宁夏石沟驿煤气化残炭燃烧特性研究

.第36卷第3期煤炭转化Vol. 36 No. 32013年7月.COAL CONVERSIONJul. 2013宁夏石沟驿煤气化残炭燃烧特性研究李伟)李诗媛2) 任强强)吕清刚)包绍麟)摘要利用TG/DTA 6300型热分析仪研究了宁夏石沟驿谋的气化残炭的燃烧特性,从着火特性、燃尽特性和稳燃特性三个方面分析了升温速率、粒径和氧气浓度对气化残炭燃烧特性的影响，并采用正交实验分析了升温速率、粒径和氧气浓度三个因素对气化残炭燃烧特性影响的耦合作用.实验结果表明,提高升温速率可以改善气化残炭的燃尽特性;粒径的减小有助于气化残炭的着火;氧气浓度的增加对改善气化残炭燃烧特性有明显的作用,但这种改善效果随氧气浓度的增加而减弱;升温速率对气化残炭的着火特性影响最大,而氧气浓度对气化残炭的燃尽特性和稳燃特性影响最大. .关键词气化残炭 ,热重分析,燃烧特性中图分类号TQ534 ,X7841实验部分0引言1.1 实验原料煤炭气化是一种清洁高效的煤炭利用形式.循环流化床气化技术以其传热效率高、温度分布均匀本研究采用的实验原料是宁夏石沟驿煤气化残和易于实现大型化等优点备受重视. [1气化残炭主炭,取自循环流化床气化炉旋风分离器后的煤气布要是指在循环流化床气化炉气化过程中旋风分离器袋除尘器,实验前未经任何预处理,气化残炭的工业未捕捉的飞灰,具有高灰分、低挥发分和粒度细等特分析和元素分析结果见表1. 原料属于宽筛分，中位点.为了实现煤的梯级利用,拟采用循环流化床燃烧粒径为66. 5 μm.技术对气化残炭进行再利用，在确定适合的燃烧方表1宁夏石沟驿煤 气化残炭的元素分析和工业分析Table 1 Ultimate and Proximate.analysis of the residue carbon案之前对气化残炭的燃烧特性进行研究是必要的，Ultimate analysis w /% ,adProximate analysis w /% ,ad笔者采用热重分析法[25]对气化残炭的燃烧特性进H行了研究.温度是循环流化床燃烧的一个重要 参数，29.61 0.121.98 28.62 3.22 1.35 67. 83热重分析中的升温速率虽然无法比拟实际情况,但1.2 实验仪器具有一定的参考价值.气化残炭的粒径细,在燃烧过程中旋风分离器无法捕集,导致气化残炭在炉内的实验采用TG/DTA 6300型热分析仪.停留时间短,燃烧效率低,因此粒径也是影响气化残1.3实验条件炭燃烧特性的一一个重要因素.富氧燃烧技术被认为实验过程中采用O2和N2的混合气模拟所需是一种非常有发展潜力的CO2捕集技术,笔者对不的反应气氛,气体流量为250mL/min,测量温度范同氧气浓度的气化残炭的燃烧特性进行了研究,为围为50 C~900 C,样品质量为7.0 mg.为了研究采用循环流化床富氧燃烧技术利用气化残炭提供基升温速率、粒径和氧气浓度对气化残炭燃烧特性的础的理论依托,并从着火特性、燃尽特性和稳燃特性影响,升温速率分别选取为10 C/min, 20 C/min三个方面分析升温速率、粒径和氧气浓度对气化细和30 C/min;粒径区间分别选择为0 μm~30 pμm,粉灰燃烧特性的影响.30 μm~45 μm,45 μm~63 μm,63 μm~90 μm,中国科学院战略先导科技专项资助项目(XDA07050300).中国煤化工1)博士生,中国科学院大学.中国科学院工程热物理研究所,100190北京;2)副研究员;.MYHC N M H G科学院工程热物理研究所,100190北京收稿8期:2012-11-09;修回日期:2013-01-14第3期李伟等宁夏石沟驿煤气化残炭燃 烧特性研究2.0一图5为不同粒径的气化残炭的着火温度.由图+2.25可以看出,在粒径为125 μm以下各粒径区间段，2 3.0-气化残炭的着火温度随粒径的增加而增加.原因是E 2.5粒径减小,气化残炭比表面积增加，传热速率强化，有利于气化残炭的着火. [9] 在氧气浓度为40%气氛15-10152025301.8下,气化残炭的着火温度随粒径的变化趋势与氧气Heating rate/ (C. min*')浓度为20%的气氛一致.图3 气化残炭的燃尽特性指标H,和稳燃特性指标R.与升温速率的关系Fig. 3 Relation between H，, Rw and heating rate00-H，oxygen concentration of 20%;●一 H, oxygenconcentation of 40%;口一-R. ，oxygen concentration of80F20%;O-- Rw, oxygen concentration of 40%图3中虚线为不同升温速率下气化残炭稳燃特56040-30 30~ 4545-6363-9090-125>125性指标.由图3可以看出,在氧气浓度为20%时,稳燃Paricle size 1 μm特性指标随着升温速率的增加而减小，稳燃特性变差.图5粒径对气化残炭着 火温度的影响在氧气浓度为40%时,稳燃特性指标先下降后上升.Fig. 5 Influence of particle size on residuecarbon ignition temperature3.2粒径对 气化残炭燃烧特性的影响口一Oxygen concentration of 20%;OOxygen concentration of 40%图4为不同粒径的气化残炭的TG和DTG曲图6为不同粒径的气化残炭的燃尽特性指标和线.由图4可以看出,不同粒径区间的气化残炭的最稳燃特性指标.由图6可以看出,两个指标的变化趋大失重量有比较大的差别,63 μm~90 μm粒径区势和不同粒径的气化残炭的含碳量变化趋势-致，间的气化残炭最终失重分数达到44. 45%,而大于-2.4125μm粒径区间的气化残炭最终失重分数仅为2-16.4%.