度的差别更小了，这也定性的说明了氧浓度的增加削弱了煤粉浓度对沉降炉着火温度指数的影响从燃烧机理方面看，当煤粉气流中煤粉受热升温时，颗粒将热解或发生表面多相化学反应，发生热解的温度一般较低，而多相反应发生的温度一般较高，当煤粉浓度较低，颗粒升温速度很慢，煤粉可用于析出挥发分的时间较长，但熟解产生的挥发分少，不足以引起整个煤粉气流均相着火，而氧量相对较多极易到达颗粒表面，着火只能是非均相的，因而着火温度也较高，当浓度升高时，升温速度加快，且整个煤粉气流中颗粒析出挥发分也多，均相着火可能发生，因而造成了着火温度的逐渐降低。

对于实际锅炉，一次风煤粉浓度很高，整个煤粉气流中颗粒析出挥发分很多，容易形成均相着火煤粉气流着火温度是随着煤粉浓度的增加而降低1 ．3 ．3 变氧浓度下煤粉粒径对着火温度的影响煤粉粒径也是影响煤粉着火温度的一个重要参数，所以要进行不同粒径的试验，考虑到实际应用中电厂的煤粉粒径变化不大，本节试验只简略的选用的两种粒径分布进行对比试验1 ．3 ．3 ．1 试验方案选用准混煤，煤粉的制备使用小型刚球磨煤机，将原煤磨制7 小时候，取出浙江大学硕士学位论文一半再进行4 小时磨制，得到两种粒径分布的准混煤其粒径分布如如下表4 ．7 煤粉细度煤粉细度的均匀性系数n 的计算公式是：l g l n ～1 0 0 一I g l n 塑H ：生＆l g x l —l g x 2x 1 ——表示较大孔径筛子的边长x 2 ——表示较小孔径筛子的边长当特性系数n > l 时，煤粉粒度分布较均匀：当n < l 时，则煤粉粒度分布均匀性较差在电厂制粉系统中，n 值一般为0 ．8 - q ．2 1 ．3 ．3 ．2 试验结果及分析对两种粒径分布的同一种煤，进行了不同氧气浓度的沉降炉着火试验其着火温度结果如下图所示，5 6 0—5 如‘J 5 2 0蟠s o o靼4 呻羹嚣■4 2 04 0 01 6 蕾2 1 ％2 6 ％3 1 ％3 6 ％氧浓度。

图4 ．6 不周煤粉粒径煤的氧浓度与着火温度的关系由上图可见，着火温度没有明显差别，加磨后的准混煤仅比没有加磨的着火温度略低一般来说，煤粉气流的升温速度与粒径成反比，对于低浓度下的多相着火，煤粉粒径减小，升温速度加快，对应的着火温度也降低沉降炉试验中求得的着火温度指数是根据在某一观火孔以下出现连续火星时刻的着火段壁面温度确定，在沉降炉中是那些较细的煤粉首先着火，形成连续火星，对于上面方法制的两种粒径分布的煤粉，都含有一定比例的较细煤粉，所以才会出现试验中着火温度相差不大的现象虽然对沉降炉着火温度指数影响不大，但对于燃尽有很好的效果，可参见下一窜第二节氧气浓度变化对静态煤粉层着火特性的影响热重分析仪是在程序控制温度下，测量物质的物理性质和温度的关系的一种仪器它可以对微量煤粉加热从而获得煤粉的重量变化、热量变化等基本燃烧特浙江大学硕士学位论文性，对于同一试验仪器和试验方案，试验过程中的干扰因素较少，因而同～煤质的试验结果重现性也较为理想，试验精确度及可比性较强本次试验采用的德国N e t z s e h 公司生产的N E T Z s C HS T A 4 4 9 C 型热重分析仪，试验设备及参数的求取方法参见第三章第一节。

2 ．1 试验工况煤粉的着火温度是衡量煤粉着火难易程度的直接标准，本节主要是利用热天平进行煤粉着火特性的实验研究，通过线形和特征点进行相关分析试验工况和煤种见表4 ．8 和4 ．9 ，所有试验中氧气的总量都是足够，本次试验只是为了对比氧气浓度对煤粉着火特性的影响表4 ．8 试验工况煤样质量氧气浓升温数率升温区间( r a g )试验气氛( m l ／r a i n )试验目的度℃／m i n( ℃)0 2 ，N 2 ／P N 2 = 5 0 ：0 ：1 08 3 ．30 2 ，N 2 ／P N 2 - = 4 0 ：1 0 ：1 06 6 ．7气氛变化1 00 2 ／N 2 ／P N 2 = 3 0 ：2 0 ：1 05 01 05 0 ～7 0 0对燃烧的影响0 2 小J 2 伊N 2 - 2 0 ：3 0 ：1 03 3 ．30 2 ／N 2 ／P N 2 = 1 0 ：4 0 ：1 01 6 ．7注：0 2 ／N 2 ／P N 2 分别为通入的氧气，氮气／保护气( 也是氮气)表4 ．9 试验煤种煤质C a d ％H a d ％N a d ％S t a d ％Q n e t ．a d ( k c a l ／k g )平二6 3 ．3 73 ，9 7O ．9 21 ．1 75 7 0 1保德煤6 2 ．3 l3 ．9 40 ．8 90 ．5 25 4 6 7准混6 0 ．43 ．7 10 ．8 70 ．55 3 3 3富动1 26 5 ．6 93 ．8 3O ．7 6O ．8 35 5 8 2东北贫煤5 7 ，7 44 ．5 7o ．5 1 30 ，3 7 65 3 2 5卡列那’5 4 ．8 92 ．6 8O ．9 90 ．4 55 0 5 9富动2 36 2 ．6 33 ．6 8O ．9 30 ．4 95 7 6 0优混6 5 ，8 63 ．5 2o ．9 1O ，6 96 0 7 7神混8 号6 5 ．1 63 ．3 60 ．8 90 ．5 16 0 5 52 ．2 试验现象及试验线型的分析浙江大学硕士学位论文邻近反应段的反应热对反应产生较大影响，活性高的活性组分先参与反应，较高速率的反应能够引燃煤样中更多组分发生反应。

0 2 浓度的改变直接影响燃烧反应速度，较高的反应速度较快的放出反应热从而引燃更多的难燃组分，这便造成了不同反应气氛条件下不同的燃烧曲线大部分煤样在受热时会首先释放出水分，通常发生在1 5 0 C 以前，在T G 曲线上出现失重现象，如图t 2 1 4 ．7 列出了平朔5 0 0 0 煤样分别在N 2 、0 2 条件下的热解、燃烧对比曲线，可以看出两种条件下水分析出段是基本时重合的随着温度的升高，绝大多数煤样在0 2 条件下通常会产生增重的现象，表现在T G 曲线上有上升的趋势，从曲线上看一直延续到挥发份开始析出，如图4 ．8 挥发分开始大量析出后，煤样开始失重，T O 曲线开始明显下降，随后开始着火，如果出现剧烈燃烧情况，则煤样会出现迅速失重，表现在D T G 曲线上会出现较大的峰值最后阶段是残余碳的燃尽，T O 曲线～般很平缓，失重很少T G P , 61 1 m e f r a i nT G 瞄01 0加∞加5 0∞T i m e ／m m图4 ．7 平朔5 0 0 0 熟解、燃烧T G 曲线对比图4 ．8 不同煤的T G 曲线形状2 ．2 ．2 试验的不同线型在煤焦表面存在着不同反应活性的组分，随着反应的进行，活性高的活性组分先参与反应。

当燃烧反应发生，煤样自身反应放热的引燃作用对煤样燃烧起着重要作用，由于燃烧反应发生时对周围环境的放热，所以只有邻近时间段内的燃烧反应才能够对当前时间的燃烧反应产生比较明显的影响，当煤样自身反应放热扣除对环境放热所剩热量不足以引燃其他难燃组分，则呈现随着系统温度的升高缓慢失重，反应条件的不同和煤种特性的不同造成了不同的反应线型对于不同煤种，氧气浓度对热天平曲线线型的影响有一定差别，本次试验的曲线线型主要有三类情况’1 随着氧气浓度增加不出现迅速失重T G 曲线显示该种煤在低氧气浓度下和高氧气浓度下反应进行都比较缓慢，整个过程没有出现迅速失重，如烟煤富动1 2 的最大失重速率由s ．7 3 ％／r a i n 仅仅变化到7 ．7 7 0 ／d r a i n ，T O 、D T G 曲线变化，如图4 ．9 和图4 ．1 0 所示．东北贫煤、优混也属于此种类型∞∞∞阳朗∞柏∞加浙江大学硕士学位论文阳懈咖代D T G ／( ％／m m )7 ∞∞05 ∞4 ∞3 02 ∞1 ∞T e r f e a t t r e ／' CO 他f ㈨州O' O却3 0柏∞∞] r i m e ／t a t ／图4 ．1 1 卡列那T G 曲线T e t r o e t a l I 】f e ／' C01 0∞柚舶5 0∞T 新* A 瓣图4 ．1 2 卡列那D T G 曲线分析这种类型的曲线变化产生的原因，一方面是由于该种煤本身的特性是褐煤，挥发份比较高，发生反应比较剧烈，失重速率较大。

