恒溫下高灰分煤泥及其混煤燃燒動(dòng)力學(xué)分析

王 棟， 王春波， 鄭 菲， 岳 爽， 許紫陽(yáng)

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北省低碳高效發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 保定 071003)

0 引 言

中國(guó)是全球最大的產(chǎn)煤國(guó)和消費(fèi)國(guó)，在過(guò)去的30年里，中國(guó)煤產(chǎn)量增長(zhǎng)迅速，2020年原煤產(chǎn)量達(dá)39.0 億t，全年能源消費(fèi)總量為49.8 億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的56.8%[1，2]。煤炭在開(kāi)采和洗選過(guò)程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生煤泥等副產(chǎn)品，并且隨著我國(guó)采煤比例不斷加大，原煤入選量也隨之增大，導(dǎo)致煤泥產(chǎn)量也越來(lái)越高。煤泥的水分、灰分含量高，粘性大，且熱值低，這導(dǎo)致煤泥的貯存、運(yùn)輸和利用都十分困難[3]。同時(shí)，煤泥閑置堆棄還會(huì)占用大量土地從而浪費(fèi)大量公共資源，并且會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害[4，5]。研究表明，煤泥粒度較細(xì)，其顆粒粒徑大多小于0.5mm，風(fēng)干即飛揚(yáng)，會(huì)對(duì)周圍空氣造成粉塵污染；通過(guò)降雨淋溶和滲濾作用，煤泥中的重金屬等有害元素會(huì)進(jìn)入土壤和地下水，從而威脅人類健康；此外，煤泥的直接燃用會(huì)產(chǎn)生SO2、NOx等污染氣體及砷、汞等重金屬元素[6，7]，危害生態(tài)環(huán)境及人體健康。因此，針對(duì)煤泥的特點(diǎn)及對(duì)環(huán)境的影響等問(wèn)題，如何合理地大規(guī)模資源化利用煤泥成為研究的關(guān)鍵。

混煤摻燒是大型電站規(guī)?；妹禾抠Y源的一種趨勢(shì)。相較于單獨(dú)燃燒，一方面混煤摻燒可以改善劣質(zhì)煤低熱值引起的燃燒不穩(wěn)定等問(wèn)題，從而提高劣質(zhì)煤的燃燒效率；另一方面，局部磨損、易結(jié)渣、污染物排放濃度不達(dá)標(biāo)等常見(jiàn)問(wèn)題也能夠得到改善[8]。因此，煤泥與煤摻混燃燒，不僅可以有效解決化石燃料短缺的問(wèn)題，對(duì)煤泥資源化利用和污染控制有重要的科學(xué)意義，也符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。

王云雷等[9]對(duì)煤泥及其混煤進(jìn)行熱分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)木屑與煤泥摻燒可以有效改善煤泥的燃燒特性，降低反應(yīng)活化能，并且摻燒煤種煤質(zhì)成分與煤泥相差越大，對(duì)煤泥的燃盡性能影響效果越顯著。曹希等[10]研究發(fā)現(xiàn)玉米秸稈對(duì)煤泥的著火及燃盡性能有顯著促進(jìn)作用，并指出煤泥灰分中礦物質(zhì)的存在阻礙燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。羅正標(biāo)等[11]發(fā)現(xiàn)煤泥的燃燒特性與其煤質(zhì)成分關(guān)系密切，總體上高揮發(fā)分低灰分煤泥著火及燃盡性能表現(xiàn)更好。廖新杰等[12]研究了煤泥、矸石、末煤的單獨(dú)燃燒及混燃特性，發(fā)現(xiàn)通過(guò)摻燒能夠有效改善組分煤的燃燒特性，其中煤泥與末煤的摻燒效果最好。李文秀等[13]在O2/CO2氣氛下對(duì)煤泥和矸石進(jìn)行熱重分析，發(fā)現(xiàn)煤泥的摻入可以有效提高燃燒效率，改善矸石的燃燒性能。然而，目前針對(duì)煤粉燃燒動(dòng)力學(xué)的研究多采用商用TGA，其升溫速率通常為20～30℃/min，這與煤粉進(jìn)入高溫爐膛內(nèi)部迅速升溫(1000℃/min)并處于恒溫下燃燒實(shí)際情況差異較大，并不能真實(shí)反映煤粉進(jìn)入鍋爐爐膛后的燃燒反應(yīng)。

