趙炬明

(東北電力設(shè)計院 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法計算出反應(yīng)動力學(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，燃盡時間增加。

褐煤；燃燒；熱重分析

0 引言

我國褐煤儲量豐富，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)，通過計算反應(yīng)動力學(xué)參數(shù),可以進一步分析煤燃燒反應(yīng)機理和反應(yīng)特性，為煤燃燒利用提供有價值的信息[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)，進行反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)計算。

1 熱天平實驗

1.1 實驗樣品選取和制備

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 實驗工況

熱重分析儀為瑞士Mettler-Tolerdo公司生產(chǎn)的TGA/SDT851e型熱重分析儀。實驗中，將15 mg左右的煤樣置于熱天平坩堝中，用50 mL/min的氮氣吹掃熱天平，整個吹掃過程進行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，而對于煤粉而言，溫度達到1 273 K時燃燒已趨于反應(yīng)完全，達到1 273 K之后再恒溫一段時間，是為了使反應(yīng)更充分。因此這兩個階段在數(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時的重量為燃燒樣品的初始重量，1 273 K為燃燒終點，此時的重量為燃燒樣品的最終重量。

2 實驗結(jié)果及分析

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

(1)

式中m0——樣品失水結(jié)束的質(zhì)量；

mt——某一時刻樣品的質(zhì)量；

m——反應(yīng)結(jié)束時樣品的質(zhì)量。

由試驗數(shù)據(jù)獲得樣品在4個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，升溫速率會影響到某一溫度時煤樣的剩余質(zhì)量，升溫速率越高，在某一溫度時剩余質(zhì)量越大；同時隨著升溫速率的提高，燃燒失重速率明顯增大，完成整個燃燒的時間會相應(yīng)縮短。

而從表2里的數(shù)據(jù)可以看到，在4個不同的升溫速率下，煤樣的著火溫度(確定方法見文獻[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，煤粉著火提前，著火溫度隨之降低漸趨明顯。升溫速率對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%時所對應(yīng)的溫度)隨之增大，這是因為升溫速率越大，從室溫加熱到反應(yīng)終點溫度所需時間越小，雖然溫度高，但時間不夠，沒有燃盡，而且在高溫條件下，燃燒處于擴散區(qū)，由于沒有煤粉和空氣的混合過程，就顯得燃盡溫度高。

3 燃燒動力學(xué)分析

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

Cumming[9]、劉輝[10]等人的研究也表明一級反應(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，升溫速率會影響到某一溫度時煤樣的剩余質(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)對燃燒反應(yīng)的動力學(xué)分析表明,錫林浩特褐煤熱天平燃燒反應(yīng)為一級反應(yīng),燃燒反應(yīng)分為兩個階段,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].動力工程,2006,26(1):121-124.

[2]朱群益,李瑞揚,秦裕琨,等.煤粉燃燒反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的試驗研究[J].動力工程,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.熱分析動力學(xué)[M].2版.北京:科學(xué)出版社,2008.

[5]熊友輝,孫學(xué)信.動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.

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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

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

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

TK16

A

1002-6339 (2014) 06-0527-03