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煤焦晶格结构变化对流化床锅炉 飞灰残炭生成的影响 1　概　　述 　　流化床燃烧技术可实现劣质燃料的清洁燃烧，在燃烧过程中较易实现污染物排放的控制，是一种适合我国国情的新型清洁燃煤技术，可以较好地解决当前由于燃煤而造成的环境污染问题。但是目前我国许多流化床锅炉实际燃料利用率远低于设计值，飞灰含炭量过高是主要原因之一。影响煤焦燃尽的因素很多，除了锅炉的设计、运行等问题之外，入炉煤本身的特性也不容忽视，一些研究者认为煤中存在的难燃组分，煤阶、煤中的矿物质也会对燃尽造成影响，国内有些研究者通过建立数学模型来考察炉膛中不同粒径煤焦的燃尽情况，认为小粒子的燃尽率较低，容易形成飞灰残炭。Hurt研究煤粉炉飞灰残炭时发现，入炉煤经历一定程度的燃烧过程后，残余煤焦芳香环层的晶格结构的有序度升高，导致本征反应活性下降，使其在燃烧后期的燃尽率降低，指出煤焦的晶格结构对于残炭的形成有一定影响。煤焦在高温下的停留时间越长，其晶格化程度越高。因此，残炭的晶格化程度在一定条件下可以反应形成它的煤焦的燃烧状况。碳材料的晶格化程度与其真密度密切相关，一般来说，晶格化程度越高，真密度也越大。由于测定煤焦真密度远较直接测定煤焦的晶格化程度容易，而且测定结果也相对准确，用真密度来判定煤焦晶格化程度的高低为进一步考察煤焦燃尽的影响因素提供了便利条件。影响煤焦晶格结构的主要因素是热处理温度和停留时间，流化床锅炉的燃烧温度较煤粉炉低，但一些入炉煤颗粒的炉内停留时间较长，残余煤焦晶格结构有可能发生较大变化。探讨流化床锅炉中煤焦晶格结构的变化对飞灰残炭形成原因的影响，国内尚未见相关报道，本文将考察流化床锅炉的飞灰残炭与入炉煤粒径之间的关系，探讨流化床锅炉燃烧温度下煤焦的晶格结构对其燃尽的影响，为提高锅炉的燃料利用率提供参考依据。 2　实验研究 2.1　煤　样 流化床锅炉运行温度为950 ℃左右，入炉煤工业分析和元素分析见表1。　　 表1　入炉煤性质 工业分析/% 元素分析/% Vad FCad Mad Aad Cad Had Oad Nad Sad 26.61 44.15 9.47 19.77 53.08 3.06 13.15 0.62 0.85 原煤经两级破碎后送入炉膛，入炉煤各粒径段质量百分比分布见表2。　　 粒径/mm ＋9 9～6 6～1.4 1.4～0.5 －0.5 质量百分比/% 3.67 5.49 31.39 32.34 27.12 表2　入炉煤粒径分布 2.2　管式炉热解试验 手选镜煤（镜质组含量在97％以上）除去挥发分制成试样。管式炉910 ℃恒温，通氮气对试样进行热解，采集停留时间0、10、30 min的残留焦样，用GB217-81测定真密度。 2.3　流化床锅炉飞灰残炭的重液分离 将三溴甲烷和无水乙醇混合配制成不同密度的有机重液，采用离心分离的方法得到不同密度级的富集炭样，烘干后作烧失量分析。 小流化床煤粒燃烧试验 试验设备如图1所示。床身由石英管制成，外套硅碳管作为加热器，用可控硅温控仪控制床温恒定。经过标定后床温可由热电偶测得，床上部设有加料口，兼作观察孔。床料为氧化铝空心球，平均粒径200 μm，床温920 ℃，流化速度U/Umf=5.4，手工将试验用煤制成球状颗粒，同一粒径的煤粒质量相同，分为4、6、8、10 mm 4个粒径段。用DURAO推荐的实验方法确定炭粒是否燃尽。 3　试验结果与分析 3.1　实验室条件下停留时间对煤焦晶格结构变化的影响 煤粒在燃烧过程中，核心部分基本与氧气隔绝，处于热解状态。经测定，原始煤样的真相对密度为1.49，脱挥发分后的煤焦真相对密度为1.73。煤焦在炉内的停留时间与残余煤焦真相对密度之间有明显关系，试验结果见表3。 表3　管式炉热解试验结果 停留时间/min 0 10 30 真相对密度 1.73 1.91 1.94 910 ℃的管式炉内热解10 min煤焦的真相对密度将升至1.9左右，这一结果表明煤焦在加热过程中，芳香环层发生了复杂的物理化学变化，层间距变小，层的尺寸变大，微晶结构逐渐趋向于石墨或硬质碳，可以参与反应的微表面积减少；同时层边缘活性组分所占比重下降，活性较高的杂质原子消失，反应活性降低。加热时间越长，这种现象越明显。由此提示流化床锅炉入炉煤颗粒在炉内的停留时间越长，残余煤焦晶格化程度越高，反应活性越低，燃尽越困难。因此入炉煤中的大颗粒更容易形成飞灰残炭。入炉煤颗粒在燃烧过程中粒径逐渐缩小，最后大部分以飞灰的形式离开炉膛。由于飞灰粒径通常小于1 mm，所夹带炭粒的燃尽时间可忽略不计，中等以上粒径的煤粒在炉内的停留时间可以近似用颗粒燃尽时间表示。考察晶格结构变化对煤焦燃尽的影响，必须获得入炉煤颗粒在炉内的燃尽时间。一些研究者提供了煤粒在流态化燃烧条件下燃尽时间的