課題組自建恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效地彌補(bǔ)了TGA的不足，能夠較為真實(shí)的反應(yīng)煤粉進(jìn)入爐膛內(nèi)部高溫區(qū)域快速升溫并處于恒定高溫環(huán)境下的實(shí)際燃燒情況，從而得到更為接近實(shí)際情況的煤粉燃燒動(dòng)力學(xué)特性?；诖讼到y(tǒng)，針對(duì)高灰分煤泥進(jìn)行恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)，研究摻燒煤種、摻混比以及溫度等對(duì)煤泥燃燒特性的影響規(guī)律，并結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析，為大規(guī)模資源化利用煤泥提供一定理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品

實(shí)驗(yàn)選用寧東南煤場(chǎng)煤泥(MN)；兩種貧煤：常村(CC)和三元中能(SY)；兩種煙煤：九州天電(JZ)和海達(dá)偉業(yè)(HD)，工業(yè)分析及元素分析如表1所示。

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis of coal

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及過(guò)程

恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要設(shè)備包括：智能溫控管式爐(XY-1700)：提供精準(zhǔn)的恒溫環(huán)境，恒溫區(qū)200mm，在管式爐爐膛中部，溫度可調(diào)范圍為800～1 700℃，控溫精度±5℃；配氣系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)：分析天平(FA2004)、計(jì)算機(jī)、耐高溫支架、剛玉舟、導(dǎo)軌等。

圖1 恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Isothermal thermogravimetric experimental system

實(shí)驗(yàn)步驟為：將相應(yīng)煤種磨制、篩選粒徑范圍為80～120目，并按照單煤質(zhì)量比進(jìn)行摻混制得混煤試樣。實(shí)驗(yàn)時(shí)每次稱取80±2mg試樣，均勻平鋪于長(zhǎng)約80mm，內(nèi)壁寬約20mm的剛玉舟內(nèi)，通入氣體流量為0.16m3/h。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明，該流量可消除煤粉燃燒時(shí)氣體外擴(kuò)散阻力的影響[14，15]。進(jìn)行恒溫?zé)嶂胤治鰰r(shí)，將平鋪煤粉的剛玉舟快速放入恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)儀進(jìn)行熱失重實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)熱失重曲線的觀察，分析比較單煤和混煤的著火性能和燃盡性能。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)三次，選取偏差小于3%的并進(jìn)行加權(quán)平均。

1.3 熱重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

為準(zhǔn)確描述燃燒動(dòng)力學(xué)特性，定義可失重余額、整體余額參數(shù)；上述參數(shù)的具體定義如式(1)、式(2)所示：

可失重組分余額：

(1)

質(zhì)量變化率：

(2)

式中：m0為t= 0時(shí)初始時(shí)刻煤粉質(zhì)量，g；mt為t時(shí)刻的煤粉質(zhì)量，g；m∞為煤粉燃盡時(shí)的剩余質(zhì)量，g；mt+Δt為t+Δt時(shí)刻的煤粉質(zhì)量；α為可失重組分余額，%；v為質(zhì)量變化率，%·s-1。

以1 000℃、空氣氣氛下MN燃燒特性曲線為例。如圖2所示，其中，A點(diǎn)燃燒速率峰代表MN揮發(fā)分著火燃燒，出現(xiàn)時(shí)刻t1；B點(diǎn)燃燒速率峰是焦炭燃燒導(dǎo)致，出現(xiàn)時(shí)刻t2；C點(diǎn)表示燃盡時(shí)刻t3。

圖2 MN燃燒特性曲線Fig. 2 Combustion characteristic curve of MN

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單煤燃燒動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為探究MN及HD、JZ兩種煙煤、CC、SY兩種貧煤各自燃燒特性，首先對(duì)選取的5種煤樣在為1 000℃，空氣氣氛下進(jìn)行燃燒動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，單煤燃燒特性曲線如圖3所示。

