超細煤粉著(zhù)火特性的熱重分析

第33卷第11期煤炭學(xué)報Vol 33 No. 112008年11月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY文章編號:0253-9993(2008)11-1292-04超細煤粉著(zhù)火特性的熱重分析魏礫宏,李潤東,李?lèi)?ài)民!,李延吉,姜秀民(1.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院清潔能源與環(huán)境工程研究所,遼寧沈陽(yáng)110034;2.上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240摘要:采用熱重法,分析了粒度、升溫速率和氧氣濃度對超細煤粉著(zhù)火特性和燃燒特性的影響實(shí)驗結果表明,減小煤粉粒度,增大氧氣濃度有利于降低煤粉著(zhù)火溫度,増大煤粉的燃燒速率,提高超細煤粉燃燒性能。升溫速率對煤粉的燃燒特性也有影響,隨著(zhù)升溫速率的提高超細煤粉的著(zhù)火溫度升高,最大失重速率增大,最大失重速率對應的溫度升高關(guān)鍵詞:超細煤粉;著(zhù)火特性;失重;熱分析中圖分類(lèi)號:TQ531文獻標識碼:AStudy on ignition characteristics of micro-pulverizedcoal by thermogravimetryWEI Li-hong, Li Run-dong', LI Ai-min, LI Yan-ji', JIANG Xiu-mir(1. institute of Clean Energy and Entironmental Engineering, Shenyang institute of Aeronautical Engineering, Shenyang 110034, China; 2. School ofMechanical Engineering, Shanghai Jiaotong Uninersity, Shanghai 200240, China)Abstract: The effect of particle size, heating rate and oxygen concentration on ignition and combustion characteris-tics of HG coal were investigated by the thermogravimetric technique. The experimental result shows that decreasingparticle size and increasing oxygen concentration are favorable to reduce the ignition temperature, accelerate corbustion rates and improve combustion properties of coal. The ignition temperature, maximum weight loss rate andthe corresponding temperature of maximum weight-loss rate are increased with raising heating-up rate.Key words: micro-pulverized coal; ignition characteristics; weight loss; thermogravimetric analysis煤的著(zhù)火特性是煤的重要性質(zhì),了解和掌握煤的著(zhù)火特性可正確啟動(dòng)點(diǎn)火過(guò)程和正確運行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制,對于燃燒設備的啟動(dòng)和燃燒器的容量設計有很大的指導意義.目前煤粉的著(zhù)火機制分為均相著(zhù)火多相著(zhù)火和均相一多相聯(lián)合著(zhù)火模式3種類(lèi)型.影響著(zhù)火的因素很多,除了加熱速度和煤粉粒徑外,還有煤種、煤質(zhì)特性、環(huán)境氧濃度、加熱條件、流動(dòng)特性、煤粉顆粒間的相互影響等.超細煤粉是一種新的燃燒方式,在燃燒特性和污染物排放特性等方面與常規煤粉有較大不同,目前還未見(jiàn)到對超細煤粉著(zhù)火特性的深入研究.