燃煤添加剂的性能研究

第7卷第2期鸡西大学学报Vol.7 No. 22007年4月JOURNAL OF JIXI UNIVERSITYApr 2007文章编号:1672 - 6758(2007)02 -0062 -2燃煤添加剂的性能研究白云起摘要:本文从煤炭的燃烧机理出发, 分析了燃煤过程中热值低及产生污染的主要原因,通过单一和复合添加剂实验测定,证明添加剂能够降低燃点、促进燃烧、增加热值、减少污染;并讨论了添加剂的性能。添加剂一方面促进煤的盐基交换,使煤成为着火性能较好的腐植酸盐,另一方面使煤分子断裂成相对较小的分子,有利于析出易燃挥发分和煤的热传导。使用复合的添加剂,可以在不同温度下释放出活性氧、降低活化能,利于煤的完全燃烧效率。关键词:煤;添加剂;燃点;煤炭燃烧中图分类号:TQ038. 1文献标识码:A .我国是世界.上最大的煤炭生产国和消费国，每年以C+O:-+C02+393.509kJ.mol-1燃烧方式消耗的煤炭达84%,并且在相当长的时间内,以2C +O:- +2C0 + 221.050kJ. mol-1煤为主的能源结构不会改变。但煤的燃烧存在着- - 系列C0+ 1/20:→C0: + 282.984 kJ. mol -1问题:煤的热值低，其主要原因在于煤的热容大、不易着CO:+C→2C0 - 172. 459 kJ. mol-'火、燃点高、不易传热。同时,煤燃烧的基本反应C + 0:生成CO和CO:两种气体的多少,主要取决于温度。在→COz，在高温下易发生副反应C + COz→2CO -热1200C左右时两种百分含量相等。当温度升高时CO增多。量,不仅造成了环境污染,而且使煤的热效率大大降低。通过煤的燃烧机理可知,煤的燃烧热容大、不易着火针对这种情况，经我们研究发现:在煤中加入-些添和传热。煤的活化需要较多的能量,造成了煤的热效率降加剂能有效地降低煤的燃点，提高煤的燃烧效率，控制低,传热性能低又造成燃烧过程中煤内部温度聚增,使得CO的生成,减少环境污染。下面就此研究作一阐述。燃烧产物CO2很容易与碳发生副反应1煤的燃烧机理CO: +C→2C0 - 172. 459 kJ. mol-'煤的燃烧过程一般分为三个阶段:煤着火前的阶段又消耗煤的热值。由此可见,增加煤的热值的关键在(包括煤的预燃、干燥、析出挥发分和形成焦炭);挥发分于降低煤的着火温度、增加煤的传热能力,才能使煤完全和焦炭的燃烧;炉渣炉灰中残余焦炭燃尽。燃烧。煤在炉中加热、干燥、蒸发水分。随着温度增高,煤中燃煤添加剂的研究和应用是在不改变燃煤设备的情有机质开始热分解，主要是从煤大分子上断裂下来的侧况下，依据煤燃烧机理，采用投入少量添加剂的方法，改链和官能团所形成的挥发分,其主要成分为C0.CO2、H2、善煤炭的燃烧特性.降低其着火点,提高其燃尽率和发热H20、CH。及各种烃类化合物，含硫、含氮化合物等,热解量,从而达到节约能源和减少污染排放的目的。本文选择剩余产物是稠环芳香核缩聚成的焦炭(固定炭)。这一过了8种碱金属、碱土金属和过渡金属的氧化物及盐类作程煤要吸收热量。为添加剂的基本成分，运用正交实验的方法,考察各种物当温度达到煤的燃点时,开始着火,然后可燃挥发分质对炭粒燃烧特性的影响，包括着火温度、发热量、最大和焦炭开始燃烧,这一阶段煤要放出热量。燃烧速率、燃烧失重等,经实验得到了最佳组合方式，并:挥发分的燃烤主要反应如下: (热值以标准态为基准,对此进行了评价。据O, H .*(298.15K)= Zγ pO H *(298. 15K)计算求得)2实验CO + 1/20:→C02+ 282. 984 kJ. mol-'2.1实验方法。H: + 1/202→H2O + 241. 818 kJ. mol-1煤样燃烧特性用热分析方法测定。在程序升温过程C.H.+ (m+n/4)Oz- +mCO: + n/2H:O +热量中同时记录升温历程、样品热重及热重变化率以及样品.通常,煤的挥发分越高燃烧速度就越快。而焦炭的燃的差热变化。对热重曲线(TG线)微分处理后所得的热重烧在整个燃烧过程中，碳的重量百分数是主要的且随着微分曲线(DTC线),取曲线的最大值所对应的温度作煤的种类不同而不同，碳的燃烧时间占全部燃烧时间的为着火温度。对差热曲线(DTA线)取其峰的积分面积，90%。碳的燃烧过程主要是碳和氧的化学反应过程。由于焦并对照，以确定差热峰炭被挥发物所包围,氧首先和可燃气体反应燃烧。因此,焦炭面积中国煤化工重微分佛线的峰值的燃烧- -般要落后于挥发物，只有当炉中的氧扩散到炽热的来确!YHCNMHG曲线直接计算出升焦炭表面时,焦炭才能燃烧。其主要反应如下:温过程中煤样的失重，进而由初始样品总质量而求得其作者简介:白云起,副教授,黑龙江科技学院资源环境工程系,黑龙江●哈尔系。邮政编码: 150027●62●第2期白云起:燃煤添加剂的性能研究2007年燃烧失重率。0. 2mol/g(按HFX平均分子量计算)2. 2实验条件。浓度mmol/g 0.0 0.1 0.3 0.5 1.0 1.5 2.0实验所用煤为七台河矿、牙克石二矿、胜利矿、三矿_燃点C426 415 320_ 267 235 210 21 3煤,煤样的工业分析结果如表1所示。