圖3 單煤燃燒特性曲線Fig. 3 Combustion characteristic curve of single coal

由圖3可以看出，不同煤種的燃燒特性曲線存在顯著差異，但煤質(zhì)相近的HD、JZ煙煤，CC、SY貧煤，各自燃燒特性相近。其中MN燃燒初期燃燒速率較高，揮發(fā)分燃燒速率峰出現(xiàn)時(shí)刻為12s，峰值較高為1.08%·s-1，并且整體燃燒燃盡時(shí)間最短，僅為221s，這可能與MN可燃質(zhì)成分含量少有關(guān)；雖然MN燃燒初期揮發(fā)分析出快燃燒反應(yīng)速率高，但燃燒后期燃燒速率明顯變慢，這是因?yàn)镸N灰分含量高達(dá)66.34%，燃燒過(guò)程中高灰分會(huì)形成一層致密的灰殼[16]，阻礙焦炭與氧氣接觸，抑制燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致MN燃燒后期燃燒速率下降，燃盡困難。

HD、JZ兩種煙煤失重曲線近乎重合，燃盡時(shí)間介于MN和貧煤之間，煙煤燃燒開(kāi)始階段失重速率快，第一燃燒速率峰出現(xiàn)較早且峰值高，與MN相當(dāng)，HD、JZ的第一燃燒速率峰出現(xiàn)時(shí)刻分別為13s、15s，峰值分別為0.88 %·s-1，0.98 %·s-1，這是因?yàn)闊熋簱]發(fā)分含量高，在高溫環(huán)境中揮發(fā)分得以迅速析出并燃燒，導(dǎo)致燃燒初期燃燒速率快；HD、JZ第二燃燒速率峰出現(xiàn)在62s、65s，峰值為0.48 %·s-1、0.49 %·s-1，較MN出現(xiàn)時(shí)刻滯后且峰值較低，這是因?yàn)镠D、JZ煙煤揮發(fā)分含量36.64%、31.16%大于MN揮發(fā)分含量18.86%，并且揮發(fā)分析出燃燒一方面提高局部溫度，促進(jìn)焦炭燃燒，另一方面也會(huì)消耗大量氧氣，造成局部缺氧抑制焦炭燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致焦炭燃燒速率峰出現(xiàn)較晚且較低[17]。

CC、SY兩種貧煤失重曲線相對(duì)平緩并且接近，燃盡時(shí)間最長(zhǎng)，整體燃燒速率慢，第一、第二燃燒速率峰出現(xiàn)晚且峰值較低，CC、SY第一燃燒速率峰出現(xiàn)在50s、42s，峰值為0.43 %·s-1、0.47 %·s-1，而第二燃燒速率峰出現(xiàn)在100s、102s，峰值為0.41 %·s-1、0.46 %·s-1。貧煤揮發(fā)分含量低而焦炭含量高，燃燒開(kāi)始階段揮發(fā)分析出燃燒釋放熱量較少，為后期焦炭燃燒反應(yīng)的促進(jìn)效果不明顯，因此表現(xiàn)為燃燒速率慢、難燃盡。

綜上，煤泥、煙煤和貧煤燃燒反應(yīng)速率會(huì)受到揮發(fā)分、固定碳以及灰分含量的影響，其中煤泥受高灰分阻燃效果明顯，導(dǎo)致燃盡特性惡化。

2.2 MN摻燒煙煤燃燒特性

為探究摻燒煙煤對(duì)MN燃燒特性的影響，選擇HD、JZ兩種煙煤與MN進(jìn)行摻燒，摻混比例為75%、50%、25%，實(shí)驗(yàn)條件為1 000℃，空氣氣氛，結(jié)果如圖4所示。

