寧夏石溝驛煤氣化殘炭燃燒特性研究

.第36卷第3期煤炭轉化Vol. 36 No. 32013年7月.COAL CONVERSIONJul. 2013寧夏石溝驛煤氣化殘炭燃燒特性研究李偉)李詩(shī)媛2) 任強強)呂清剛)包紹麟)摘要利用TG/DTA 6300型熱分析儀研究了寧夏石溝驛謀的氣化殘炭的燃燒特性,從著(zhù)火特性、燃盡特性和穩燃特性三個(gè)方面分析了升溫速率、粒徑和氧氣濃度對氣化殘炭燃燒特性的影響，并采用正交實(shí)驗分析了升溫速率、粒徑和氧氣濃度三個(gè)因素對氣化殘炭燃燒特性影響的耦合作用.實(shí)驗結果表明,提高升溫速率可以改善氣化殘炭的燃盡特性;粒徑的減小有助于氣化殘炭的著(zhù)火;氧氣濃度的增加對改善氣化殘炭燃燒特性有明顯的作用,但這種改善效果隨氧氣濃度的增加而減弱;升溫速率對氣化殘炭的著(zhù)火特性影響最大,而氧氣濃度對氣化殘炭的燃盡特性和穩燃特性影響最大. .關(guān)鍵詞氣化殘炭 ,熱重分析,燃燒特性中圖分類(lèi)號TQ534 ,X7841實(shí)驗部分0引言1.1 實(shí)驗原料煤炭氣化是一種清潔高效的煤炭利用形式.循環(huán)流化床氣化技術(shù)以其傳熱效率高、溫度分布均勻本研究采用的實(shí)驗原料是寧夏石溝驛煤氣化殘和易于實(shí)現大型化等優(yōu)點(diǎn)備受重視. [1氣化殘炭主炭,取自循環(huán)流化床氣化爐旋風(fēng)分離器后的煤氣布要是指在循環(huán)流化床氣化爐氣化過(guò)程中旋風(fēng)分離器袋除塵器,實(shí)驗前未經(jīng)任何預處理,氣化殘炭的工業(yè)未捕捉的飛灰,具有高灰分、低揮發(fā)分和粒度細等特分析和元素分析結果見(jiàn)表1. 原料屬于寬篩分，中位點(diǎn).為了實(shí)現煤的梯級利用,擬采用循環(huán)流化床燃燒粒徑為66. 5 μm.技術(shù)對氣化殘炭進(jìn)行再利用，在確定適合的燃燒方表1寧夏石溝驛煤 氣化殘炭的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Ultimate and Proximate.analysis of the residue carbon案之前對氣化殘炭的燃燒特性進(jìn)行研究是必要的，Ultimate analysis w /% ,adProximate analysis w /% ,ad筆者采用熱重分析法[25]對氣化殘炭的燃燒特性進(jìn)H行了研究.溫度是循環(huán)流化床燃燒的一個(gè)重要 參數，29.61 0.121.98 28.62 3.22 1.35 67. 83熱重分析中的升溫速率雖然無(wú)法比擬實(shí)際情況,但1.2 實(shí)驗儀器具有一定的參考價(jià)值.氣化殘炭的粒徑細,在燃燒過(guò)程中旋風(fēng)分離器無(wú)法捕集,導致氣化殘炭在爐內的實(shí)驗采用TG/DTA 6300型熱分析儀.停留時(shí)間短,燃燒效率低,因此粒徑也是影響氣化殘1.3實(shí)驗條件炭燃燒特性的一一個(gè)重要因素.富氧燃燒技術(shù)被認為實(shí)驗過(guò)程中采用O2和N2的混合氣模擬所需是一種非常有發(fā)展潛力的CO2捕集技術(shù),筆者對不的反應氣氛,氣體流量為250mL/min,測量溫度范同氧氣濃度的氣化殘炭的燃燒特性進(jìn)行了研究,為圍為50 C~900 C,樣品質(zhì)量為7.0 mg.為了研究采用循環(huán)流化床富氧燃燒技術(shù)利用氣化殘炭提供基升溫速率、粒徑和氧氣濃度對氣化殘炭燃燒特性的礎的理論依托,并從著(zhù)火特性、燃盡特性和穩燃特性影響,升溫速率分別選取為10 C/min, 20 C/min三個(gè)方面分析升溫速率、粒徑和氧氣濃度對氣化細和30 C/min;粒徑區間分別選擇為0 μm~30 pμm,粉灰燃燒特性的影響.30 μm~45 μm,45 μm~63 μm,63 μm~90 μm,中國科學(xué)院戰略先導科技專(zhuān)項資助項目(XDA07050300).中國煤化工1)博士生,中國科學(xué)院大學(xué).中國科學(xué)院工程熱物理研究所,100190北京;2)副研究員;.MYHC N M H G科學(xué)院工程熱物理研究所,100190北京收稿8期:2012-11-09;修回日期:2013-01-14第3期李偉等寧夏石溝驛煤氣化殘炭燃 燒特性研究2.0一圖5為不同粒徑的氣化殘炭的著(zhù)火溫度.由圖+2.25可以看出,在粒徑為125 μm以下各粒徑區間段，2 3.0-氣化殘炭的著(zhù)火溫度隨粒徑的增加而增加.原因是E 2.5粒徑減小,氣化殘炭比表面積增加，傳熱速率強化，有利于氣化殘炭的著(zhù)火. [9] 在氧氣濃度為40%氣氛15-10152025301.8下,氣化殘炭的著(zhù)火溫度隨粒徑的變化趨勢與氧氣Heating rate/ (C. min*')濃度為20%的氣氛一致.