另一方面我们可以明显的从曲线形状看出随着氧气浓度的增加，煤样的失重速率增加，并且增加的程度比较大，最大反应速率从1 2 ．9 6 ％／m i n 变化到7 4 ．6 3 ％／m i n 对比第一种线型的情况，我们可以推断，氧浓度的增加可以从一定程度上增加反应的速率，但是增加的程度与其煤种有关对于挥发份较大的煤种，反应速率增加的比较明显，挥发份比较小的煤反应速率的增加不明显3 随着氧气浓度增加出现迅速失重情况T G 曲线显示该种煤在低氧气浓度下反应进行比较缓慢，整个过程没有出现瑚瞄舌暮枷毒}撕懈瑚锄蛳枷湖拼伽∞鲫∞∞∞∞柏∞∞∞浙江大学硕士学位论文迅速失重，在高氧气浓度下出现迅速失重，如保德煤样的最大失重速率由6 ．3 4 ％／m i n 增加到6 7 ．6 ％／r a i n ，T G 、D T G 曲线变化如下图4 1 3 和图4 ．1 4 所示准混、平二、富动2 3 、神混8 号也属于此类线形) ' e m p e f a t u r e ，cO1 0加3 0柏∞∞T hJ i I - I图4 ．1 3 保德煤T G 曲线图4 ．1 4 保德煤D T G 曲线此种情况的线型是介于上面两种情况之问，首先该煤种也是烟煤，在氧浓度为5 0 ％时却产生了线型的变化，氧浓度为1 6 ．7 ％到5 0 ％时，失重速率从6 ．3 4 ％／r a i n变化到1 4 ．2 ％％／m i n ，变化不是很明显，而氧浓度从5 0 ％到8 3 ．3 ％时，失重速率从1 4 ．2 ％／r a i n 变化到6 7 ．6 ％，变化就十分明显了。

对比第一种情况的富动1 2 煤，两者在煤质指标上基本接近，但氧气对线形产生的影响差别较大，可能与很多因素有关，如煤种的微观特性，挥发分的成分等综合以上三种情况，我们可以知道，无论何种类型的煤，随着氧浓度的增加，反应提前，反应速率增加但是不同煤种对氧气的敏感程度不一样，挥发份较大的褐媒，总体反应速率很大，随着氧浓度的增加反应速率增加程度也比较明显对于烟煤，影响反应速率的因素较为复杂，有的反应速率很小，如富动1 2 煤，反应速率的增加程度也比较小但是有的烟煤反应速率的增加程度就比较大，如保德煤2 ．3 热天平试验结果及分析前面已经对不同煤种进行了热天平试验，并且初步将试验中氧浓度不同所得的曲线的形状变化情况进行了简单的分类与说明下面选取几种煤又进行了最大燃烧速率对应温度T l m a x 的求取，分析氧气浓度变化对着火的影响一般将着火温度作为衡量煤粉着火特性的重要指标，但是线形发生改变后，按照常用方法求取的着火温度，不具有可比性而最大燃烧速率对应温度T l m a x表示燃烧最剧烈时候的温度，也可以反映着火的难易试验中共对9 种煤进行了热重试验，对每条曲线求取T l m a x ，数据如表4 ．1 0和图4 ．1 5 所示埘蛳珊枷枷勰埘浙扛大学硕士学位论文表4 ．1 0 试验煤种的最大燃烧速率对应温度T I m a x ( ℃)氧气浓度号1 2贫煤那8 3 ．3 0 ％4 1 9 ．94 2 1 ．44 2 0 ．54 1 8 ．84 0 7 ．24 5 2 ．34 4 0 ．64 5 6 ．72 4 5 ．66 6 ，7 0 ％4 3 6 ．64 3 2 34 3 7 ．64 2 3 ．34 1 44 5 7 ，24 4 2 ．74 6 2 j2 5 0 ．15 0 ％4 4 6 ．34 4 1 ．64 4 5 ．84 2 64 2 7 ．84 6 7 ．24 5 6 ．44 7 5 ．42 5 5 ．93 3 ．3 0 ％4 5 3 ．74 5 2 ．94 5 8 ．54 3 8 ．64 3 0 ．94 7 8 ．24 7 0 ．24 9 0 ．22 6 5 ．51 6 ．7 0 ％4 8 5 ．24 7 8 ，34 8 1 ．24 5 7 ．34 5 5 ．55 0 3 ．I4 9 4 ．I5 1 5 ．13 0 4 ．2pV菖．昙—◆- 僚德—■一准混一m 平=—* 一亩动2 3- - ．- F r - - 神混8 号- - 0 - - 富动1 2- ．．p - - 优混一东北贫煤1 6 ．7 0 9 ‘3 3 ．3 0 9 ‘5 0 9 l6 6 ．7 喁8 3 ．3 傩一卡列那氧气浓度( ％)图4 ．1 5 最大燃烧速率对应温度T I m a x 随氧气浓度变化规律从图中，所有的煤种，随着氧气浓度的增加，T I m a x 成下降趋势，氧气浓度从1 6 ．7 ％提高到8 3 ．3 ％后，保德下降最大，降低6 5 ．3 " C ，富动2 3 下降最少，降低3 8 ．5 ℃。

其余的煤降幅都在5 0 ℃左右，下降比例在1 0 ％左右相比沉降炉实验着火温度降低的幅度要小的多，主要跟煤粉的形态有关对各种煤的T I m a x 求取各其在各氧气增加段内的变化情况，如图4 ．1 6 所示从图中可见，各种煤的T ／m a x 在氧气浓度从1 6 ．7 ％增加到3 3 ．3 ％的时候，下降最大，随着氧气浓度的增加，下降速度变缓与沉降炉着火温度指数的变化规律相近4 5如3 5p3 0捌2 5整2 0i1 5÷．1 05O1 6 ．7 5 ～3 3 ．弱3 3 ．蕊～5 脯5 嘣～∞．饯两．7 | ～鹞．韩图4 ．1 6T I m a x 在各氧气增加段内的变化情况从前面的T G 曲线上看，随着氧气浓度的增加，对于一些在低氧气浓度下，T G 曲线平缓的煤种，可能发生线形改变，出现迅速失重部分，产生剧烈燃烧即使不发生线形改变，曲线也是左移，曲线变得更加陡峭说明氧气浓度增加后4 8藿；藿耋伽枷季|著|咖枷浙江大学硕士学位论文煤粉燃烧提前，燃烧速度增加可以得出结论，不同的媒种在热天平试验中随着氧浓度的增加最大燃烧速率对应温度T I m a x 是降低的，降低约5 0 " C 左右，下降比例在1 0 ％左右，且其下降速度在氧气浓度3 3 ．3 ％以前最大。

氧气浓度增加后煤种的着火特性向好的方面转变第三节本章小结本章主要对不同煤粉的着火温度随氧气浓度的变化规律，利用沉降炉系统和热天平系统进行了煤粉的两种堆积形态：煤粉气流和煤粉层的富氧试验，在沉降炉系统中进行了变氧浓度下不同煤种、不同煤粉浓度、不同煤粉粒径的试验在热天平系统中进行了变氧浓度下不同煤种着火特性实验通过这两方面的试验与对试验结果的分析，可以了解到氧浓度的变化无论对煤粉气流还是对静态煤粉层的着火都有一定的影响，影响的大小与煤种、煤粉的特性包括煤粉浓度、煤粉细度、形态等因素有关从上面的实验可知：1 、在沉降炉中，不同煤的着火温度指数都是随氧气浓度增加而下降不同的煤之间差别较大，贫煤的着火温度对氧气浓度变化最为敏感，从1 6 ％氧气浓度提高到3 6 ％后，着火温度下降2 4 ％，直接降低1 4 7 ℃，而褐煤卡列那的着火温度指数随氧气浓度变化最小，仅下降3 6 " C ，但由于其本身的着火温度较低，所以降幅也达到1 2 ％四种烟煤的趋势居于贫煤和褐煤之间，着火温度下降1 5 ％左右，6 0 ～1 0 0 ℃烟煤之间也有差别，但差别远小于与贫煤和褐煤间的差别，且烟煤的着火温度在氧气浓度达到2 6 ％后，下降的速度降低。

2 、对于煤粉浓度的实验，高给粉量的工况的着火温度高于低给粉量的工况，这跟沉降炉着火温度指数的确定方式以及沉降炉特性有关，但是从这个实验中我们可以发现：氧气浓度增加，消弱了煤粉浓度对着火温度的影响3 、在沉降炉不同粒径实验中，粒径在不同氧气浓度下对着火温度的影响很小，且基本相近4 、在热天平中，不同的煤种随着氧浓度的增加最大燃烧速率对应温度T I m a x 是降低的，几种煤降低的幅度差别不大氧气浓度从1 6 ．7 ％提高到8 3 ．3 ％后，降低约5 0 " C 左右，下降比例在1 0 ％左右，且其下降速度在氧气浓度从1 6 ．7 ％升高到3 3 ．3 ％时最大T G 曲线随着氧气浓度增加左移，曲线变得更加陡峭，说明煤粉燃烧提前，燃烧速度增加这些分析对于了解氧浓度对煤粉底着火的影响有一定的借鉴作用，同时也为下一章关于氧浓度对煤粉燃烧速度、燃尽的研究打下了理论基础参考文献[ 1 】岑可法，姚强，骆伸浃等，．高等燃烧学，浙江大学出版社t2 0 0 2浙江大学硕士学位论文【2 】袁镇福，田子平，电站锅炉原理，北京：中国电力出版社，1 9 9 7【3 】孙学信，燃煤锅炉燃烧试验技术与方法，中国电力出版社，2 0 0 2【4 】严建华，倪明江等，煤在燃烧过程中表面灰层内气体扩散传质特性的研究，工程热物理学报。

