淮北礦區(qū)煤矸石與洗中煤混合燃燒特性分析

章祥林，徐 建，靳廷甲

(安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230601)

淮北礦區(qū)煤矸石與洗中煤混合燃燒特性分析

章祥林，徐 建，靳廷甲

(安徽建筑大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230601)

為了充分利用淮北礦區(qū)煤矸石和洗中煤資源，采用熱重分析實(shí)驗研究了煤矸石與洗中煤在不同配比下的混合燃燒特性，計算燃燒特性指數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合煤樣中隨著洗中煤含量的增加，煤樣的著火溫度均有所下降，著火指數(shù)、燃盡指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)均有所提高。利用Coats—Redfern積分法對燃燒過程進(jìn)行動力學(xué)分析，得到了燃燒反應(yīng)的活化能和頻率因子等參數(shù)。結(jié)果表明混合比對反應(yīng)活化能有很大影響，燃燒反應(yīng)級數(shù)為1.5級時可信度最高。

熱重分析；燃燒特性；動力學(xué)

0 引言

安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)年產(chǎn)原煤3 000余萬t，其中煤矸石含量占原煤產(chǎn)量的10%～20%，洗中煤含量為原煤產(chǎn)量的7%～8%。洗中煤因灰分和硫分高、結(jié)渣傾向大，作為鍋爐燃料燃燒時具有較大的安全隱患，環(huán)境污染較為嚴(yán)重，所以，一般不單獨(dú)燃燒。煤矸石因其高灰分、低揮發(fā)分，難燃燒等特點(diǎn)，長期以來難以得到高效利用。采用煤矸石的混合燃燒技術(shù)，是煤矸石熱值回收最為常用的方法，也是目前淮北礦區(qū)處理煤矸石最主要的方法。由于煤性質(zhì)的不同，即使采用相同的工藝設(shè)備，相同的配比，不同地區(qū)的燃燒效果也大不相同。關(guān)于煤矸石混合燃燒[1～5]的研究已十分成熟，但很少有針對淮北礦區(qū)臨渙選煤廠洗中煤與煤矸石混合燃燒的研究。為此，本文利用熱重分析實(shí)驗研究了煤矸石與洗中煤在不同配比下的混合燃燒特性，為臨渙矸石電廠330 MW超臨界流化床鍋爐的高效應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗樣品

實(shí)驗所用煤矸石和洗中煤均來自淮北臨渙選煤廠，測試樣品為煤矸石和洗中煤的質(zhì)量比分別為0,1:4，2:3,3:2的均勻混合煤樣，記為a,b,c，d。煤矸石和洗中煤的工業(yè)分析如表1所示。

表1 煤樣的工業(yè)分析

1.2 實(shí)驗儀器與條件

實(shí)驗儀器：采用熱重分析儀(德國NETZSCH STA 409PC型熱天平)對混合煤樣進(jìn)行燃燒實(shí)驗分析。

實(shí)驗條件：稱取混合煤樣10 mg左右，放入Al2O3坩堝中，保存數(shù)據(jù)，空氣氣氛,流速為100 ml/min，以20 ℃/min的升溫速率由室溫升到1 000 ℃?；旌厦簶尤紵龑?shí)驗過程中，同步熱分析儀自動繪制出混合煤樣的TG曲線、DTG曲線和DSC曲線?；旌厦簶拥牧６葹?50 μm以下。

1.3 煤樣燃燒評價指標(biāo)

通過熱重實(shí)驗數(shù)據(jù)，計算出著火指數(shù)(Di)、燃盡指數(shù)(Df)以及綜合燃燒特性指數(shù)[6](SN)，作為混合煤樣燃燒的評價指標(biāo)。

1.4Coats—Redfern法

采用Coats—Redfern[7,8]法對程序升溫的熱重實(shí)驗進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)的計算。根據(jù)Coats—Redfern方程：

