喻秋梅 庞亚军 陈宏国
北方交通大学 北京 100044
火电厂燃烧锅炉的设计和运行，一直以工业分析得出的可燃质挥发份来判断煤的燃烧性能。挥发份仅仅是在一定试验条件下的热解量，它是煤的活性表现，仅用挥发份判别煤的可燃性是有局限性的。因此需要寻求更能反映煤燃烧特性的指标。
煤的热重分析法已广泛应用于着火性能的评价，以及对整个燃烧过程的研究，尤其是煤粉燃烧着火点的确定。将煤加热到开始燃烧的温度叫做煤的着火点(燃点)，着火点是煤的特性之一。测定煤的着火点的方法很多，一般都是将氧化剂加入或通入煤中并对煤进行加热，使煤发生明显的爆燃或急剧升温的临界温度作为煤的着火点。用不同的操作方法，不同的仪器，特别是使用不同的氧化剂会得出不同的着火点，因此在实验室测定出来的煤的着火点是相对的、规范性很强的。本文采用热天平，对多种华北地区电厂用煤进行了燃烧特性和热解特性研究，总结了采用热天平试验法对煤着火点的定义方法。
1 试验装置及试验方法
试验采用梅特勒—托利多公司生产TGA／STDA851型热重分析仪。工作原理是：将试样置于一个炉温控制的环境中，试样在程序温度控制下总是有一些物理或化学上的变化，使用合适的传感器，就可以检测这些变化并将这些变化转换成电信号，加以采集和分析，作出随温度变化的曲线，如热失重分析曲线(TGA)、微分热失重曲线(DTGA)及差热曲线(DTA)。
试验前将煤样置于105 ℃的恒温烘箱内烘干表面水分，得到干燥基的试样，置于干燥器中备用。试验系统图见图1。
试验方法为：将6～9 mg试样置于圆柱形小坩埚内，而后试样在40 ℃／min的升温速率下进行25～900 ℃的燃烧试验。气体为O2，流量为180 ml/min；保护性气体为N2、流量20 ml/min；煤样平均粒径90 μm。进行热解试验时气体改为N2、流量仍为180 ml/min，其它条件不变。
2 试验结果及处理
有关文献表明，采用热天平研究煤粉着火温度时，着火点Ti的定义方法多种多样，介绍如下：
(1)TGA法
煤粒在着火前，试样失重比较缓慢，当达到着火温度开始燃烧后，反应速率迅速增加，此时TGA曲线上存在一突变点，在突变点附近曲线上作切线，其交点A(见图2)定义为着火点。此种方法缺点是切线的作法在一定的范围内具有随机性。
(2)DTGA法
将DTGA曲线上失重率达0.1 mg/min时对应点B(见图2)的温度定义为着火点。试验表明，当同一煤种的煤粉量控制在一定范围(6～9 mg)时，用该法所获得的着火点具有较好的重复性。
(3) 固定失重百分数法
也有学者统一将燃烧曲线上失重率达10%时的C点(见图2)对应的温度点定义为着火点。
(4)TGA曲线分界点法
此种方法定义燃烧曲线与热解曲线在TGA曲线上的分界点为着火点(见图3)。
(5)DTGA曲线分界点法
此种方法定义燃烧曲线与热解曲线在DTGA曲线上的分界点为着火点(见图3)。
中国煤炭科学研究院测定煤着火点的方法是：把煤样放在特制的玻璃仪器或铝制容器中，以一定速度通以氧气，并进行加热，在这样的条件下，煤被氧化而发生自热，而且温度越高，氧化越快，当经过一定时间后，煤开始自燃，放出大量的热，使煤的温度更明显地升高，煤样内部的温度上升速度超过对煤样的加热速度，在试验中记录加热速度和煤样的升温速度，用加热曲线和升温曲线的交点表示煤的着火点。
 
各种方法获得的着火点对比见表1。
对表1结果进行对比分析，若以中国煤炭科学研究院测定值为标准值，则显然固定失重百分数法所获得的结果偏大，毕竟以失重10%时作为着火的起点是晚了一点，这时煤粉已经在充分地燃烧了。而TGA法的结果也偏差较大，这是由于TGA法的作切线具有一定的随机性。TGA曲线分界点法的结果总体偏大，而DTGA曲线分界点法的结果总体偏小，若采用二者的平均值，则中和了各自的偏差，所得结果是比较理想的。DTGA法的结果与中国煤炭科学研究院测定的结果是十分接近的，这也是被学者们广泛采用的一种方法。
3 用着火点法分析唐山电厂烧火嘴事故
唐山电厂一段时间以来经常出现烧火嘴事故。发现每当烧某种入炉煤或古冶煤时就烧火嘴，烧某种入炉煤时烧火嘴情况最严重，而烧唐山煤或庄儿尚煤时则正常，且以烧庄儿尚煤为最好。我们对唐山电厂的这4种燃煤进行了着火点分析，所得结果见表2。
从表2可以看出，无论是用哪种方法获得的着火点值，都表明这样一个明显的趋势：入炉煤的着火点最低，低于290℃，因而烧火嘴情况最严重；古冶煤的着火点比入炉煤稍高，但总的来说也低于300 ℃，因而也容易提前着火引起烧火嘴；庄儿尚煤和唐山煤着火点均高于320 ℃，因而不会提前着火，但唐山煤的着火点又太高，因而没有庄儿尚煤好烧。
4 结论
(1) 着火温度不是煤的某种物理化学常数，而是和实验条件、着火点定义方法有关的一个数值。采用热天平法定义着火温度方法很多，相对来说采用DTGA定义法，或者采用燃烧曲线与热解曲线在TGA曲线上的分界点温度值以及在DTGA曲线上的分界点温度值的平均值作为着火点是比较理想的。
(2) 煤的热天平试验是在静态堆放状态，缓慢升温加热的条件下进行的，其与实际煤粉燃烧条件相差甚远，所获得的着火温度Ti与煤粉气流实际着火温度存在较大的差别，但用以相对判别煤的可燃性可达到较高的准确度，也可为燃烧器的设计及改进提供一个可靠参数。
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