煤粉預(yù)熱燃燒特性及動力學(xué)分析

左啟偉 蒼大強 安霞 趙軍 楊靜波

摘要：實驗利用熱重天平，采用非等溫燃燒方法研究了國內(nèi)某煉鐵廠高爐噴吹的典型煤粉預(yù)熱后燃燒特性及反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)。考察了煤粉在423，473，523，573，623，673，723，773 K 溫度等級下，煤粉試樣的燃點、燃燒峰值溫度、結(jié)束溫度、綜合燃燒特性指數(shù)（G）、燃燒峰值速率等動力學(xué)特征參數(shù)，計算了煤粉燃燒過程的活化能（E）和指前因子（A）。分析結(jié)果表明，北區(qū)煤粉在423～773 K不同溫度等級燃燒過程中，著火點溫度最多下降了240 K，失重峰溫度最多提前了263 K，最大燃燒速率最大幅度提升了1.29倍，燃燒特性指數(shù)最大為29.8倍；從動力學(xué)角度分析出兩段熱解活化能和指前因子之間均存在良好的線性擬合關(guān)系，煤粉燃燒為一級反應(yīng)；煤粉有明顯預(yù)熱效果溫度應(yīng)不低于673 K。

關(guān)鍵詞：冶金燃料；煤粉；預(yù)熱；燃燒；動力學(xué)參數(shù)

中圖分類號：TF5361文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-11；修回日期：2015-05-07；責(zé)任編輯：王海云

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51034008）

作者簡介：左啟偉（1980—），男，河北唐山人，博士研究生，主要從事煤粉燃燒方面的研究。

通訊作者：蒼大強教授。E-mail：cangdaqiang@metall.ustb.edu.cn

左啟偉，蒼大強，安霞，等.煤粉預(yù)熱燃燒特性及動力學(xué)分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2015，36（4）：431-436.

ZUO Qiwei， CANG Daqiang， AN Xia， et al.Combustion characteristics and kinetic analysis of preheating pulverized coal[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（4）：431-436.Combustion characteristics and kinetic analysis of

preheating pulverized coal

ZUO Qiwei1，2， CANG Daqiang1，2， AN Xia3， ZHAO Jun3， YANG Jingbo1，3

（1.School of Metallurgical and Ecological Engineering， University of Science &Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy， Beijing 100083， China； 3.Tangshan Iron and Steel Company Limited， Tangshan， Hebei 063016， China）

Abstract：Experimental research on non-isothermal combustion characteristics and dynamics parameters of applied pulverized coal under preheating domestically is conducted with a thermo gravimetric balance. The combustion characteristic parameters such as ignition temperature， peak temperature at maximum weight loss rate， burnout temperature， general burn exponent（G）， and maximum combustion rate are studied under different preheating temperatures of 423， 473， 523， 573， 623， 673， 723 and 773 K. The activation energy （E） and frequency factor （A） are also calculated. The results show that for pulverized coal in the North Area， during the preheating process， when temperature varies from 423 K to 773 K， ignition temperature decreases by 240 K mostly， peak temperature at maximum weight loss rate decreases by 263 K at most， maximum weight loss rate increases as 1.29 times， and G increases up to 29.8 times. It shows that there is lining fit result between E and ln A， which proves that the reaction could be regarded as first order reaction. The combustion process behaves greatly when preheating temperature is over 673 K for the pulverized coal.

Keywords：metallurgical fuel； pulverized coal； preheating； combustion； kinetic parameters

以煤代焦是高爐節(jié)能降耗的重要途徑，而制約噴煤量的主要因素是煤粉的燃燒特性，因為煤粉在高爐的回旋區(qū)內(nèi)停留的時間只有十幾毫秒，燃燒時間短是限制噴煤量進(jìn)一步升高的一個主要因素[1]。過量噴吹煤粉不但會有大量的未燃煤粉進(jìn)入到高爐渣，還會惡化高爐的操作條件，降低煤粉替代焦炭的經(jīng)濟效益，致使高爐運行不暢，影響正常的生產(chǎn)秩序[2-5]。預(yù)熱可以提高煤粉燃燒速率，降低未燃煤粉含量，提高煤粉的利用率。

對煤粉預(yù)熱燃燒的研究正處于起步階段[6-10]，國內(nèi)外學(xué)者對其燃燒過程特性及動力學(xué)參數(shù)等的分析比較少。劉仁生等[11]研究了煤粉預(yù)熱后的燃燒行為，趙俊東等[12]對煤粉在回旋區(qū)的預(yù)熱燃燒進(jìn)行了模擬，研究了回旋區(qū)不同位置的燃燒行為，而對高溫預(yù)熱燃燒特性及動力學(xué)研究則相對較少。

