超细煤粉着火特性的热重分析

第33卷第11期煤炭学报Vol 33 No. 112008年11月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY文章编号:0253-9993(2008)11-1292-04超细煤粉着火特性的热重分析魏砾宏,李润东,李爱民!,李延吉,姜秀民(1.沈阳航空工业学院清洁能源与环境工程研究所,辽宁沈阳110034;2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240摘要:采用热重法,分析了粒度、升温速率和氧气浓度对超细煤粉着火特性和燃烧特性的影响实验结果表明,减小煤粉粒度,增大氧气浓度有利于降低煤粉着火温度,増大煤粉的燃烧速率,提高超细煤粉燃烧性能。升温速率对煤粉的燃烧特性也有影响,随着升温速率的提高超细煤粉的着火温度升高,最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高关键词:超细煤粉;着火特性;失重;热分析中图分类号:TQ531文献标识码: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煤的着火特性是煤的重要性质,了解和掌握煤的着火特性可正确启动点火过程和正确运行动态优化控制,对于燃烧设备的启动和燃烧器的容量设计有很大的指导意义.目前煤粉的着火机制分为均相着火多相着火和均相一多相联合着火模式3种类型.影响着火的因素很多,除了加热速度和煤粉粒径外,还有煤种、煤质特性、环境氧浓度、加热条件、流动特性、煤粉颗粒间的相互影响等.超细煤粉是一种新的燃烧方式,在燃烧特性和污染物排放特性等方面与常规煤粉有较大不同,目前还未见到对超细煤粉着火特性的深入研究.本文主要研究了粒度、升温速率和氧气浓度对超细煤粉着火特性的影响,讨论其主要原因试验部分1.1样品的选取和制备实验采用鹤岗煤,经过碾磨(分为干磨和湿磨),制成细化和超细化煤粉,其中平均粒径在20μm以中国煤化工收稿日期:2007-11-29责任编辑:毕永华基金项目:国家高技术研究发展计划(863)基金资助项目(2002AA5270CNMHG(2004D079作者简介:魏砾宏(1975—),女,黑龙江五大连池人,副教授,博士.Tel:024-89723734,E-mal;weicheng@syuae.edu.cn第11期魏砾宏等:超细煤粉着火特性的热重分析上的试样采用干式研磨,平均粒径小于20μm的试样通过湿式球磨得到.鹤岗煤的工业分析和元素分析见表1表1鹤岗煤的工业分析与元素分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of testing coal samples工业分析/%元素分析/%煤种(代码)一鹤岗烟煤(HC)1.80520.85032.53044.8154.6780.8260.4873.104根据w(C)+w(H)+w(N)+(O)+(S)+A+Ms=100计算得到1.2热重分析本实验在日本岛津公司的60-H型热重差热同时分析仪上进行.采用5,10,20℃/min升温速率不同比例的氧气(99.99%)和氩气(99.999%)混合气体作为气氛气体,气体流量为50mL/min.首先在样品池中加入煤样,用高纯氬(99.999%)气吹扫0.5h以赶走炉体内的空气,再通入混合气体开始燃烧实验.为求各实验样品的着火温度,本文在上述表2实验样品的着火温度实验条件下,以高纯氩为气氛气体,相应进行了热Table 2 Ignition temperature of HG coals解实验粒径/比表面积质量/升温速率/氧气浓T1.3着火温度的确定(m2·g-1)嗶g(℃·min-1)度/%℃着火是由缓慢的氧化状态转变到反应能自动加8.718速到高速燃烧状态的瞬间过程,相对应的温度即为23.330081320着火温度,是衡量煤粉可燃性和火焰稳定性的一个35重要性质,记做T,本文采用失重微分曲线52.118.78420(DTG)分界点法和失重曲线(TG)分界点法的平043988952020均值作为超细煤粉的着火温度,即定义燃烧曲线与7.04.398.861热解曲线在TG和DTG曲线上的分界点温度值的平708.74070000均值为着火温度.各实验样品的着火温度见表22实验结果与讨论2.1粒度对着火温度的影响图1是粒径为70,23.3,35.9,56,2μm的鹤岗煤在20℃/min和20%氧气浓度下的燃烧特性曲线由图1(a)可知,对于粒径为7.0,23.3,35.9μm的鹤岗煤粉,TG曲线在整个燃烧过程中没有表现出较大差异,曲线有较多重合.