产生这种现象的原因是,本实验用的气化残炭没有经过任何的预处理,各个粒径区间的气化残H2.0炭的含碳量不同(见表2).0-30 30-4545-6363-9090-125>125图6气化残炭的燃尽特性指标 H和稳燃70-特性指标R.与粒径的关系0fFig.6 Relation between H;, Rw and particle size■-H, oxygen concentration of 20%;●一H, oxygen .”300450 600 750 900concentration of 40%;0--Rw，oxygen concentration ofT1C20%;O一Rw, oxygen concentration of 40%t说明气化残炭的含碳量对其燃尽特性和稳燃特性有9比较大的影响.当氧气浓度为20%时,燃尽特性和枣6稳燃特性最好的粒径区间都出现在63μm~90μm.对比氧气浓度为40%的情况,燃尽特性指标和稳燃特性指标的变化趋势相似,但是燃尽特性和稳燃特300 450 600 750 900性最佳的粒径区间增大到90 μm~125 μm,说明氧气浓度对提高大粒径的气化残炭的燃尽特性和稳燃图4不同粒径的气化残炭的 TG和DTG曲线特性更有效果. [10]Fig.4 TG and DTG curves of the residue carbon ofdifferent particle size3.3 氧气浓中国煤化工]影响0- -0 pm~30 pm;O-- -30 μm~45 μm;O- 45 pμm~63 μm;富氧燃炉MYHCNMHG有发展潜力的v一63 μm~90 pm;<-- 90 μm~125 pm;< - > 125 μmCO2捕集技术,氧气浓度的增加将导致气化残炭燃.22煤炭转化2013年烧特性的变化.图7为不同氧气浓度下气化残炭的氧气浓度的增加,氧气浓度对气化残炭燃烧特性的TG和DTG曲线.由图7可以看出，随着氧气浓度影响越来越小.的增加,气化残炭的TG和DTG曲线都向低温区移10动.氧气浓度从20%增加到100%,气化残炭的最大最2.32失重速率从6. 87 %/ min增加到10. 65%/min.-2.242.160-2.082040&80 I00g80fOxygen concentration/%70}图9气化残炭的燃尽特性指标H,和稳燃特性指标R与氧气浓度的关系6300500050 900T/CFig. 9 Relation between H，Rw and oxygen concentration2-■----H;O-R.3.4正交实验分析6t为了研究升温速率、粒径和氧气浓度这三个影官响因素对气化残炭燃烧特性影响的重要程度,设计了一个3因素3水平的正交实验[2],正交实验安排50 600 750900见表3,实验结果见表4.表3正交实验因素水平表图7不同氧气浓度下气化残炭的TG和DTG曲线Table 3 Orthogonal factorsFig.7 TG and DTG curves of the residue carbon ofdiffenent oxygen concentration0一-20%;O-FactorsOxygenHeating rate / Particle size /concentration /9(C●min- 1)图8为不同氧气浓度下气化残炭的着火温度.1200~4545~ 63由图8可以看出,氧气浓度对气化残炭的着火温度3063~90的影响比较明显.从氧气浓度20%增加到100%,气表4正交实验结果60(Table 4 Orthogonal experiment results590-ExperimentT:/CH,/ 10-R., 5805601.592.13， 570973.162.07风6.10560-876.762.212.1950 2040 600o836. 552.38434.702.436612. 862. 76图8氧气浓度对残炭的着火温度的影响8111.642.28Fig. 8 Influence of oxygen concentration on residuecarbon ignition temperature表5~表7分别为着火特性、燃尽特性和稳燃化残炭的着火温度降低了43 C ,气化残炭的着火特特性的正交实验结果的分析.由表5~表7的极差性得到了一定的改善.当氧气浓度从20%调整到一项可以得出结论:升温速率对气化残炭的着火特30% ,着火温度降低了10 C,占总温度降的25%,性的影响最大;氧气浓度对气化残炭的燃尽特性和趋势最为明显.稳燃特性的影响最大.图9为不同氧气浓度下气化残炭的燃尽特性指表5着火特性的正交实验结果的分析(C)标和稳燃特性指标.由图9可以看出,氧气浓度对残Table 5 Orthogonal test results of T;(C)炭的燃尽特性和稳燃特性都有明显的改善.当氧气- Average valuC浓度超过30%后,气化残炭的稳燃特性指标和燃尽K1中国煤化工569. 67K2588.33特性指标的变化趋势较为平缓.氧气浓度的增加可TYHCNMHG582.0以加快燃烧反应速率,改善燃烧特性11],但是随着Range analysis32. 3434. 6718. 66.第3期李伟等宁夏石沟驿煤气化残炭燃烧特性研究2:表6燃尽特性的正交实验结果的分析(10~*)Table 6 Orthogonal test results of H,(10~“)4结论Average valueK3. 624.357. 00K25.976. 877.121)提高升温速率会增加气化残炭的着火温度，9.738. 105.13改善其燃尽特性.Range analysis6.113.65.1. 