第33卷第11期煤炭學(xué)報(bào)Vol 33 No. 112008年11月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY文章編號:0253-9993(2008)11-1292-04超細(xì)煤粉著火特性的熱重分析魏礫宏,李潤東,李愛民!,李延吉,姜秀民(1.沈陽航空工業(yè)學(xué)院清潔能源與環(huán)境工程研究所,遼寧沈陽110034;2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海200240摘要:采用熱重法,分析了粒度、升溫速率和氧氣濃度對超細(xì)煤粉著火特性和燃燒特性的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,減小煤粉粒度,增大氧氣濃度有利于降低煤粉著火溫度,増大煤粉的燃燒速率,提高超細(xì)煤粉燃燒性能。升溫速率對煤粉的燃燒特性也有影響,隨著升溫速率的提高超細(xì)煤粉的著火溫度升高,最大失重速率增大,最大失重速率對應(yīng)的溫度升高關(guān)鍵詞:超細(xì)煤粉;著火特性;失重;熱分析中圖分類號:TQ531文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AStudy on ignition characteristics of micro-pulverizedcoal by thermogravimetryWEI Li-hong, Li Run-dong', LI Ai-min, LI Yan-ji', JIANG Xiu-mir(1. institute of Clean Energy and Entironmental Engineering, Shenyang institute of Aeronautical Engineering, Shenyang 110034, China; 2. School ofMechanical Engineering, Shanghai Jiaotong Uninersity, Shanghai 200240, China)Abstract: The effect of particle size, heating rate and oxygen concentration on ignition and combustion characteris-tics of HG coal were investigated by the thermogravimetric technique. The experimental result shows that decreasingparticle size and increasing oxygen concentration are favorable to reduce the ignition temperature, accelerate corbustion rates and improve combustion properties of coal. The ignition temperature, maximum weight loss rate andthe corresponding temperature of maximum weight-loss rate are increased with raising heating-up rate.Key words: micro-pulverized coal; ignition characteristics; weight loss; thermogravimetric analysis煤的著火特性是煤的重要性質(zhì),了解和掌握煤的著火特性可正確啟動點(diǎn)火過程和正確運(yùn)行動態(tài)優(yōu)化控制,對于燃燒設(shè)備的啟動和燃燒器的容量設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)意義.目前煤粉的著火機(jī)制分為均相著火多相著火和均相一多相聯(lián)合著火模式3種類型.影響著火的因素很多,除了加熱速度和煤粉粒徑外,還有煤種、煤質(zhì)特性、環(huán)境氧濃度、加熱條件、流動特性、煤粉顆粒間的相互影響等.超細(xì)煤粉是一種新的燃燒方式,在燃燒特性和污染物排放特性等方面與常規(guī)煤粉有較大不同,目前還未見到對超細(xì)煤粉著火特性的深入研究.