2 結(jié)果與討論

2.1 TG—DTG曲線

混合煤樣TG—DTG曲線如圖1所示。

圖1 混合煤樣TG—DTG曲線

TG為煤樣質(zhì)量百分?jǐn)?shù)隨溫度(或時間)的變化情況，反映煤樣燃燒的失重過程。由圖1可知，不同配比下的煤樣燃燒失重趨勢基本相同，隨著混合煤樣中洗中煤含量的增加，煤樣的燃燒失重率增加(煤樣a、b、c、d的失重率分別為70.5%、64.1%、45.5%、33.2%)，燃燒速率增加。由此可知，混合煤樣中洗中煤含量越多，煤樣的燃燒效果越好，燃燒速率加快。在284～383 ℃之間，TG曲線發(fā)生增重現(xiàn)象，這主要是煤樣與環(huán)境氣體(氧氣)發(fā)生反應(yīng)所致[9]。383～440 ℃之間主要為煤樣揮發(fā)分析出燃燒；440 ℃之后為煤樣固定碳的燃燒過程。DTG曲線是對TG曲線求一級微分商得到的，反映煤樣燃燒速率的大小，曲線峰值的大小代表燃燒的猛烈程度?；旌厦簶又邢粗忻汉坎煌?，煤樣的燃燒激烈程度不同(a>b>c>d),燃燒特征參數(shù)不同。根據(jù)TG—DTG曲線，計算混合煤樣的著火與燃盡特性指數(shù)，具體參數(shù)見表2[10]。

表2 混合煤樣燃燒特性參數(shù)

著火和燃盡指數(shù)反映了煤樣的著火和燃盡性能，指數(shù)越大，著火和燃盡性能越好；綜合燃燒特性指數(shù)全面反映性質(zhì)差異較大的煤混燃時的燃燒性能，指數(shù)越大燃燒性能越好。由計算結(jié)果可知，煤樣a、b、c、d的著火溫度分別為460.7 ℃，470.6 ℃，484.5 ℃，486.5 ℃；著火指數(shù)分別為24.0×10-3，18.2×10-3，14.5×10-3，11.2×10-3；燃盡指數(shù)分別為39.7×10-4，31.5×10-4，24.9×10-4，18.7×10-4；綜合燃燒特性指數(shù)分別為15.0×10-8，10.0×10-8，6.2×10-8，3.5×10-8。由此可知，隨著洗中煤含量的增加，煤粉的著火和燃盡特性都有不同程度的提高，燃燒效果變好。可以解釋為混合煤樣中洗中煤含量增加，揮發(fā)分含量增加，率先析出燃燒，燃燒釋放出的熱量又提供了發(fā)生反應(yīng)所需要的能量，促進(jìn)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。此外，隨著煤樣可燃物含量增多，灰分減少，對燃料的覆蓋面積減小，從而可燃物與氧氣的接觸面積增大，加快了燃燒初期火焰?zhèn)鞑ニ俣?，使得燃燒更充分，燃燒效果變好?/p>

2.2 著火和燃盡溫度

著火溫度是指煤樣在空氣(氧氣)氣氛中加熱時達(dá)到連續(xù)燃燒的最低溫度。由表2計算結(jié)果分析可知，混合煤樣中隨著洗中煤含量的增加，煤樣的揮發(fā)分增加，揮發(fā)分能夠在較低的溫度下析出燃燒，并引燃焦炭，促進(jìn)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，因此，著火溫度向低溫區(qū)移動。這在TG—DTG曲線上可以得知。所以，從著火溫度的角度來看，洗中煤含量越多，越容易著火。燃盡溫度是指煤樣失重占總失重的99 %以上所對應(yīng)的溫度。由計算結(jié)果可知，混合煤樣的燃盡溫度并沒有隨洗中煤含量的增加而減小，說明混合比對煤樣的燃盡溫度影響較大；煤樣c比煤樣b和煤樣d的燃盡溫度都有所提前，和煤樣a的燃盡溫度也相差不大。說明煤樣c的燃盡特性相對較好，燃燒較為徹底。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是不同含量的不同礦物質(zhì)在燃燒過程中發(fā)生的熔融反應(yīng)所致。

