低氧氣氛下混煤自燃傾向性研究

馬金鳳，黃新章，薛治家，李洪濤，李　楠

(1.沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136; 2.河北科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

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低氧氣氛下混煤自燃傾向性研究

馬金鳳1，黃新章1，薛治家1，李洪濤2，李楠1

(1.沈陽工程學(xué)院 能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136; 2.河北科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018)

摘要：在低氧氣氛下利用熱分析技術(shù)進行了高揮發(fā)分混煤的慢速氧化特性實驗，借助動力學(xué)分析理論，計算得出低溫階段的動力學(xué)參數(shù)。計算結(jié)果表明，活化能和指前因子隨著反應(yīng)過程的深入而增加，與單煤相比，高揮發(fā)分混煤的自燃傾向性發(fā)生改變。實驗結(jié)果表明，吸氧增重階段主要為物理吸附，氧化放熱量很少；混煤的揮發(fā)分析出較單煤提前，著火溫度介于單煤之間。如果制粉系統(tǒng)中含氧量低于16%，可以達到高揮發(fā)分混煤的防爆效果。

關(guān)鍵詞：熱分析；高揮發(fā)分；混煤；動力學(xué)理論

在煙煤鍋爐摻燒褐煤的實際運行中，采取降低制粉系統(tǒng)的氧氣濃度，是防止制粉系統(tǒng)爆炸的十分有效的技術(shù)措施。國內(nèi)許多學(xué)者研究了煤炭的氧化與熱解特性。文獻[1-3]中針對粒度為150 μm左右的大顆粒，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%的空氣氣氛中開展了煤粉氧化自燃的研究工作。電站鍋爐中，以20～60 μm的煤粉居多，文獻[4-8]中針對該粒度范圍內(nèi)的煤粉研究了煤粉惰性條件下的熱解、高溫氧化條件下的燃燒特性和燃盡特性，而對低溫、低氧氣氛下混煤粉的慢速氧化自燃特性并未進行深入研究。針對具有高揮發(fā)分的霍林河褐煤和3種典型東北煙煤配制的混煤，根據(jù)文獻[9，10]中提到的國內(nèi)外高揮發(fā)分煤粉的防爆技術(shù)指標(biāo)，在文獻[11，12]的基礎(chǔ)上，應(yīng)用熱分析技術(shù)開展了在12%、14%和16%低氧氣氛下混煤的慢速氧化實驗及動力學(xué)分析，討論了高揮發(fā)分混煤的自燃傾向性。

1實驗部分

實驗在SMP/PF7548/MET/600W熱分析聯(lián)用儀上進行。25～200 ℃范圍內(nèi)升溫速率為2 ℃/min，200～650 ℃范圍內(nèi)升溫速率為10 ℃/min。低氧氣體積分?jǐn)?shù)選為12%、14%和16%。煤樣選用霍林河褐煤、阜新煙煤、撫順煙煤和鐵法煙煤，平均粒徑為45 μm ，煤樣的分析結(jié)果見文獻[12]，混煤比例及編號如表1所示。

2實驗結(jié)果及分析

以3#混煤為例，給出16%氧氣體積分?jǐn)?shù)下的熱分析實驗結(jié)果，如圖1所示；煤樣的氧化特性參數(shù)隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化如圖2所示。文獻[13,14]將煤粉的氧化過程分為水分蒸發(fā)及脫附失重階段(起始溫度～T1)、吸氧增重(T1～Ts)、受熱分解(Ts～Ti)、燃燒(Ti～T2)及燃盡(T>T2)階段。其中，Ts是揮發(fā)分初析溫度，Ti是著火溫度。

由圖1可見，在水分蒸發(fā)及脫附階段，煤的外在水分和內(nèi)在水分被蒸發(fā)，吸附在煤體內(nèi)部的氣體被脫附，煤樣在水分蒸發(fā)的同時也吸氧。由于水分蒸發(fā)失重量大于吸氧增重量，TG曲線直接呈下降趨勢。DSC曲線表現(xiàn)為負值，說明該階段煤樣處于吸熱狀態(tài)。

表1　混煤比例及編號

圖1　煤粉熱分析曲線

在吸氧增重階段，煤粉溫度升高，煤氧結(jié)合和碰撞的機會增大，活化分子增加，化學(xué)反應(yīng)速度加快。因水分蒸發(fā)及吸附氣體脫附，使得煤粉的孔隙增多且自由面增大，煤粉將快速吸氧，TG曲線呈上升趨勢。如果此階段煤主要是化學(xué)吸氧和化學(xué)反應(yīng)耗氧，放熱量將增加，DSC曲線會隨著氧化溫度的升高而上升。而圖1中DSC曲線隨著溫度的升高先下降，接近吸氧增重結(jié)束時才呈現(xiàn)上升的趨勢，這說明煤的吸氧方式主要為物理吸附，化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)的氧化放熱量很少，表明制粉系統(tǒng)中含氧量低于16%，可以預(yù)防高揮發(fā)分混煤的自燃爆炸。

煤粉的自燃爆炸實質(zhì)上是揮發(fā)分與氧氣混合而形成的爆炸，揮發(fā)分初析溫度Ts對煤粉的自燃爆炸具有重要的影響。從圖2可以看出，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，由于揮發(fā)分的析出與氣氛條件和煤樣的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，使得各煤樣Ts的變化規(guī)律不一致，但1#～6#混煤的揮發(fā)分析出的溫度基本上低于相應(yīng)單煤，說明混煤揮發(fā)分的析出較單煤提前。