本文主要研究了粒度、升溫速率和氧氣濃度對超細(xì)煤粉著火特性的影響,討論其主要原因試驗(yàn)部分1.1樣品的選取和制備實(shí)驗(yàn)采用鶴崗煤,經(jīng)過碾磨(分為干磨和濕磨),制成細(xì)化和超細(xì)化煤粉,其中平均粒徑在20μm以中國煤化工收稿日期:2007-11-29責(zé)任編輯:畢永華基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)基金資助項(xiàng)目(2002AA5270CNMHG(2004D079作者簡介:魏礫宏(1975—),女,黑龍江五大連池人,副教授,博士.Tel:024-89723734,E-mal;weicheng@syuae.edu.cn第11期魏礫宏等:超細(xì)煤粉著火特性的熱重分析上的試樣采用干式研磨,平均粒徑小于20μm的試樣通過濕式球磨得到.鶴崗煤的工業(yè)分析和元素分析見表1表1鶴崗煤的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of testing coal samples工業(yè)分析/%元素分析/%煤種(代碼)一鶴崗煙煤(HC)1.80520.85032.53044.8154.6780.8260.4873.104根據(jù)w(C)+w(H)+w(N)+(O)+(S)+A+Ms=100計(jì)算得到1.2熱重分析本實(shí)驗(yàn)在日本島津公司的60-H型熱重差熱同時(shí)分析儀上進(jìn)行.采用5,10,20℃/min升溫速率不同比例的氧氣(99.99%)和氬氣(99.999%)混合氣體作為氣氛氣體,氣體流量為50mL/min.首先在樣品池中加入煤樣,用高純氬(99.999%)氣吹掃0.5h以趕走爐體內(nèi)的空氣,再通入混合氣體開始燃燒實(shí)驗(yàn).為求各實(shí)驗(yàn)樣品的著火溫度,本文在上述表2實(shí)驗(yàn)樣品的著火溫度實(shí)驗(yàn)條件下,以高純氬為氣氛氣體,相應(yīng)進(jìn)行了熱Table 2 Ignition temperature of HG coals解實(shí)驗(yàn)粒徑/比表面積質(zhì)量/升溫速率/氧氣濃T1.3著火溫度的確定(m2·g-1)嗶g(℃·min-1)度/%℃著火是由緩慢的氧化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到反應(yīng)能自動加8.718速到高速燃燒狀態(tài)的瞬間過程,相對應(yīng)的溫度即為23.330081320著火溫度,是衡量煤粉可燃性和火焰穩(wěn)定性的一個35重要性質(zhì),記做T,本文采用失重微分曲線52.118.78420(DTG)分界點(diǎn)法和失重曲線(TG)分界點(diǎn)法的平043988952020均值作為超細(xì)煤粉的著火溫度,即定義燃燒曲線與7.04.398.861熱解曲線在TG和DTG曲線上的分界點(diǎn)溫度值的平708.74070000均值為著火溫度.各實(shí)驗(yàn)樣品的著火溫度見表22實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1粒度對著火溫度的影響圖1是粒徑為70,23.3,35.9,56,2μm的鶴崗煤在20℃/min和20%氧氣濃度下的燃燒特性曲線由圖1(a)可知,對于粒徑為7.0,23.3,35.9μm的鶴崗煤粉,TG曲線在整個燃燒過程中沒有表現(xiàn)出較大差異,曲線有較多重合.而粒徑為56.2μm鶴崗煤TG曲線與其它3個粒徑煤粉相比明顯向高溫方向移動,說明粒度的增大,對煤粉的燃燒產(chǎn)生不利的影響由表2煤粉粒徑與著火溫度的關(guān)系可知,在7.0~60.0μm范圍內(nèi),隨著粒徑的增大,煤粉的著火溫度也隨著提高,且呈線性關(guān)系:y=307.42+0.30x,R=0.97.這一結(jié)論與 Kizgut等2、張超群等的熱天平試驗(yàn)結(jié)論及陳占軍等利用煤粉氣流著火溫度測定裝置的試驗(yàn)結(jié)果一致其原因在于,隨著煤樣粒徑的減小,煤樣的比表面積越大,平均表觀活化能就越小,小粒徑的煤粉更易達(dá)到著火溫度.所以,減小粒徑可以改善煤粉的著火特性,尤其對無煙煤、貧煤的意義更大.這與文獻(xiàn)[6]的結(jié)論不同,文獻(xiàn)[6]中利用熱天平對粒度0088-0.300mm的兗州煤,在10℃/min,9%氧濃度的條件下,得到的是著火溫度隨粒徑的增大基本保持不變的結(jié)論筆者認(rèn)為主要原因V中國煤化工不同從圖1()的x曲線可以看出,4個粒徑媒粉在燃燒[ CNMHG真低溫段的放峰由揮發(fā)分的燃燒產(chǎn)生,高溫段對應(yīng)的放熱峰由固定碳燃燒廣生.