本文主要研究了粒度、升溫速率和氧氣濃度對超細煤粉著(zhù)火特性的影響,討論其主要原因試驗部分1.1樣品的選取和制備實(shí)驗采用鶴崗煤,經(jīng)過(guò)碾磨(分為干磨和濕磨),制成細化和超細化煤粉,其中平均粒徑在20μm以中國煤化工收稿日期:2007-11-29責任編輯:畢永華基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)基金資助項目(2002AA5270CNMHG(2004D079作者簡(jiǎn)介:魏礫宏(1975—),女,黑龍江五大連池人,副教授,博士.Tel:024-89723734,E-mal;weicheng@syuae.edu.cn第11期魏礫宏等:超細煤粉著(zhù)火特性的熱重分析上的試樣采用干式研磨,平均粒徑小于20μm的試樣通過(guò)濕式球磨得到.鶴崗煤的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1表1鶴崗煤的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of testing coal samples工業(yè)分析/%元素分析/%煤種(代碼)一鶴崗煙煤(HC)1.80520.85032.53044.8154.6780.8260.4873.104根據w(C)+w(H)+w(N)+(O)+(S)+A+Ms=100計算得到1.2熱重分析本實(shí)驗在日本島津公司的60-H型熱重差熱同時(shí)分析儀上進(jìn)行.采用5,10,20℃/min升溫速率不同比例的氧氣(99.99%)和氬氣(99.999%)混合氣體作為氣氛氣體,氣體流量為50mL/min.首先在樣品池中加入煤樣,用高純氬(99.999%)氣吹掃0.5h以趕走爐體內的空氣,再通入混合氣體開(kāi)始燃燒實(shí)驗.為求各實(shí)驗樣品的著(zhù)火溫度,本文在上述表2實(shí)驗樣品的著(zhù)火溫度實(shí)驗條件下,以高純氬為氣氛氣體,相應進(jìn)行了熱Table 2 Ignition temperature of HG coals解實(shí)驗粒徑/比表面積質(zhì)量/升溫速率/氧氣濃T1.3著(zhù)火溫度的確定(m2·g-1)嗶g(℃·min-1)度/%℃著(zhù)火是由緩慢的氧化狀態(tài)轉變到反應能自動(dòng)加8.718速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過(guò)程,相對應的溫度即為23.330081320著(zhù)火溫度,是衡量煤粉可燃性和火焰穩定性的一個(gè)35重要性質(zhì),記做T,本文采用失重微分曲線(xiàn)52.118.78420(DTG)分界點(diǎn)法和失重曲線(xiàn)(TG)分界點(diǎn)法的平043988952020均值作為超細煤粉的著(zhù)火溫度,即定義燃燒曲線(xiàn)與7.04.398.861熱解曲線(xiàn)在TG和DTG曲線(xiàn)上的分界點(diǎn)溫度值的平708.74070000均值為著(zhù)火溫度.各實(shí)驗樣品的著(zhù)火溫度見(jiàn)表22實(shí)驗結果與討論2.1粒度對著(zhù)火溫度的影響圖1是粒徑為70,23.3,35.9,56,2μm的鶴崗煤在20℃/min和20%氧氣濃度下的燃燒特性曲線(xiàn)由圖1(a)可知,對于粒徑為7.0,23.3,35.9μm的鶴崗煤粉,TG曲線(xiàn)在整個(gè)燃燒過(guò)程中沒(méi)有表現出較大差異,曲線(xiàn)有較多重合.而粒徑為56.2μm鶴崗煤TG曲線(xiàn)與其它3個(gè)粒徑煤粉相比明顯向高溫方向移動(dòng),說(shuō)明粒度的增大,對煤粉的燃燒產(chǎn)生不利的影響由表2煤粉粒徑與著(zhù)火溫度的關(guān)系可知,在7.0~60.0μm范圍內,隨著(zhù)粒徑的增大,煤粉的著(zhù)火溫度也隨著(zhù)提高,且呈線(xiàn)性關(guān)系:y=307.42+0.30x,R=0.97.這一結論與 Kizgut等2、張超群等的熱天平試驗結論及陳占軍等利用煤粉氣流著(zhù)火溫度測定裝置的試驗結果一致其原因在于,隨著(zhù)煤樣粒徑的減小,煤樣的比表面積越大,平均表觀(guān)活化能就越小,小粒徑的煤粉更易達到著(zhù)火溫度.所以,減小粒徑可以改善煤粉的著(zhù)火特性,尤其對無(wú)煙煤、貧煤的意義更大.這與文獻[6]的結論不同,文獻[6]中利用熱天平對粒度0088-0.300mm的兗州煤,在10℃/min,9%氧濃度的條件下,得到的是著(zhù)火溫度隨粒徑的增大基本保持不變的結論筆者認為主要原因V中國煤化工不同從圖1()的x曲線(xiàn)可以看出,4個(gè)粒徑媒粉在燃燒[ CNMHG真低溫段的放峰由揮發(fā)分的燃燒產(chǎn)生,高溫段對應的放熱峰由固定碳燃燒廣生.