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低阶煤燃烧化学反应特征参数研究

2020-05-19田慧英

云南化工 2020年4期
关键词:煤化低阶特征参数

田慧英,李 曼

(1.集宁师范学院内蒙古自治区矿土土质改性及综合利用重点实验室,内蒙古 乌兰察布 012000)

煤的燃烧反应是以煤为原料,煤中可燃成分(碳、氢、硫等)与空气中的氧进行剧烈的化学反应,放出大量的热并生成烟气和灰渣的过程。我国煤炭资源中以褐煤、次烟煤为代表的低阶煤储量丰富,低阶煤化学结构侧链多,氢、氧含量较高,具有煤化程度低、挥发分含量高、含水量高等特点[1-2]。煤的燃烧是最直接的应用方式,卢洪波[3]等人利用热重分析仪研究了祁连塔煤的燃烧特性,得出着火温度随升温速率的变化规律,得到不同升温速率下的燃烧特性参数,对研究煤的实际燃烧过程提供了数据。

煤燃烧特性的试验方法有多种,热重分析法应用颇为广泛。因此,采用热重分析法研究储量丰富的低阶煤的燃烧特性,根据实验数据确定燃烧起始温度、着火点、燃烬温度等反应特征参数,分析产生差别的原因,可以预测低阶煤的燃烧过程及燃烧难易程度,促进煤燃烧的定量研究,对低阶煤的加工利用有着重要的意义[4]。

1 实验部分

1.1 煤样的选取与制备

实验用煤根据《煤层煤样采取方法》与《煤样的制备方法》,采集煤样后,用保鲜膜包裹好。选取保利(BL)、民达(MD)、范家村(FJC) 三种低阶煤,煤样采用颚式破碎机破碎后,经球磨机磨制,最后筛分,将200~400目规格的样品作为实验用煤。三种煤样的工业分析数据见表1。三种低阶煤挥发分、固定碳、灰分含量均有差异,FJC煤中挥发分和固定碳较低,灰分很高,具有低热值、难于燃烧的特点。三种煤样的变质程度由高到低依次为:MD、BL、FJC。

表1 煤样工业分析

1.2 实验方法

实验仪器为Diamond TG/DTA 6300型热重分析仪,煤样量均为15mg左右,仪器升温速率为10℃/min,载气流速为100mL/min,热重测试温度范围:室温-1000℃。

2 结果与讨论

2.1 煤燃烧热重曲线分析

三种煤样在氧气气氛下热重分析TG结果如图1所示。由图1可知,三种煤样的热解总体可分为三个阶段,第一阶段是室温~330℃,第二阶段是330~600℃,第三阶段为600~1000℃。首先是煤中水分蒸发过程,随后挥发分开始析出,当达到着火温度后开始燃烧。在室温至330℃温区内,三种煤样的失重量顺序为FJC>MD>BL,在90℃附近开始都有明显的水分脱出峰,之后是煤吸附的小分子的脱附和一些易发生反应的官能团的分解。BL、MD、FJC分别在温度为554℃、569℃、586℃左右燃烧基本完全,在燃烧反应结束时,三种煤的燃烧产物含量顺序依次为:FJC>MD>BL,与工业分析数据一致。

图1 三种低阶煤燃烧TG曲线

三种煤样的DTG曲线如图2所示,三种煤样的DTG曲线最初都有一个台阶,表示煤样燃烧过程初始阶段的水分蒸发过程,以脱除煤中的游离水为主。BL、MD煤在燃烧主体温区内出现了两个明显的失重峰,这可能是因为这两种煤中所含可燃组分较高,因此出现了二次燃烧现象。BL煤在350℃之后,第一个失重峰出峰较早,MD和FJC分别在404℃和389℃开始出现较为明显的失重峰。煤化程度低的煤样第一个失重峰出峰更加明显,随着煤化程度的升高,第二个失重峰的出峰位置后移,且峰值明显增大,因为煤中碳含量的增加使煤中易燃组分更晚的燃烧。随着煤化程度的提高,煤的失重速率明显加快,燃烧温度也相应增高,煤样之间最大失重速率所对应的温度相差50℃。在600℃以后,可以明显看到,随着温度的升高,各煤样峰面积越来越小,峰高越来越趋于平缓。

图2 三种低阶煤燃烧DTG曲线

2.2 燃烧化学反应特征参数

以BL煤为例,作图阐述煤燃烧化学反应各特征温度的确定方法,如图3所示。

图3 燃烧化学反应特征参数的确定

煤在水分蒸发过程发生后,经过一段平稳开始失重的点即为初始反应温度Ts。着火温度可以根据TG-DTG曲线来找准[5]:首先在DTG曲线找出最大峰值点,过最大峰值点做垂线并与TG曲线相交,过交点做TG曲线的切线,切线与TG曲线初始水平线段的延长线的交点所对应的温度为着火温度Ti。煤的燃烧在水分蒸发后,在DTG曲线上有一个最大峰值点,取最大峰值对应的速率为最大失重速率,最大峰值对应的温度为最大失重温度Tmax。煤样中的可燃部分几乎完全燃烧对应的温度即为燃烬温度Th,也即TG曲线趋于平缓时对应的温度。

根据以上方法确定的几种煤的燃烧反应特征参数见表2、图4。

表2 低阶煤燃烧反应特征参数

图4 低阶煤燃烧反应特征温度

MD煤的起燃温度最低,BL煤的起燃温度最高。从着火温度来看,BL煤的温度最低,而MD煤的着火温度最高,与起燃温度的趋势相反;从最大失重速率绝对值来看,BL煤的最大失重速率最大,MD煤的最小;FJC煤的最大失重温度最低,MD煤最高;FJC煤燃烬温度最低,BL煤燃烬温度最高。综合来看,三种煤样MD、BL煤燃烧性能较好,FJC煤灰分高、热值低,燃烧性能最差,煤样燃烧性能优劣与煤的变质程度有直接关联,煤样的变质程度越高,燃烧反应所经历的时间越长。

3 结论

三种煤样在氧气气氛下热重分析TG共分为三个阶段,在第一阶段失重量顺序为FJC>MD>BL,BL、MD、FJC煤分别在温度为 554℃、569℃、586℃左右燃烧基本完全,在燃烧反应结束时,三种煤的燃烧产物含量与工业分析数据一致。

BL、MD、FJC煤在燃烧主体温区均出现了二次燃烧现象。FJC煤第一个失重峰更明显,BL、MD煤第二个失重峰出峰位置后移,且峰值明显增大,煤中碳含量的增加使煤中易燃组分更晚的燃烧。随着煤化程度的提高,煤的失重速率明显加快,燃烧温度也相应增高。

通过确定燃烧化学反应特征参数可得,MD、BL煤燃烧性能较好,FJC煤灰分高、热值低,燃烧性能最差,煤样燃烧性能优劣与煤的变质程度有直接关联,煤样的变质程度越高,燃烧反应所经历的时间越长。

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