圖4 HD-MN、JZ-MN燃燒特性曲線Fig. 4 Combustion characteristic curve of HD-MN and JZ-MN

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙煤摻入比例為75%時(shí)，兩種混煤失重曲線介于MN和煙煤?jiǎn)蚊菏е厍€之間，與HD、JZ煙煤相比曲線左移燃盡時(shí)間縮短，其中HD-MN混煤燃盡時(shí)刻提前20s，第二燃燒速率峰出現(xiàn)時(shí)刻由62s提前至50s，峰值由0.48 %·s-1提升至0.58%·s-1；JZ-MN混煤提前38s，第二燃燒速率峰由65s提前至53s，峰值由0.49 %·s-1升高至0.68 %·s-1。當(dāng)煙煤摻入比例為50%時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種混煤失重曲線與MN單煤接近，燃盡時(shí)刻相近，并且HD-MN、JZ-MN混煤的第二燃燒速率峰峰值為0.80 %·s-1、0.82 %·s-1，均高于煤泥的0.76 %·s-1，表明通過(guò)混煤使整體揮發(fā)分含量升高可以有效提高燃燒后期燃燒速率，從而改善MN的燃盡特性，減弱高灰分阻燃的影響。

當(dāng)煙煤摻入比例為25%時(shí)，失重曲線左移并超過(guò)MN，HD-MN、JZ-MN混煤的燃盡時(shí)刻較MN提前45s、31s，燃燒速率大幅提高，并且第二燃燒速率峰0.98 %·s-1、0.96 %·s-1大于MN的0.76 %·s-1，這可能是因?yàn)闊熋旱膿]發(fā)分含量高，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分優(yōu)先著火提高局部溫度，對(duì)燃燒反應(yīng)的促進(jìn)作用更強(qiáng)烈，從而有效改善MN燃燒特性。但當(dāng)高揮發(fā)分煤的摻燒比例大于25%，尤其在75%左右時(shí)，高揮發(fā)分煤先燃燒消耗氧氣，導(dǎo)致焦炭燃燒階段燃燒不充分，因此第二峰向后移動(dòng)，對(duì)混煤燃燒的抑制作用占主導(dǎo)作用，不利于改善混煤的燃盡[18]。

為進(jìn)一步探究煙煤摻混比對(duì)煤泥燃燒特性影響，選擇HD摻入比例為10%、35%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與0%、25%、50%進(jìn)行對(duì)比。

由圖5可以看出，HD煙煤摻混比例為25%時(shí)燃盡時(shí)間最短，當(dāng)摻混比例減小至10%時(shí)燃盡時(shí)刻滯后22s，摻混比例增大至35%燃盡時(shí)刻滯后32s，燃燒后期曲線差異明顯，摻燒比例為25%時(shí)燃盡效果較好，這是由于摻混 25%煙煤后，高揮發(fā)分的HD煙煤先燃燒提高燃燒區(qū)域局部溫度的促進(jìn)作用對(duì)混煤燃燒起主導(dǎo)作用，混煤的著火特性得到了明顯的改善。當(dāng)摻混比例減小時(shí)由于煙煤摻入量過(guò)小導(dǎo)致對(duì)MN燃燒特性影響不夠，進(jìn)一步提高比例時(shí)，出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象，對(duì)MN燃燒特性改善效果不明顯，相比下25%比例既解決了著火穩(wěn)定性，也對(duì)燃燒效率的影響相對(duì)較小。

圖5 HD-MN燃燒特性曲線Fig. 5 Combustion characteristic curve of HD-MN

綜上，當(dāng)煙煤摻入比例為25%時(shí)，失重曲線左移明顯，表明適量的加入高揮發(fā)分煙煤可以有效縮短MN燃盡時(shí)間，可以改善MN燃燒后期速率慢、難燃盡的問(wèn)題。

2.3 MN摻燒貧煤燃燒特性曲線

為探究摻燒貧煤對(duì)MN燃燒特性的影響，選擇CC、SY兩種貧煤與MN進(jìn)行摻燒，摻混比例為75%、50%、25%，實(shí)驗(yàn)條件為1 000℃，空氣氣氛，結(jié)果如圖6所示。