隨著程位時(shí)瑁,前一個峰值逐漸減小,并與后一個峰值重疊,揮發(fā)分的著火與焦炭的著火時(shí)間間隔縮短,煤粉的著火模式由均相向非均相著2008年第33卷11007.0 um70μm,233m,562m曾047.0100+233um359μm23.3359m359μ400600800溫度/℃圖1不同粒徑鶴崗煤燃燒特性曲線Fig 1 Combustibility curves of HG coals火模式過渡.因?yàn)殡S著粒徑的減小,比表面積的增加,揮發(fā)分在低溫段析出量增大,著火燃燒產(chǎn)生的熱量增大,低溫段放熱峰增大.因此粒度的增加對400℃以前揮發(fā)分的析出不利,導(dǎo)致第1個放熱峰隨粒度的增加而減小,易燃組分和難燃組分在DTA曲線上的分界不明顯2.2升溫速率對著火溫度的影響圖2均為平均粒徑70μm鶴崗煤在20%氧氣濃度和不同升溫速率條件下得到的燃燒特性曲線,如圖2所示,隨著升溫速率的升高,TG,DrG,DA曲線均向高溫方向偏移,即隨著升溫速率的提高,超細(xì)煤粉的著火溫度升高.煤的導(dǎo)熱性能較差,傳熱需要一定的時(shí)間,當(dāng)升溫速率增加時(shí),所產(chǎn)生的熱滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重,高升溫速率的樣品內(nèi)部不能及時(shí)升溫?fù)]發(fā)和分解,是造成高升溫速率煤樣著火溫度升高的主要原因20℃min5℃20℃/minE-02l0℃/min10 C/minl0℃/min20℃/min020406080100120140溫度/℃時(shí)間/min圖2鵪崗7μm煤樣不同升溫速率下燃燒特性曲線Fig 2 TGA combustibility curves of HG coals如圖2(b)所示,隨著升溫速率的提高,煤樣的最大失重速率增大,達(dá)到最大失重速率的溫度升高因?yàn)樵谳^快的升溫速率下,煤樣內(nèi)外存在溫度差異大,當(dāng)樣品內(nèi)部溫度達(dá)到快速燃燒反應(yīng)溫度時(shí),樣品內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)條件比在低升溫速率下的更充分,是導(dǎo)致其最大失重速率增大的主要原因圖2(c)為不同升溫速率下,7.0μm鶴崗超細(xì)煤粉的DTA曲線.由圖2(c)可知,升溫速率高的樣品放熱集中,反之分散2.3氧氣濃度對著火溫度的影響圖3是7.0μm鶴崗煤在20℃/min,不同氧氣濃度條件下的燃燒特性曲線.如圖3所示,燃煤特性曲線具有較好的規(guī)律性,即隨著氧氣濃度的增加,TG,DG,DTA特性曲線向低溫方向移動,超細(xì)煤粉的燃燒速率增大,最大失重速率增加,達(dá)到最大失重速率和燃中國煤化工由表2也可知,隨著氧氣濃度的增加,超細(xì)煤粉的著火溫度降低,說明氧氣應(yīng)的表觀活化能,并且加快揮發(fā)分和固定碳的燃燒反應(yīng)速率CNMH(G+和固定碳氧化反、反,煤總氧化反應(yīng)時(shí)間縮短,熱重曲線前移第11期魏礫宏等:超細(xì)煤粉著火特性的熱重分析12958p40060080060080000600800溫度/℃圖3鶴崗煤燃燒特性曲線(7.0μm,20℃/min)Fig 3 Combustibility curves of HG coals3結(jié)論(1)粒徑是影響超細(xì)煤粉燃燒特性的重要因素.隨著粒徑的增大,實(shí)驗(yàn)樣品的著火溫度增大,最大失重速率及最大失重速率的溫度降低,煤粉的著火模式由均相向非均相著火模式過渡,著火溫度與粒徑呈線性關(guān)系,直線方程為y=307.42+0.30x(2)升溫速率對煤粉的燃燒特性也具有一定影響.隨著升溫速率的提高,超細(xì)煤粉的著火溫度升高,最大失重速率增大,最大失重速率對應(yīng)的溫度升高.升溫速率的提高可使樣品表面很快達(dá)到熱分解的溫度,熱失重提前(3)隨著氧氣濃度的增加,超細(xì)煤粉的著火溫度降低,燃燒速率增大,最大失重速率增加,達(dá)到最大失重速率和燃盡點(diǎn)的溫度降低,放熱集中參考文獻(xiàn)[1]胡文斌,楊海瑞,呂俊復(fù),等.煤著火特性的熱重分析研究[J].電站系統(tǒng)工程,2005,21(2):8-12Hu Wenbin, Yang Hairui, Lu Junfu, et al. 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