關(guān)于利用DSC曲線計算煤的燃燒反應(yīng)動力學(xué)的研究

唐詩

摘 要：煤粉的燃燒特性對電站鍋爐的設(shè)計、改造和燃燒調(diào)整有著重要的影響。文章利用差式掃描量熱法（DSC）計算準(zhǔn)東煙煤、彬縣煙煤和新橋貧煤的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，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(fā)分含量。

關(guān)鍵詞：DSC曲線；煤；反應(yīng)動力學(xué)

引言

我國以煤炭資源為主的能源結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)不會改變。由于不同燃燒設(shè)備對煤種的要求極高，易造成熱量利用率低、設(shè)備損壞、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，故研究煤粉燃燒動力學(xué)有著重要意義。常見研究動力學(xué)方法有熱重分析、沉降爐實驗和激光點(diǎn)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(shù)，從而為鍋爐設(shè)計和改造提供動力學(xué)依據(jù)。

1 實驗方法

首先將準(zhǔn)東煤、彬縣煤和新橋煤制成200目標(biāo)準(zhǔn)粉樣，在110℃烘箱中干燥，進(jìn)行工業(yè)分析及元素分析，結(jié)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(zhì)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(jié)果與分析

DSC的反應(yīng)動力學(xué)分析：

煤的反應(yīng)速率可由轉(zhuǎn)化率對時間微分得到，并引入微分形式的動力學(xué)機(jī)理函數(shù)f（α），則反應(yīng)速率可以表示為：

其中α為轉(zhuǎn)化率，k0為反應(yīng)速率常數(shù)，它與溫度之間的關(guān)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(shù)，8.314J·mol/K。

DSC曲線反映熱量變化[2]，可求反應(yīng)轉(zhuǎn)化率：

（3）

H為反應(yīng)熱積累值，H0為反應(yīng)的總熱效應(yīng)。對DSC曲線減去基線并積分得到對應(yīng)溫度點(diǎn)的H（即DSC曲線修積分曲線）。由H和H0可得到修正熱量轉(zhuǎn)化率，見圖1b。n為反應(yīng)級數(shù)，β為升溫速率。

根據(jù)式（1）-（5），可得總反應(yīng)方程：

常用處理恒定升溫速率的Coats-Redfern積分法[3]對式（6）進(jìn)行積分，化簡得：

（7）

（8）

由于2RT/E<<1，右邊第一項為常數(shù)，因此可判斷等號左邊與1/T基本成線性關(guān)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(jìn)行線性回歸，比較相關(guān)系數(shù)，由此算出由DSC曲線導(dǎo)出的燃燒動力學(xué)參數(shù)，見表2。

準(zhǔn)東煤和彬縣煙煤的活化能均為95kJ/mol左右，優(yōu)于新橋貧煤，原因在于前二者具有較高揮發(fā)分，故燃燒性能較好。此外，準(zhǔn)東煤由于高堿金屬元素Na，增加了反應(yīng)活性表面積，促進(jìn)了脂肪烴類和芳烴烷基側(cè)鏈的斷裂、氣體產(chǎn)物析出，從而促進(jìn)著火[4]。而準(zhǔn)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(guān)系數(shù)偏低，但趨勢相同，能夠反映煤燃燒特性。

3 結(jié)束語

準(zhǔn)東煤、彬縣煤和新橋煤的工業(yè)分析及元素分析分別被獲得。經(jīng)DSC曲線計算反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，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(fā)分。

參考文獻(xiàn)

[1]堯志輝，曠戈.煤燃燒反應(yīng)動力學(xué)的研究方法綜述[J].廣西輕工業(yè)，2008，121（12）：23-25.

[2]M. Wagner，陸立明.熱分析應(yīng)用基礎(chǔ)[M].上海：東華大學(xué)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(xué)的比較[J].化工學(xué)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(xué)基礎(chǔ)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2004.