圖6 CC-MN、SY-MN燃燒特性曲線Fig. 6 Combustion characteristic curve of CC-MN and SY-MN

由圖6可以看出，兩種貧煤摻入比例為75%、50%、25%時(shí)，混煤燃燒特性曲線始終介于MN、CC與SY各組分煤之間，并且當(dāng)組分煤比例升高時(shí)失重曲線會(huì)向相應(yīng)的組分煤靠近。兩種貧煤摻入比例由25%升高50%、50%升高至75%時(shí)，失重曲線右移，其中CC-MN混煤燃盡時(shí)刻分別滯后49s、34s，SY-MN混煤燃盡時(shí)刻滯后19s、45s，CC-MN、SY-MN第一、第二燃燒速率峰出現(xiàn)時(shí)刻均滯后且峰值降低。CC、SY兩種貧煤揮發(fā)分含量低而焦炭含量高，通過(guò)混煤導(dǎo)致整體揮發(fā)分含量減少，導(dǎo)致燃燒開(kāi)始階段揮發(fā)分析出燃燒釋放熱量不足，為后期焦炭燃燒反應(yīng)的促進(jìn)效果不明顯，因此導(dǎo)致燃燒速率慢，燃盡時(shí)間長(zhǎng)。

綜上，摻燒貧煤對(duì)MN的燃盡時(shí)間及燃燒速率影響較弱，說(shuō)明固定碳含量高的貧煤摻入不能有效改善MN著火性能及燃盡性能，并且過(guò)量摻燒反而會(huì)惡化著火特性。

2.4 MN摻混不同煤種燃燒特性

為直觀地比較摻燒煙煤、貧煤對(duì)MN燃燒特性的影響，選擇煙煤、貧煤摻燒比例均為25%，實(shí)驗(yàn)條件為1 000℃，空氣氣氛，結(jié)果如圖7所示。

圖7 MN摻燒不同煤種燃燒特性曲線Fig. 7 Combustion characteristic curve of slime mixed burning with different kinds of coal

從圖7可以看出，通過(guò)摻燒不同煤質(zhì)的煤種，對(duì)MN的燃燒特性影響差異十分顯著。煙煤的摻入能有效縮短燃盡時(shí)間，減弱MN高灰分阻燃的影響，表明通過(guò)摻入揮發(fā)分含量高的煙煤會(huì)使混煤整體揮發(fā)分含量升高，而使得燃燒初期揮發(fā)分析出燃燒加快，揮發(fā)分燃燒使局部溫度升高，供給剩余焦炭的著火熱多，減弱高灰分阻燃的影響，從而能夠促進(jìn)剩余焦炭的燃燒反應(yīng)，HD-MN、JZ-MN的第二燃燒速率峰0.98 %·s-1、0.96 %·s-1均高于MN的0.76 %·s-1，燃盡時(shí)刻提前，燃燒速率上升，尤其燃燒后期燃燒速率有明顯提升，改善燃盡性能。

而貧煤的摻入對(duì)MN燃燒初期揮發(fā)分析出燃燒有一定的抑制作用，燃燒初期的燃燒速率甚至低于MN，第一燃燒速率峰有較MN右移滯后，峰值由MN的1.08 %·s-1降至CC-MN的0.77 %·s-1和SY-MN的0.80 %·s-1，同樣第二燃燒速率峰也滯后，CC-MN、SY-MN的峰值0.64 %·s-1、0.66 %·s-1低于煤泥的0.76 %·s-1，燃盡時(shí)刻滯后，惡化著火特性及燃盡特性。這可能是由于貧煤的摻入使得混煤整體揮發(fā)分減少，導(dǎo)致燃燒初期燃燒速率下降，并且揮發(fā)分燃燒提供著火熱不足，使得焦炭的燃燒反應(yīng)不能夠劇烈反應(yīng)，燃燒后期的燃盡特性沒(méi)有得到明顯改善。

綜上，對(duì)比摻燒煙煤和貧煤的實(shí)驗(yàn)表明，摻燒煙煤提高了混煤整體揮發(fā)分含量，使燃燒初期燃燒速率加快，同時(shí)，煙煤的摻燒能夠減弱高灰分對(duì)燃燒反應(yīng)的阻礙作用，從而促進(jìn)燃燒后期焦炭燃燒反應(yīng)，對(duì)MN燃燒特性改善顯著；而摻燒高固定碳的貧煤，對(duì)MN燃燒初期揮發(fā)分析出燃燒有一定的抑制作用，甚至惡化著火特性，使燃盡時(shí)間延長(zhǎng)。

