錫林浩特褐煤燃燒特性熱重分析

趙炬明

(東北電力設(shè)計(jì)院 國際分公司,吉林 長春 130021)

錫林浩特褐煤燃燒特性熱重分析

趙炬明

(東北電力設(shè)計(jì)院 國際分公司,吉林 長春 130021)

利用熱重分析儀獲得了升溫速率分別為10 K/min、30 K/min、50 K/min和70 K/min下錫林浩特褐煤的燃燒失重特性曲線，計(jì)算了著火溫度、燃盡溫度、最大失重速度等燃燒特性參數(shù)。采用Coats-Redfern法計(jì)算出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)：活化能E和頻率因子A。結(jié)果表明，隨著升溫速率升高，其著火溫度降低，燃盡時(shí)間增加。

褐煤；燃燒；熱重分析

0 引言

我國褐煤儲(chǔ)量豐富，利用方式以燃燒為主，研究褐煤燃燒特性具有重要意義。熱重分析廣泛用于煤燃燒特性研究[1-3]，通過熱重曲線分析,可以獲得著火溫度、燃盡溫度、最大失重溫度、最大失重速率等特征參數(shù)，通過計(jì)算反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),可以進(jìn)一步分析煤燃燒反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)特性，為煤燃燒利用提供有價(jià)值的信息[4-5]。

錫林浩特褐煤是我國內(nèi)蒙古地區(qū)的典型褐煤，本文采用熱分析方法，分析了該煤種的燃燒特征參數(shù)，進(jìn)行反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算。

1 熱天平實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品選取和制備

將采集的錫林浩特(XLHT)褐煤研磨、篩分，粒度為140目(109 μm)以下，密封保存。煤粉樣品工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1錫林浩特(XLHT)褐煤工業(yè)和元素分析

煤種工業(yè)分析/[%]Qnet，ar元素分析daf/[%]VadFCadMadAad/kJ·kg-1CHONSXLHT35．2646．766．7911．1921134．072．204．9521．450．301．10

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

熱重分析儀為瑞士Mettler-Tolerdo公司生產(chǎn)的TGA/SDT851e型熱重分析儀。實(shí)驗(yàn)中，將15 mg左右的煤樣置于熱天平坩堝中，用50 mL/min的氮?dú)獯祾邿崽炱?，整個(gè)吹掃過程進(jìn)行30 min后充分排出反應(yīng)系統(tǒng)中的雜質(zhì)氣體，然后以20 K/min加熱到378 K，恒溫5 min，除去樣品中的水分，然后通入氧氣，以不同加熱速率加熱至1 273 K，最后在1 273 K繼續(xù)通入30%、50 mL/min氧氣并恒溫5 min。升溫速率分別為：10 K/min、30 K/min、50 K/min和70 K/min。

由于從室溫升溫到378 K階段只是為了脫除外在水分，而對(duì)于煤粉而言，溫度達(dá)到1 273 K時(shí)燃燒已趨于反應(yīng)完全，達(dá)到1 273 K之后再恒溫一段時(shí)間，是為了使反應(yīng)更充分。因此這兩個(gè)階段在數(shù)據(jù)分析的過程中可以不考慮。以下曲線均為對(duì)由378 K以不同的升溫速率加熱至1 273 K的反應(yīng)階段的分析。即378 K時(shí)的重量為燃燒樣品的初始重量，1 273 K為燃燒終點(diǎn)，此時(shí)的重量為燃燒樣品的最終重量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由熱重曲線及數(shù)據(jù)，可得到某一時(shí)刻反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率[6]，即某一時(shí)刻試樣減少的質(zhì)量與達(dá)到實(shí)驗(yàn)終溫時(shí)試樣的總損失質(zhì)量之比

(1)

式中m0——樣品失水結(jié)束的質(zhì)量；

mt——某一時(shí)刻樣品的質(zhì)量；

m——反應(yīng)結(jié)束時(shí)樣品的質(zhì)量。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得樣品在4個(gè)升溫速率下的燃燒特性參數(shù)如表2所示。

表2不同升溫速率下的燃燒特性參數(shù)

升溫速率β/K·min-1最終失重率mf/[%]著火溫度Ti/K燃盡溫度Th/K燃燒反應(yīng)速度峰值(dw/dt)max/[%]·min-11088．65605．06844-11．13088．19590．57852-16．75088．02573．31003-18．07087．96556．321132-20．6

圖1 不同升溫速率下的TG曲線

圖2 不同升溫速率下的DTG曲線

由圖1、圖2可知，升溫速率在一定程度上改變了煤的分解歷程，升溫速率會(huì)影響到某一溫度時(shí)煤樣的剩余質(zhì)量，升溫速率越高，在某一溫度時(shí)剩余質(zhì)量越大；同時(shí)隨著升溫速率的提高，燃燒失重速率明顯增大，完成整個(gè)燃燒的時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短。