1 9 9 4 ．8【5 】朱群益，李瑞扬，秦裕琨等，煤粉燃烧反应动力学参数的试验研究，动力工程，2 0 0 0 ．6【6 1 廖洪强，李保庆，孙成功，煤焦炉气共热解半焦燃烧动力学特性研究—嗽烧模型的建立及其表观活化能动态描述，燃料化学学报，1 9 9 9 ．6【7 】朱学栋，朱子彬等，煤热失重动力学的研究，高校化学工程学报，1 9 9 9 ．6【8 】阎昊鹏，陆熙娴，秦特夫，热重法研究木材热解反应动力学，木材工业，1 9 9 7 ，1 1【9 】朱学栋，朱子彬等，煤热失重动力学的研究，高校化学工程学报，1 9 9 9 ．6【l o 】朱群益，李瑞扬' 秦裕琨等，煤粉燃烧反应动力学参数的试验研究，动力工程，2 0 0 0 ．6【1 1 】姜秀民等，煤耪颗粒粒度对燃烧特性影响热分析，中国电机工程学报，2 0 0 2 ．1 2【1 2 】姜秀民等，煤粉颗粒粒度分形分析，煤炭学报，2 0 0 3 ．8【1 3 】李瑞杨等，六角切圆燃烧锅炉燃烧器区域煤粉粒径分布的试验研究，热能动力工程，2 0 0 3 ．3【1 4 】C t J M M l N C ‘J W , R e a c t i v i t y A s s e s s m e n to f C o a l v i a a W e i g h t e d M e a n A c t i v a t i o n E n e r g y ．F u e l 。

1 9 8 4 ．6 3 ：P P ．1 4 3 6 —1 4 4 0【1 5 】M O R G A N ，P A ，R O B E R T S O N ，S DA N DU N S W O R T H J F , C o m b u s t i o nS t u d i e sb ye r m o g r a v i m e t r i eA n a l y s i SC o a lO x i d a t i o n ．F u e l ，1 9 8 6 ．6 5 ：P P ．1 5 4 6 —1 5 5 1 ．f 1 6 】叶江明煤燃烧特性的模糊综合评判模型，发电设备．1 9 9 9 ．1浙江大学硕士学位论文第五章氧浓度的变化对煤粉燃烧速率、燃尽和排放的影响第一节煤的化学反应与反应级数按照反应机理的不同，通常将反应分为简单反应和复杂反应两大类，简单反应是指由反应物一步反应直接生成产物的反应；复杂反应是指不是经过简单的一步完成，而是要经过中间产物的许多反应步骤来完成，其中每一步反应称作基元反应通常所写的化学反应式绝大多数并不代表反应的历程表示反应速度和浓度等参数之间的关系方程称为化学速度方程式，对于简单反应( 或者基元反应) 来说，化学反应速度和参与反应的各反应物浓度的乘积成正比，例如简单化学反应方程式：以+ b B —' c C + d D5 - 1其化学反应速度方程可以表示为：w = 峭a L j b5 - 2其中各反应物浓度项的幂指数等于化学反应方程式中相应项前面的系数，竹= a + b 称为该反应的反应级数。

式中k 为反应速度常数，与反应物浓度无关，当反应物浓度均为1 时k = w 对于简单反应可以直接通过化学反应方程式写出反应速度方程式，对于复杂反应由于反应历程比较复杂，化学反应方程式通常是反应的总结果，不代表实际过程中所发生的反应因此仅仅知道复杂反应的化学反应方程式，并不能直接写出化学反应速度方程式，而必须通过实验确定[ 3 1 如果化学反应速度与反应物浓度的一次方成比例，这个反应在动力学上就叫做一级反应如果速度与反应物浓度的二次方成正比，则称为二级反应一般来说，反应速度方程式中各反应物浓度项指数之和就是该反应的级数，即上面所提到的刀简单反应( 或基元反应) 的速度方程式都具有简单的级数，通常为～级或二级，少数反应为三级，三级以上的反应还不曾发现对于复杂反应一般不具有简单的级数，并且完全需要通过实验来确定，因为复杂反应方程式代表着～系列的简单反应步骤的总结果，反应级数通常取决于反应机理中最慢的步骤反应级数可以是正整数，也可以是分数甚至负数，有些反应的速度方程不一定呈幂函数形式因此无级数可言，碳燃烧反应的级数疗s1 1 3 1 根据前文的分析，煤的燃烧反应可以认为是氧气首先在煤表面上化学吸附生成中间络合物，而后解吸同时生成C O 和C 0 2 两种燃烧产物，化学反应方程式可以表示为：x C + 圭鹏寸[ 巳g ] 哼肌c Q + C O5 - 3不同燃烧条件下碳表面所发生的化学反应也有所不同。

大多数研究者在采用反应级数的时候，都以一级反应作为整理实验数据的基浙江大学硬士学位论文础，S m i t h 和T y l e r 等人指出反应级数应当接近于0 ，特别在高温的时候更是这样，关于反应级数不统一的闯题仍然没有解决用起控制作用的化学反应步骤可以这样解释这～变化：当吸附起控制作用，n = l ，当解吸附起控制作用则n = 0 表5 ．1 【l l列出了最新的实验研究所得出的结果表5 ．1 煤种反应级数表煤种罢瓣：≥温度范围篡E ／RA褐煤碳是2 24 98 96 3 0 ～1 8 1 201 6 4 0 01 ．3 2 x 1 0 " 1各种煤变化变化9 5 0 —1 6 5 011 8 0 0 08 ．2 x l ∥碳是2 ．5 4 x 1 0 40 或l ①2 0 1 0 0烟煤碳否0 - 2 0 00 或l ②3 0 0 0 - - 6 0 0 0各种煤是4 2 0 - - 1 0 0 011 0 0 - - 1 5 0 016 5 0 0 - 2 5 0 0 0褐煤碳是2 24 98 96 3 0 - 2 2 0 00 ．58 2 0 09 ．1 8 x 1 0 " ‘半无烟煤是62 2 4 97 81 4 0 0 - 2 2 0 019 6 0 02 ．0 1 3半无烟煤是72 24 97 81 4 0 0 - 2 2 0 112 0 1 0 05 ．4 2 8烟煤碳是1 83 57 08 0 0 - 1 7 0 011 0 3 0 02 ．9 0 2@ T < 1 0 0 0 k 时为0 , T > 1 0 0 0 K 时为1②火焰峰之前吸附作用起控制作用时为l ，火焰尾部解吸附作用起控制作用时为0 ．E 为反应活化能，R 为气体常数A 为频率园子本章进行的试验，都属于一阶反应，反应速率的求取按照一阶反应的方程与规律进行。

第二节氧浓度变化对静态煤粉层燃烧速率的影响碳的燃烧反应是多相燃烧反应多相燃烧反应的特点是：物质在相的分界面上发生反应因此，多相反应可以在物质外部表面进行，也可以在物质内部表面上进行( 内部表面的存在是由于物质本身有缝隙) 内部表面是外部表面的延续，内外部表面问没有明显的边界，但内部表面为物质内部比较狭小的缝隙通道表面，不易与氧接触因此，在反应温度很高，固体燃料反应性能很强，即燃烧反应的速度很快时，燃烧反应在很大程度上集中在物体的外表面上进行，所以外表面可以理解为物质的极限反应表面在多相燃烧中，燃料和氧化剂的形态不同，因而在碳表面上发生的多相反应，是由下列几个连续的阶段组成，f i g ：( 1 ) 参与燃烧反应的气体分子( 氧) 向碳粒表面的转移与扩散：( 2 ) 气体分子( 氧) 被吸附在碳粒表面上；( 3 ) 被吸附的气体分子( 氧) 在碳表面上发生化学反应，生成燃烧产物；( 4 ) 燃烧产物从碳表面上解吸附；( 5 ) 燃烧产物离开碳表面，扩散到周围环境中燃烧反应这五个阶段是连续进行的，其中任何一个环境都会影响全局因此，浙江大学硕士学位论文反应过程中最慢的某一个阶段，决定了燃烧反应的速度。

