单位文秘网 2021-07-22 08:15:22 点击: 次
工业生产等用途,对补连塔煤研究具有重要意义。
目前已经有一些围绕补连塔煤的研究工作。杨晓梅[2]和姜英[1]等对补连塔煤的开采状态及煤质特征等内容进行了研究。研究结果表明补连塔煤具有低灰分、低硫分等特征。王秀芬[3]对补连塔煤的煤质特性及其适用的气化路线进行了研究,研究结果表明补连塔煤适合于固定床气化、流化床气化和气流床气化。候世占等人[4]基于活化能的比较, 给出了适合补连塔煤矿的阻化剂及阻化剂浓度设定规律。魏琰荣等[5]对补连塔煤的低温氧化特性进行了研究,结果表明,氧气体积分数的增加可以缩短氧化时间,而增大升温速率则会延长氧化时间。武瑞叶[6]利用回转炉热解工艺对补连塔煤进行了热解试验, 研究了热解产品半焦、煤气和焦油产率。验证了该煤是优质化工用煤。王生维等[7]研究了补连塔煤的岩石组成、内生裂隙及外生节理的发育特征。测试了煤的抗压强度、抗拉强度及载荷位移全过程曲线。结果说明该煤的力学强度较高,煤的物理力學特性呈十分明显的各向异性。孙振华[8]对神东补连塔选煤厂煤制油入料煤进行了煤岩显微组分的电选富集研究。结果表明神东长焰煤通过摩擦电选可以有效的富集镜质组,从而提高资源的利用效率。然而对于补连塔煤的燃烧动力学特征及多种燃烧特征参数的研究仍然有很大的研究空间,本文通过热重测试的方式,对补连塔煤进行实验测试,通过实验结果计算得出了补连塔煤的特征温度、活化能、燃尽特性指数、燃烧稳定性指数和综合燃烧特性指数,并结合这些参数对补连塔煤的燃烧特性进行分析。
1 实验条件
本次测试采用耐驰STA449F3型同步热分析仪。该测试过程中采用的煤粉粒径约为200目,具有较好的均匀性。煤样的工业分析见表1,由表中内容可知,补连塔煤具有较高的水分,低位发热量较高。
测试开始时,首先将10 mg左右的样品平铺在Al2O3坩埚底部,将热重内部空气气氛置换为实验设定的反应气氛。本文中设定的实验工况见表2,分别考察升温速度及氧气含量变化对补连塔煤燃烧特性的影响。测试中在同一种氧气含量(20%)下升温速度设定为10、20、30和40 °C/min四种,在同一种升温速率(20 °C/min)下氧气含量设定为10%、15%、20%、25%和30%五种,由该煤样的工业分析(如表1所示)经计算可以得知,实验中设定的氧气含量大于该煤样燃烧的理论需氧量。程序初始温度为40 °C,经10 °C/min的升温速度升温至110 °C,恒温30 min以去除煤样中的水分。之后分别以10、20、30和40 °C/min四种升温速度进行匀速升温至
1 200 °C,最后经一個10 min的恒温过程后结束整个升温过程。整个升温过程中,以氩气作为平衡气体,始终保持向实验腔体内通入0.02 slm氩气作为设备保护气体。
2 结果分析
2.1 热失重特性分析
图1所示为20%氧气含量,不同升温速率条件下的热失重曲线。由图中可以看到在热重实验的开始阶段和结束阶段,不同升温速率条件下的TG曲线较为接近,说明实验所设定的条件能够使煤样实现较为接近的失重总量。煤样在300~500 °C的温度范围内出现较为明显的失重。随着升温速率的加快,煤样的失重温度区间明显扩大,说明煤样的燃烧结束温度增加。这是由于煤粉在剧烈燃烧过程中燃烧速度受扩散能力的影响更大,较低的升温速率意味着热量的传递更为缓慢,有利于能量由煤粉颗粒表面向内部的均匀传递,也能够避免煤粉颗粒表面因为较快的升温速率发生迅速灰化覆盖在表面。因此,较低的升温速率更有利于煤粉颗粒的燃烧,使得整个失重温度区间均能够在较低的温度下。
图2为20 °C/min升温速率条件下不同氧气含量的热失重曲线对比情况。由图中可以看到,对比不同氧气含量条件下的热失重曲线,较高氧气含量的热失重曲线较较低氧气含量的热失重曲线处于更低的温度区间。氧气含量的提高使煤样的热失重过程在较低温度的条件下即可完成。这是由于较高的氧气含量使得煤粉颗粒更容易吸附氧分子,从而促进了燃烧反应过程,使得煤粉的完全失重温度大幅度较低。
