造氣爐內(nèi)煤燃燒實驗及限制性環(huán)節(jié)的確定

徐慶偉，呂慶，劉小杰，蘭臣臣，閆占亮

(1.華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063009；2.東北大學 冶金學院，遼寧 沈陽 110819)

由呂慶教授提出的一種生產(chǎn)冶金煤氣的豎式造氣爐是一種新工藝，它通過對煤進行氣化，把高爐風口區(qū)域煤的燃燒放到爐外，然后噴入高爐，使高爐噴煤系統(tǒng)簡化，造氣爐運用煤氣化原理，將煤的燃燒從高爐內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部，解決了高爐由于噴煤所帶來的問題，使得高爐順行，提高生產(chǎn)效率[1-6]。

煤粉燃燒動力學對燃燒設(shè)備的設(shè)計和運行都起著至關(guān)重要的作用，能夠從本質(zhì)上反應煤粉燃燒特性的本質(zhì)。國內(nèi)外很多學者對此做了大量的研究[7-11]。因為本研究是在新工藝的基礎(chǔ)上開展，雖然眾多學者對煤燃燒動力學的研究很多，但并不滿足新工藝反應狀態(tài)，因此并不具有代表性。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

煙煤、無煙煤，兩種煤工業(yè)分析見表1。

表1 煤樣工業(yè)分析Table 1 Analysis of coal powder industry

二氧化碳、氮氣和氧氣均為瓶裝氣體。高溫懸浮態(tài)氣固反應實驗臺(如圖1所示)，自制。

PTQ-A30型天平。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental facility1.計算機；2.熱電偶；3.熱天平；4.反應管；5.樣品；6.加熱體；7.剛玉球；8.流量計；9.混氣瓶；10.CO2；11.N2；12.O2

1.2 實驗方法

將煤樣用制樣機破碎，制成粒徑為0.15 mm的煤粉。然后利用圓盤造球機進行造球。采用電阻絲編制的小籃盛放煤球，在管式爐上搭接一個可以容納天平的支架，天平下部設(shè)有掛鉤，將小籃與天平通過電阻絲與掛鉤相連，放入管式爐內(nèi)，使其懸??；升溫前向管式爐內(nèi)通入保護氣體N2，流量為5 L/min。待排凈管式爐內(nèi)空氣后，利用控制程序以10 ℃/min的升溫速率進行升溫。待管式爐內(nèi)達到1 000 ℃，停止升溫，15 min后通入O2+N2的混合氣體，氣體總流量為5 L/min，用熱天平實時記錄試樣的失重曲線。實驗反應時間為2 h，2 h后停止通入混合氣體并保存數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧濃度對燃燒的影響

實驗方案見表2，不同氧濃度下的燃燒率與時間關(guān)系見圖2。

表2 工藝參數(shù)實驗方案Table 2 Scheme of process parameters experiments

圖2 不同氧濃度下的燃燒率曲線Fig.2 Burning rate curves at different oxygen concentrations

由圖2可知，隨著氧濃度的增加，煤完全燃燒所用時間逐漸變短。氧濃度51%時，反應時間最短，煤球燃燒率變化最快，為30 min。這是由于氧氣為反應氣體，當反應氣體增加時，有利于碳原子與氧原子的接觸，改善了動力學條件，使得反應速率提高，有助于燃燒反應正向進行，致使其反應時間減少。

2.2 燃燒反應動力學

2.2.1 動力學模型 為了更全面的了解煤燃燒反應規(guī)律，國內(nèi)外大多數(shù)學者采用動力學模型預測其反應進程，其中最簡單的為體積反應模型和未反應核反應模型，已被大多數(shù)研究者采用，且與實驗數(shù)據(jù)符合良好[12]。郭文濤等[13]利用未反應核模型較為詳細的描述了燃燒反應的動力學，本研究在其模型的基礎(chǔ)上，對該實驗進行了動力學分析。假設(shè)煤球反應期間形狀、密度保持不變，該反應為一次性不可逆的，當達到穩(wěn)定狀態(tài)后，每個步驟反應速率相等。動力學模型表達式為：

(1)

式中kg——氣相邊界層的質(zhì)量傳質(zhì)系數(shù)，mol/min；

r0——試樣的初始半徑，m；

De——反應氣體在產(chǎn)物層的有效擴散系數(shù)，m2/min；

k+——反應速率常數(shù)；

ρC——固定C含量，mol/m3；

t——化學反應時間，min；

X——t時刻試樣的失重率，其求解方程為：

(2)

