無煙煤與石油焦燃燒的熱分析曲線研究

張翼祥 / 方大炭素新材料科技股份有限公司

無煙煤與石油焦燃燒的熱分析曲線研究

張翼祥 / 方大炭素新材料科技股份有限公司

本文對于無煙煤和石油焦的燃燒的特點進行全面的分析和研究，并且對兩者的著火特點和燃盡特點進行研究。通過熱分析曲線對兩者的著火、燃盡及可燃性特點指數進行計算，并且推算在非等溫燃燒過程中的綜合燃燒指數。通過本文實驗表示，石油焦的燃燒特點和無煙煤的燃燒特點相同，雖然較低揮發無煙煤的著火和燃燒速度較快，但是燃盡性能卻較差。

無煙煤；石油焦；燃燒；熱分析曲線

石油焦是一種石油加工工業的副產品，世界中的石油焦最大使用工業就是水泥工業，之后是石油焦燃燒后生產煉鋁，石油焦的燃料發電及供熱消耗量并不多。一般石油焦具有高發熱值、高揮發分質量分數及低灰份質量分數，所以使用石油焦作為燃料能夠有效降低渣質量分數和燃料比。在現代煤炭資源不斷缺乏的背景下，對于取代部分燃料用煤物質研究具有重要的作用。基于此，本文就從微觀結構分析，對石油焦和無煙煤的微觀差異進行研究，分析兩者的燃燒熱分析曲線。

1.實驗

1.1 實驗產品

本文使用兩種無煙煤及四種石油焦作為研究對象，表1為兩種無煙煤和四種石油焦的工業、元素分析，通過表1可以看出來，無煙煤的干燥無灰基揮發分較低，石油焦和無煙煤具有明顯的差別，其主要特點就是發熱量比無煙煤高，并且灰份較低，固定的碳含量較高【1】。

表1 兩種無煙煤和四種石油焦的工業、元素分析

1.2 實驗儀器和過程

本文實驗使用德國STA449型號分析儀進行，實驗過程中的氣氛O2和N2兩者的比為21:79，流量設置為100ml/min，其主要目的就是能夠對實際爐內的燃燒情況進行真實的模擬，升溫的速率為25℃/min，最開始的溫度為30℃，結束時的溫度為1350℃，選擇10mg左右樣品即可。實驗過程為：將選擇的樣品放入到儀器中，在恒溫中加熱氧化并且燃燒，對樣品質量在溫度不斷升高過程中的變化進行記錄，從而得出熱重曲線，并且通過相應的軟件進行分析，對比并且研究無煙煤和石油焦兩者的著火、可燃性、燃盡特性和綜合燃燒方面的關系【2】。

2.結果

2.1 石油焦和無煙煤的失重曲線及失重速率曲線

圖1為石油焦和無煙煤的燃燒的失重曲線，圖2為石油焦和無煙煤的失重速率曲線，通過兩圖可以看出來，O2和N2兩者的比為21:79，兩者的燃燒主要包括三個階段，第一個階段為：在溫度不斷升高的過程中，水分也在不斷的析出，內在水不斷的流失；第二個階段為： 在揮發分析之后著火，失重速率曲線不斷的下降，并且值不斷擴大；第三個階段為：在可燃質不斷消耗完畢之后，失重速率曲線逐漸評分， 進入到燃盡階段，燃燒失重曲線也在不斷平衡。

圖1 石油焦和無煙煤的燃燒的失重曲線

圖2 石油焦和無煙煤的失重速率曲線

石油焦和無煙煤兩者的燃燒曲線大致上相同，但是也存在不同。通過失重曲線分析，所有樣品的失重具有明顯的先后順序，石油焦為開始失重，將揮發分吸出，之后無湮滅開始將揮發分析出，析出揮發分越早表示初期著火燃燒越好，表示石油焦著火燃燒比無煙煤更快、從失重速率曲線分析，石油焦最快到達失重速率，無煙煤失重速率較大，表示后期燃燒就小偉強烈。從兩種曲線中能夠看出來，可以對煤種燃燒困難與否進行定性判斷，但是不能夠對其綜合燃燒、可燃燒及燃燒特性進行定量分析，這并不滿足高效使用低灰煤和石油焦的需求【3】。

2.2 升溫速度對著火和燃盡的影響

稱取一定的石油焦和無煙煤樣品，分別在10℃、20℃、30℃每分鐘的升溫速度中實現熱重實驗，圖3為不同升溫速度對石油焦熱重微分圖。

圖3 不同升溫速度對石油焦熱重微分圖

通過圖3表示，石油焦著火點不會在升溫速度改變過程中發生改變，但是燃盡溫度會在升溫速度不斷增加過程中而不斷增加。最大的升溫速度在升溫速度不斷增加的過程中有所減少，以此表示燃燒熱性指數是在升溫速度不斷增加過程中不斷減少。因為升溫為線性增加，升溫速度不斷增加，導致石油焦在高溫溫度的停留時間較短，燃盡相同質量的石油焦的時間較長。在鍋爐實際運行過程中，石油焦在進入爐腔過程中會快速加熱，加熱速度對石油焦的燃盡具有重要的作用，因為石油焦在達到著火溫度過程中的時間就會縮短【4】。表2是石油焦和無煙煤的著火溫度，通過表2可以看出來，石油焦著火溫度較低，并且之后著火性能較好。

表2 石油焦和無煙煤的著火溫度

2.3 無煙煤和石油焦的綜合燃燒特點

為了能夠深入研究煤粉的著火及燃盡特點，從而為電廠提供全面的參考，本文使用綜合燃燒特點指數SN表示煤著火和燃盡特點。如果加熱燃燒過程中緩慢，燃燒反應就是著火階段為通過化學動力學因素進行控制，表示為：

A表示前因子，T表示煤粉的顆粒溫度，通過上式進行求導，并且使T=Ti，整理得到公式為：

R/E為煤的活性，如果E越小，表示反應能力就越強。表3為無煙煤和石油焦的綜合燃燒特點，通過表3可以看出來，無煙煤的綜合燃燒特點最佳，之后是石油焦，表示綜合燃燒特性指數能夠將可燃質的綜合燃燒特點精準的表現出來【5】。

表3 無煙煤和石油焦的綜合燃燒特點

3.結論

通過本文研究能夠為電站鍋爐燃用無煙煤和石油焦提供參考基礎，尤其是低揮發分無煙煤。并且表示，石油焦的著火燃燒特點和無煙煤相同，著火溫度較低，并且具有良好的可燃性，但是燃盡特點較差，這和其中具有較高的固定碳含量具有密切的關系，所以在使用過程中要注意。

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