表4 HFX与市售商品添加剂DHP对七台河煤表1 煤样的工业分析结果样的助燃效果比较Mad/% V ad/% A ad/% FC ad/%_添加剂加入量/% .七台河1. 1627. 4127. 0744. 36助燃指标DHPHFX二矿8.1139. 626. 0546. 220 2.0 5.0 8.08.0胜利矿11.7634. 7711.7941.68三矿_8.27 .25. 8933. 84Sors/(v.s) 1.50 1.62 1.54 1.581.92表中各项均按CB212-91方法测定的煤样中水分、T/C646 637 604 599600挥发分、灰分和固定炭的质量分数。对每种煤进行破碎、对DHP燃煤添加剂来说，当加入量从2%增加到8%筛分、缩分得煤样。时，随着添加剂用量的增加，着火温度显著下降，但是煤样品粒度200目，样品质量5mg;升温速率20C/样的发热量变化较小,而HFX添加剂加入量为8%时,可min,温度范围为室温到1 000;气氛条件为空气，流量使煤样的着火温度下降约44C，同时，可使其发热量增30mL/ min,从 上下进气口同时进气。加。但在实际应用时，考虑经济性问题,必须减少添加剂2. 3单一添加剂和复合添加剂对煤燃点的影响。的用量。在相同燃煤条件下加人不同的添加剂，再用热分析3添加剂的作用机理仪进行测定。常用三类添加剂为:(1)煤炭中含有腐植酸盐(一般是不溶性的腐植酸(1)金属的氯酸盐、硝酸盐、碳酸盐或某些有机酸盐钙),当在煤炭中加入一-些含有钾、钠、钙、镁等金属离子类。以KCI0 ;为例,见(图1)的金属盐后，它们之间将进行盐基交换而生成着火点较低的腐植酸盐,改变了煤炭的着火性能。(2)添加剂是由氧化剂和催化剂为主要成分的一种助燃剂，能使煤炭降低着火温度，,提高燃烧率。氧化剂有助于提供燃烧在预热段、燃烧段和燃尽段所必须的活性氧,促进煤在燃烧过程中释放的可燃的挥发分和炭粒的燃烧。若采用复合添加剂，由于不同氧化剂的起始分解温度不同(180 ~ 900C)，保证了不同燃烧过程的活性氧的补充,使煤炭燃烧充分,减少烟尘的产生。图1添加氯酸钾(0 - 0.5mmol/g)对燃点影响复合添加剂提供煤炭燃烧过程低温、中温和高温段(2)碱金属和过渡金属的氧化物类,如:高锰酸钾、重所需不同作用的催化剂,通过降低活化能的方式，降低煤铬酸钾等。以MnO 2为例,见(图2)的着火点,加快煤炭的燃烧进度。催化剂中的铜、铁、锰等金属化合物受热分解出金属离子,促使C=0键的形成和加强，削弱煤中C-C键,使之易断裂,且C=0键作为电子给予体与具有未满d能带的过渡金属形成络合物CO-M*(M "为添加剂的金属离子),该络合物担负着反应活性中心的作用。首先，中间络合物氧化分解成金属氧化物.MO,MO被炭还原成金属或低价金属氧化物M20,然后依靠金属或低价金属氧化物吸附氧气，便又得到金属氧化图2添加 二氧化锰(0 - 0.5mmol/ g)对燃点影响物，就这样金属- -直处于氧化-还原的循环中。由于氧气(3)化学工业或金属炼制工业废渣。不断从金属向炭原子传递，加快了氧气的扩散速度，有利随着添加剂的加入，煤炭的燃点逐渐下降,不同的添于增加炭的燃烧。增加煤的燃尽率。加剂及其不同浓度时对燃点的影响不同,据此,添加剂可(3)添加剂可改善通风透气能力，使板结的煤层疏松以复合使用。并且据文献资料表明,碱金属和碱土金属的和燃尽。添加剂在高温下分解、气化和炸裂,搅动煤层中氧化物及其盐类对煤的燃烧有很大的促进作用，因此，分气体，使板结煤层疏松、通气性改善，使氧气在煤层中分别选择碱金属、碱土金属及过渡金属氧化物及其盐类作布均匀、供应充足，还在- -定程度上增加热传导,并通过为添加剂的基本组成分，利用正交实验法得到了复合添化学反应疏松煤层,促进包裹在内的煤粒充分燃烧。金属加剂HFX。见表2和表3盐类或金属氧化物能使煤炭中长链脂肪族烷烃的C-C表2 HFX 添加剂的化学组成键的学如分子的热运动，降低煤中国煤化工组份K20 Si0: MnOz Fe20; Al20; MgO CaO其它YHCNMHG低.热传导加快，煤:重量% 10.0 13.2 10.0 10.0 7.8 11.2 17.8 20.0炭内部温度相对降低，不利于反应“:+CO 2- +2C0-172. 459 kJ. mol -1的发生,碱少了环境污染,表3，添加不同浓度 HFX对燃点的影响0~(5)添加剂具有固硫.除臭、清除锅分長面(下转 76页)●63.第2期鸡西大学学报2007年(2)然后解方程组:表2{ f",(x,y)=3x2-8x +2y=0,驻点(xo,yo)| A | B| C△=B°-AC的符号(f",(x,y)=2x-2y =0,(1, 0)120得到驻点(0，0)和(2, 2)。(1, 2)120-6(3)列表进行判断:(-3, 0-1206表1(-3，2驻点(xe,yo)LAB(△=B2- AC的符号(4)结论:(0，0)I -8 2-2在点(1, 0)处,0 <0且A> 0 ,所以二元函数在点(2. 2)42-2(1，0)处取得极小值即f(1,0)= -5;(4)求二元函数的极值:在点(1，2)处,△> 0,所以二元函数在点(1，2)处综合以上得出结论是二元函数在点(0. 0)处取得极不取得极值;大值，在点(2, 2)处不存在极值,即二元函数的极大值f在点(-3，0)处,△> 0,所以二元函数在点(-3,(0,0) =1。