而粒径为56.2μm鹤岗煤TG曲线与其它3个粒径煤粉相比明显向高温方向移动,说明粒度的增大,对煤粉的燃烧产生不利的影响由表2煤粉粒径与着火温度的关系可知,在7.0~60.0μm范围内,随着粒径的增大,煤粉的着火温度也随着提高,且呈线性关系:y=307.42+0.30x,R=0.97.这一结论与 Kizgut等2、张超群等的热天平试验结论及陈占军等利用煤粉气流着火温度测定装置的试验结果一致其原因在于,随着煤样粒径的减小,煤样的比表面积越大,平均表观活化能就越小,小粒径的煤粉更易达到着火温度.所以,减小粒径可以改善煤粉的着火特性,尤其对无烟煤、贫煤的意义更大.这与文献[6]的结论不同,文献[6]中利用热天平对粒度0088-0.300mm的兖州煤,在10℃/min,9%氧浓度的条件下,得到的是着火温度随粒径的增大基本保持不变的结论笔者认为主要原因V中国煤化工不同从图1()的x曲线可以看出,4个粒径媒粉在燃烧[ CNMHG真低温段的放峰由挥发分的燃烧产生,高温段对应的放热峰由固定碳燃烧广生.随着程位时瑁,前一个峰值逐渐减小,并与后一个峰值重叠,挥发分的着火与焦炭的着火时间间隔缩短,煤粉的着火模式由均相向非均相着2008年第33卷11007.0 um70μm,233m,562m曾047.0100+233um359μm23.3359m359μ400600800温度/℃图1不同粒径鹤岗煤燃烧特性曲线Fig 1 Combustibility curves of HG coals火模式过渡.因为随着粒径的减小,比表面积的增加,挥发分在低温段析出量增大,着火燃烧产生的热量增大,低温段放热峰增大.因此粒度的增加对400℃以前挥发分的析出不利,导致第1个放热峰随粒度的增加而减小,易燃组分和难燃组分在DTA曲线上的分界不明显2.2升温速率对着火温度的影响图2均为平均粒径70μm鹤岗煤在20%氧气浓度和不同升温速率条件下得到的燃烧特性曲线,如图2所示,随着升温速率的升高,TG,DrG,DA曲线均向高温方向偏移,即随着升温速率的提高,超细煤粉的着火温度升高.煤的导热性能较差,传热需要一定的时间,当升温速率增加时,所产生的热滞后现象越严重,高升温速率的样品内部不能及时升温挥发和分解,是造成高升温速率煤样着火温度升高的主要原因20℃min5℃20℃/minE-02l0℃/min10 C/minl0℃/min20℃/min020406080100120140温度/℃时间/min图2鹌岗7μm煤样不同升温速率下燃烧特性曲线Fig 2 TGA combustibility curves of HG coals如图2(b)所示,随着升温速率的提高,煤样的最大失重速率增大,达到最大失重速率的温度升高因为在较快的升温速率下,煤样内外存在温度差异大,当样品内部温度达到快速燃烧反应温度时,样品内部的化学反应条件比在低升温速率下的更充分,是导致其最大失重速率增大的主要原因图2(c)为不同升温速率下,7.0μm鹤岗超细煤粉的DTA曲线.由图2(c)可知,升温速率高的样品放热集中,反之分散2.3氧气浓度对著火温度的影响图3是7.0μm鹤岗煤在20℃/min,不同氧气浓度条件下的燃烧特性曲线.如图3所示,燃煤特性曲线具有较好的规律性,即随着氧气浓度的增加,TG,DG,DTA特性曲线向低温方向移动,超细煤粉的燃烧速率增大,最大失重速率增加,达到最大失重速率和燃中国煤化工由表2也可知,随着氧气浓度的增加,超细煤粉的着火温度降低,说明氧气应的表观活化能,并且加快挥发分和固定碳的燃烧反应速率CNMH(G+和固定碳氧化反、反,煤总氧化反应时间缩短,热重曲线前移第11期魏砾宏等:超细煤粉着火特性的热重分析12958p40060080060080000600800温度/℃图3鹤岗煤燃烧特性曲线(7.0μm,20℃/min)Fig 3 Combustibility curves of HG coals3结论(1)粒径是影响超细煤粉燃烧特性的重要因素.随着粒径的增大,实验样品的着火温度增大,最大失重速率及最大失重速率的温度降低,煤粉的着火模式由均相向非均相着火模式过渡,着火温度与粒径呈线性关系,直线方程为y=307.42+0.30x(2)升温速率对煤粉的燃烧特性也具有一定影响.随着升温速率的提高,超细煤粉的着火温度升高,最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高.升温速率的提高可使样品表面很快达到热分解的温度,热失重提前(3)随着氧气浓度的增加,超细煤粉的着火温度降低,燃烧速率增大,最大失重速率增加,达到最大失重速率和燃尽点的温度降低,放热集中参考文献[1]胡文斌,杨海瑞,吕俊复,等.煤着火特性的热重分析研究[J].电站系统工程,2005,21(2):8-12Hu Wenbin, Yang Hairui, Lu Junfu, et al. 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