圖3 氣化殘炭的燃盡特性指標H,和穩燃特性指標R.與升溫速率的關(guān)系Fig. 3 Relation between H，, Rw and heating rate00-H，oxygen concentration of 20%;●一 H, oxygenconcentation of 40%;口一-R. ，oxygen concentration of80F20%;O-- Rw, oxygen concentration of 40%圖3中虛線(xiàn)為不同升溫速率下氣化殘炭穩燃特56040-30 30~ 4545-6363-9090-125>125性指標.由圖3可以看出,在氧氣濃度為20%時(shí),穩燃Paricle size 1 μm特性指標隨著(zhù)升溫速率的增加而減小，穩燃特性變差.圖5粒徑對氣化殘炭著(zhù) 火溫度的影響在氧氣濃度為40%時(shí),穩燃特性指標先下降后上升.Fig. 5 Influence of particle size on residuecarbon ignition temperature3.2粒徑對 氣化殘炭燃燒特性的影響口一Oxygen concentration of 20%;OOxygen concentration of 40%圖4為不同粒徑的氣化殘炭的TG和DTG曲圖6為不同粒徑的氣化殘炭的燃盡特性指標和線(xiàn).由圖4可以看出,不同粒徑區間的氣化殘炭的最穩燃特性指標.由圖6可以看出,兩個(gè)指標的變化趨大失重量有比較大的差別,63 μm~90 μm粒徑區勢和不同粒徑的氣化殘炭的含碳量變化趨勢-致，間的氣化殘炭最終失重分數達到44. 45%,而大于-2.4125μm粒徑區間的氣化殘炭最終失重分數僅為2-16.4%.產(chǎn)生這種現象的原因是,本實(shí)驗用的氣化殘炭沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何的預處理,各個(gè)粒徑區間的氣化殘H2.0炭的含碳量不同(見(jiàn)表2).0-30 30-4545-6363-9090-125>125圖6氣化殘炭的燃盡特性指標 H和穩燃70-特性指標R.與粒徑的關(guān)系0fFig.6 Relation between H;, Rw and particle size■-H, oxygen concentration of 20%;●一H, oxygen .”300450 600 750 900concentration of 40%;0--Rw，oxygen concentration ofT1C20%;O一Rw, oxygen concentration of 40%t說(shuō)明氣化殘炭的含碳量對其燃盡特性和穩燃特性有9比較大的影響.當氧氣濃度為20%時(shí),燃盡特性和棗6穩燃特性最好的粒徑區間都出現在63μm~90μm.對比氧氣濃度為40%的情況,燃盡特性指標和穩燃特性指標的變化趨勢相似,但是燃盡特性和穩燃特300 450 600 750 900性最佳的粒徑區間增大到90 μm~125 μm,說(shuō)明氧氣濃度對提高大粒徑的氣化殘炭的燃盡特性和穩燃圖4不同粒徑的氣化殘炭的 TG和DTG曲線(xiàn)特性更有效果. [10]Fig.4 TG and DTG curves of the residue carbon ofdifferent particle size3.3 氧氣濃中國煤化工]影響0- -0 pm~30 pm;O-- -30 μm~45 μm;O- 45 pμm~63 μm;富氧燃爐MYHCNMHG有發(fā)展潛力的v一63 μm~90 pm;<-- 90 μm~125 pm;< - > 125 μmCO2捕集技術(shù),氧氣濃度的增加將導致氣化殘炭燃.22煤炭轉化2013年燒特性的變化.圖7為不同氧氣濃度下氣化殘炭的氧氣濃度的增加,氧氣濃度對氣化殘炭燃燒特性的TG和DTG曲線(xiàn).由圖7可以看出，隨著(zhù)氧氣濃度影響越來(lái)越小.的增加,氣化殘炭的TG和DTG曲線(xiàn)都向低溫區移10動(dòng).氧氣濃度從20%增加到100%,氣化殘炭的最大最2.32失重速率從6. 87 %/ min增加到10. 65%/min.-2.242.160-2.082040&80 I00g80fOxygen concentration/%70}圖9氣化殘炭的燃盡特性指標H,和穩燃特性指標R與氧氣濃度的關(guān)系6300500050 900T/CFig. 9 Relation between H，Rw and oxygen concentration2-■----H;O-R.3.4正交實(shí)驗分析6t為了研究升溫速率、粒徑和氧氣濃度這三個(gè)影官響因素對氣化殘炭燃燒特性影響的重要程度,設計了一個(gè)3因素3水平的正交實(shí)驗[2],正交實(shí)驗安排50 600 750900見(jiàn)表3,實(shí)驗結果見(jiàn)表4.