從圖2可以看出，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，著火溫度Ti逐漸降低，1#～6#混煤的著火溫度均介于相應(yīng)的單煤之間。隨著霍林河褐煤比例增加，混煤的著火溫度逐漸降低。與14%氧氣體積分?jǐn)?shù)相比較，16%氧氣體積分?jǐn)?shù)下各煤樣揮發(fā)分初析溫度和著火溫度降低值都低于9 ℃。

3動力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果及分析

文獻[13]提出煤的活化能和化學(xué)結(jié)構(gòu)在吸氧增重階段與煤的自燃機理有著本質(zhì)聯(lián)系，文獻[15]提出將45～70 ℃的活化能作為煤自燃傾向性的鑒定指標(biāo)。根據(jù)16%氧氣體積分?jǐn)?shù)下的熱分析實驗結(jié)果，針對水分蒸發(fā)及脫附階段和吸氧增重階段，分別進行了動力學(xué)參數(shù)的計算，具體計算方法見文獻[12]，結(jié)果如表2所示。

圖2　不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下氧化特性參數(shù)

煤樣溫度區(qū)間水分蒸發(fā)及脫附階段E/kJ·mol-1lnA/min-1r溫度區(qū)間吸氧增重階段E/kJ·mol-1lnA/min-1r霍林河褐煤25-123.23161.3658.420.9854123.23-220.99263.3064.900.9767撫順煙煤25-69.06273.09100.630.958469.06-283.50119.0426.180.9789阜新煙煤25-80.29250.5994.080.978780.29-279.50162.0538.050.9847鐵法煙煤25-81.79237.4388.530.985581.79-285.15149.2834.370.98201#混煤25-157.6787.1432.270.9825157.67-237.86357.9689.920.94562#混煤25-95.51196.9271.660.969595.51-252.18208.6850.490.95993#混煤25-116.11163.4858.620.9880116.11-228.33286.3269.920.95584#混煤25-167.0663.1825.760.9870167.06-238.81527.65159.650.98215#混煤25-104.33183.8466.860.9857104.33-242.33231.7556.500.95386#混煤25-96.85213.9678.260.959996.85-256.03201.5048.570.9714

由表2的計算結(jié)果可知，在水分蒸發(fā)及脫附階段，混煤的活化能E和指前因子A的排序規(guī)律如下：

E1#

E4#

E褐煤

lnA1#

lnA4#

lnA褐煤

與煙煤相比，撫順煙煤、阜新煙煤與霍林河褐煤摻燒時，混煤的活化能均減少。根據(jù)文獻[15]的觀點，高揮發(fā)分混煤的自燃傾向性存在增大的趨勢。

在吸氧增重階段，混煤的活化能E和指前因子A的排序規(guī)律如下：

E撫順

E阜新

E鐵法

lnA撫順

lnA阜新

lnA鐵法

混煤的活化能高于相應(yīng)的煙煤，根據(jù)文獻[13]的觀點，高揮發(fā)分混煤的自燃傾向性存在降低的趨勢。

4結(jié)論

1)實驗結(jié)果表明，16%低氧氣氛下高揮發(fā)分混煤的吸氧方式主要為物理吸附，化學(xué)吸附和氧化放熱量很少?；烀簱]發(fā)分的析出較單煤提前，著火溫度介于單煤之間；與14%氧氣體積分?jǐn)?shù)相比，16%氧氣體積分?jǐn)?shù)下混煤的氧化特征溫度降低值不大。將制粉系統(tǒng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)控制在16%，具有一定的防爆效果，對于煙煤鍋爐摻燒褐煤的工程應(yīng)用具有一定的參考價值。

2)在電站鍋爐實際運行中，高揮發(fā)分煤粉的一次風(fēng)溫位于水分蒸發(fā)及脫附階段的溫度區(qū)間。計算結(jié)果表明，該階段高揮發(fā)分混煤的活化能變小，自燃傾向性增大，在煙煤鍋爐摻燒褐煤時應(yīng)重視對制粉系統(tǒng)氧氣體積分?jǐn)?shù)的監(jiān)視和控制。

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(責(zé)任編輯張凱校對佟金鍇)

Spontaneous combustion tendency of blended coals in low oxygen environment

MA Jin-feng1,HUANG Xin-zhang1,XUE Zhi-jia1,LI Hong-tao2,LI Nan1

(1.School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province;2.Mechanical Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,Hebei Province)

Abstract：Experiment of oxidation characteristics with slow velocity of high volatile blended coals was investigated in the surroundings of low oxygen conditions,which gave three kinetic factors in the step of low temperature.The results of calculation show that the activation energy and pre-exponential factor increase with the reaction process and tendency of spontaneous combustion of the blended coal have changed.The experimental results show that the type of absorbing oxygen is mainly physical adsorption and calorific value is very small during increasing weight.Volatile of blended coal releases before single coal and combustion temperature of blended coal is between one and other single coals.If the oxygen content is below 16% in the milling system,explosion-proof effect on high volatile blended coal can be obtained.

Key words：Thermogravimetric Analysis; High Volatile; Blended Coal; Kinetic Theory

中圖分類號：TK124；TK224.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-1603(2016)02-0118-04

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.02.005

作者簡介：馬金鳳(1969-)，女，內(nèi)蒙古通遼人，副教授，博士，主要從事電站鍋爐煤粉燃燒研究工作。

收稿日期：2015-11-17