石油焦與煤混燒特性及動(dòng)力學(xué)

煤炭燃燒科技心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊問(wèn)焦寫(xiě)燒啥動(dòng)動(dòng)學(xué)廖正祝,田紅(廣東石油化工學(xué)院機電工程學(xué)院,廣東茂名525000)摘要:以石油焦與煤的混合燃料為研究對象,采用TG-DTG-DSC聯(lián)用實(shí)驗技術(shù)對混合試樣進(jìn)行了燃燒熱重實(shí)驗。分析了混燒特性曲線(xiàn),計算了各個(gè)燃燒特性指數,并采用差減微分法 Freeman-Caro計算了燃燒反應動(dòng)力學(xué)參數。結果表明:各混合試樣均只出現一個(gè)位于高溫區段的DTG曲線(xiàn)峰和方向向下的DSC曲線(xiàn)的熱量釋放峰,混合試樣的燃燒過(guò)程主要是高溫階段焦炭的著(zhù)火燃燒過(guò)程;混合試樣S2,S3及S5熱量釋放相對較少且不集中,燃燒時(shí)間長(cháng)且不完全;混合試樣及6的熱量釋放集中且時(shí)間短,燃燒釋放的熱量相對較多;煙渫含量最多的混合試樣所6的著(zhù)火特性、燃盡特性指數及綜合燃燒特性參數均高于其它混合試樣以及石油焦的各個(gè)相應值,且試樣S6的可燃特性指數也大于石油焦的可然特性指數;混合試樣活化能均小于石油焦燃燒的活化能,混合試樣比石油焦更易著(zhù)火燃燒;只要石油焦與煤的混合比例適當,石油焦摻燒煙煤后的燃燒特性?xún)?yōu)于石油焦單獨燃燒特性,此為解決石油焦難以單獨燃燒利用提供了方法。關(guān)鍵詞:石油焦;煤;燃燒;動(dòng)力學(xué);熱重試驗中圖分類(lèi)號:TE992;TD849文獻標識碼:A文章編號:1006-6772(2013)06-0071-05Co-combustion thermogravimetric experimental study of petroleum coke and coalLAO Zhengzhu, TIAN HongCollege of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology, Maoming 525000, China)Abstract: Taking the mixed fuel of petroleum coke and coal as research object, do the thermogravimetric experimentusing the TG-DtG-DSC thermogravimetric-differential thermogravimetric-differential scanning calorimetrythermal analysis technology, investigate the co-combustion characteristics curves and calculate thee vanetycombustion characteristics index. Compute the combustion kinetic parameters by suing subtractive differentialmethod Freeman-Carroll. The results indicate that the every mixed fuel has a single DtG curve of peaks and thedownward DSC curve of exothermic peak at the high temperature. The mixed fuel combustion process is the ignitionand combustion process of coke at the high temperature. The heat release of the mixed samples of $2, $3 and S5 arerelatively small and not