表3正交實(shí)驗因素水平表圖7不同氧氣濃度下氣化殘炭的TG和DTG曲線(xiàn)Table 3 Orthogonal factorsFig.7 TG and DTG curves of the residue carbon ofdiffenent oxygen concentration0一-20%;O-FactorsOxygenHeating rate / Particle size /concentration /9(C●min- 1)圖8為不同氧氣濃度下氣化殘炭的著(zhù)火溫度.1200~4545~ 63由圖8可以看出,氧氣濃度對氣化殘炭的著(zhù)火溫度3063~90的影響比較明顯.從氧氣濃度20%增加到100%,氣表4正交實(shí)驗結果60(Table 4 Orthogonal experiment results590-ExperimentT:/CH,/ 10-R., 5805601.592.13， 570973.162.07風(fēng)6.10560-876.762.212.1950 2040 600o836. 552.38434.702.436612. 862. 76圖8氧氣濃度對殘炭的著(zhù)火溫度的影響8111.642.28Fig. 8 Influence of oxygen concentration on residuecarbon ignition temperature表5~表7分別為著(zhù)火特性、燃盡特性和穩燃化殘炭的著(zhù)火溫度降低了43 C ,氣化殘炭的著(zhù)火特特性的正交實(shí)驗結果的分析.由表5~表7的極差性得到了一定的改善.當氧氣濃度從20%調整到一項可以得出結論:升溫速率對氣化殘炭的著(zhù)火特30% ,著(zhù)火溫度降低了10 C,占總溫度降的25%,性的影響最大;氧氣濃度對氣化殘炭的燃盡特性和趨勢最為明顯.穩燃特性的影響最大.圖9為不同氧氣濃度下氣化殘炭的燃盡特性指表5著(zhù)火特性的正交實(shí)驗結果的分析(C)標和穩燃特性指標.由圖9可以看出,氧氣濃度對殘Table 5 Orthogonal test results of T;(C)炭的燃盡特性和穩燃特性都有明顯的改善.當氧氣- Average valuC濃度超過(guò)30%后,氣化殘炭的穩燃特性指標和燃盡K1中國煤化工569. 67K2588.33特性指標的變化趨勢較為平緩.氧氣濃度的增加可TYHCNMHG582.0以加快燃燒反應速率,改善燃燒特性11],但是隨著(zhù)Range analysis32. 3434. 6718. 66.第3期李偉等寧夏石溝驛煤氣化殘炭燃燒特性研究2:表6燃盡特性的正交實(shí)驗結果的分析(10~*)Table 6 Orthogonal test results of H,(10~“)4結論Average valueK3. 624.357. 00K25.976. 877.121)提高升溫速率會(huì )增加氣化殘炭的著(zhù)火溫度，9.738. 105.13改善其燃盡特性.Range analysis6.113.65.1. 992)粒徑減小,有利于氣化殘炭的著(zhù)火.表7穩燃特性的正交實(shí)驗 結果的分析Table 7 Orthogonal test results of R.3)氧氣濃度的增加對改善氣化殘炭的燃燒特BC_性有明顯的作用.2.092.262.424)升溫速率對氣化殘炭的著(zhù)火特性影響最大，.2.262.342.192. 492. 242.23而氧氣濃度對氣化殘炭的燃盡特性和穩燃特性影響0.400.100. 23最大.參考文獻[1] 黃戒介,房倚天,王 洋.現代煤氣化技術(shù)的開(kāi)發(fā)和進(jìn)展[J]燃料化學(xué)學(xué)報,2002 ,30(5) :385-391.[2]姜秀民,李巨斌,邱健榮. 超細化煤粉燃燒特性的研究[].中國電機工程學(xué)報,00020(6)071-78.3] 方立軍,劉彥豐,惠世恩.煤焦燃燒模型的熱重實(shí)驗研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2003 ,9(6) :535-538.[4] 孫晨亮.煤粒熱解、著(zhù)火燃燒的加壓特性研究[D].南京:東南大學(xué)熱能工程研究所.1997.5] 聶其紅,孫紹增,李爭起等.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2001,7(1):72-76.[6]朱群益,趙廣 播,阮根健等.煤燃燒特征點(diǎn)變化規律的研究[J].