氧濃度和升溫速率對(duì)煤泥燃燒特性影響的實(shí)驗(yàn)研究＊

張曉婉，周 宇，龔德鴻，強(qiáng) 睿

（1.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553001；2.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

煤泥是煤炭洗選的副產(chǎn)品，具有粒徑小、含水率高、持水性強(qiáng)、熱值低、不便運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)，以往常被露天堆放或回填礦坑處理，不僅會(huì)造成能源的浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。選煤被認(rèn)為是原煤燃燒前的有效凈化技術(shù)手段，促使了煤泥的產(chǎn)量不斷增加，關(guān)于煤泥的綜合利用已有大量學(xué)者進(jìn)行了研究。曹允業(yè)等[1]采用煤泥替代煤粉作為低品位難選鐵礦石-高磷鮞狀赤鐵礦的還原劑，李國斌[2]采用煤泥制備煤泥顆?；钚蕴?，司玉成[3-4]采用黃陵礦區(qū)煤泥制備13X型和4A型分子篩。而燃燒才被認(rèn)為是解決煤泥工業(yè)化綜合利用的最佳處理方式[5-6]，將含水煤泥通過柱塞泵或脫水干燥后送至循環(huán)流化床鍋爐中與其他煤種混合燃燒，制備成煤泥水煤漿投入改裝后的鍋爐中燃燒[7-8]，或與加工處理后的生物質(zhì)制備煤泥生物質(zhì)型煤燃燒。本文針對(duì)貴州某電廠內(nèi)所取煤泥，在熱重-質(zhì)譜（TG-MS）聯(lián)用系統(tǒng)中進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行燃燒特性和產(chǎn)物析出特性分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)煤泥為貴州六盤水煙煤洗選產(chǎn)生的副產(chǎn)品，為貴州盤縣某電廠流化床鍋爐的燃料，原始樣的含水率約為40%，取適量原始樣于105℃的電熱鼓風(fēng)箱內(nèi)干燥2 h至恒重，置于空氣中冷卻至常溫后充分研磨后裝入密封瓶保存?zhèn)溆?。?為其工業(yè)分析和元素分析。

表1 煤泥的工業(yè)分析和元素分析（單位：%）

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件

實(shí)驗(yàn)在熱重-質(zhì)譜（TG-MS）聯(lián)用系統(tǒng)中進(jìn)行，該系統(tǒng)由STA409PC熱分析儀和QMS403質(zhì)譜儀組成。每次實(shí)驗(yàn)?。?0±0.5）mg煤泥粉末于坩堝中送入熱分析儀，以流量為12 mL/min的氧氣和48 mL/min的氬氣模擬空氣，12 mL/min的氬氣作為保護(hù)氣。實(shí)驗(yàn)共分為兩組：一組是以氧濃度為變量，在20 K/min的升溫速率下，氧濃度分別設(shè)置為10%、15%、21%、25%、30%；另外一組是以升溫速率作為研究變量，在21%的氧濃度條件下，分別設(shè)置10 K/min、20 K/min和30 K/min三種不同的升溫速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱重曲線分析

2.1.1 氧濃度對(duì)燃燒曲線的影響

圖1為煤泥在20 K/min升溫速率下，不同氧濃度時(shí)的TG、DTG曲線。

圖1 不同氧濃度下煤泥燃燒時(shí)的TG、DTG曲線

以21%氧濃度下的燃燒曲線為例，其燃燒過程可以分為以下幾個(gè)階段：常溫至200℃間，TG曲線下降約5%，此階段主要是煤樣自身水和一些小分子裂解揮發(fā)；200～360℃間，TG曲線出現(xiàn)向上增加的趨勢(shì)，為煤中環(huán)狀結(jié)構(gòu)大分子斷鍵后產(chǎn)生的孔隙吸附氧氣所導(dǎo)致的增重；360～800℃間，TG曲線從95%左右迅速下降到約60%，為揮發(fā)分和固定碳燃燒過程，對(duì)應(yīng)DTG曲線上的兩段失重峰。對(duì)比不同工況下的曲線可知，氧濃度對(duì)煤泥燃燒中的固定碳和揮發(fā)分燃燒階段影響較為明顯。隨著氧濃度增大，DTG曲線中的最大失重峰值溫度向低溫區(qū)移動(dòng)。

2.1.2 升溫速率對(duì)燃燒曲線的影響

圖2為煤泥在21%氧濃度下，升溫速率分別為10 K/min、20 K/min、30 K/min時(shí)的TG、DTG曲線，其燃燒過程與不同氧濃度下的煤泥燃燒情況相似。隨著升溫速率增加，DTG曲線逐漸向高溫區(qū)移動(dòng)，這是由坩堝和煤樣較差導(dǎo)熱性延緩傳熱傳質(zhì)所導(dǎo)致。升溫速率的增加能促進(jìn)揮發(fā)分的析出和固定碳的燃燒，最大失重速率明顯增大。

圖2 不同升溫速率下煤泥燃燒時(shí)的TG、DTG曲線

2.2 燃燒特性分析

針對(duì)煤泥的燃燒特性，采用可燃性指數(shù)Cb、燃燒穩(wěn)定性指數(shù)G和綜合燃燒指數(shù)S等燃燒指標(biāo)進(jìn)行描述[9]：

式（1）（2）（3）中：（dw/dt）max為最大燃燒失重率，%/min；θi為著火溫度，℃；θmax為峰值溫度，℃；（dw/dt）mean為平均燃燒失重率，%/min；θh為燃燼溫度，℃。