concentrated, and the time of combustion process is long and the combustion is incompleteThe heat release of the mixed samples of S4 and S6 are relatively larger and the heat released time is short. Theignition characteristics index, the burnout characteristics index and the synthetic combustion characteristicsparameters of the mixed fuel $6 having the most bituminous coal content are higher than the corresponding values ofthe other mixed samples and petroleum coke, the combustible characteristics index of mixed sample s6 is larger thanthe corresponding value of petroleum coke. The activation energy of all the mixed feuls are less than that ofpetroleum coke, and the mixed samples are easier igniting combustion than petroleum coke. The proper mixing ratioof petroleum coke and coal leads to great mixed fuels co-combustion characteristics, which is better than the purecombustion characteristics of petroleum coke. The study provides theoretical guidance for the combustion utilizationam cokeKey words: petroleum coke; coal; combustion; kinetics; thermogravimetric experiment收稿日期:2013-09-05責任編輯:宮在芹YH中國煤化工基金項目:廠(chǎng)東省自然科學(xué)基金$2012010010448);「東省科技計龍(2018030項目(512119)作者簡(jiǎn)介:廖正祝(1970—),女,四川會(huì )理人,工程師,主要從事燃料的燃燒及循環(huán)流化床CNMH引用格式:膠正祝,田紅石油焦與煤彩燒特性及動(dòng)力學(xué)[冂.潔凈煤技術(shù),2013,19(6):71-75,84廖正祝等:石油焦與煤混燒特性及動(dòng)力學(xué)71煤炭燃燒石油焦是石油提煉的最終副產(chǎn)品,具有低灰很好的利用方式,但目前對石油焦與煤混燒過(guò)程分、低揮發(fā)分、高碳、高熱值等特點(diǎn)。作為煤的一種的研究還不充分。本文采用非等溫熱重法,利用補充或替代燃料用于鍋爐燃燒發(fā)電、供熱是石油焦TG-DTG-DSC聯(lián)用技術(shù)對石油焦與煙煤按照不同利用的重要途徑。石油焦單獨燃燒存在以下問(wèn)質(zhì)量比進(jìn)行混燒熱重實(shí)驗,對混合燃料各個(gè)燃燒特題:燃燒過(guò)程不穩定,呈現多階段燃燒特點(diǎn);燃燒特性進(jìn)行了計算,采用差減微分法 Freeman- Carroll計性介于煙煤和無(wú)煙煤之間;燃燒熱解動(dòng)力學(xué)參數受算了燃燒反應動(dòng)力學(xué)參數并進(jìn)行分析,以期得出其升溫速率等實(shí)驗條件影響較大。由于石油焦揮發(fā)混燒特性。分含量少,故燃點(diǎn)高,且焦炭難以燃盡,石油焦存在難以單獨充分燃燒利用等問(wèn)題26。