隨著(zhù)程位時(shí)瑁,前一個(gè)峰值逐漸減小,并與后一個(gè)峰值重疊,揮發(fā)分的著(zhù)火與焦炭的著(zhù)火時(shí)間間隔縮短,煤粉的著(zhù)火模式由均相向非均相著(zhù)2008年第33卷11007.0 um70μm,233m,562m曾047.0100+233um359μm23.3359m359μ400600800溫度/℃圖1不同粒徑鶴崗煤燃燒特性曲線(xiàn)Fig 1 Combustibility curves of HG coals火模式過(guò)渡.因為隨著(zhù)粒徑的減小,比表面積的增加,揮發(fā)分在低溫段析出量增大,著(zhù)火燃燒產(chǎn)生的熱量增大,低溫段放熱峰增大.因此粒度的增加對400℃以前揮發(fā)分的析出不利,導致第1個(gè)放熱峰隨粒度的增加而減小,易燃組分和難燃組分在DTA曲線(xiàn)上的分界不明顯2.2升溫速率對著(zhù)火溫度的影響圖2均為平均粒徑70μm鶴崗煤在20%氧氣濃度和不同升溫速率條件下得到的燃燒特性曲線(xiàn),如圖2所示,隨著(zhù)升溫速率的升高,TG,DrG,DA曲線(xiàn)均向高溫方向偏移,即隨著(zhù)升溫速率的提高,超細煤粉的著(zhù)火溫度升高.煤的導熱性能較差,傳熱需要一定的時(shí)間,當升溫速率增加時(shí),所產(chǎn)生的熱滯后現象越嚴重,高升溫速率的樣品內部不能及時(shí)升溫揮發(fā)和分解,是造成高升溫速率煤樣著(zhù)火溫度升高的主要原因20℃min5℃20℃/minE-02l0℃/min10 C/minl0℃/min20℃/min020406080100120140溫度/℃時(shí)間/min圖2鵪崗7μm煤樣不同升溫速率下燃燒特性曲線(xiàn)Fig 2 TGA combustibility curves of HG coals如圖2(b)所示,隨著(zhù)升溫速率的提高,煤樣的最大失重速率增大,達到最大失重速率的溫度升高因為在較快的升溫速率下,煤樣內外存在溫度差異大,當樣品內部溫度達到快速燃燒反應溫度時(shí),樣品內部的化學(xué)反應條件比在低升溫速率下的更充分,是導致其最大失重速率增大的主要原因圖2(c)為不同升溫速率下,7.0μm鶴崗超細煤粉的DTA曲線(xiàn).由圖2(c)可知,升溫速率高的樣品放熱集中,反之分散2.3氧氣濃度對著(zhù)火溫度的影響圖3是7.0μm鶴崗煤在20℃/min,不同氧氣濃度條件下的燃燒特性曲線(xiàn).如圖3所示,燃煤特性曲線(xiàn)具有較好的規律性,即隨著(zhù)氧氣濃度的增加,TG,DG,DTA特性曲線(xiàn)向低溫方向移動(dòng),超細煤粉的燃燒速率增大,最大失重速率增加,達到最大失重速率和燃中國煤化工由表2也可知,隨著(zhù)氧氣濃度的增加,超細煤粉的著(zhù)火溫度降低,說(shuō)明氧氣應的表觀(guān)活化能,并且加快揮發(fā)分和固定碳的燃燒反應速率CNMH(G+和固定碳氧化反、反,煤總氧化反應時(shí)間縮短,熱重曲線(xiàn)前移第11期魏礫宏等:超細煤粉著(zhù)火特性的熱重分析12958p40060080060080000600800溫度/℃圖3鶴崗煤燃燒特性曲線(xiàn)(7.0μm,20℃/min)Fig 3 Combustibility curves of HG coals3結論(1)粒徑是影響超細煤粉燃燒特性的重要因素.隨著(zhù)粒徑的增大,實(shí)驗樣品的著(zhù)火溫度增大,最大失重速率及最大失重速率的溫度降低,煤粉的著(zhù)火模式由均相向非均相著(zhù)火模式過(guò)渡,著(zhù)火溫度與粒徑呈線(xiàn)性關(guān)系,直線(xiàn)方程為y=307.42+0.30x(2)升溫速率對煤粉的燃燒特性也具有一定影響.隨著(zhù)升溫速率的提高,超細煤粉的著(zhù)火溫度升高,最大失重速率增大,最大失重速率對應的溫度升高.升溫速率的提高可使樣品表面很快達到熱分解的溫度,熱失重提前(3)隨著(zhù)氧氣濃度的增加,超細煤粉的著(zhù)火溫度降低,燃燒速率增大,最大失重速率增加,達到最大失重速率和燃盡點(diǎn)的溫度降低,放熱集中參考文獻[1]胡文斌,楊海瑞,呂俊復,等.煤著(zhù)火特性的熱重分析研究[J].電站系統工程,2005,21(2):8-12Hu Wenbin, Yang Hairui, Lu Junfu, et al. 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