式中，m0為加入的試樣重量；mt為反應t時刻試樣的重量；C為固定C含量。

2.2.2 動力學分析 煤燃燒動力學模型經(jīng)轉(zhuǎn)變得到3個控制方程，分別為外擴散控制，化學反應控制，內(nèi)擴散控制。

分別作t-X、t-[1-3(1-X)2/3+2(1-X)]、t-[1-(1-X)1/3]的線性擬合，比較3條擬合直線的擬合度，擬合度高的為本實驗的限制性環(huán)節(jié)。

不同氧濃度煤燃燒反應3個環(huán)節(jié)的擬合曲線見圖3。

圖3 不同O2濃度下3個環(huán)節(jié)的線性擬合Fig.3 Linear fitting of three links under different O2 concentrations

由圖3可知，氧濃度為26%時，外擴散、化學反應和內(nèi)擴散3個環(huán)節(jié)的擬合度分別為0.985，0.975和0.914，內(nèi)擴散環(huán)節(jié)擬合度最低，而外擴散和化學反應環(huán)節(jié)的擬合度很高且極為接近，故氧濃度為26%時，外擴散和化學反應為限制性環(huán)節(jié)，為混合限制。隨著氧濃度的提高，內(nèi)擴散環(huán)節(jié)的擬合度波動范圍在0.90～0.94之間，擬合度較低，而外擴散和化學反應兩個環(huán)節(jié)的擬合度波動范圍在0.97～0.99之間，擬合度很高且相差極小，外擴散和化學反應為限制性環(huán)節(jié)，為混合限制，即氧濃度的變化在總體上并不能改變該反應的限制性環(huán)節(jié)。

由于本實驗是在高溫狀態(tài)下進行，考慮到煤球在最開始通氧的狀態(tài)下反應非常劇烈，而反應最后階段相對緩慢，故本研究采取分段的方式來判斷該反應的限制性環(huán)節(jié)，根據(jù)通氧量的不同及反應時間的長短，將每組實驗按反應時間平均分為兩部分，即反應初期和后期。分別對不同氧濃度實驗所得數(shù)據(jù)進行整理后擬合，得出3個環(huán)節(jié)在反應初期和后期的擬合度R2見表3。

表3 不同O2濃度下3個環(huán)節(jié)分階段擬合度Table 3 Different stages of fitting of three linksunder different O2 concentrations

由表3可知，在反應前期，外擴散和化學反應的擬合度極高，均在0.989～0.999之間，而內(nèi)擴散擬合度相對較低，在0.884～0.943之間，很顯然，在反應前期為外擴散和化學反應共同限制；在該反應后期，外擴散和化學反應的擬合度有所降低，但幅度微乎其微，仍然保持在0.971～0.999區(qū)間范圍內(nèi)，而內(nèi)擴散擬合度明顯升高，從0.884～0.943區(qū)間提高到0.959～0.986區(qū)間內(nèi)，說明在反應后期，內(nèi)擴散對煤燃燒反應起到一定的限制作用，尤其在氧濃度為26%～36%時，內(nèi)擴散與化學反應的限制程度十分接近，而在氧濃度41%～51%范圍內(nèi)，內(nèi)擴散同樣起到一定的限制作用，但是并沒有外擴散和化學反應環(huán)節(jié)限制的作用大。

3 結(jié)論

對煤在不同氧濃度下進行燃燒實驗，并利用未反應核模型對限制性環(huán)節(jié)進行了確定，得出：

(1)隨著氧濃度由26%升高到51%，煤球完全燃燒時間逐漸縮短，燃燒率變化越來越快，氧濃度提高了1倍，其反應時間縮短了一倍多。工業(yè)上考慮到富氧的成本，可將氧濃度控制在36%～41%范圍內(nèi)。

(2)煤球燃燒反應的限制性環(huán)節(jié)為外擴散和化學反應兩個環(huán)節(jié)混合控制。在反應前期，限制性環(huán)節(jié)為外擴散和化學反應兩個階段，而在反應后期，尤其在低氧濃度下，除了外擴散和化學反應外，內(nèi)擴散也對反應起到一定的限制作用，其限制程度與化學反應階段十分接近，而在高氧濃度下，內(nèi)擴散同樣起到一定的限制作用，但是并沒有外擴散和化學反應環(huán)節(jié)限制的作用大。