基于綜合熱分析技術(shù)研究煤炭燃燒

　　摘要：對幾種水泥廠常用煤進(jìn)行綜合熱分析測試，結(jié)果顯示煙煤的解析開始溫度較低，無煙煤解析溫度相對較高。惰性氣氛測試顯示煤中的揮發(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，有必要通過新檢測技術(shù)對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。

　　對于煤炭的燃燒研究國內(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)來考察國內(nèi)水泥行業(yè)常用煤的燃燒特性，對煤炭的高效利用進(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，采用德國Netzsch STA449-F3 差示掃描量熱儀對各試樣進(jìn)行燃燒測試，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

　　對煤樣在空氣氣氛下測試，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。

　　（3）印尼無煙煤

　　印尼煤樣在空氣氣氛下測試，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程，試驗(yàn)測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。

　?。?）淮南煙煤

　　圖4 淮南煤熱解燃燒測試曲線

　　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，對應(yīng)的DSC曲線顯示該過程有微量吸熱反應(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，對應(yīng)的DSC曲線顯示該過程有微量吸熱反應(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 昌吉煤熱解燃燒測試曲線

　?。?）印尼無煙煤

　　圖6 印尼煤熱解燃燒測試曲線

　　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。

　　對比空氣氣氛下的無煙煤燃燒測試可見其中即使在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。對水泥工業(yè)而言，無煙煤的合理使用應(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。

　　（2）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)燃燒過程在700℃左右結(jié)束。

　?。?）無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。

　　（4）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)分對煙煤和無煙煤的迅速燃燒無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程，對煤炭通過搭配獲得良好的燃燒狀態(tài)具有示范意義。

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