河北科技大學(xué)學(xué)報2015年第4期左啟偉，等：煤粉預(yù)熱燃燒特性及動力學(xué)分析 本文用熱分析方法[13-14]，對煤粉在不同的預(yù)熱溫度等級下進(jìn)行實驗，得到某企業(yè)北區(qū)煤粉燃燒的動力學(xué)曲線，分析北區(qū)煤粉的燃燒過程，解析燃燒過程的動力學(xué)參數(shù)，為煤粉在預(yù)熱條件下燃燒提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。

1實驗部分

1.1實驗原料

實驗用的煤粉來自國內(nèi)某鋼鐵企業(yè)北區(qū)高爐噴煤用粉，煤粉的工業(yè)分析及元素分析和彈筒發(fā)熱值如表1和表2所示，分析的方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212-2001，GB/T 214-2001。

表1煤粉工業(yè)分析

Tab.1Proximate analysis of pulverized coal

%

煤種工業(yè)分析w（固定碳/FCad）w（灰分/Aad）w（揮發(fā)分/Vad）w（水分/Mad）北區(qū)煤粉65.223.4827.823.48注：表中數(shù)據(jù)均為空干基。

表2煤粉元素分析及彈筒發(fā)熱值

Tab.2Element analysis and calorific value of pulverized coal

煤種元素分析w（Cad）/%w（Had）/%w（Oad）/%w（Nad）/%w（Sad）/%彈筒發(fā)熱值/

（MJ·kg-1）北區(qū)煤粉74.373.645.351.160.3627.1

1.2實驗設(shè)備及方法

北區(qū)煤粉燃燒實驗設(shè)備采用北京恒久儀器廠生產(chǎn)的HCT-3微機差熱天平，溫度控制精度為±0.5 ℃，主要由實驗天平、氣氛控制系統(tǒng)、自動采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。

煤粉經(jīng)200目（約74 μm）篩子篩分得到，經(jīng)激光粒度分析儀分析74 μm粒徑超過80%，在熱風(fēng)箱中105 ℃條件下干燥2 h。然后每次將10 mg煤粉試樣放入差熱天平的坩堝內(nèi)，放入通有氬氣保護(hù)氣氛的控溫爐中預(yù)熱，溫度設(shè)定為423，473，523，573，623，673，723，773 K共8個溫度等級，煤粉預(yù)熱時間為30 min，然后將坩堝放在差熱天平上。

向差熱天平通入適量的空氣，并以10 K/min的升溫速率升至目標(biāo)溫度，加熱過程中空氣流速為100 mL/min，煤粉加熱至燃燒完全，自動采集繪制系統(tǒng)將質(zhì)量與溫度信號繪制成TG和DTG曲線，顯示出煤粉在不同的預(yù)熱溫度等級下燃燒特性的變化。

1.3綜合特性燃燒指數(shù)及著火溫度確定

北區(qū)煤粉的燃燒狀況可以用綜合燃燒特性指數(shù)（S）來表征，該數(shù)值越大，說明燃燒特性越好，是一個綜合指標(biāo)[15]。S=dw/dtmaxdw/dtmeanT2iTf。 （1）式中，（dw/dt）max表示北區(qū)煤粉最大燃燒速率，%/min；（dw/dt）mean表示北區(qū)煤粉平均燃燒速率，%/min；Ti表示北區(qū)煤粉初始燃燒溫度，K；Tf表示北區(qū)煤粉燃盡溫度，K。

北區(qū)煤粉燃燒過程中著火溫度的確定方法[16]如圖1所示，該方法在熱分析中應(yīng)用廣泛。

圖1初始燃燒溫度與燃盡溫度示意圖

Fig.1Sketch map of ignition temperature and burn-out temperature

在DTG曲線最大值處做溫度軸的垂線，交北區(qū)煤粉熱重曲線于A點，通過A點作TG曲線的延長切線，交煤粉失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0（初始點）的水平直線于一點，C點所對應(yīng)的水平軸溫度Ti點就是北區(qū)煤樣的初始燃燒溫度，燃盡溫度Tf定義為北區(qū)煤粉失重質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%且穩(wěn)定時的溫度，即圖中E點，也是F點所對應(yīng)的失重溫度，燃燒時間定義為從開始著火溫度到質(zhì)量穩(wěn)定溫度所經(jīng)歷的溫度折算的時間。

