基于綜合熱分析技術(shù)研究煤炭燃燒
摘要:對(duì)幾種水泥廠常用煤進(jìn)行綜合熱分析測(cè)試,結(jié)果顯示煙煤的解析開始溫度較低,無(wú)煙煤解析溫度相對(duì)較高。惰性氣氛測(cè)試顯示煤中的揮發(fā)分解析速率較慢,高溫下?lián)]發(fā)分存在對(duì)固定碳的燃燒仍有較為明顯的助燃作用。
關(guān)鍵詞:煤炭 燃燒特性 空氣、惰性氣氛
在我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)中所用的燃料以煤炭為主,為降低生產(chǎn)成本、提高綜合效益,低揮發(fā)分、高灰分、低發(fā)熱量煤炭的利用受到了越來(lái)越多的關(guān)注。這些煤在回轉(zhuǎn)窯及分解爐內(nèi)的燃燒行為與煤的熱分析特性有很大相關(guān)性,有必要通過(guò)新檢測(cè)技術(shù)對(duì)煤炭的燃燒特性的做深入了解,以探討煤炭的高效利用途徑。
對(duì)于煤炭的燃燒研究國(guó)內(nèi)外開展了很多有益的工作,本文在吸取前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用技術(shù)成熟先進(jìn)的綜合熱分析技術(shù)來(lái)考察國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)常用煤的燃燒特性,對(duì)煤炭的高效利用進(jìn)行了初步探討。
1.試驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)用煤取自多個(gè)水泥廠原煤堆場(chǎng),采用德國(guó)Netzsch STA449-F3 差示掃描量熱儀對(duì)各試樣進(jìn)行燃燒測(cè)試,工作氣氛為空氣或純N2,氣體用量為50 mL/ min,升溫速率分別為10℃/ min 和20℃/ min,溫度變化范圍分別為RT~1000 ℃和RT~1200 ℃。試樣用量約10.0mg,細(xì)度80um左右。由熱重曲線( TG) 和差熱掃描曲線( DSC) 對(duì)樣品進(jìn)行定性分析。
2.試驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1常規(guī)條件下煤的燃燒
?。?) 淮南煙煤
對(duì)煤樣在空氣氣氛下測(cè)試,升溫速率控制在10℃/ min。結(jié)果如圖1所示。
圖1 淮南煤燃燒測(cè)試曲線
由圖1可見煤樣從室溫開始緩慢失水,至200 ℃左右基本結(jié)束,伴隨著失重有兩個(gè)吸熱峰出現(xiàn),分別為外水和內(nèi)水的蒸發(fā),質(zhì)量變化在16%左右。隨溫度升高,揮發(fā)分逐步析出和燃燒,同時(shí)由于揮發(fā)分的燃燒放熱焦炭也開始逐步放熱燃燒,由DSC和TG曲線可見雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn),并在439℃和477℃達(dá)到峰值,隨后還有約2%左右的質(zhì)量減小,一般是少量較大顆粒的煤粉內(nèi)部顆粒逐步燃燒所致,至700℃左右燃燒結(jié)束,總質(zhì)量變化為65.09%。至燃燒結(jié)束最后殘留質(zhì)量為17.29%,該部分主要為煤炭中的灰分。
(2) 昌吉煙煤
昌吉煤樣在空氣氣氛下測(cè)試,升溫速率控制在10℃/ min。結(jié)果如圖2所示。
圖2 昌吉煤燃燒測(cè)試曲線
由圖2可見煤樣從室溫開始緩慢失水,至200 ℃左右基本結(jié)束,伴隨著失重有兩個(gè)吸熱峰出現(xiàn),分別為外水和內(nèi)水的蒸發(fā),質(zhì)量變化在13%左右。隨溫度升高,揮發(fā)分逐步析出和燃燒,同時(shí)由于揮發(fā)分的燃燒放熱焦炭也開始逐步放熱燃燒,由DSC和TG曲線可見雙峰現(xiàn)象的出現(xiàn),并在437℃和476℃達(dá)到峰值,隨后還有約2%左右的質(zhì)量減小,一般是少量較大顆粒的煤粉內(nèi)部顆粒逐步燃燒所致,至700℃左右燃燒結(jié)束,總質(zhì)量變化為66.32%。至燃燒結(jié)束最后殘留質(zhì)量為17.95%,該部分主要為煤炭中的灰分。
?。?)印尼無(wú)煙煤
印尼煤樣在空氣氣氛下測(cè)試,升溫速率控制在10℃/ min。結(jié)果如圖3所示。
圖3 印尼煤燃燒測(cè)試曲線