熱能動(dòng)力工程,1997 ,12(5) :32334.4[7]肖三霞. 煤的熱天平燃燒反應動(dòng)力學(xué)特性的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2004.[8]孫學(xué)信. 燃煤鍋爐燃燒試驗技術(shù)與萬(wàn)法[M].北京:中國電力出版社,00177-78.9] 劉輝,吳少華,趙廣播等.煤粉粒度對元寶山褐煤燃燒特性的影響[].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,40(3) :419-422.[10]樊越勝,鄒 睜,高巨寶等. 煤粉在富氧條件下燃燒特性的實(shí)驗研究[].中國電機工程學(xué)報205,2<24).118-121[11]劉海華 ,張世紅,陳漢平等.循環(huán)流化床鍋爐飛灰殘炭燃燒特性的實(shí)驗研究[J]煤炭轉化,2008,31(1) :61-65.[12]劉瑞江,張業(yè)旺,聞崇煒等.正交試驗設計和分析方法研究[J].實(shí)驗技術(shù)與管理,2010,27(9) :52-55.COMBUSTION CHARACTERISTICS OF RESIDUAL CARBON AFTERGASIFICATION OF COAL FROM NINGXIA SHIGOUYILi Wei Li Shiyuan Ren Qiangqiang Li Qinggang and Bao Shaolin(University of Chinese Academy of Sciences, 100190 Beijing; * Institute of EngineeringThermophysics, Chinsee Academy of Sciences, 100190 Beijing)ABSTRACT The thermal analysis instrument (TG/DTA 6300) is used to study the charac-teristics of residual carbon after gasification of coal from Ningxia Shigouyi. The effects of heatingrate, particle size and oxygen concentration on the combustion characteristics of residual carbonare investigated from three aspects, including ignition characteristics, burnout characteristics andstable combustion characteristics. Orthogonal experiments are conducted to study the couplingeffect of heating rate, particle size and oxygen concentration on residual carbon of gasification.Experimental results show that increasing heating rate can improve the burnout characteristics ofthe residual carbon, and the decrease in particle size contributes to the ignition of the residual car-bon. Increasing oxygen concentration plays an obvious role in improving the combustion charac-teristics of the residual carbon, while the improving effect will become weaker with the increasein oxygen concentration. The heating rate affects the ignition characteristics of the residual car-bon most, while the oxygen concentration has the greatest influence on the characteristics ofburnout and stable combustion of the residual carbon of gasific中國煤化工KEY WORDS residual carbon of gasification, TGA, com:TYHCNMHG.