在上述五个阶段中，吸附阶段和解吸附阶段进行的最快，燃烧产物离开碳表面扩散出去的阶段也较快，比较慢而最主要的是氧向碳粒表面的转移扩散阶段和氧向碳粒表面的转移扩散速度，也决定氧与碳粒的化学反应速度，而且最终决定于其中速度最慢的一个在多相燃烧反应中，根据燃烧条件不同，可以将多相燃烧分成三种燃烧区域，即：动力燃烧区域、扩散燃烧区域和过渡燃烧区域因为煤中含有挥发份，燃烧反应既是多相燃烧，也有均相燃烧，为简单起见，以碳粒的多相燃烧为例加以说明如果将碳粒的燃烧反应当作一级反应，而且认为反应在碳粒外表面进行，即不考虑内部表面的反应，则可用参加化学反应的氧的消耗速度w l 来表示燃烧的化学反应速度，即M = q ，k g ／m 2 ‘s5 —4另一方面，燃烧反应速度也可以用氧向碳粒表面的扩散速度表示，即W 2 = ∥( C o —C ／)5 —5式中C ，——碳粒表面上氧的浓度，k g ／m 2 ；G ——周围介质中氧的浓度，k g ／m 2 ；k ——讹学反应速度常数；口——扩散速度常数当燃烧过程稳定时，氧气扩散到碳粒表面的扩散速度和碳粒表面上氧气的消耗速度，即化学反应速度是相等的，即w l Ⅵ’此时碳粒表面上氧的供应和消耗达到了平衡，定不变的。

由式5 —4 和式5 —6 得c ／= 警= i W由式5 —5 和式5 —6 得将式5 —7 和5 —8 相加，得即5 —6因而碳粒表面上的氧浓度C ／是稳5 —7c o —C I2 号2 芳s - sc o = 詈+ 芳= w c { + 古，s 一9w = 1 - 七C o5 —1 0- - 后+ 万浙江大学硕士学位论文令k = T ÷『= 考等，b 称为折算反应速度常数，则式5 —1 0 变为七夕w = 吒c o5 —1 l从5 —1 1 可以看出碳粒的燃烧速率与氧浓度的关系由此我们可以用来验证试验中求得的燃烧速率与氧气的关系2 ．1 氧浓度变化对平均燃烧速率的影响根据热天平曲线，定义煤粉的平均燃烧速率为着火点到结束点失重量与反应时间的比，单位为o ／d m i n 用这个指标衡量不同条件下着火燃烧过程的速率，从而找出影响反应速率的因素及其之间的关系根据以上的定义方法，求得变氧浓度下不同煤种的煤粉平均燃烧速率如表5 ．2 所示试验的不同煤种的工业分析和元素分析在第四章2 ．1 节中有详细介绍，这里略去表5 ．2 变氧浓度下不同煤种的平均燃烧速率( ／d r a i n )为了较为方便的考察在不同氧浓度下不同煤种对煤粉平均反应速率的影响，将表5 ．2 的数据用盐线的形式表示出来如图5 ．1 所示。

图5 ．1 不同煤种平均燃烧速率与氧浓度的关系总体上，随着氧浓度的增加各种煤的平均燃烧速率是增加的氧气浓度从1 6 ．7 ％提高到8 3 ．3 ％后，准混、保德、平二和卡列那的平均燃烧速率增加大致在4 0 ％／r a i n ，准混、保德、平二的燃烧速度提高8 倍，卡列那提高4 ．5 倍左右，而东北贫煤平均燃烧速率增加1 ．7 ％I m i n ，提高3 7 ％左右但是变氧浓度下不同煤种的平均燃烧速率增加情况差别也很大从图5 ．1 可以发现，褐煤卡列那的平均燃烧速率随着氧浓度的增大而增大，表现了很好的线性烟煤准混、保德、平二的平均燃烧速率也是随着氧浓度的增加而增加的，但是线性没有卡列那的线性符浙江大学硕士学位论文合的好东北贫煤的平均燃烧速率随着氧浓度的增加基本没有太大变化，近似一条平直的直线．分析其原因，主要是煤质不同引起的卡列那煤是褐煤挥发份较高，东北贫煤的挥发份较低，准混、保德和平二是烟煤，挥发份介于以上两种煤之间，表现出来的曲线形式也刚好介于两种煤之间挥发份的存在和析出，对煤粒的燃烧速度有较大的影响这是由于：挥发份能够在较低温度下析出和燃烧，使煤粒周围温度迅速升高，为焦炭的着火和燃烧创造有利条件；同时在挥发份析出过程中，使煤粒膨胀并形成多孔性，增大了外部反应面积和内孔隙表面积，也有利于提高燃烧反应的速度；再者挥发份本身就是燃煤中可燃质的一部分，挥发份的燃烧也是煤粒燃烧的一部分。

这一切对煤的燃烧有利但从另一方面看，挥发份析出并在焦碳周围燃烧时，它消耗了周围介质向煤粒表面积扩散的氧气，并增加了氧气向煤粒表面扩散的阻力，以致使扩散到煤粒表面的氧浓度显著减少煤是一种多孔性物质，它受热时产生的水蒸气和挥发份，不但向煤粒表面四周的空间扩散，而且还会向煤粒的内部孔隙扩散在向内部孔隙扩散的过程中，由于煤粒温度内部较低，而浓度又较大，它们便被冷却下来随着煤粒的燃烧过程的发展，煤粒内部温度不断提高，使内部水分和其他沥青、油质也开始蒸发和汽化，其分压力逐渐提高；同时由于煤粒本身的阻力，会使水蒸气和挥发份的扩散速度受到限制煤粒中有矿物杂质，在燃烧过程会生成灰，灰会附在碳粒表面，形成灰层包裹着碳粒这灰层会妨碍氧向碳粒表面的扩散，或者使碳粒的外部反应表面减少，因而使燃烧速度受到影响，碳的燃尽就比较困难这些因素都会影响煤粉的平均燃烧速率从热天平D T G 曲线上看，我们发现：燃烧速度没有很好的线性的煤种，都是在氧气浓度升高后，线形发生改变的煤种所以我们将各个煤种在同种线形内拟合燃烧速度与氧气浓度的关系得到下面的表达式：表5 ．3 燃烧速度与氧气浓度关系的线形拟合煤种燃烧速度与氧浓度的关系式相关度拟合的点数卡列那y = 0 ．6 4 5 7 x ．1 ．5 6 4 6R 2 = D ．9 9 5 55 点东北贫煤y = 0 ．0 2 4 8 x + 4 ．2 4 3 6R 2 = 0 ．9 9 3 95 点保德Y = 1 , 1 5 6 7 x ．4 7 ．4 0 7R 2 = 0 ．9 4 0 63 点平二y = 1 ．0 8 4 3 x ．4 6 ．5 8 9a 2 = 0 ．9 8 33 点我们从相关度的数值可以知道，线形拟合的效果非常的好，所以我们可以得出结论：在同种线形内，燃烧速率与氧浓度成正比的关系．但是考虑整体性，将曲线拟合成指数形式得到表5 ．4 。

表5 ．4 燃烧速度与氧气浓度关系的指数拟合燃烧速度与氧浓度的关系式相关度保德Y = 1 ．9 7 2 6 e 0 ．0 3 7 6 xR 2 = 0 ．8 8 2 5浙江大学硕士学位论文由较好的相关度可知，燃烧速率与氧浓度应成指数关系2 ．2 氧浓度变化对最大失重速率的影响最大失重速率点是反应煤质特性的一个重要参数点，对应着反应过程中最快反应速度点，在D T G 曲线上表现为最低峰值点在分析了燃烧平均速率后，再考察一下热天平曲线上的最大失重速率点是否与分析的结果吻合各种煤质的元素分析与工业分析略去详见第四章不同煤种变氧浓度下的最大失重速率如表5 ．4 所示对应图5 ．5 所示表5 ．5 变氧浓度下不同煤种的最大失重速率* ／d r a i n图5 ．2 变氧浓度下不同煤种的最大失重速率曲线根据表5 ．5 和图5 ．2 显示的结果来看，变氧浓度下不同煤种的最大失重速率的变化规律与平均燃烧速率很类似，所以就不作进一步的分析与解释了因为平均燃烧速率本身就是反应整个反应过程的失重速率，一般来说平均失重速率较高的煤，其最大失重速率也较高’第三节氧气浓度变化对煤粉气流燃烧速度的影响3 ．1 氧气浓度对燃烧速度的影响3 ．I ．1 试验工况及方案关于氧气浓度对煤粉气流的燃烧速度的影响，我们选用的试验台依然是沉降炉试验系统，试验过程中控制燃尽段壁温在9 0 0 ～9 1 0 " 0 ，着火段壁温在烟煤浙江大学硕士学位论文5 3 2 。

C ，贫煤5 5 8 " ( 2 ，通入的风量为4 N m 3 ／h ，二次风温3 0 0 " C 试验中氧气浓度分别取1 6 ％、2 t ％、2 6 ％、3 1 ％、3 6 ％，试验中选取富动1 2 和准混2 种烟煤和东北贫煤试验过程中在着火段上取4 点进行取样，位置分别在着火段的第三、七、十、十三观火孔( 自上而下) 采用近似等速取样，取出部分燃烧的煤粉进行工业分析，通过工业分析值求取煤粉的燃烧速度取样装置如下图所示，煤粉气流图5 ．3 取样装置示意图试验过程中还进行了炉膛内烟气温度记录，主要针对不同气氛下煤粉气流的着火后炉内烟气温度的变化通过烟气温度的变化也可以反应燃烧的速度3 ．1 ．2 试验现象’在固定壁温、固定给粉量的试验条件下，随着氧气浓度的提高，煤粉气流的着火距离( 进入炉膛到燃烧的距离) 越来越短，着火段内的火星明亮程度也逐渐增加富动1 2 在1 6 ％的工况下，着火段内没有出现明显火星在2 1 ％工况时，第八观火孔后就出现连续火星2 6 ％和3 1 ％工况时，着火点的位置上提到第六和第四观火孔，当氧气浓度提高到3 6 ％时，喷口偶尔就会出现带火现象，即煤粉离开喷口就发生燃烧，在喷口处形成火焰。