石油焦含有1實(shí)驗硫、氮和釩、鎳等堿金屬元素,這使石油焦燃燒時(shí)造1.1實(shí)驗樣品成鍋爐內腐蝕和污染,將石油焦與煤的混合燃料在實(shí)驗所用石油焦取自某煉油廠(chǎng),煙煤取自某電循環(huán)流化床鍋爐里燃燒是一種高效、清潔利用石油廠(chǎng)。將各實(shí)驗樣品通過(guò)磨煤機研磨,再經(jīng)過(guò)篩分分焦的有效方法。無(wú)煙煤中加入石油焦后燃點(diǎn)降離,得到粒度小于0.074m的實(shí)驗樣品。將樣品低,燃燒效率得到提高。隨煤含量增多,煤與石放在恒溫干燥箱中,在378K干燥2h,取出放在干油焦的混燃燃點(diǎn)和燃盡溫度均逐漸降低隨石油焦燥器皿中冷卻后裝入密封袋備用。表1為實(shí)驗樣品含量增大,混燒活化能和頻率因子均增大{9。的工業(yè)分析及元素分析。S1,S7分別表示實(shí)驗樣品文獻[10]對煙煤與無(wú)煙煤混燒進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研煙煤及石油焦;S2,S3,S4,S5及56表示煙煤與石油究,文獻[11-12]對型煤及動(dòng)力煤燃燒特性進(jìn)行焦的質(zhì)量比分別為1:4,2:3,2:2,3:2及4:1的混合燃研究,提出將煤與石油焦混燒是煤及石油焦的一種料樣品。表1燃料的工業(yè)分析及元素分析工業(yè)分析/%元素分析/%樣品o(Cad) o(Had) a(Od) w(Nd) w(S,d) (M. kg-)煙煤1.9526.335513.830.96石油焦2.7811.6584.830.742.35l.4331.5411.2實(shí)驗設備及方法的含碳量及熱值均很高,各試樣揮發(fā)分析出著(zhù)火燃實(shí)驗采用 NETZSCH公司的STA409PC熱分析燒及焦炭的著(zhù)火燃燒的熱量釋放是一個(gè)連續過(guò)程儀,進(jìn)行TG,DrG及DSC的同步熱分析。燃燒實(shí)驗故各個(gè)試樣燃燒的DSC曲線(xiàn)均出現一個(gè)向下的熱采用空氣氣氛,氣體流量為80mL/min。采用非等量釋放峰。溫法進(jìn)行加熱,升溫速率為20K/min,從室溫升溫由于各個(gè)試樣的揮發(fā)分含碳量及熱值不同,因終止溫度為1173K,實(shí)驗樣品質(zhì)量約為10mg此,各DSC曲線(xiàn)包圍面積各不相同。由圖1可知,2結果與分析煙煤Sl的DSC包圍面積小即表明其單獨燃燒釋放熱量少,這是因為煙煤熱值低于混合試樣及石油焦2.1燃燒TG,DTG及DSC曲線(xiàn)分析熱值,同時(shí)煙煤在其高溫段的激烈燃燒后還有較多圖1表示S~肝的燃燒特性曲線(xiàn)。由圖1可熱量釋放,故煙煤DSC曲線(xiàn)顯示其熱量釋放峰值位以看出,所有試樣揮發(fā)分析出著(zhù)火與所生成焦炭的于DTG曲線(xiàn)峰值之后,煙煤的TG曲線(xiàn)后期出現水著(zhù)火燃燒是一個(gè)連續過(guò)程,故所有試樣均只出現了平表明其質(zhì)量幾乎不再變化,可知其燃燒充分且燃一個(gè)DrG峰且該峰值對應溫度較高,煙煤DTG峰燒十分完全,熱量釋放集中且速度快,燃盡時(shí)間快。值對應溫度為853K,石油焦為886K,各混合試樣由圖1g)可知,石油焦S7燃燒的DTG曲線(xiàn)峰值面約為903K,該峰位于較高溫度區域,顯示其燃燒反積較小,且TG曲線(xiàn)在高溫段后期沒(méi)有出現水平應過(guò)程主要位于高溫段。同時(shí),所有試樣的燃點(diǎn)均段,表明石氵高溫段還在繼續燃燒,一時(shí)難以較低,煙煤為696K,石油焦為783K,混合試樣約為燃盡,燃燒中國煤化工不集中。DSC753K。因此,所有試樣的主要燃燒階段均屬于高溫曲線(xiàn)包圍CNMH(熱量釋放相對階段焦炭的著(zhù)火燃燒。煙煤、石油焦及其混合試樣較少。72《潔凈煤技術(shù)》2013年第19卷第6期煤炭燃燒中國科技核心期刊礦業(yè)類(lèi)筷心期刊t/min051015202533501520254≥-3338TG‰406d0so0o01201400700012001400tmint/minDSC3≥十3DSO-51520‰。