2.5 不同溫度下混煤燃燒特性

為探究溫度對(duì)煤泥與煙煤混燃特性影響，選擇HD摻入比例為25%，在800℃、900℃、1 000℃、1 100℃、1 200℃下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同溫度下MN∶HD=3∶1燃燒特性曲線Fig. 8 Combustion characteristic curves of MN∶HD =3∶1 at different temperatures

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，在800℃至1 200℃區(qū)間內(nèi)，提高溫度能夠有效改善煤粉燃燒特性。隨著溫度的升高，燃燒特性曲線持續(xù)左移，燃盡時(shí)刻由250s提前至163s，燃燒速率升高，提高反應(yīng)溫度會(huì)使混煤反應(yīng)活性提高，揮發(fā)分析出促進(jìn)作用增強(qiáng)，并且升高溫度有利于焦炭的孔隙發(fā)展，從而增加與氧氣的接觸概率，促進(jìn)焦炭的燃燒[19]，從而改善混煤的著火特性及燃盡特性。

同時(shí)在圖中看出，在800℃至1 000℃區(qū)間內(nèi)，提高溫度對(duì)燃燒反應(yīng)影響更為顯著，失重曲線左移程度更加明顯，燃盡時(shí)刻分別提前33s、26s，此區(qū)間對(duì)燃燒初期燃燒速率影響較大，燃燒速率曲線峰出現(xiàn)時(shí)刻提前，升溫導(dǎo)致燃燒開(kāi)始階段揮發(fā)分析出加速，對(duì)焦炭的燃盡起到促進(jìn)作用，燃燒速率增大。1 000℃升溫至1 200℃時(shí)，失重曲線左移程度減小，燃盡時(shí)刻分別提前18s、10s。由于溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致灰分熔化，從而堵塞部分焦炭孔隙結(jié)構(gòu)[20]，并且在高溫下煤粉內(nèi)部溫度與外部環(huán)境溫度存在較大差異，這對(duì)煤粉孔隙的形成以及氧氣向煤粉顆粒的擴(kuò)散是不利的，從而導(dǎo)致升溫對(duì)促進(jìn)燃燒反應(yīng)的作用減弱。

3 燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

燃燒反應(yīng)活化能的計(jì)算對(duì)研究燃燒特性有著重要意義，能夠描述燃燒反應(yīng)進(jìn)行的難易程度以及燃盡特性等。為進(jìn)一步探究MN及煙煤、貧煤各自燃燒特性，利用lnln法求解燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)[21]，求解方法如下。

定義轉(zhuǎn)化率為。

(3)

等溫燃燒過(guò)程服從Avrami-Erofeev方程[22]：

(100-β)/100=e-ktn

(4)

將式(3)兩邊取雙對(duì)數(shù)可得

ln[-ln((100-β)/100)]=nlnt+lnk

(5)

式中：β為轉(zhuǎn)化率，%；k為反應(yīng)速率常數(shù)，s-1；t為反應(yīng)時(shí)刻，s；n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。將式(3)中l(wèi)n[-ln((100-β)/100)]對(duì)lnt作圖，得到一條直線，其斜率為反應(yīng)級(jí)數(shù)n，截距為反應(yīng)速率常數(shù)的對(duì)數(shù)值lnk。

根據(jù)Arrhenius定律可得

lnk=lnk0-(E/R)(1/T)

(6)

式中：k0為指前因子；E為反應(yīng)的活化能，kJ/mol；R為理想氣體常數(shù)，8.31×10-3kJ/(mol·K)；T為反應(yīng)溫度，K。在一定溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)的活化能數(shù)值不變。因此，可由lnk-(1/T)的直線關(guān)系，從直線斜率及截距求得活化能E和指前因子k0。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 煤樣燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.2 Combustion kinetics parameters of coal sample