2.2 特征温度分析
本次测试中采用着火温度来表征煤样的着火特性,并采用燃尽温度来确定煤样的燃尽特征。煤的着火点越低,着火特性越好。同时煤的着火点和挥发分析出有明显的相关性,着火点随煤质程度的增高而增高,煤的碳化程度越高,挥发分开始析出的温度越高,着火温度越高。燃尽温度越低,表明煤粉可以较低的温度下实现完全燃烧。本文采用最常用的TG-DTG法确定试样的着火温度[9]。燃尽温度定义为实验失重占总失重98%时所对应的温度。由图3可以看到,补连塔煤粉在本实验设定的条件下,着火温度处于300~400 ℃范围内,燃尽温度随升温速度变化及氧气含量变化而改变的范围很大。随着升温速度的上升,煤粉燃烧的特征温度升高,随着氧气含量升高,煤粉燃烧的特征温度降低。这是由于在较低的升温速度条件下,煤粉颗粒加热的过程相对较慢,煤粉颗粒内部热量的传递较好,随着升温过程的进行,燃烧扩散均匀,易于挥发分的析出,因此着火温度和燃尽更低。而且在较低的升温速度条件下,煤粉表面的反应有更充足的时间进行,避免了升温速度较快时表面的迅速反应导致产物堵塞部分表面孔隙,从而减缓了颗粒表面灰衣的形成速率,因此采用较低的升温速度时煤粉的燃尽温度更低,更易燃尽。而较高的含氧量使煤粉颗粒表面更易与氧气发生接触,利于表面氧分子的吸附,降低了燃烧反应进行的活化能,因此较高的氧含量煤粉更易点燃和燃尽。
2.3 活化能分析
活化能是指反应发生所需要克服的能量壁垒,因此活化能的大小能够更加充分的解释燃烧反应发生的问题。本文采用Coats-Redfern [10]法求解煤样燃烧的活化能。
一般来说,可认为,则上述两式右边第一项近似为常数,以两式的左边项对1/T作图,得到直线斜率-E/R,进而求得活化能E。
由图4可以看到,补连塔煤粉在不同升温速度和不同氧气含量条件下的活化能值变化规律与图3中煤粉着火温度随升温速度和氧气含量变化的规律完全相同。这从理论上验证了该煤粉燃烧着火特性分析的准确性。由于升温速度的提高,煤粉颗粒表面升温迅速,颗粒迅速吸收能量,更快的升温速度对煤样的低温氧化过程具有改善作用,同时能够使其反应能垒降低,从而更有利于燃烧,导致活化能减小。而氧气含量的升高提高了煤粉颗粒与氧气分子接触的机会,因此降低了燃烧发生的能量壁垒,从而活化能随着氧气含量的升高逐渐降低。
2.4 燃尽特性指数分析
将TG曲线上着火点对应的试样失重量与煤中可燃质含量的比值定义为初始燃尽率f1,将试样燃烧失重从开始到燃烧98%可燃质的时间定义为燃尽时间τ0,τ0时刻所对应的试样失重量与试样中可燃质含量的比值定义为总燃尽率f,则后期燃尽率f2 = f - f1。定义煤样的燃尽特性指数[11, 12]为:
Cb反映了试样的燃尽特性,Cb 越大,试样的燃尽性能越佳。图5所示为补连塔煤粉燃尽特性指数,由图中可以看到该燃尽特性指数的变化规律与图3中煤粉的燃尽温度变化规律具有一致性。从而说明较快的升温速度和较高的氧气含量在该实验条件下利于煤粉的完全燃烧。
2.5 燃烧稳定性指数分析
煤粉着火容易,有利于燃烧的稳定。其中煤粉燃烧过程的连续性和煤粉燃烧的强烈程度有很大关系,一般来说,着火强烈,燃烧过程连续。从这个意义出发定义燃烧稳定性:煤粉燃烧稳定性是煤粉着火难易和燃烧强弱的综合反映。
经过计算,得到补连塔煤粉的燃烧稳定性指数随升温速度变化及氧气含量变化的变化规律如图6所示。
煤粉燃烧稳定性指数[13]为
式中: Wc —燃烧稳定性指数; Tg1—着火点前烟温曲线的峰值; Te1—着火点前平均烟温温差; Tg2—着火点后烟温曲线的峰值; Te2—着火点后的平均烟温温差; Tb—煤种着火温度指数。
由图6可知,随着升温速度的降低和氧气含量的升高煤粉的燃烧稳定性指数升高。这是由于较低的升温速度有利于能量在煤粉颗粒上由外向内的均匀传递和减缓煤粉颗粒表面的迅速灰化造成的表面空隙堵塞,从而使燃烧更加稳定。而较高的氧气含量使煤粉颗粒燃烧更加充分,从而具有更高的燃烧稳定性。
