氧濃度和升溫速率對煤泥燃燒特性影響的實驗研究＊

張曉婉，周 宇，龔德鴻，強 睿

（1.六盤水師范學院，貴州 六盤水 553001；2.貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

煤泥是煤炭洗選的副產品，具有粒徑小、含水率高、持水性強、熱值低、不便運輸等特點，以往常被露天堆放或回填礦坑處理，不僅會造成能源的浪費，還會對環境造成污染。選煤被認為是原煤燃燒前的有效凈化技術手段，促使了煤泥的產量不斷增加，關于煤泥的綜合利用已有大量學者進行了研究。曹允業等[1]采用煤泥替代煤粉作為低品位難選鐵礦石-高磷鮞狀赤鐵礦的還原劑，李國斌[2]采用煤泥制備煤泥顆粒活性炭，司玉成[3-4]采用黃陵礦區煤泥制備13X型和4A型分子篩。而燃燒才被認為是解決煤泥工業化綜合利用的最佳處理方式[5-6]，將含水煤泥通過柱塞泵或脫水干燥后送至循環流化床鍋爐中與其他煤種混合燃燒，制備成煤泥水煤漿投入改裝后的鍋爐中燃燒[7-8]，或與加工處理后的生物質制備煤泥生物質型煤燃燒。本文針對貴州某電廠內所取煤泥，在熱重-質譜（TG-MS）聯用系統中進行燃燒實驗，并進行燃燒特性和產物析出特性分析。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

實驗煤泥為貴州六盤水煙煤洗選產生的副產品，為貴州盤縣某電廠流化床鍋爐的燃料，原始樣的含水率約為40%，取適量原始樣于105℃的電熱鼓風箱內干燥2 h至恒重，置于空氣中冷卻至常溫后充分研磨后裝入密封瓶保存備用。表1為其工業分析和元素分析。

表1 煤泥的工業分析和元素分析（單位：%）

1.2 實驗設備和條件

實驗在熱重-質譜（TG-MS）聯用系統中進行，該系統由STA409PC熱分析儀和QMS403質譜儀組成。每次實驗取（10±0.5）mg煤泥粉末于坩堝中送入熱分析儀，以流量為12 mL/min的氧氣和48 mL/min的氬氣模擬空氣，12 mL/min的氬氣作為保護氣。實驗共分為兩組：一組是以氧濃度為變量，在20 K/min的升溫速率下，氧濃度分別設置為10%、15%、21%、25%、30%；另外一組是以升溫速率作為研究變量，在21%的氧濃度條件下，分別設置10 K/min、20 K/min和30 K/min三種不同的升溫速率。

2 實驗結果分析

2.1 熱重曲線分析

2.1.1 氧濃度對燃燒曲線的影響

圖1為煤泥在20 K/min升溫速率下，不同氧濃度時的TG、DTG曲線。

圖1 不同氧濃度下煤泥燃燒時的TG、DTG曲線

以21%氧濃度下的燃燒曲線為例，其燃燒過程可以分為以下幾個階段：常溫至200℃間，TG曲線下降約5%，此階段主要是煤樣自身水和一些小分子裂解揮發；200～360℃間，TG曲線出現向上增加的趨勢，為煤中環狀結構大分子斷鍵后產生的孔隙吸附氧氣所導致的增重；360～800℃間，TG曲線從95%左右迅速下降到約60%，為揮發分和固定碳燃燒過程，對應DTG曲線上的兩段失重峰。對比不同工況下的曲線可知，氧濃度對煤泥燃燒中的固定碳和揮發分燃燒階段影響較為明顯。隨著氧濃度增大，DTG曲線中的最大失重峰值溫度向低溫區移動。

2.1.2 升溫速率對燃燒曲線的影響

圖2為煤泥在21%氧濃度下，升溫速率分別為10 K/min、20 K/min、30 K/min時的TG、DTG曲線，其燃燒過程與不同氧濃度下的煤泥燃燒情況相似。隨著升溫速率增加，DTG曲線逐漸向高溫區移動，這是由坩堝和煤樣較差導熱性延緩傳熱傳質所導致。升溫速率的增加能促進揮發分的析出和固定碳的燃燒，最大失重速率明顯增大。

圖2 不同升溫速率下煤泥燃燒時的TG、DTG曲線

2.2 燃燒特性分析

針對煤泥的燃燒特性，采用可燃性指數Cb、燃燒穩定性指數G和綜合燃燒指數S等燃燒指標進行描述[9]：

式（1）（2）（3）中：（dw/dt）max為最大燃燒失重率，%/min；θi為著火溫度，℃；θmax為峰值溫度，℃；（dw/dt）mean為平均燃燒失重率，%/min；θh為燃燼溫度，℃。