准混的试验现象与富动1 2 类似，只是在1 6 ％T 况时候在沉降炉底段就出现少量火星东北贫煤在试验过程中着火段壁温控制在5 5 8 " C 基本为该煤种的沉降炉着火温度指数，比上面两种烟煤要高出较多，所以在2 1 ％的工况下也是第八观火孔下出现连续火星，1 5 ％无火星，而3 6 ％时在第四观火孔处形成连续火星，且火星群偶尔会上扬，充满整个炉膛3 ．1 ．3 试验结果及分析煤粉气流在着火段中下落的过程中，首先是水份的析出，然后才是挥发分析出及着火煤粉取出后，暴露在空气状态下，温度降低到室温，空气中的水份会重新凝聚到煤粉颗粒上，所以燃烧速度的计算采用煤粉的干燥基煤粉燃烧速度的求取是根据煤粉中灰份的质量不变，通过其百分比含量变化求取可燃部分的燃烧百分比，下表为三种煤粉的取样试样的干燥基灰份表5 ．6 取样试样的干燥基灰份堡登型盛! ! ! 垒三堡! ! ! 鱼三堡! ! 丝三婆! ! 堑王翌! ! 堑三堡准混12 0 ．9 12 1 ．1 02 1 ．4 42 1 ．6 32 1 ．6 422 1 ．3 82 1 ．3 92 2 ．1 02 2 ．1 92 2 ．8 9浙江大学硕士学位论文32 1 ．4 22 1 ．7 82 2 ．6 92 3 ．3 82 3 ．5 142 1 ．6 72 2 ．1 12 3 ．9 62 4 ．4 22 5 ．4 2注：1 、2 、3 、4 表示四个取样位置< 自上而下)煤粉某一段的平均燃烧速度可以用下式计算：1 0 0 一生×1 0 0矿：————兰』—一t o o o —A d )A d ：干燥基灰份A ，d ：沉降炉中取出试样的干燥基灰份t ：下落时间将煤粉的下落时间近似的等同与炉内气流速度，对于时间的求取公式：上f = 一V其中：，：婴。

兰2 7 3AL ：测点间的距离v ：通入沉降炉内的风量A ：炉内横截面面积T I ：炉内测点段内的气流平均温度沉降炉炉心半径为1 5 0 m m ，上下均匀，计算时忽略炉心管壁开孔的影响将表5 ．6 的数据按照上式进行求取燃烧速度，图5 ．4 ～5 ．6 分别求取了试验中三种煤在沉降炉炉内各段的平均燃烧速度，图5 ．7 求取了三种煤各工况着火段内总平均燃烧速度浙江大学硕士学位论文234至下面上炉内分段2345至下而上炉内分段图5 ．4 准混炉内各段平均燃烧速度图5 ．5 富动1 2 炉内各段平均燃烧速度l2345至下而上炉内分段图5 ．6 东北贫煤炉内各段平均燃烧速度氧气浓度( ℃)图5 ．7 着火段中平均燃烧速度从图5 ．5 ～5 ．6 中可见，氧气浓度高的工况，各段的煤粉气流的平均燃烧速度一般比氧气浓度低的各工况要高出出很多，同一工况的不同段的平均燃烧速度不一致，从图中可见，氧气浓度在1 5 ％～2 6 ％的工况，曲线大致都是两端高，中间低，最大燃烧速度一般发生在沉降炉着火段的顶部，也就是图中的l 点在氧气浓度高于3 l ％后，中间可能会出现一个较高的燃烧速度点在1 点有较大的燃烧速度，主要是因为，煤粉落入沉降炉，受热后，挥发分和水分大量析出，这一过程基本发生在的第一段内，挥发分在可燃部分占一定比例，所以就表现出1 点有较大的燃烧速度。

当氧气浓度提高到3 1 ％以后，燃烧加剧，在着火段的中间或者下部也可能出现较大的燃烧速度三种煤在不同氧气浓度的工况下，着火段内各段平均燃烧速度显得有些凌乱，现在对各工况求取着火段整体上的平均燃烧速度，即用总的燃烧掉的百分比除以燃烧时间，得到曲线图如5 ．7 所示，氧气浓度提高到3 6 ％后，准混，富动1 2 东北贫煤的燃烧速度分别比空气状态增加2 ．3 ％／s ，2 ．6 ％／s ，3 ．4 ％／s 提高2 ．4 、2 ．5 、3 ．0 倍从该图中就可以清晰的看出燃烧速度与氧气浓度的关系，当氧气浓度提高到3 1 ％后，燃烧速度快速增加对曲线进行线形拟合，三种煤的燃烧速度与氧气浓度的关系及相关度如下：表5 ．7 燃烧速度与氧气浓度关系的指数拟合’765432l0”≥65432lO∞／’l864208642O浙扛大学硕士学位论文从上面的关系式和相关度可以看出，氧气浓度对三种煤粉的平均燃烧速度影响基本相近，燃烧速度与氧浓度基本成指数关系，具有较好的相关度综合若天平中的燃烧速度与氧气浓度关系所以我们初步的认为：煤粉的平均燃烧速度与氧气浓度基本呈指数关系对比热天平中的试样的燃烧速度，可见沉降炉中煤粉气流的燃烧速度要大很多，约1 0 0 倍，于实际锅炉中的煤粉燃烧更接近，只是规律上不如热天平中那样清晰，主要是沉降炉中情况复杂，有许多不可控制的影响所致。

3 ．2 炉内烟气温度对比3 ．2 ．1 试验说明沉降炉炉内的烟气温度除了受壁面以及烟气的流量、流速、初温的影响外，主要取决于煤粉的放热在固定的下落距离内( 也就是燃烧时间固定) 放热量大小取决于煤粉的燃烧速度，所以也可以通过炉内的烟温曲线变化来表征煤粉气流的燃烧速度试验进行前，在炉内装有2 5 个温度测点，布置情况在第三章第二节的数据采集系统中有较详细的介绍，试验进行中采集系统自动记录了炉内各工况的烟气温度图5 ．8 炉内烟气温度分布曲线上图为试验过程中通入二次风，而没有通入煤粉的烟温图，控制着火段壁温5 3 0 ℃，燃尽段壁温9 0 0 ℃，烟温曲线一般为中间温度高，两端温度低，进口处受到热风( 3 0 0 ℃) 的冷却的作用，温度会比中间的略低，着火段下端受漏风的影响温度呈下降趋势，最后两点温度开始升高，主要是因为燃尽段( 9 0 0 ℃) 的高温辐射作用所致3 ．2 ．2 试验结果分析图5 ．9 和图5 ．1 0 是富动1 2 的烟温及烟温差曲线氧气浓度提高后，煤粉的浙江大学硕士学位论文燃烧速度加快，所释放的热量多，炉内烟气温度自然就会更高，所以烟气温度也是煤粉燃烧速度的一个体现。

由图中可见，3 6 ％浓度的工况下烟气温度最高，而1 6 ％工况下烟气温度最低从试验现象中也可以得到解释，1 6 ％工况下，着火段内没有明显火星，而3 6 ％" ／- 况，煤粉离开喷口偶尔就会出现喷口带火另外，3 6 ％工况的烟气温度升高的主要位置在着火段的上部，3 1 ％工况略微后移在着火段的后部，高氧气浓度工况的烟温反面不如2 1 ％和2 6 ％工况产生这种现象的原因是沉降炉内的对流由于煤粉的燃烧，局部温度升高，产生对流，氧气浓度高，燃烧强烈，就会产生上述现象6 3 055 8 0垂裟萋4 3 03 8 0O5I O1 5Z O2 5着火段烟温铡点图5 ．9 富动1 2 炉内烟温曲线测点图5 ．1 0 富动1 2 炉内烟温与无煤粉工况的温差曲线将不同工况的炉内烟温求取平均值如下1 6 ％2 l ％2 6 ％3 1 ％3 6 ％烟温差( ℃) 81 82 02 53 4可见，氧气浓度提高后，炉内的烟气温度成上升趋势，对比上一节的燃烧速度，温差曲线与燃烧速率的规律基本一致，如图5 ．1 1 和5 ．1 2 所示6 l∞∞加∞鲫∞如加坩0^ p ) { 喇赠摹浙江大学硕士学位论文76S5兰4蒯3錾210l 碍2 喁2 5 ％3 喁3 辅4 0 ' I t氧气浓度图5 ．1 I 富动1 2 烟温差与氧气浓度的关系图5 ．1 2 富动1 2 燃烧速率与氧气浓度的关系准混的烟温曲线与富动1 2 的曲线很相似，这里就不在重复，东北贫煤的试验烟温差曲线如图5 ．1 3 所示，其趋势与富动1 2 相似：随着氧气浓度的升高，燃烧速度升高，烟温也随之升高，在3 6 ％和3 1 ％氧气浓度下，燃烧速度较快，且在着火段的上部就有较高的燃烧速度，烟温高出其他工况很多，在着火段的后部反而降低。