而從表2里的數(shù)據(jù)可以看到，在4個(gè)不同的升溫速率下，煤樣的著火溫度(確定方法見文獻(xiàn)[7])具有特定的規(guī)律，即隨著升溫速率的增加，著火溫度降低。這說明當(dāng)升溫速率提高時(shí)，煤粉著火提前，著火溫度隨之降低漸趨明顯。升溫速率對(duì)最大失重速率的影響很大，隨著升溫速率的增加，最大失重速率增大，燃盡溫度(燃燒失重量為總失重量的98%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度)隨之增大，這是因?yàn)樯郎厮俾试酱?，從室溫加熱到反?yīng)終點(diǎn)溫度所需時(shí)間越小，雖然溫度高，但時(shí)間不夠，沒有燃盡，而且在高溫條件下，燃燒處于擴(kuò)散區(qū)，由于沒有煤粉和空氣的混合過程，就顯得燃盡溫度高。

3 燃燒動(dòng)力學(xué)分析

本文采用Coats-Redfern方法積分，反應(yīng)選擇一級(jí)反應(yīng)機(jī)理函數(shù)[8]，求解錫林浩特褐煤熱解反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見表3。

Cumming[9]、劉輝[10]等人的研究也表明一級(jí)反應(yīng)可以很好地描述煤粉熱天平燃燒反應(yīng)過程,燃燒反應(yīng)在不同反應(yīng)區(qū)間存在多段表觀活化能的現(xiàn)象,說明反應(yīng)溫度增加,燃燒過程遵循不同的反應(yīng)機(jī)理,這和本文的研究結(jié)果是一致的。

表3煤樣燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

升溫速率/K·min-1溫度范圍/K擬合直線公式失重份額/[%]頻率因子AE/kJ·mol-1相關(guān)系數(shù)R10559-695y=-7886．7x-1．652863．2115104．065．570．9987695-844y=-2319．6x-9．384630．181．919．290．835430529-731y=-5841．5x-5．306152．76869．448．570．9957731-820y=-4959．1x-6．649533．17192．641．230．996550513-738y=-4688．9x-7．273140．58162．738．980．9839738-932y=-2782．1x-10．03143．796．123．130．999370490-740y=-4115．7x-8．240235．3376．034．220．9801740-1025y=-1867．3x-11．45147．371．415．520．9981

4 結(jié)論

(1)升溫速率在一定程度上改變了煤的分解歷程，升溫速率會(huì)影響到某一溫度時(shí)煤樣的剩余質(zhì)量，升溫速率越高，著火溫度降低,煤粉著火提前；平均重量損失速率也隨之增大，燃燒反應(yīng)更加集中；最大失重速率所對(duì)應(yīng)的溫度沒有很明顯的規(guī)律性；燃盡溫度隨之增大。

(2)對(duì)燃燒反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析表明,錫林浩特褐煤熱天平燃燒反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng),燃燒反應(yīng)分為兩個(gè)階段,升溫速率升高,煤樣各段反應(yīng)的表觀活化能降低。

[1]劉建忠,馮展管,張保生,等.煤燃燒反應(yīng)活化能的兩種研究方法的比較[J].動(dòng)力工程,2006,26(1):121-124.

[2]朱群益,李瑞揚(yáng),秦裕琨,等.煤粉燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程,2000,20(3):703-706.

[3]趙麗紅,楚希杰,辛桂艷.煤熱解特性及熱解動(dòng)力學(xué)的研究[J].煤質(zhì)技術(shù),2010,34(1):8-11.

[4]胡榮祖,高勝利,等.熱分析動(dòng)力學(xué)[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2008.

[5]熊友輝,孫學(xué)信.動(dòng)力用煤及燃燒特性的研究手段和方法[J].煤質(zhì)技術(shù),1998(9):27-31.

[6]王俊宏,常麗萍,謝克昌.西部煤的熱解特性及動(dòng)力學(xué)研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2009,32(3):1-5.

[7]祝文杰,周永剛,趙虹,等.用熱天平研究煤的燃燒特性[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004,32(3):8-11.

[8]盧洪波，徐海軍.煤燃燒特性的熱重實(shí)驗(yàn)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2006,22(6):11-13.

[9]J. W. Cumming.Reactivity assessment of Coals Via a Weighted Mean Activation Energy[J].Fuel,1984,63(10):1436-1440.

[10]劉輝，吳少華，趙廣播，等.煤粉粒度對(duì)元寶山褐煤燃燒特性的影響[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,40(3):419-422.

ThermogravimetricAnalysisonCombustionCharacteristicsofXilinhaoteLignite

ZHAOJu-ming

(NortheastElectricPowerDesingInstitute,Changchun130021,China)

The combustion characteristics of Xilinhaote lignite were studied by thermogravimetric analysis at different heating rate (10 K/min、30 K/min、50 K/min and 70 K/min). The initiation point, burnout time, burnout temperature and maximum weight loss rate were calculated with the test date. The kinetic parameters, activation energy E and frequency factor A, were studied by Coats-Redfern thermalanalytical method. Results show the burnout time increases and the ignition temperature decresaes with rising heating rate.

lignite;combustion;thermogravimetric analysis

2014-09-16修訂稿日期2014-10-23

國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAA12B03);河北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃(Q2012151)。

趙炬明(1970～)，男，本科，高級(jí)工程師,主要從事能源工程設(shè)計(jì)研究。

TK16

A

1002-6339 (2014) 06-0527-03