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，同一溫度區(qū)間內(nèi)MN的表觀活化能為46.92 kJ·mol-1，介于煙煤與貧煤之間，這可能是由于煤泥燃燒后期高灰分阻礙燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致活化能較高。HD煙煤表觀活化能為23.26 kJ·mol-1，這是由于HD煙煤燃燒時(shí)揮發(fā)分的迅速析出燃燒可以增加煤粉顆粒表面空隙，增加與空氣的接觸，從而促進(jìn)煤粉的燃燒。CC貧煤表觀活化能為68.06 kJ·mol-1，這是由于其揮發(fā)分含量低而焦炭含量高，導(dǎo)致燃燒開(kāi)始階段揮發(fā)分析出燃燒釋放熱量不足，對(duì)焦炭燃燒反應(yīng)的促進(jìn)效果不明顯，CC貧煤燃燒反應(yīng)活化能較高，表現(xiàn)為著火困難、難燃盡。

圖9 活化能計(jì)算結(jié)果Fig. 9 Calculation results of activation energy

當(dāng)HD摻混比從75%下降至25%時(shí)，活化能由30.34 kJ·mol-1下降至23.26 kJ·mol-1，隨著摻混比繼續(xù)下降為10%時(shí)，此時(shí)混煤活化能略微升高為33.32 kJ·mol-1。一方面，這是可能是因?yàn)镠D的揮發(fā)分含量高，煤粉著火時(shí)揮發(fā)分優(yōu)先著火提高局部溫度，對(duì)燃燒反應(yīng)的促進(jìn)作用更強(qiáng)烈，從而有效改善MN燃燒特性；另一方面，高揮發(fā)分煤先燃燒消耗氧氣，導(dǎo)致焦炭燃燒階段燃燒不充分，出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象，不利于混煤的燃盡。而摻混比75%降至25%時(shí)，混煤燃燒過(guò)程中HD煙煤“搶風(fēng)”現(xiàn)象減弱，當(dāng)摻混比為25%HD時(shí)燃燒反應(yīng)活化能最低。而當(dāng)摻混比為10%HD時(shí)，對(duì)MN燃燒特性改善不明顯。

綜上，動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，MN表觀活化能介于煙煤和貧煤之間，這說(shuō)明高灰分會(huì)影響燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致活化能較高，不易燃盡；對(duì)比HD不同摻混比的表觀活化能可知，在摻混25%HD煙煤時(shí)活化能最低，混燃效果最佳。

4 結(jié) 論

利用恒溫?zé)嶂貙?shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)MN及其混煤燃燒特性進(jìn)行分析，探究了煤種摻混、摻混比、溫度等對(duì)MN燃燒特性的影響，結(jié)合lnln法對(duì)燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行求解，結(jié)論如下：

(1)不同煤質(zhì)煤種的燃燒特性曲線存在顯著差異，MN燃燒后期受灰分阻燃效果明顯，燃燒速率變慢；煙煤燃燒開(kāi)始階段燃燒速率快；貧煤失重曲線相對(duì)平緩并且接近，燃盡時(shí)間最長(zhǎng)，整體燃燒速率慢。MN的燃燒反應(yīng)表觀活化能高于煙煤，而低于貧煤。

(2)摻燒煙煤使混煤整體揮發(fā)分含量升高可以有效提高燃燒速率，并減弱燃燒后期高灰分阻燃的影響，使燃盡時(shí)刻提前；煙煤摻混比下降時(shí)表觀活化能也隨之降低，發(fā)現(xiàn)當(dāng)HD煙煤摻入比例為25%活化能最低，摻燒效果最好。

(3)摻燒貧煤使混煤整體固定碳含量升高，對(duì)煤泥燃盡時(shí)間及燃燒速率改變較小，說(shuō)明固定碳含量高的貧煤摻入不能有效改善MN的著火性能及燃盡性能。

(4)在800℃至1 200℃區(qū)間內(nèi)，提隨著溫度升高，燃燒特性曲線發(fā)生左移，燃盡時(shí)間縮短，燃燒速率升高，并且在800℃至1 000℃區(qū)間內(nèi)，提高溫度對(duì)燃燒反應(yīng)影響更為顯著，失重曲線左移程度更加明顯。