2結(jié)果與討論

2.1煤粉在預(yù)熱條件下燃燒熱過程

北區(qū)煤粉在不同預(yù)熱溫度下燃燒的熱重曲線及熱重微商曲線如圖2和圖3所示。

圖2北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒熱重曲線

Fig.2TG curves of preheated pulverized

coal in the North Area

圖3各預(yù)熱溫度下的DTG曲線

Fig.3DTG curves of pulverized coal preheated

under different temperatures

由圖2的熱重對比曲線可以看出，預(yù)熱溫度越高，熱重曲線前移，北區(qū)煤粉在低于623 K的預(yù)熱溫度燃燒過程中，預(yù)熱改善幅度比較小，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到673 K，煤粉燃燒過程明顯改善，燃燒行為提前，燃燒速率增加。

2.2預(yù)熱燃燒特性分析

在北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒過程中，揮發(fā)分受熱析出，大量揮發(fā)分的存在使得燃燒變得更容易，文獻(xiàn)＼[17]與文獻(xiàn)[18＼]表明，對揮發(fā)分析出有顯著影響的特征參數(shù)有：1）初始燃燒溫度Ti，K； 2）最大燃燒速率（dw/dt）max，%/min，該數(shù)值越大，表明燃燒過程越劇烈，燃燒速率越快；3）失重峰值溫度T1，K，該數(shù)值越小，表明燃燒高峰向低溫移動，越容易燃燒，著火溫度越低。待煤粉燃燒到結(jié)束階段，失重趨于恒定，表現(xiàn)在熱重曲線上為近平直的線段，此時定義為燃盡溫度Tf。

北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒過程的重要特征參數(shù)之一是初始燃燒溫度，用以表征煤粉著火的難易程度，是熱重分析中重要的特征參量，并以微分熱重曲線加以校核，雖有稍許差異，基本對確定初始燃燒溫度影響很小。

結(jié)果如表3所示，北區(qū)煤粉在從423～773 K的預(yù)熱燃燒過程中，初始燃燒溫度由663 K下降為423 K，下降了240 K，最大燃燒速率對應(yīng)溫度由701 K下降為438 K，下降了263 K，燃燒穩(wěn)定溫度由957 K改變?yōu)?60 K。北區(qū)煤粉前期燃燒效果改善較大，燃燒的中后階段改變也比較大。

表3北區(qū)煤粉不同預(yù)熱溫度下燃燒動力學(xué)參數(shù)

Tab.3Characteristic parameters of samples in the North Area under different preheated temperatures

預(yù)熱溫度/KTi/K T1/K（dw/dt）max/（%·min-1）（dw/dt）mean/（%·min-1）Tf/KS×10-8/（（%·min-1）2·K-3）4236637010.844 90.6759570.14473 6587071.590 60.8509660.325236607111.742 90.8639230.375736747142.781 40.8359530.546236776983.758 80.8469430.736734296444.234 30.8129451.987234254987.150 50.8809593.637734234388.152 10.8789604.17注：Ti為初始燃燒溫度；T1為矢重峰值溫度；（dw/dt）max為最大燃燒速率；（dw/dt）mean為平均燃燒速率；Tf為燃盡溫度。

圖4綜合燃燒特性指數(shù)變化趨勢

Fig.4General burn exponent trend

在北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒過程中，最大燃燒速率達(dá)到8.15 %/min，平均燃燒速率由0.68 %/min提高至0.88 %/min，提高了1.29倍，綜合特性燃燒指數(shù)變?yōu)?9.8倍。從圖4可以看出，在預(yù)熱溫度低于623 K時，綜合燃燒特性指數(shù)值較小，且變化緩慢，因此，北區(qū)煤粉的預(yù)熱溫度不應(yīng)低于623 K。

2.3北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒動力學(xué)分析

2.3.1北區(qū)煤粉燃燒動力學(xué)計算

北區(qū)煤粉在非等溫、非均相燃燒過程中，燃燒速率dα/dt與反應(yīng)速率常數(shù)k和燃燒函數(shù)f（α）具有如式（1）所示的線性關(guān)系[19-20]，其動力學(xué)方程式為dα/dt=kf（α）=Aexp（-ERT）f（α）。 （2）式中：α為煤粉燃燒過程的燃燒率，%；A為反應(yīng)指前因子，min-1；E為反應(yīng)的活化能，kJ/mol；R為氣體常數(shù)；f（α）為煤粉燃燒動力學(xué)機制函數(shù)；T為燃燒率等于α?xí)r對應(yīng)的溫度，K；t為煤粉燃燒率為α?xí)r的升溫時間，s。f（α）描述為f（α）=（1-α）n， （3）式中，n為燃燒反應(yīng)級數(shù)。