d6o0010012010731-740608d0100200147T/Kc)S3d) S4101520253035DSC3≥+3PIG4d06o08001001317743680100100f S615202530353≥3g)S圖1S1~S7燃燒特性曲線(xiàn)從圖1b)、圖1c)及圖1e)可知,S2,S3及S5試有釋放完全。H中國煤化工附近曲線(xiàn)包樣的TG,DTG及DSC曲線(xiàn)在燃燒結束時(shí)均沒(méi)有水圍面積小表明CNMH域小,表明這平段,表明燃燒還在繼續,燃燒不充分且熱量還沒(méi)3個(gè)試樣髙溫燃燒階段后期還在繼續燃燒,燃燒不廖正祝等:石油焦與煤混燒特性及動(dòng)力學(xué)煤炭燃燒充分燃盡時(shí)間長(cháng),導致熱量釋放不集中釋放時(shí)間22燃燒特性參數分析長(cháng)、釋放量相對較少,故其DSC曲線(xiàn)顯示熱量釋放可燃特性指數采用C,=[(dw/dr)ma]/T面積較小。由圖1d)及圖可知4及試樣的進(jìn)行計算11,著(zhù)火特性指數采用C=[VTG,DTG及DSC曲線(xiàn)在燃燒結束時(shí)均出現水平段,(d/dr)m]/T進(jìn)行計算,燃盡特性指數采用表明燃燒完全且充分。兩者的T曲線(xiàn)出現水平表明混合試樣燃燒充分,DTG曲線(xiàn)峰值附近面積大,C=(f1·f2)/進(jìn)行計算),綜合燃燒特性指數采表明其激烈燃燒區域集中,熱量釋放集中且速度用S,=[( dw/dT)m)( dw/dr)-m]/(72T)進(jìn)行計快燃盡時(shí)間短同時(shí)兩者的DSC熱量釋放面積均算,各計算式的相應參數意義單位及計算結較大,表明其燃燒熱量釋放相對較多。果見(jiàn)表2、表3。表2樣品的可燃特性、著(zhù)火特性及燃盡特性指數樣品C/(10-K2·min2)C;(103K-1·min-1)f1T o/mnC/(10-min1)1.22210.08760.918636.800.9180.10390.755642.53S30.94601.27290.10240.857142.601.06671.54560.10630.85402.2140.10500.952342.502.09331.06271.82210.10070.920839.492.348103088270.10120.819142.601.9458表3樣品的綜合燃燒特性參數樣品(dw/d)m/(%·min-1)(dm/d)-/(%·minSy/(102K3·min-2)5.922.441811255.632.011.640676811325.5810S42.031.572973310695.712.102.087678311316.322,212.0143由表2、表3可知,混合試樣s4及S6的可燃特各種燃燒特性顯著(zhù)提高,因此,將石油焦與煤混合性、著(zhù)火特性、燃盡特性指數及綜合燃燒特性參數燃燒,只要混合比例適當,其混合燃燒特性將優(yōu)于較高而混合試樣S2,S3,S5的相應值較低;試樣S6石油焦單獨燃燒,這為解決石油焦的燃燒利用提供的著(zhù)火特性燃盡特性指數及綜合燃燒特性參數最了方法。高且均大于石油焦的相應值,可燃特性指數也大于石油焦的可燃特性指數。試樣6的燃點(diǎn)和燃盡溫3燃燒反應動(dòng)力學(xué)度均低于其他各個(gè)混合試樣及石油焦。試樣S6的石油焦與煙煤及其混合燃料的燃燒反應動(dòng)燃盡時(shí)間在所有混合試樣中最短且也小于石油焦力學(xué)參數的計算采用常用的差減微分法 Freeman的燃盡時(shí)間。這主要是因為石油焦摻燒煙煤后,由 Carroll1進(jìn)行求解,該方法適用于直接測定因發(fā)于煙煤揮發(fā)分高于石油焦揮發(fā)分,隨著(zhù)煙煤摻燒量生質(zhì)量變化及其變化率的反應。本實(shí)驗樣品燃燒的增大,在混合試樣逐步升溫過(guò)程中,逐漸增多的過(guò)程中的熱分解反應符合:A(固體)一→B(固體)+煙煤揮發(fā)分首先析出并著(zhù)火燃燒釋放大量熱量。