由圖3可見該煤樣從室溫開始緩慢失水,至170 ℃左右基本結(jié)束,伴隨著失重有一個(gè)吸熱峰出現(xiàn),內(nèi)水很少,質(zhì)量變化在1.5%左右。由圖可見在200~400℃的范圍內(nèi)質(zhì)量基本無(wú)變化,從410℃左右開始煤粉開始燃燒放熱失重,燃燒峰值溫度約572℃,至700℃左右燃燒結(jié)束,總質(zhì)量變化為65%。至燃燒結(jié)束最后殘留質(zhì)量為33.13%,該部分主要為煤炭中的灰分。
2.2煤中主要成分熱解特點(diǎn)
為考察煤炭中主要成分的解析過(guò)程,試驗(yàn)測(cè)試了煤炭在惰性氣氛及空氣氣氛轉(zhuǎn)換下的熱解、燃燒性能,在RT~1000℃范圍內(nèi)采用惰性氣氛(純N2)保護(hù),隨后在1000~1200℃內(nèi)改為空氣氣氛,氣體總流量為50 mL/ min,升溫速率控制在20℃/ min。
[Page]?。?)淮南煙煤
圖4 淮南煤熱解燃燒測(cè)試曲線
由圖4可見,在RT~1000℃范圍內(nèi),惰性氣氛下水分的蒸發(fā)和空氣氣氛下基本一致,失重量在16%左右。隨后揮發(fā)分開始逐步解析,對(duì)應(yīng)的DSC曲線顯示該過(guò)程有微量吸熱反應(yīng),在700℃左右有一較小的吸熱峰出現(xiàn),隨著溫度的升高失重量逐步加大。在1000℃時(shí)由于氧化氣氛的出現(xiàn),煤粉在高溫環(huán)境下迅速燃燒失重放熱, DSC曲線出現(xiàn)了一個(gè)不規(guī)則的放熱峰,因此在1000~1200℃的燃燒階段不完全是固定碳的燃燒,仍有一部分的揮發(fā)分燃燒存在。
(2)昌吉煙煤
由圖5可見,在RT~1000℃范圍內(nèi),惰性氣氛下水分的蒸發(fā)和空氣氣氛下基本一致,失重量在15%左右。隨后揮發(fā)分開始逐步解析,對(duì)應(yīng)的DSC曲線顯示該過(guò)程有微量吸熱反應(yīng),隨著溫度的升高失重量逐步加大。在1000℃時(shí)由于氧化氣氛的出現(xiàn),煤粉在高溫環(huán)境下迅速燃燒失重放熱,DSC曲線出現(xiàn)了一個(gè)不規(guī)則的放熱峰,因此在1000~1200℃的燃燒階段不完全是固定碳的燃燒,仍有一部分的揮發(fā)分燃燒存在。
圖5 昌吉煤熱解燃燒測(cè)試曲線
?。?)印尼無(wú)煙煤
圖6 印尼煤熱解燃燒測(cè)試曲線
由圖6可見,在RT~1000℃范圍內(nèi),惰性氣氛下水分的蒸發(fā)和空氣氣氛下基本一致,失重量在1 %左右。隨著溫度的升高,煤樣緩慢失重并伴有吸熱反應(yīng)產(chǎn)生,從900℃左右失重速率開始逐漸增大,至1000℃時(shí)由于氧化氣氛的出現(xiàn)煤樣迅速燃燒放熱,并在1154~1167℃的范圍內(nèi)出現(xiàn)比較恒定的高速失重放熱階段,隨后燃燒放熱速率下降,由圖可見至1200℃測(cè)試結(jié)束時(shí)仍在發(fā)生放熱反應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)束后也可見樣品中有部分未燃黑色顆粒存在。
對(duì)比空氣氣氛下的無(wú)煙煤燃燒測(cè)試可見其中即使在1000℃的高溫下固定碳的燃燒仍然是比較困難的,揮發(fā)分的存在對(duì)于固定碳的助燃有較大幫助;淮南煙煤和昌吉煙煤的在1000℃開始的氧化氣氛下由于部分揮發(fā)分存在使得固定碳在較窄的范圍內(nèi)即發(fā)生了完全燃燒。對(duì)水泥工業(yè)而言,無(wú)煙煤的合理使用應(yīng)考慮合理搭配部分煙煤助燃,使混煤能夠易燃、放熱區(qū)域集中。
3.結(jié)論與展望
?。?)三組煤樣中的水分在約200℃時(shí)基本蒸發(fā)完畢。
?。?)空氣氣氛下煙煤中的揮發(fā)分隨著溫度升高逐漸失重燃燒,在400~500℃達(dá)到峰值,固定碳的燃燒溫度也較為集中,整個(gè)燃燒過(guò)程在700℃左右結(jié)束。
?。?)無(wú)煙煤在空氣氣氛下燃燒開始溫度較高,整個(gè)燃燒在400~700℃范圍內(nèi)基本結(jié)束。
?。?)在惰性氣氛下(N2),煙煤的揮發(fā)分在升溫至1000℃時(shí)仍未解析完畢,部分揮發(fā)分對(duì)煙煤和無(wú)煙煤的迅速燃燒無(wú)論在低溫高溫或是都很重要。
?。?)相關(guān)的試驗(yàn)初步展示了煤炭的燃燒過(guò)程,對(duì)煤炭通過(guò)搭配獲得良好的燃燒狀態(tài)具有示范意義。
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編輯:王欣欣
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