宿州地區麥稈混煤燃燒動力學參數研究

馮松寶,劉莉

（宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州234000）

宿州地區麥稈混煤燃燒動力學參數研究

馮松寶,劉莉

（宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州234000）

為了高效利用宿州地區麥稈和煤，采集了朱仙莊鎮的麥稈和任樓煤礦樣品，并對煤樣和麥稈進行了不同比例的混合。運用labsys evo同步熱分析儀測試了不同比例的麥稈與煤混合樣品。測試結果表明，不同的混合比例能夠改變煤的熱解失重溫度和增加煤的熱解效率。動力學參數計算結果表明，煤中混入秸稈可以降低煤反應過程的活化能。該方法可以作為煤和秸稈綜合利用的一種參考途徑。

麥稈；煤；動力學參數；活化能

引言

宿州地區每年在小麥收割季節會有大量麥稈堆放，直接燃燒會造成空氣污染嚴重，導致能見度低，交通事故頻發。關于小麥秸稈的利用，前人做了很多研究。農作物秸稈氣化是國內外秸稈資源化處理的重要方法之一，氣化利用技術的影響正在逐漸擴大[1-2]。李婷婷[3]提出將麥秸稈破碎摻混到水煤漿中可以提高煤中反應過程中的活性，同時可以減少二氧化碳等氣體排放。練佳佳[4]等在煉焦的過程中添加秸稈灰使得完成氣化反應減少了17分鐘。吳俊松[5]提出稻麥秸稈集中溝埋還田具有降低土壤容重和增加土壤孔隙度的作用。宿州地區煤炭資源豐

富，同時每年會產生大量的小麥秸稈，如果秸稈能夠和煤炭結合，對煤炭和小麥秸稈的綜合利用都會起到重要的作用。基于此，從能源綜合利用角度出發，把宿州地區秸稈與宿州地區煤混合燃燒，通過改變秸稈的比例，尋找出一種最佳比例，使煤燃燒充分，提高燃燒的效率。

1.樣品與實驗方法

（1）樣品：麥稈來自于宿州市朱仙莊鎮麥地，煤樣來自于皖北煤電集團任樓煤礦，樣品基本信息如表1：

表1 煤樣基本信息

（2）實驗方法：采用法國薩特拉姆公司生產的labsys evo同步熱分析儀測試，實驗過程的升溫速率采用20℃/min。labsys evo是自動化程度高、性能卓越的高溫TGA分析平臺，最高溫度可達1600℃，儀器天平最大載重20g，天平分辨率為0.2μg，自動進樣器，能夠裝載30只樣品坩堝和6只參比坩堝，升溫和降溫速率可達0.01至100℃/min。

2.實驗結果

圖1 不同混合比例的煤的熱重曲線

通過實驗測定得出了一種升溫速率，5種麥稈比例的混合煤樣共5組熱解的TG曲線（如圖1）。從圖1中可以看出，不同比例的麥稈混煤，TG曲線不一致。麥秸稈的加入使煤的熱解終溫有不同程度的降低，失重峰會向低溫階段移動。隨著麥稈比例的增高，麥稈混煤的燃燒效率增加，殘余的煤樣的質量分數降低。

3.麥稈混煤燃燒動力學參數計算

3.1 動力學參數計算方法。

動力學參數主要是指活化能（E）、指前因子（A）和反應機理函數（f（α）。活化能是化學反應需要達到的最低能量，指前因子由反應本身決定的一個參數，反應機理函數是反應速率和轉化率之間所遵循的函數關系式。熱分析模型解析的方法有微分法和積分法[6-8]。在求解過程中有幾個重要的參數需要注意：

（1）轉化率α，m0為反應開始的質量，mt為t時反應物質量，mf為反應終點時物質的質量，這里假設熱流密度為0的點作為反應終點；

（2）lnxgETaFZ=gEaF為f（α）的積分函數；

前人的研究表明，一級化學動力學模型的機理函數f（α）和相應的g（α）=ln（1-α）線性相關系數最大，表明煤燃燒過程中一級化學反應動力學最能反應燃燒過程。本次研究選用f（α）=1-α作為機理函數，則反應表達式可以表示為：