但在3 1 ％和3 6 ％工况下，烟温升高很多，主要原因是该煤种对氧气的敏感程度高，燃烧速度快，且给粉量也要比富动1 2 和准混多出近一倍所致3 0 0，、2 5 02 0 0槲1 5 0墨1 0 05 00U51 01 52 02 5着火段烟温测点图5 ．1 3 东北贫煤炉内烟温与无煤粉工况的温差曲线第四节氧气浓度变化对煤粉燃尽的影响4 ．1 试验工提及方案试验工况同本章第三节中的试验工况完全一样，煤种也完全相同，取沉降炉底灰，测定其中的含碳量来表征煤耢的燃尽情况，煤粉燃尽用燃尽率来表示：燃胖= 铡瓣= 等4 ．2 试验结果及分析在沉降炉底部取出灰渣含碳量进行测定，结果如表5 ．8 所示，通过上式求得三种煤在不同气氛下灰渣的含碳量求得燃尽率，结果如图5 ．1 4 所示，表5 ．8 灰渣含碳量氧气浓度富动1 2准混东北贫煤1 53 9 ．0 42 5 ．64 0 ．3 2浙江大学硕士学位论文氧气浓魇( ％)图5 1 4 煤粉燃尽率与氧气浓度的关系从图中可以看出，煤粉的燃尽率随着氧气浓度的提高而增加，对比空气工况，富动1 2 和准混的燃尽率在3 6 ％氧气浓度下分别增加I ．8 ％和O ．9 ％，而东北贫煤增加1 1 ％，远远高于富动1 2 和准混。

在空气状态下，富动1 2 和准混的燃尽特性要优于东北贫煤，但是随着氧气浓度的增加，东北贫煤的燃尽特性迅速增加，在2 6 ％氧气浓度的工况后，与富动1 2 的燃尽率相近而两种烟煤的燃尽率随氧气浓度的增加缓慢此中现象可以从煤粉颗粒的燃烧机理方面解释：对于烟煤，煤粉颗粒首先析出大量的水份和挥发分，煤粉颗粒上面形成很多空隙，增加的氧气与煤粉的接触面积，所以烟煤在空气状态下就能有很好的燃烧速度，但是燃烧到后期的时候颗粒表面会形成～层灰壳，影响氧气与颗粒内部的接触，此时增加氧气浓度对氧气向颗粒内部扩散影响不大，所以才会出现氧气浓度增加，烟煤的燃尽率增加不明显对于贫煤及无烟煤，煤粉的挥发分，水份含量很低，在空气及低氧状态下的燃烧速度较低，而沉降炉内煤粉下落时间有限，使得大量的碳没有燃尽，就造成了较高的灰渣含碳量，当氧气浓度提高后煤粉的燃烧速度迅速增加，所以燃尽率也跟随着迅速增加，当氧气浓度增加到一定的程度，其燃烧速度也接近烟煤，就会出现烟煤燃烧后期灰壳包围颗粒表面的情况，氧气浓度增加后煤粉的燃尽率增加不再明显而东北贫煤的高氧气浓度工况下，燃尽率高于富动1 2 ，是由于东北贫煤的炉内烟温高，燃烧速度快，参见图5 ．1 3 。

第五节氧气浓度变化对煤粉排放的影响5 ．1 氮氧化物和二氧化硫的生成机理众所周知，煤中的氮是通过图5 ．1 5 所示转化途径而生成N O x 的1 4 ] 此模型定性地表明N O x 转化生成的趋势事实上煤中氮的释放、氧化还原等过程是十分复杂的，不仅取决于煤质本身特性，还与燃烧环境密不可分，热解、氧化还原、浙江大学硕士学位论文传热传质等物理化学反应均有发生，同相、异相反应同时进行由于复杂性和不确定性，理论研究不可能精确地预报出燃烧中N O x 生成的实际值，只能依靠简化或近似的数学模型估算预示某类特定条件下N O x 的转化生成结果，不具有普遍性，可靠性也不高相比之下，从管式沉降炉系统( m r s ) 和一维燃烧试验炉中的基础性试验研究中得出的燃烧条件和煤质等相关因素对N O x 生成影响的一系列基本规律因其适用性强，可信度高，获得广泛认可图5 ．1 5N O x 的氧化还甄反应机理煤中的硫以多种不同的形态存在，大致可分为可燃硫和不可燃硫两类可燃硫在一定的条件下可以燃烧产生s 0 2 ，不可燃硫一般则不能可燃硫包括有机硫和部分无机硫，可燃的无机硫主要是黄铁矿，有些煤中含有少量的元素硫和方铅矿、闪锌矿等。

不可燃硫主要是硫酸盐硫，通常是石膏，有时还含有绿矾等我国煤的含硫量各地差别较大通常在0 ．3 ％～6 ．5 ％之间有机可燃硫在温度超过2 0 0 ℃时可以部分分解释放出H 2 S 、硫醚、硫醇及噻吩等物质，这些物质的燃点较低，当温度达至U 3 0 0 ℃以上时，即可燃烧生成S 0 2 ，未分解的部分和氧直接反应燃烧C x H y S z + n 0 2 - + z S 0 2 + ) ( C 0 2 + Y H 2 0在燃煤锅炉的一般燃烧条件下黄铁矿和氧反应比较完全即4 F e S 2 + I1 0 2 - - * 2 F e 2 0 3 + 8 S 0 2当炉内温度较高时反应产物还有F e 3 0 4 ，硫酸盐中硫的理论分解温度很高，一般高于1 3 5 0 在通常的燃烧温度下基本上不会分解，不过在某些物质如M n 0 2C l 等存在时，温度低于1 0 0 0 ℃也可以有少量分解如果以煤中的可燃硫含量来计算S 0 2 的生成量往往和实测值有一定差别，因有时并不是全部可燃硫都能发生反应而生成S 0 2 在煤炭中某些碱金属氧化物和一定炉内燃烧条件下可以有少量的硫约占5 ％～1 0 ％被灰渣固定下来。

煤中所含硫的释放速度比碳的燃烧速度要快，它主要受温度和过量空气系数影响一般来讲s 0 2 的生成量会随着火焰温度的升高而增加，同时S 0 3 的生成量也会增加5 ．2 试验方案及工况此次试验是为了验证富氧燃烧N O x 等有害物质生成量变化，氧气浓度取浙江大学硕士学位论文2 1 ％、2 6 ％、3 1 ％、3 6 ％四个工况，试验设备选取沉降炉，按照总流量相同和过量空气系数相同两个原则，着火段壁温5 3 0 ℃，燃尽段壁温为1 2 0 0 ℃和1 3 5 0 " C ，二次风温3 0 0 ℃具体试验工况：工况1 ：a 相同，燃尽段壁温1 3 5 0 ℃；工况2 ：a 相同，燃尽段壁温1 2 0 0 ℃；工况3 ：总风量相同，燃尽段壁温1 3 5 0 ℃；工况4 ：总风量相同，燃尽段壁温1 2 0 0 ℃，a 相同和总风量相同的具体送风量见下表5 ．9表5 ．9 试验中的风量试验煤种为平二煤，5 当给煤( 5 1 0 9 ／h ) 在燃尽段中部使用烟气分析仪抽取烟气进行分析( 由于燃尽段尾部漏风严重，所以烟气抽取点选择燃尽段中间第三观火孔处) 5 ．3 试验结果及分析使用烟气分析仪对四个工况进行了烟气中的0 2 ，S 0 2 和N O 的含量测量，图5 ．1 6 为燃尽段中的氧气浓度，此处的氧气浓度跟通入炉膛内的氧量及燃尽率有关。

一般来说氧气浓度提高后，燃尽率提高，所消耗的氧气量也会增加，所以燃尽段中的氧气浓度受到氧气浓度提高的正面影响和燃尽率提高后氧气消耗增加的负面影响，但是由于整体上氧气的总量是足够的，所以燃尽段中的氧气浓度依然是随着升高图5 ．1 6 各工况下燃尽段中0 2 的含量煤在燃烧过程中生成的N O x 有3 个来源：热力N O x 、燃料N O x 和快速N O x 煤粉燃烧过程中生成的N O x 大部分是燃料N O x ，一般来说氮的释放与煤的燃尽率呈线性关系烟气中S O ：的来源主要是有机硫和硫铁矿燃烧后产生，试浙江大学硕士学位论文验中过量空气系数都大于l ，所以有机硫主要产生S 0 2 ，不会产生S 、H 2 s 、S O等，同时还会产生少量的S 0 2 ，在煤炭中某些碱金属氧化物和一定炉内燃烧条件下可以有少量的硫被灰渣固定下来此次试验不研究氮氧化物和二氧化硫的生成机理，主要考虑氧气浓度增加对煤粉燃烧后氮氧化物产生量的影响∞O蓦篡舞2 0 081 0 0O『《t ．．．．．．．．．．．．- ．- - - - ．．．．J ．．．．．．．．．．．．．．．．．- ．．．．．L ．．．．．．．．，．．．．—- ．- ．．．．．L ．．．．．．．．．．．．- - - - - 一5 ∞^ 4 0 0喜3 ∞景2 0 0宝1 0 002 0 ％2 5 ％3 嘶3 5 ％4 0 ％2 0 ％2 5 ％3 0 ％3 5 ％4 雌二次风氧浓度( ％)二次风氧浓度( ％)—◆一工况l —●卜_ I R 2 —●一工况l —■一工况2—●严工况3 —* 一工移M- - - - 4 - - 工况3 —* 一工况4图5 ．1 7 各工况下烟气中S C h 的含量图5 ，1 8 各工况下烟气中N O 的含量工况1 ：a 相同，燃尽段壁温1 3 5 0 ℃工况2 ：a 相同，燃尽段壁温1 2 0 0 " ( 2工况3 ：总风量相同，燃尽段壁温1 3 5 0 ℃工况4 ：总风量相同，燃尽段壁温1 2 0 0 ℃图5 ．1 7 和图5 ．1 8 为燃尽段中的S 0 2 和N O 的含量与氧气浓度关系图，论文中主要的工况都是总体流量相同，工况3 和工况4 是总流量相同，燃尽段壁温分别1 3 5 0 ℃是和1 2 0 0 ℃，工况1 和工况2 是过量空气系数相同，这是实际中常用的工况。

