唐詩

摘 要:煤粉的燃燒特性對電站鍋爐的設計、改造和燃燒調整有著重要的影響。文章利用差式掃描量熱法(DSC)計算準東煙煤、彬縣煙煤和新橋貧煤的反應動力學參數,其活化能依次為97.41kJ/mol,94kJ/mol,134.741kJ/mol,前二者活化能較低,燃燒特性好,主要原因為較高的揮發分含量。
關鍵詞:DSC曲線;煤;反應動力學
引言
我國以煤炭資源為主的能源結構在短時間內不會改變。由于不同燃燒設備對煤種的要求極高,易造成熱量利用率低、設備損壞、環境污染嚴重等問題,故研究煤粉燃燒動力學有著重要意義。常見研究動力學方法有熱重分析、沉降爐實驗和激光點燃法[1]。本文將利用差式掃描量熱法研究煤種的燃燒特性及活化能等參數,從而為鍋爐設計和改造提供動力學依據。
1 實驗方法
首先將準東煤、彬縣煤和新橋煤制成200目標準粉樣,在110℃烘箱中干燥,進行工業分析及元素分析,結果見表1。
然后在德國耐馳STA449C的綜合熱分析儀測試DSC曲線,實驗條件:樣品質量約5mg,升溫速率5℃/min,升溫至1000℃,空氣氣氛,氣體流量為100ml/min。DSC曲線見圖1a。
2 結果與分析
DSC的反應動力學分析:
煤的反應速率可由轉化率對時間微分得到,并引入微分形式的動力學機理函數f(α),則反應速率可以表示為:
其中α為轉化率,k0為反應速率常數,它與溫度之間的關系可用Arrhenius公式表示:
式中,A為指前因子,E為活化能,R為氣體常數,8.314J·mol/K。
DSC曲線反映熱量變化[2],可求反應轉化率:
(3)
H為反應熱積累值,H0為反應的總熱效應。對DSC曲線減去基線并積分得到對應溫度點的H(即DSC曲線修積分曲線)。由H和H0可得到修正熱量轉化率,見圖1b。n為反應級數,β為升溫速率。
根據式(1)-(5),可得總反應方程:
常用處理恒定升溫速率的Coats-Redfern積分法[3]對式(6)進行積分,化簡得:
(7)
(8)
由于2RT/E<<1,右邊第一項為常數,因此可判斷等號左邊與1/T基本成線性關系。可選取不同n,以1/T為x軸,以等號左邊為y軸,做x-y圖,使用所得斜率和截距分別求出活化能和指前因子,并進行線性回歸,比較相關系數,由此算出由DSC曲線導出的燃燒動力學參數,見表2。
準東煤和彬縣煙煤的活化能均為95kJ/mol左右,優于新橋貧煤,原因在于前二者具有較高揮發分,故燃燒性能較好。此外,準東煤由于高堿金屬元素Na,增加了反應活性表面積,促進了脂肪烴類和芳烴烷基側鏈的斷裂、氣體產物析出,從而促進著火[4]。而準東煤第一階段活化能較高,原因是初始燃燒溫度相較后二者較低。相較TGA計算活化能,DSC方法相關系數偏低,但趨勢相同,能夠反映煤燃燒特性。
3 結束語
準東煤、彬縣煤和新橋煤的工業分析及元素分析分別被獲得。經DSC曲線計算反應動力學參數,三者活化能分別為97.4kJ/mol、94kJ/mol、134.7kJ/mol,新橋煤燃燒特性最差,原因為較低的揮發分。
參考文獻
[1]堯志輝,曠戈.煤燃燒反應動力學的研究方法綜述[J].廣西輕工業,2008,121(12):23-25.
[2]M. Wagner,陸立明.熱分析應用基礎[M].上海:東華大學出版社,2011.
[3]孫慶雷,李文,等.DEAM和Coats-Redfern積分法研究煤辦焦燃燒動力學的比較[J].化工學報,2003,54
(11):1598-1602.
[4]劉生玉.中國典型動力煤及含氧模型化合物熱解過程的化學基礎研究[D].太原:太原理工大學,2004.