表2為煤泥在不同燃燒條件下的基本燃燒特性參數(shù)。通過表2可知，當(dāng)氧濃度從10%增加到30%時(shí)，煤泥的著火溫度從485.3℃降低至468.1℃，這是因?yàn)檠鯘舛鹊奶嵘龠M(jìn)了煤泥對(duì)氧氣的吸附，從而降低煤泥中揮發(fā)分和固定碳氧化反應(yīng)的表觀活化能，使煤泥更容易著火燃燒[10]，著火時(shí)間的提前使得峰值溫度和燃燼溫度均向低溫區(qū)移動(dòng)；根據(jù)質(zhì)量作用定律和傳質(zhì)過程擴(kuò)散控制理論，較高的氧氣濃度及反應(yīng)界面與外界較大的氧濃度差能加快揮發(fā)分和固定碳的反應(yīng)速率，使最大燃燒失重率從5.52%/min增大到6.33%/min，平均燃燒失重率從4.28%/min增大到4.64%/min，可燃性參數(shù)、燃燒穩(wěn)定性系數(shù)和綜合燃燒特征參數(shù)也相應(yīng)增大，表明增加氧濃度能提高煤泥的燃燒特性[11]。

表2 煤泥在不同燃燒條件下的基本燃燒特性參數(shù)

針對(duì)21%氧濃度下燃燒的煤泥，增大升溫速率，其著火溫度、峰值溫度、燃燼溫度均增加，這是由以下兩個(gè)原因延遲其燃燒反應(yīng)過程所導(dǎo)致：煤泥在較高升溫速率下來不及分解或揮發(fā)釋放不及時(shí)，煤泥和坩堝較差的導(dǎo)熱性延長(zhǎng)了熱量傳遞到煤泥內(nèi)部的時(shí)間[12]。升溫速率的提高增大了煤泥內(nèi)外的溫差梯度，促進(jìn)熱量向內(nèi)部傳遞，使得煤泥的燃燒反應(yīng)進(jìn)行得更劇烈，最大燃燒失重率從3.37%/min增大到8.12%/min，平均燃燒失重率從2.39%/min增大到6.15%/min，可燃性參數(shù)、燃燒穩(wěn)定性系數(shù)和綜合燃燒特征參數(shù)也隨之增大。

2.3 燃燒產(chǎn)物生成特性分析

2.3.1 氧濃度對(duì)主要燃燒產(chǎn)物的影響

圖3為5種不同氧濃度下的煤泥在20 K/min升溫速率下燃燒生成CO2的離子流強(qiáng)度曲線。由CO2離子流強(qiáng)度曲線可知，在260℃之前，氧濃度對(duì)CO2析出特性的影響幾乎可以忽略不計(jì)，隨著反應(yīng)溫度升高，少量活化能較低的煤末和一些不穩(wěn)定的有機(jī)機(jī)構(gòu)斷裂形成的碳?xì)浠衔锇l(fā)生氧化反應(yīng)，使得CO2析出強(qiáng)度增加，在400℃左右時(shí)形成一個(gè)臺(tái)階后進(jìn)一步提升CO2生成速率，氧濃度為10%和15%時(shí)，CO2在553℃和552.6℃時(shí)到達(dá)析出峰，氧濃度為21%時(shí)，CO2在540.4℃時(shí)達(dá)到析出峰，氧濃度為25%和30%時(shí)，CO2在539.9℃和539.7℃時(shí)達(dá)到析出峰，析出峰的終止溫度也隨著氧濃度增大向低溫區(qū)移動(dòng)，這是由于氧濃度的增加提高煤泥燃燒性能所導(dǎo)致。

圖3 不同氧濃度下煤泥燃燒析出CO2的離子流強(qiáng)度曲線圖

2.3.2 升溫速率對(duì)主要燃燒產(chǎn)物的影響

圖4為三種不同升溫速率下的煤泥在21%氧濃度下燃燒析出CO2的離子流強(qiáng)度曲線。由CO2離子流強(qiáng)度曲線可知，在260℃前，CO2的析出強(qiáng)度幾乎可以忽略不計(jì)，當(dāng)CO2析出強(qiáng)度開始增大時(shí)，升溫速率對(duì)其析出強(qiáng)度的影響開始凸顯，在420℃時(shí)，30 K/min升溫速率下的CO2的析出強(qiáng)度約為10 K/min時(shí)的2倍。增大升溫速率引起的熱滯后現(xiàn)象使得CO2的析出向高溫區(qū)移動(dòng)，10 K/min、20 K/min、30 K/min升溫速率下的析出峰值溫度分別為517.7℃、540.4℃和555.3℃，析出峰的終止溫度以約40℃增加的速度向高溫區(qū)移動(dòng)。

圖4 不同升溫速率下煤泥燃燒析出CO2的離子流強(qiáng)度曲線圖

3 結(jié)論

通過研究得出以下結(jié)論：①煤泥的燃燒反應(yīng)過程隨著氧濃度增大向低溫區(qū)移動(dòng)，著火溫度、峰值溫度和燃燼溫度降低，失重率增大，可燃性參數(shù)、燃燒穩(wěn)定性系數(shù)和綜合燃燒特征參數(shù)增大；②增大升溫速率會(huì)延遲煤泥燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，著火溫度、峰值溫度和燃燼溫度升高，燃燒反應(yīng)加劇，失重率大幅度增大，燃燒性能明顯提高；③氧濃度和升溫速率的改變都會(huì)對(duì)煤泥燃燒析出CO2的離子流強(qiáng)度存在一定影響。