表2為煤泥在不同燃燒條件下的基本燃燒特性參數。通過表2可知，當氧濃度從10%增加到30%時，煤泥的著火溫度從485.3℃降低至468.1℃，這是因為氧濃度的提升促進了煤泥對氧氣的吸附，從而降低煤泥中揮發分和固定碳氧化反應的表觀活化能，使煤泥更容易著火燃燒[10]，著火時間的提前使得峰值溫度和燃燼溫度均向低溫區移動；根據質量作用定律和傳質過程擴散控制理論，較高的氧氣濃度及反應界面與外界較大的氧濃度差能加快揮發分和固定碳的反應速率，使最大燃燒失重率從5.52%/min增大到6.33%/min，平均燃燒失重率從4.28%/min增大到4.64%/min，可燃性參數、燃燒穩定性系數和綜合燃燒特征參數也相應增大，表明增加氧濃度能提高煤泥的燃燒特性[11]。

表2 煤泥在不同燃燒條件下的基本燃燒特性參數

針對21%氧濃度下燃燒的煤泥，增大升溫速率，其著火溫度、峰值溫度、燃燼溫度均增加，這是由以下兩個原因延遲其燃燒反應過程所導致：煤泥在較高升溫速率下來不及分解或揮發釋放不及時，煤泥和坩堝較差的導熱性延長了熱量傳遞到煤泥內部的時間[12]。升溫速率的提高增大了煤泥內外的溫差梯度，促進熱量向內部傳遞，使得煤泥的燃燒反應進行得更劇烈，最大燃燒失重率從3.37%/min增大到8.12%/min，平均燃燒失重率從2.39%/min增大到6.15%/min，可燃性參數、燃燒穩定性系數和綜合燃燒特征參數也隨之增大。

2.3 燃燒產物生成特性分析

2.3.1 氧濃度對主要燃燒產物的影響

圖3為5種不同氧濃度下的煤泥在20 K/min升溫速率下燃燒生成CO2的離子流強度曲線。由CO2離子流強度曲線可知，在260℃之前，氧濃度對CO2析出特性的影響幾乎可以忽略不計，隨著反應溫度升高，少量活化能較低的煤末和一些不穩定的有機機構斷裂形成的碳氫化合物發生氧化反應，使得CO2析出強度增加，在400℃左右時形成一個臺階后進一步提升CO2生成速率，氧濃度為10%和15%時，CO2在553℃和552.6℃時到達析出峰，氧濃度為21%時，CO2在540.4℃時達到析出峰，氧濃度為25%和30%時，CO2在539.9℃和539.7℃時達到析出峰，析出峰的終止溫度也隨著氧濃度增大向低溫區移動，這是由于氧濃度的增加提高煤泥燃燒性能所導致。

圖3 不同氧濃度下煤泥燃燒析出CO2的離子流強度曲線圖

2.3.2 升溫速率對主要燃燒產物的影響

圖4為三種不同升溫速率下的煤泥在21%氧濃度下燃燒析出CO2的離子流強度曲線。由CO2離子流強度曲線可知，在260℃前，CO2的析出強度幾乎可以忽略不計，當CO2析出強度開始增大時，升溫速率對其析出強度的影響開始凸顯，在420℃時，30 K/min升溫速率下的CO2的析出強度約為10 K/min時的2倍。增大升溫速率引起的熱滯后現象使得CO2的析出向高溫區移動，10 K/min、20 K/min、30 K/min升溫速率下的析出峰值溫度分別為517.7℃、540.4℃和555.3℃，析出峰的終止溫度以約40℃增加的速度向高溫區移動。

圖4 不同升溫速率下煤泥燃燒析出CO2的離子流強度曲線圖

3 結論

通過研究得出以下結論：①煤泥的燃燒反應過程隨著氧濃度增大向低溫區移動，著火溫度、峰值溫度和燃燼溫度降低，失重率增大，可燃性參數、燃燒穩定性系數和綜合燃燒特征參數增大；②增大升溫速率會延遲煤泥燃燒反應的進行，著火溫度、峰值溫度和燃燼溫度升高，燃燒反應加劇，失重率大幅度增大，燃燒性能明顯提高；③氧濃度和升溫速率的改變都會對煤泥燃燒析出CO2的離子流強度存在一定影響。