C(氣體),是屬于固體分解的失重反應。燃燒反應該熱量使整個(gè)混合試樣包括石油焦的溫度迅速升是在程序升溫速率(20K/min)下進(jìn)行的非等溫熱高隨后石油焦中揮發(fā)分也相應加快析出著(zhù)火燃重實(shí)驗試樣溫度與爐溫偏差小,故適宜采用微分燒前期大量揮發(fā)分析出著(zhù)火燃燒釋放的熱量使混法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)參數的計算,該熱分解速率的變化率合試樣含量逐漸減少的剩余焦炭溫度迅速提高根據Arhe事以旦達到其燃點(diǎn)便著(zhù)火燃燒,而且混合試樣燃點(diǎn)隨煙中國煤化工煤含量的增加而逐漸降低。由于石油焦揮發(fā)分少THECNMHG含碳量高難以著(zhù)火燃燒和燃盡,在其摻燒煙煤后,式中,α為混合燃料熱分解的變化率(失重率),%;《潔凈煤技術(shù)》2013年第19卷第6期煤炭燃燒中國科技核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊A為頻率因子,min;E為活化能,kJ/mol;R為氣體右邊△(1/T)/△log(1-a)作圖為一直線(xiàn),其斜率為常數,8.314J/(mol·K)。對方程(1)兩邊取對數,E=2.303R,截距為反應級數n,然后將所得活化能并對dc/dr,1-a,T進(jìn)行微分,并以差減形式表示可E和反應級數n代入等式(1)可得頻率因子A。各得式(2)試驗樣品的燃燒動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)表4,其中r為線(xiàn)性相△log(1-a)2.303R△log(1-a)1n(2)關(guān)系數。由表4可知,采用最小二乘法對實(shí)驗數據Δlog(d/dr)_E△(1/T)進(jìn)行直線(xiàn)擬合所得線(xiàn)性相關(guān)系數r值均較高,線(xiàn)性對等式(2)左邊△log(da/dr)/△Alog(1-a)與回歸合理,所采用模型的計算結果是可靠的。表4樣品的動(dòng)力學(xué)參數溫度T/K活化能E/(kJ·mo-)反應級數n頻率因子A/min-1相關(guān)系數r753-95338.840.5320.0.995s239ssg673-107348.98673~107349.53673~107358.781.41374.900.9913673-10731.410.9809193.410.9919786-9866.48×1030.9837煙煤S揮發(fā)分高而固定碳低,揮發(fā)分著(zhù)火燃燒響比其它混合試樣相對較大,故反應級數略高于釋放相對較多的熱量且用于加熱生成相對較少的其它混合試樣的反應級數。焦炭,因此,煙煤S高溫段焦炭的著(zhù)火燃燒所需熱量相對較少。煙煤S1大量揮發(fā)分析出形成的大量結論孔隙為氧氣擴散進(jìn)入焦炭表面發(fā)生燃燒反應提供1)混合試樣均只出現一個(gè)位于高溫區段的了更多的機會(huì ),因此此髙溫段煙煤焦炭的著(zhù)火燃燒DTG曲線(xiàn)峰和方向向下的DSC曲線(xiàn)的熱量釋放峰,所需熱量相對較少,故所需活化能少。石油焦S7揮混合試樣的燃燒過(guò)程主要是高溫階段焦炭的著(zhù)火發(fā)分少且固定碳高,揮發(fā)分析出著(zhù)火燃燒釋放出的燃燒過(guò)程。熱量相對較少且用于加熱生成相對較多的焦炭,因2)混合試樣S2,S3及S5熱量釋放相對較少且此石油焦S7高溫段焦炭的著(zhù)火燃燒所需熱量相對不集中,燃燒時(shí)間長(cháng)且不完全;混合試樣s4及S6的較多,同時(shí),石油焦S7揮發(fā)分少則其揮發(fā)分析出形熱量釋放集中且時(shí)間短,兩者的DSC熱量釋放面積成的孔隙量相對較少,減少了氧氣向焦炭表面擴散均較大燃燒釋放的熱量相對較多;S4及6燃燒特的機會(huì ),燃燒相對困難,故此高溫段石油焦S7著(zhù)火性曲線(xiàn)分析表明兩者的燃燒特性?xún)?yōu)于混合試樣S2,燃燒所需熱量多,所需活化能多。