……（1）

3.2 動力學參數計算。

（1）根據實驗結果，列出不同溫度條件下，原樣品的殘余物質百分率。以殘余物質百分率變化很小作為反應終點mf，可以算出每個問題T的反應物轉化率α。

（2）根據所計算的轉化率，算出g（α）=ln（1-α）的值，可以得到不同溫度下的值。

（3）利用sigmaplot對所有不同混合比例的煤與麥稈混合的煤樣的和進行了線性回歸分析，通過直線的斜率和截距，求出反應的活化能和指前因子如表2所示。

表2 秸稈混煤燃燒動力學參數

分析表2可知，四種樣品線性回歸的相關系數都較大，最小的為0.9784，表明運用現有的反應機

理函數能夠反應這四種樣品的反應過程。隨著麥稈的加入，混合樣品的反應活化能降低，這表明麥稈的加入能夠很好地改變煤燃燒過程的活化能。

4.秸稈混煤燃燒動力學研究所產生的社會效應

通過麥稈混煤燃燒動力學參數的研究，一方面為麥稈的利用提供了一條重要的途徑，對秸稈焚燒會有很好的抑制，有利于控制秸稈燃燒帶來的空氣污染；另一方面煤混入一定比例的秸稈，會降低煤燃燒的活化能，有利于煤的燃燒，對煤的綜合利用也有很好的參考作用。

5.結論

（1）煤中加入不同比例麥稈，熱重曲線向低溫方向移動，改變了煤的失重溫度；

（2）麥稈混煤燃燒減小了煤燃燒的活化能，降低了煤的燃燒點，對煤的利用有重要意義，同時綜合利用了麥稈，對麥稈的處置提供了一條重要路徑。

[1]宗望遠，袁巧霞，丁羽，等.新疆棉花秸稈氣化技術應用現狀與建議[J].塔里木大學學報，2008,20（4）：91-94.

[2]毛建華.生物質能轉化形式及秸稈氣化技術[J].天津農業科學，2016,12（1）：5-7.

[3]李婷婷.麥秸稈-煤漿的制備及其氣化特性研究[D].江蘇徐州，2014,6：48-51.

[4]練佳佳.秸稈灰對煤焦氣化反應性的影響研究[J].煤炭轉化，2015,38（2）：36-39.

[5]吳俊松，劉建，劉曉菲，等.稻麥秸稈集中溝埋還田對麥田土壤物理性質的影響[J].生態學報，2016,36（7）：1-9.

[6]陳娟，鄭丹星.錫林浩特褐煤提質同步熱分析動力學分析[J].北京化工大學學報（自然科學版），2014,41（4）：32-37.

[7]郭凱，李偉振，王立群，等.煤與生物質（稻秸稈）共熱解反過程及協同性研究[J].鄭州輕工業學院學報，2008,23（5）：77-80.

[8]黎巍，解新安，李雁，等.生物質熱解機理的密度泛函理論研究現狀[J].計算機與應用化學，2016,33（510）：525-530.

編輯：馮惟榘

The combustion kinetic parameters of wheat-straw mixed with coal in Suzhou

FENG Songbao，LIU Li
（School of Resourse and Civil Engineering，Suzhou University，Suzhou Anhui 234000）

In order to make good use of wheat-straw and coal produced by suzhou,the samples of coal and wheat-straw were collected,and the two kinds of samples were mixed by different ratio. labsys evo STA was used to test the mixed samples.The experiment results indicated that the wheat-straw changed the initial weight loss temperature,and increased the pyrolysis efficiency of the coal.According to the experiment results,the kinetic parameters were calculated,the activation energy was reduced obviously. Based on the above analysis,the way of wheat-straw mixed with coal may be areference method to comprehensive use the coal and wheat-straw.

wheat-straw；coal；kinetic parameters；activation energy

S-3

A

2095-7327（2016）-11-0035-03

馮松寶(1982-)，男，安徽宣城人，宿州學院副教授，博士，從事煤地質學、有機地球化學研究.

2015年宿州區域協同創新青年人才項目（宿州地區生物質型煤燃燒特性研究—以秸稈混煤為例，編號：2015SZXTXSKF09）；安徽省教育廳重點項目（巖漿侵入作用下煤成烴動力學參數變化規律及其控制機理研究-以淮北煤田為例，KJ2016AA771）；安徽省國內訪問學者重點項目（gxfxzd2016259）。