2.6 综合燃烧特性指数分析
为全面评价补连塔煤粉的燃烧情况,计算了该煤粉的综合燃烧特性指数。综合燃烧特性指数[12]的计算公式如下:
式中: (dw /dτ)max—最大燃烧速度,mg /min; (dw /dτ)mean—平均燃烧速度,mg/min,其值越大,表明燃尽越快; Ti—着火温度,K; Th—燃尽温度,指的是试样失重占总失重的98%时对应的温度,K。
由图7可以看到,补连塔煤粉在较高的升温速度和较低的氧气含量的条件下综合燃烧特性指数较低。由前文的分析可知,较快的升温速度并不利于煤粉的着火、燃尽,同时燃烧的稳定性也较差,所以综合燃烧特性指数较低。而较高的氧气含量有利于煤粉的着火和燃尽,同时也能够增强燃烧的稳定性,因此导致具有较高的综合燃烧特性指数。
3 结 论
本文首先通过热重测试技术对补连塔煤粉的燃烧特性进行了实验测试。在热重的使用范围内,考察了升温速率变化和氧气含量变化对补连塔煤热失重特性的影响。随后根据热重测试结果对补连塔煤的燃烧动力学参数和多种燃烧特征参数进行了计算和综合分析。研究结果表明,较慢的升温速率和较高的氧气含量更利于煤粉的点燃和燃尽,具有较低的活化能。同时,较慢的升温速率和较高的氧气含量也具有较高的燃尽特性指数、燃烧稳定性指数和综合燃烧特性指数。说明较慢的升温速率和较高的氧气含量使得补连塔煤粉具有更好的燃尽特性、燃烧稳定性和燃烧综合特性,更有利于补连塔煤的高效燃烧与应用。
参考文献:
[1]姜 英,邬丽琼. 补连塔矿侏罗纪煤的煤质特征与利用途径[J]. 煤炭科学技术, 2004, 32(12): 69-71.
[2]杨晓梅. 神东补连塔煤的基本特性与利用[J]. 煤质技术, 2004 (5) :12-13.
[3]王秀芬. 补连塔煤的煤质分析及其适宜的气化路线[J]. 煤质技术, 2014(3): 44-47.
[4]侯世占, 王宇. 补连塔煤矿基于活化能指标的阻化剂选择[J]. 煤炭技术, 2008, 27(10): 142-143.
[5]魏琰荣, 肖翠微, 王乃继, 王永英. 补连塔煤低温氧化特性的热重研究[J]. 洁净煤技术, 2016, 22(1): 77-81.
[6]武瑞叶. 补连塔煤热解试验研究[J]. 煤质技术, 2004(4): 47-49.
[7]王生维, 张明. 东胜煤田补连塔矿煤物理力学特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报 , 1996, 15(4): 390-394.
[8]孙振华, 神东长焰煤煤岩显微组分电选富集研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2014.
[9]喻秋梅,庞亚军,陈宏国. 煤燃烧实验中着火点确定方法的探讨 [J]. 华北电力技术,2001,07: 9-10+50.
[10]聂常贵, 牟效民,霍林华. 燃煤锅炉制粉系统爆炸原因分析及防范 [J]. 電力安全技术, 2013, 15(1): 19-22.
[11]聂其红, 孙绍增, 李争起,等. 褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究[J]. 燃烧科学与技术, 2001, 7(1) :72-76.
[12]何艳峰,卓建坤, 李水清, 姚强. 污水污泥的燃烧特性及动力学研究[J]. 热能动力工程, 2011, 26(5): 609-614.
[13]赵虹, 杨建国, 常爱英,等. 煤粉燃烧稳定性指数的建立[J]. 燃烧科学与技术, 2003, 9(4): 364-366.
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-179-69659-1.html
上一篇:吴大猷:孔子式的物理学家
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用