S3及S5的燃燒特性。煙煤與石油焦混合試樣的活化能介于二者之3)煙煤含量最多的混合試樣S6的著(zhù)火特性間,且混合試樣活化能均小于石油焦燃燒的活化燃盡特性指數及綜合燃燒特性參數均高于其它混能,表明混合試樣比石油焦更容易著(zhù)火燃燒。這主合試樣及石油焦的各個(gè)相應值,且S6的可燃特性指要是因為混合試樣揮發(fā)分比石油焦揮發(fā)分多,而固數也大于石油焦的可燃特性指數;混合試樣燃點(diǎn)隨定碳低于石油焦固定碳,混合試樣揮發(fā)分析出著(zhù)火煙煤含量的增加而逐漸降低。燃燒釋放出較多的熱量加熱因揮發(fā)分析出而生成4)煙煤與石油焦混合試樣的活化能值介于二的相對較少量的焦炭,因此,此時(shí)混合試樣的焦炭者之間,且均小于石油焦燃燒的活化能,混合試相對更容易著(zhù)火燃燒且所需熱量相對較少,故混合樣比石油焦更容易著(zhù)火燃燒;混合試樣活化能約為試樣活化能小于石油焦的活化能?；旌显嚇踊罨?0 kJ/mol,反應級數約為1.45。能約為50kJ/mol,反應級數約為1.45。煙煤含量最5)只要石油焦與煤的混合比例適當,石油焦摻多的試樣S6的反應級數最大為1.54,這是因為混燒煙煤后的中國煤化工燃燒特性,解合試樣S6的揮發(fā)分最多,該試樣著(zhù)火燃燒前期的反決了石油焦對CNMHG應速率受到反應物濃度,即揮發(fā)分和氧氣濃度的影(下轉第84頁(yè))廖正祝等:石油焦與煤混燒特性及動(dòng)力學(xué)煤炭燃燒角逐漸減小,一次風(fēng)逆噴最遠距離變短。雙錐燃燒[6]陳東林,劉歡,鄒嬋,等.300MW燃煤鍋爐煙氣SCR室良好運行的旋流強度區間為1.37~1.64。脫硝系統流場(chǎng)的數值模擬與優(yōu)化設計[J].電力科學(xué)5)葉片相同時(shí),雙錐燃燒室阻力損失隨旋流強與技術(shù)學(xué)報,2013,28(1):103-108度減小而變小;在相同旋流強度的情況下,采用錯7]郭娟一種新型燃燒器的冷態(tài)模擬實(shí)驗與數值研究角葉片燃燒室的阻力損失比采用直葉片的燃燒室[D].武漢:華中科技大學(xué),2006阻力損失小。[8]孫杰電站鍋爐燃燒器內氣固兩相流動(dòng)的實(shí)驗測量及數值模擬[D].上海:上海交通大學(xué),2007參考文獻:[9]紀任山,王乃繼,肖翠微,等.高效煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)現狀及研究[J].潔凈煤技術(shù),2009,15(5):52-55[1]周建明.低揮發(fā)分煤粉燃燒新技術(shù)發(fā)展與應用[J].潔凈煤技術(shù),2011,17(4):54-57,81[10]馮現河.高效煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)開(kāi)發(fā)及示范推廣[2]王永英,周建明,楊晉芳.雙錐燃燒室冷態(tài)流場(chǎng)的數值[].潔凈煤技術(shù),2011,17(4):62-66模擬[J].潔凈煤技術(shù),2012,18(2):81-84[I]靖劍平燃用煙煤中心給粉旋流燃燒器流動(dòng)及燃燒[3]林宗虎,徐通模.實(shí)用鍋爐手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)特性研究[D]哈爾濱哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010出版社,2009:261-303[12]王琳雙選劉燃燒器氣固流動(dòng)特性的實(shí)驗研究[D][4]曹榮秀,于景澤,王偉.電站鍋爐燃燒器形式及分類(lèi)哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010[J].鍋爐制造,2005,3(3):22-23[13]何佩鏊煤粉燃燒器設計及運行[M].北京:機械工[5 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