从图5 ．1 5 和图5 ．1 6 中可见，工况3 的S 0 2 和N O 的排放量都随着氧气浓度的升高而增加，N O 和S 0 2 分别上升1 9 5 & 2 4 3 p p m ，分别占比空气工况的8 6 ％& 1 0 6 ％工况4中N O 的含量随着氧气浓度的增加而增加，而s 0 2 的排放量基本上不变的，N O 上升1 3 9 p p m 和S 0 2 下降7 p p m ，分别占空气工况的7 3 ％和2 ．9 ％但是低于工况3 的排放，这主要是由于工况4 的温度低于工况3 工况l 和工况2 , s 0 2 和N O 的排放都是呈现随氧气浓度增加而降低的趋势，工况1 的N O 和S 0 2 分别下降1 2 4 & 1 6 4 p p m ，分别占比空气工况的5 9 ％和6 8 ％；工况2 的N O 和s 0 2 分别下降1 0 6 和1 1 9 p p m ，分别占比空气工况的5 5 ％和6 2 ％对于N O x 来说这主要是由于氧气浓度的增加，降低了空气中氮气的量，进而降低了热力N O x 从温度对排放的影响看工况3 的排放高于工况4 、工况1 高于工况2 ，即温度高增加了氮氧化物和二氧化硫的排放量。

从上面的分析我们可以初步认为：在总流量不变，增加氧气浓度，氮氧化物和二氧化硫的排放成增加趋势：在过量空气系数不变的工况下，氮氧化物和二氧化硫的排放成下降趋势，实际情况下常常是控制过量空气系数a ，保持炉内的氧量为定值，从上面数据可以看出，随着氧气浓度的升高，S 0 2 和N O 的含量没有明显的升高，反而明显降低所以从某些方面可以说富氧燃烧对s 0 2 和N O 的含量没有严重负面影响第六节本章小节本章主要研究沉降炉系统和热天平系统试验中煤粉的燃烧速度在热天平试浙江大学硕士学位论文验中分析了不同煤种在变氧气浓度下的平均燃烧速度及最大燃烧速度在沉降炉试验中通过对着火段不同位置点进行取样得到煤粉下落过程中不同阶段的燃烧速度，同时通过对烟气进行数据采集，分析了不同氧气浓度下烟气温度的变化，烟气温度反应了炉内煤粉的放热，从侧面反应炉内的燃烧速度，与取样求得的燃烧速度形成对照本章还在沉降炉中进行了煤粉的燃尽及排放试验，分析了氧气浓度煤粉的燃尽率以及S 0 2 和N O 生成量的关系通过这两方面的试验与对试验结果的分析，可以了解到1 、氧浓度的变化无论对煤粉气流还是对静态煤粉层的燃烧速度都有很大的影响，影响的大小主要取决于煤种和布置形态。

在沉降炉中煤粉的燃烧速度要远远大于热天平中，氧气浓度的影响也更为明显在热天平实验中，氧气浓度从1 6 ．7 ％提高到8 3 ．3 ％后，准混、保德、平二和卡列那的增加大致在4 0 ％／r a i n ，准混、保德、平二的燃烧速度提高大致8 倍，卡列那提高4 ．5 倍左右，而东北贫煤增加1 ．7 ％／m i n ，提高3 7 ％左右在沉降炉实验中，氧气浓度提高到3 6 ％后，准混、富动1 2 、东北贫煤的燃烧速度分别比空气状态增加2 ．3 ％／s 、2 ．6 ％／s 、3 ．4 ％／s ，是空气状态的2 ．4 、2 ．5 、3 ．0 倍同时我们得出结论：燃烧速度与氧气浓度呈指数关系增加另外，炉内烟温差与燃烧速度的规律相近，可以用来表示燃烧速度2 、燃烧速度提高以后，对应的燃尽率也必然提高，燃尽试验恰好验证了这一点，尤其对于难燃的煤种——东北贫煤，氧气浓度提高到3 6 ％后，燃尽率可提高1 1 ％3 、氧气浓度提高后，会对氮氧化物以及二氧化硫的生成量产生影响，试验结果表明：( 1 ) 温度提高后会增加N O 和S 0 2 2 ) 保持总流量相同，提高氧气浓度会使氮氧化物以及二氧化硫的生成量提高，( 3 ) 保持过量空气系数相同，提高氧气浓度不但不会提高氮氧化物以及二氧化硫生成量，反而有很大降低，降幅超过1 0 0 p p m ，约占空气工况的6 0 ％。

这些分析对于煤粉的富氧燃烧应用提供了有力的保证参考文献：【l 】岑可法，姚强，骆仲泱等，高等燃烧学，浙江大学出版社，2 0 0 2【2 】王正华，周吴，不同煤种高温燃烧时N O x 和S 0 2 生成影响因素的实验，锅炉技术，2 0 0 3 ，3 4 ( 3 ) ：1 1 —1 4【3 】郑楚光，洁净煤技术【M 】，武汉：华中理工大学出版社【4 1 孙继德，张岩峰，粉煤燃烧降低N Ox 技术的试验研究，电站系统工程，1 9 9 8 ，1 4 ( 1 ) ：3 9 - 4 5【5 】骆伸泱等，单颗煤粒在循环流化床中的燃烧，工程热物理学会燃烧分会，1 9 8 9 年年会论文集【6 】傅维标，郑双铭，一种计算在变氧浓度下炭／碳粒燃烧速率的简便方法，燃烧科学与技术1 9 9 6 ．2 ( 2 ) ：1 0 4 ．1 1 0浙江大学硕士学位论文【7 】张国军，吴少华，刘玉强燃煤过程中二氧化硫的释放及控制技术，电站系统工程，2 0 0 1 ，1 7 ( 5 ) ，【8 】王国金，王剑秋，李术元等，燃煤生成二氧化硫的机理和本征动力学研究进展，煤气与热力1 9 9 5 ，1 5 ( 5 )【9 】程军，周俊虎，徐小琼等，神木煤灰白身固硫的微观特性分析，燃料化学学报，2 0 0 4 ，3 2 ( 6 ) ：6 8 9 - 6 9 3[ 1 0 】容銮恩等，电站锅炉原理啪，北京：中国电力出版社，1 9 9 7【1 1 1 孙晨亮，章名耀，压力下各种因素对煤粒着火温度的影响，燃烧科学与技术，1 9 9 9 ，5 0 ) ：3 1 3 - 3 1 8【1 2 ] 陈义胜，陈春元，单颗粒煤粉燃烧数学模型，钢铁研究学报，1 9 9 7 ，9 ( 3 ) ：1 ．5【1 3 1 杨志忠，低挥发分燃料反应性试验研究，电站系统工程，1 9 9 6 ，1 2 ( 4 ) ：4 1 - 4 4( 1 4 】朱群益，赵广播，采用热天平研究煤粉燃烧特性时的零维燃烧模型，动力工程，1 9 9 6 ，1 6 ( 5 ) ：3 4 - 3 8[ 1 5 】朱群益，采用热天平研究煤粉燃烧特性时氧通量的计算，热能动力工程，1 9 9 7 ，1 2 ( 6 ) ：4 3 8 - 4 4 lf 1 6 】方立军，刘彦丰，惠世思，煤焦燃烧模型的热重实验研究，燃烧科学与技术，2 0 0 3 ，9 ( 6 ) ：5 3 5 —5 3 8浙江大学硕士学位论文第六章全文总结及展望第一节全文总结随着制氧技术的不断提高，制氧成本的下降，富氧燃烧已经成为可能，在国内外有了一定的发展。