992)粒径减小,有利于气化残炭的着火.表7稳燃特性的正交实验 结果的分析Table 7 Orthogonal test results of R.3)氧气浓度的增加对改善气化残炭的燃烧特BC_性有明显的作用.2.092.262.424)升温速率对气化残炭的着火特性影响最大，.2.262.342.192. 492. 242.23而氧气浓度对气化残炭的燃尽特性和稳燃特性影响0.400.100. 23最大.参考文献[1] 黄戒介,房倚天,王 洋.现代煤气化技术的开发和进展[J]燃料化学学报,2002 ,30(5) :385-391.[2]姜秀民,李巨斌,邱健荣. 超细化煤粉燃烧特性的研究[].中国电机工程学报,00020(6)071-78.3] 方立军,刘彦丰,惠世恩.煤焦燃烧模型的热重实验研究[J].燃烧科学与技术，2003 ,9(6) :535-538.[4] 孙晨亮.煤粒热解、着火燃烧的加压特性研究[D].南京:东南大学热能工程研究所.1997.5] 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.[6]朱群益,赵广 播,阮根健等.煤燃烧特征点变化规律的研究[J].热能动力工程,1997 ,12(5) :32334.4[7]肖三霞. 煤的热天平燃烧反应动力学特性的研究[D].武汉:华中科技大学,2004.[8]孙学信. 燃煤锅炉燃烧试验技术与万法[M].北京:中国电力出版社,00177-78.9] 刘辉,吴少华,赵广播等.煤粉粒度对元宝山褐煤燃烧特性的影响[].哈尔滨工业大学学报,2008,40(3) :419-422.[10]樊越胜,邹 睁,高巨宝等. 煤粉在富氧条件下燃烧特性的实验研究[].中国电机工程学报205,2<24).118-121[11]刘海华 ,张世红,陈汉平等.循环流化床锅炉飞灰残炭燃烧特性的实验研究[J]煤炭转化,2008,31(1) :61-65.[12]刘瑞江,张业旺,闻崇炜等.正交试验设计和分析方法研究[J].实验技术与管理,2010,27(9) :52-55.COMBUSTION CHARACTERISTICS OF RESIDUAL CARBON AFTERGASIFICATION OF COAL FROM NINGXIA SHIGOUYILi Wei Li Shiyuan Ren Qiangqiang Li Qinggang and Bao Shaolin(University of Chinese Academy of Sciences, 100190 Beijing; * Institute of EngineeringThermophysics, Chinsee Academy of Sciences, 100190 Beijing)ABSTRACT The thermal analysis instrument (TG/DTA 6300) is used to study the charac-teristics of residual carbon after gasification of coal from Ningxia Shigouyi. The effects of heatingrate, particle size and oxygen concentration on the combustion characteristics of residual carbonare investigated from three aspects, including ignition characteristics, burnout characteristics andstable combustion characteristics. Orthogonal experiments are conducted to study the couplingeffect of heating rate, particle size and oxygen concentration on residual carbon of gasification.Experimental results show that increasing heating rate can improve the burnout characteristics ofthe residual carbon, and the decrease in particle size contributes to the ignition of the residual car-bon. Increasing oxygen concentration plays an obvious role in improving the combustion charac-teristics of the residual carbon, while the improving effect will become weaker with the increasein oxygen concentration. The heating rate affects the ignition characteristics of the residual car-bon most, while the oxygen concentration has the greatest influence on the characteristics ofburnout and stable combustion of the residual carbon of gasific中国煤化工KEY WORDS residual carbon of gasification, TGA, com:TYHCNMHG.