0)处不取得极值;例6.2求二元函数f(x,y)=x'-y +3x2 +3y2 -9x的在点(-3，2)处,△<0且A <0, 所以二元函数在极值。点(-3，2)处取得极大值即f(-3,2)=31。解:(1)首先求二元函数的偏导数:7结束语f.(x,y)=3x2 +6x-9,f',(x,y)= -3y2 +6y,"'x(x,利用偏导数求二元函数的极值问题，与一元函数类y)=6x +6,f"xr(x.y)=0,f"rr(x,y)= -6y +6。似，二元可微函数的极值点- -定是驻点,但是对于不可微二元函数来说，极值点不一定是驻点。例如,点(0, 0)是f',(x,y)=3x2 +6x-9=0,二元函数Z=vx +y的极小值点,但点(0, 0)并不是驻f,(x,y)= -3y2 +6y=0,点，因为此二元函数在该点处的偏导数不存在。因此，二得到驻点(1，0)、(1, 2).(-3，0)和(-3, 2)。元函数的极值点可能是驻点，也可能是偏导数中至少有-个不存在的点。Dual Function Minimum ProblemWan ShuxiangAbstract : This article discusses of the extreme the dual function, the existence of the dual function With examples, thenecessary conditions and the functionals steps by esamples.Class Number: 0174.1Document Mark: A(上接63页)烟灰垢的功能,能使结渣物多孔而疏松,削弱总含水量控制在10%左右，提前拌于煤中久存不失焦渣与炉壁接触面的结合力,使焦渣易于粉化、清除和脱效,但要防雨淋。落，还促使煤中CO和so。发生放热反应,又由于反应中5结论生成的硫经燃烧变成so 2,再经催化剂氧化成so 3,最后研究结果表明,燃煤过程中添加剂促使co - M *的形可被添加剂中的二价碱金属和其它碱性氧化物等固定生成和加强，促使煤中C-C键的断裂，使大分子煤变成相成熔点较高的炉渣而起到固硫作用。对较小的分子，释放出易燃挥发份，加快了煤的燃烧速4添加剂的使用方法度，小分子煤的运动加快，促进煤的传氧速度和传热速考虑到实际经济性问题，添加剂按用煤量的2%添度,使煤能够完全燃烧,提高煤的热值。C与cO的副反加，劣质煤可增加到2.5% -3%，均匀的撒入煤中掺应在较高温度下进行，由于煤传热速度加快,避免炉内温匀即可使用,也可将添加剂溶于水后喷酒于煤中,煤中度过高,减缓该反应的发生,减少了环境污染。Mechanism Study on Chemical Additive During Coal CombustionBai YunqiAbstract: Proceed from burning mechanism of the coal, this paper has analyzed the main reason why the low yield of calorificvalue grows pollution in the combustion process. It determines through the single and compound additive experiment, proves thatthe additive can reduce the ignition point, promotes burming, increase calorific value, reduce pollution. It has discussed the per-formance of the additive respectively. On one hand the additive promotes the salt base of the coal to exchange, makes the coalbecome and catches fire sour salt of rtten bone withetter performance,中国煤化Iolecule rupture intoarelatively smaller molecule, help to precipitate to get the heat - conducticMYHCNMH(. Using the compoundadditive, activation can release active oxygenand reduce at different tempPombustion of the coalto reach the ignition point of reducing, improve calorific value and reach the purpose to reduce pollution.Key Words: coal; additives; ignition temperature; coal bumingClass Number: TQ038.1●76.