本文选用了从褐煤到贫煤的不同煤样，在沉降炉和热天平两种试验台上进行了煤粉的富氧燃烧试验沉降炉试验台中煤粉燃烧与实际锅炉相近，利用沉降炉主要进行了变氧气浓度下不同煤种、不同煤粉浓度、不同粒径试验，分析了各种情况对氧气浓度的增加对其着火的影响用着火温度指数、反应速度及燃尽率等指标来衡量氧气浓度变化对煤粉气流的燃烧产生的影响热天平试验具有很好的重复性，高的精确度，利用热天平主要进行了不同煤种试验，与沉降炉中的煤粉气流试验形成参照对比．实验结果分析得出：1 、在沉降炉中，不同煤的着火温度指数都是随氧气浓度增加而下降不同的煤之间差别较大，贫煤的着火温度对氧气浓度变化最为敏感，氧气浓度从2 1 ％提高到3 6 ％后，着火温度下降1 5 ％，绝对值降低8 1 ℃，而褐煤卡列那的着火温度指数随氧气浓度变化最小仅下降2 0 " C ，但由于其本身的着火温度较低，所以降幅也达到7 ％四种烟煤的趋势居于贫煤和褐煤之间，着火温度下降1 0 ％左右，4 0 ～8 0 " C 烟煤之间也有差别，但差别远小于与贫煤和褐煤问的差别，且烟煤的着火温度在氧气浓度达到2 6 ％后，下降的速度降低在热天平中，不同的煤种随着氧浓度的增加最大燃烧速率对应温度T ／m a x 是降低的，几种煤降低的幅度差别不大。

氧气浓度从16 ．7 ％提高到8 3 ．3 ％后，降低约5 0 ℃左右，下降比例在1 0 ％左右，但其下降速度在氧气浓度从1 6 ．7 ％升高到3 3 ．3 ％时最大T G 曲线随着氧气浓度增加左移，曲线变得更加陡峭，说明煤粉燃烧提前，燃烧速度增加2 、氧浓度的变化无论对煤粉气流还是对静态煤粉层的燃烧速度都有很大的影响，影响的大小主要取决于煤种和布置形态在沉降炉中煤粉的燃烧速度要远远大于热天平中，氧气浓度的影响也更为明显，在热天平实验中，氧气浓度从1 6 ．7 ％提高到8 3 ．3 ％后，准混、保德、平二和卡列那的增加大致在4 0 ％／r a i n ，准混、保德、平二的燃烧速度提高大致8 倍，卡列那提高4 ．5 倍左右，而东北贫煤增加1 ．7 * ／d r a i n ，提高3 7 ％左右在沉降炉实验中，氧气浓度提高到3 6 ％后，准混，富动1 2 ，东北贫煤的燃烧速度分别是空气状态的2 ．4 、2 ．5 、3 ．0 倍同时我们得出结论：燃烧速度与氧气浓度呈指数关系增加3 、燃烧速度提高以后，对应的燃尽率也必然提高，燃尽试验恰好验证了这一点，尤其对于难燃的煤种——东北贫煤，氧气浓度提高到3 6 ％后，燃尽率可提高浙江大学硬士学位论文1 1 ％。

4 、氧气浓度提高后，会对氮氧化物以及二氧化硫的生成量产生影响，试验结果表明：( 1 ) 温度提高后会增加N O 和S 0 2 2 ) 保持总流量相同，提高氧气浓度会使氮氧化物以及二氧化硫的生成量提高，( 3 ) 保持过量空气系数相同，提高氧气浓度不但不会提高氮氧化物以及二氧化硫生成量，反而有很大降低，与空气工况相比降幅约6 0 ％第二节展望本文对氧气浓度对煤粉着火特性、燃烧速度、燃尽和排放方面的影响做了较为全面的实验研究，得出了氧气浓度对燃烧影响的量化数据，为富氧助燃的实施提供了理论依据，但由于实际锅炉的一次风是具有较高煤粉浓度和速度的煤粉气流，而试验中用到的试验设备：沉降炉中的风速和煤粉浓度都远低于锅炉的一次风；热天平中的煤粉为静止的薄层，与实际有一定的差距因此，在展望未来，在更进一步的利用现有试验设备和分析现有数据的基础上，希望建立大的试验设备或者在现场进行富氧试验，为富氧点火、助燃提供更为可靠的依据氧气浓度提高后，着火温度会降低，燃烧速度和燃尽率都会增加，而且过量空气系数相同的条件下增加氧气，不但不会增加S 0 2 和N O 的含量，反而有较大的降低，这些为富氧燃烧的应用提供有力的保证。

浙江大学硕士学位论文致谢本文是在赵虹教授和翁善勇副教授的悉心指导下完成的在此，向两位老师对我的辛勤培育与无微不至的关怀表示最诚挚的谢意!感谢周永刚老师在我的论文思路与写作方面给予的宝贵意见和指导!感谢杨建国老师在论文的修改、试验的实施过程中给予的极大帮助!感谢凌柏林老师、冯国华老师、郑航老师在试验的过程中给予的关心和帮助!在两年多的研究生学习生活中，课题组的每一位老师都对我谆谆教导生活上也给了我很大的关心和帮助，使我顺利的完成毕业论文，在此，再一次向各位老师表示感谢!此外还要感谢课题组马师父、曾师父在沉降炉试验过程中给予我的帮助!感谢热能所张工在工业分析试验中给我的帮助!同时感谢我的同学吴广君、周坤，邓芙蓉、王红岩，师妹张妮婉、肖键、郑敏，师弟倪呈刚、邹平国、刘志、钟金明，是他们让我在和谐轻松的环境中学习和工作，给予我学习上的启发和生活上的帮助，让我的研究生生活成为美好的回忆!在这里，我还要感谢我的父母和家人，他们时刻给我学习的动力，教导我怎样做人，怎样生活让我在人生的旅程上每一步都走的更加坚实!最后，我要感谢所以关心我帮助我的朋友们，祝你们在今后的生活中一切顺利，平安快乐!刘靖昀于求是园2 0 0 5 ．1 0富氧环境下煤粉燃烧特性试验研究富氧环境下煤粉燃烧特性试验研究作者：刘靖昀学位授予单位：浙江大学 相似文献(3条)相似文献(3条)1.期刊论文 张立春.韩建国.相大光.姚伟 高粘结性煤在电站煤粉锅炉中的燃烧特征 -热力发电2002,31(5) 根据试验室研究结果,介绍具有强粘结性的古交中煤(焦煤)作为动力用煤在电站煤粉锅炉中可能出现的燃烧特性,得出了采用挥发分等常规指标判别焦煤燃烧特性应进行的修正及其修正系数.提出了燃用焦煤应注意的事项,以及如何选取合理的燃烧设备参数与运行方式等.2.期刊论文 王新军.王飞.马增益.严建华.卫成业.李晓东.倪明江.岑可法 用于电站煤粉锅炉NOx排放监测的BP神经网络试验研究 -动力工程2002,22(5) 利用计算机图像处理技术从电站煤粉锅炉炉内火焰图像中提取火焰燃烧特征参数,结合BP神经网络,对电站煤粉锅炉NOx排放监测进行了实验研究,并取得了比较满意的结果.图9参83.学位论文 王坤 基于炉膛火焰图像信号的电站锅炉控制策略研究 2009 对大型燃煤锅炉而言，监控炉内悬浮燃烧状态对锅炉的可靠性、安全性和经济性非常重要，煤粉锅炉的燃烧过程是一种非常复杂的悬浮燃烧，它的工况是极不稳定锅炉燃烧的安全性主要取决于火焰的稳定性。

为了避免锅炉爆炸事件的发生炉内煤粉必须充分燃烧，如果燃烧不稳定，炉内温度场不均匀，容易出现可怕的后果，同时锅炉的热效率极大地降低因此，炉内的温度场对判断炉膛的燃烧状态，调整锅炉的运行参数非常重要为了提高燃烧过程的判断，预测及故障诊断能力，本课题重点研究了炉膛火焰的图像处理技术，使运行人员得到更加清晰的图像 虽然二维温度场不能很好地反映炉膛空间沿高度方向的温度变化，但能反映火焰在二维空间的分布特征，如果摄像头安装位置恰当，可以提供火焰燃烧情况等重要信息根据图像获得的温度场给运行人员提供一个温度参考，进而指导燃烧操作对电厂的安全运行和燃烧诊断具有重要的意义，本课题给出了比色测温算法的原理及误差分析，并给出了具体实现方法 本文根据系统特性，分析了图像噪声的来源全炉膛火焰的燃烧伴随大量的随机噪声，这些噪声必须尽量消除本文根据全炉膛火焰的特点，设计了快速中值滤波，使滤波效率提高数十倍为了获得丰富，清晰的火焰图像，本文提出了运用图像处理技术对其进行温度-色彩变换、伪彩色显示技术 在分析现有燃烧诊断技术的基础上，本文提出了Kohonen自适应神经网络的聚类方法对火焰燃烧状态的评测技术。

网络的的输入变量为表征火焰图像的燃烧特征参数，把输出值按划定四种状态火焰贴炉壁、燃煤不稳定火焰、燃煤稳定火焰和单角燃烧器熄火可以准确的预测到实际的燃烧状态详细介绍了火焰图像处理系统在电站煤粉锅炉上的应用最后，提出将炉腔辐射温度作为中间被调量构成串级调节系统以改善锅炉调解对象的调节特性，研究了相应的模型和控制算法，文中给出了仿真计算结果 本文链接：。