燃燒率α的表達(dá)式為α=mi-mtmi-m∞， （4）式中mi，mt和m∞分別定義為反燃燒開始前、反燃燒時刻和燃燒結(jié)束時樣品的質(zhì)量。

溫速率表述為β=dTdt。 （5）將式（3）和式（5）代入方程（2），得到式（6）：dα（1-α）n=Aβexp-ERTdT。 （6）研究結(jié)果表明，煤粉燃燒反應(yīng)級數(shù)可以視為一級，因此，對式（6）進(jìn)行整理積分變換得到ln-ln（1-α）T2=lnARβE1-2RTE-ERT。 （7）對與煤粉燃燒反應(yīng)的溫度區(qū)間ERT≥1，（1-2RTE）≈1，所以式（7）第1項近似為常數(shù)，因此，對溫度的倒數(shù)（1/T）作圖，經(jīng)過線性擬合運算，可得線性方程表達(dá)式y(tǒng)=kx+b，其中斜率為k=-ER，截距為b=lnARβE，由此可以計算出北區(qū)煤粉燃燒的活化能E，由直線的截距計算出指前因子A。

2.3.2北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒動力學(xué)參數(shù)分析

北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒過程動力學(xué)特征參數(shù)求解需要分段求解，分界點為過程中最大燃燒速率對應(yīng)的溫度，由于煤粉在預(yù)熱過程中的燃燒模式不同，前一階段主要為揮發(fā)分燃燒，后一階段為半焦的燃燒，不同燃燒階段特性差異很大，所得動力學(xué)參數(shù)結(jié)果見表4，擬合結(jié)果見圖5。

表4北區(qū)煤粉不同預(yù)熱溫度下燃燒動力學(xué)參數(shù)

Tab.4Kinetics parameters under different preheating temperatures

預(yù)熱

溫度/K第1階段E/（kJ·mol-1）ln（A/min-1）R第2階段E/（kJ·mol-1）ln（A/min-1）R第3階段E/（kJ·mol-1）ln（A/min-1）R423112.079.260.992 354.674.260.984 7473102.388.460.993 857.774.480.977 3523107.718.740.986 955.724.330.988 457395.877.690.983 756.624.370.990 162391.897.330.741 647.883.870.986 5673207.7416.800.864 478.935.580.998 1723114.369.610.989 723.772.080.410 2141.609.120.993773107.048.840.992 8795.3355.510.894 6130.778.540.991注：沒有數(shù)據(jù)是因為在該溫度下不存在第3反應(yīng)階段。

圖5直線擬合圖

Fig.5Linear fit

由表4數(shù)據(jù)和圖5的擬合結(jié)果可以看出，北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒過程活化能與指前因子對數(shù)值存在良好的線性關(guān)系，兩者存在相似的變化趨勢，表明兩者之間存在著動力學(xué)互補關(guān)系。表4數(shù)據(jù)表明，當(dāng)預(yù)熱溫度為723 K時，曲線出現(xiàn)了第3個燃燒峰，究其原因可能為預(yù)熱溫度達(dá)到了半焦燃燒轉(zhuǎn)折溫度，由于預(yù)熱溫度越過半焦燃燒的臨界溫度，致使在后期半焦燃燒速率顯著增速。北區(qū)煤粉在不同預(yù)熱等級下燃燒可以視為一級反應(yīng)，二者遵循如下關(guān)系式：

ln A=kE+b ，

其中k和b為補償參數(shù)。

經(jīng)過擬合，可以得到：ln A=0.069 22E+0.947 83；R=0.997 38；說明具備較好的線性關(guān)系。

3結(jié)論

1） 北區(qū)煤粉在423～773 K不同溫度等級燃燒過程中，著火點溫度最多下降了240 K，失重峰溫度最多下降了263 K，最大燃燒速率最大幅度提升了1.29倍，燃燒特性指數(shù)最大為29.8倍。

2） 北區(qū)煤粉有明顯的預(yù)熱燃燒效果，其預(yù)熱溫度應(yīng)不低于623 K。

3） 北區(qū)煤粉預(yù)熱燃燒過程動力學(xué)參數(shù)活化能E與指前因子A對數(shù)值存在著關(guān)系式ln A=0.069 22E+0.947 83，煤粉的燃燒反應(yīng)級數(shù)為一級，存在動力學(xué)補償效應(yīng)。

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