2.3 DSC曲線

DSC是程序控制溫度下，測量輸入到試樣和參比物的能量差隨溫度或時間變化的一種技術(shù)[9]，提供煤樣的放熱強(qiáng)度、放熱峰面積等燃燒特性方面的訊息，反映了整個燃燒過程中放熱量隨時間或溫度的變化情況。由圖2可知，煤樣的燃燒階段主要發(fā)生在燃燒中后期，即焦炭燃燒階段。DSC的峰值表示煤樣燃燒放熱的最大速率。隨著混合煤樣中洗中煤含量的增加，煤樣的最大放熱速率增大。由峰面積可知，不同配比下的混合煤樣燃燒放出的熱量是不相同的(煤樣a、b、c、d放熱量分別為23.4 kJ/g，19.1 kJ/g，14.7 kJ/g，9.9 kJ/g)。在383～440 ℃之間DSC曲線上出現(xiàn)一個峰主要是煤樣揮發(fā)分析出燃燒引起的，DSC峰值溫度分別為511 ℃，534 ℃，536 ℃，543 ℃，相差較小，說明混合比對低熱值煤的燃燒影響不大。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以認(rèn)為混合煤樣的放熱量是幾種單煤的加權(quán)結(jié)果。

圖2 混合煤樣燃燒過程DSC曲線

2.4 燃燒動力學(xué)分析

活化能是化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物分子達(dá)到活化時所需的最小能量，反應(yīng)活化能的大小可以反映出化學(xué)反應(yīng)的難易。混合煤樣的燃燒一般包括揮發(fā)物的著火燃燒和固定碳的著火燃燒兩個過程，低熱值混合煤樣的固定碳燃燒過程主要受化學(xué)動力控制。通過實(shí)驗?zāi)Ｐ陀嬎悴煌磻?yīng)級數(shù)下燃燒反應(yīng)的活化能、頻率因子等參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)燃燒反應(yīng)級數(shù)為1.5級時，可信度最高。根據(jù)Coats—Redfern方程

圖3 混合煤樣燃燒動力學(xué)方程

混合煤樣的活化能的大小，反映出燃燒反應(yīng)的難易。由計算結(jié)果可知，活化能大小順序為d>b>c>a。由此可知，活化能的大小并不隨混合煤樣中洗中煤的增加而增加或減少而減少。這主要是因為在煤樣的燃燒過程中，不同礦物本身以及礦物之間發(fā)生的反應(yīng)對煤樣的燃燒產(chǎn)生了影響，煤樣內(nèi)在礦物的特殊導(dǎo)熱效應(yīng)，也會對燃燒反應(yīng)產(chǎn)生影響，從而影響整個燃燒反應(yīng)的歷程和反應(yīng)活化能。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中需尋求最佳配比，以提高綜合應(yīng)用性能。

表3 煤樣燃燒動力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)論

通過熱重實(shí)驗對比分析了不同配比下混合煤樣和洗中煤燃燒特性，計算出了低熱值混煤燃燒特性參數(shù)及動力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明：

(1)混合煤樣中隨著洗中煤含量的增加，混合煤樣的著火溫度均有不同程度的提前，著火、燃盡指數(shù)和綜合燃燒指數(shù)均有所增大。混合比對燃盡溫度影響較大。

(2)混合煤樣燃燒反應(yīng)級數(shù)為1.5級時，可信度最高，混合比對煤樣的反應(yīng)活化能具有較大影響。煤樣的燃燒過程非常復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中需綜合各種因素，選擇最佳比例。

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Analysis of the Combustion Characteristics of Middling Mixed with Coal Gangue from Huaibei Mining Area

Zhang Xianglin，Xu Jian,Jin Tingjia

(School of Materials and Chemical Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China)

In order to make the best use of coal gangue and middling resource from Huaibei mining area, experiment on the combustion characteristics of middling and coal gangue’s mixture in different proportion was investigated by thermogravimetric analyzer, the combustion characteristic indexes were calculated.The results show that with the increase of the middling in the mixed,the ignition temperature was decreased,the ignition index,burnout index and comprehensive combustion characteristic index were improved.In addition Coats-Redfern integral method was used for combustion process in the dynamics analysis,the activation energy and frequency factor, etc. were acquired by performing the dynamic analysis. The results indicate that the blending ratio has a great influence on activation energy in the combustion process,and the highest reliability was obtained when the combustion process obeys 1.5 magnitude of chemical reaction.

thermogravimetry analysis；combustion characteristics；dynamics

2015-07-25。

安徽省科技廳科技攻關(guān)項目(12010402109)。

章祥林(1955-)，男，教授，研究方向為碳材料及功能高分子材料，E-mail:zxl@aiai.edu.cn。

TK16

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.004