不同升温速率下水煤浆的燃烧特性分析

第34卷第2期化学工程Vol 34 No. 22006年2月CHEMICAL ENGINEERING CHINAFeb.2006不同升温速率下水煤浆的燃烧特性分析王辉,姜秀民2,刘建国,张超群21.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.·上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240;3.东北电力学院动力工程系,吉林吉枺132012)摘要深用热重差热分析仪研究了胜利制浆厂水煤浆在不同升温速率下的燃烧特性所采用的升温速率为10、20、30、50K/min所用的气体为纯O2,气体总流量为100mL/min根据实验数据计算了不同升温速率下水煤浆在不同阶段的燃烧动力学参数分析了水煤浆燃烧特性。结果表明随着升温速率的增大冰煤浆失水更加迅速在低温段和高温段的动力学特征参数都表现岀质量损失増加和活化能降低旳特点各特性温度也相应增加关键词升温速率热重分析法反应动力学燃烧中图分类号K227文献标识码:A文章编号:00599542006)2-0025404Analysis of the combustion parameter of coal waterslurry at various heating velocitiesWANG Hui, JIANG Xiu-min, LIU Jian-guo', ZHANG Chao-qun(1. School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001China. 2. School of Mechanical Erg UniversityShanghai 200240, China 3. Power Engineering Department, Northeast China Institute of ElectricJilin 132012, Jilin PrAbstract The combustion characteristic of coal water slurry( Cws ) at various heating rates which is produced byShengli Cws factory was studied by thermogravimetry-thermography analyzer. The heating rates used wererespectively 10, 20, 30 and 50 K/min. The flow rate of O, was 100 mL/ min. Combustion chemical kineticscharacteristic was analyzed through calculating combustion chemical kinetics parameter at various heating rates. Theresults show that the weightlessness of the coal water slurry will become faster and increase with the increase ofheating velocity and the activation energy E will decrease in both low temperature region and high temperatureregion. The characteristic temperatures of the coal water slurry will increase simultaneouslyKey words cheating rate thermogravimetry ,chemical kinetics ombustion水煤浆是一种煤基流体燃料,由质量分数为1实验部分65%—70%的煤粉、30%-35%的水和1%-2%本文的实验样品采用山东省胜利油田胜利制浆的添加剂通过物理加工而成。目前许多学者根据厂生产的水煤浆。该水煤浆采用山西大同烟煤其水煤浆滴在燃烧过程中的温度和质量的变化把工业分析和元素分析见表1表中υ为质量分数,下水煤浆的整个燃烧过程分成不等温加热、水分蒸标水、挥、灰分别为收到基水分、挥发分灰分!um发、挥发分析岀及燃烧、焦炭燃烧及燃尽4个有先为收到基低位发热量。采用德国 SYMPA公司SU后并有重叠的阶段1本文采用热重差热分析仪 CELL CI型激光粒度分析仪用湿式方法测得的粒度对水煤浆的燃烧特性进行了实验研究,并进行理分布曲线见图1。论分析本次实验同样采用由日本岛津( SHIMAD26化学工程2006年第34卷第2期ZU)公司生产的DTG60H型热重差热分析仪。用的升温速率为10、20、30、50K/min,对同一种该设备联接岛津热分析系统〔 Shimaoκ u Thermal水煤浆进行了燃烧特性实验硏究。实验所用的Analysis Systen)TA60WS配套设备可以对单-气体为纯O2气体总流量为100mL/min。实验样品同时进行热重和差热测量。本次实验所采初始质量为16.20mgo表1实验煤种的工业分析与元素分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of coal water slurry samples工业分析元素分析CLL\减(C)%以(H)%“0)%以(N)%x(S)%50.573.276.130.930.56100表3不同升温速率下水煤浆高温段燃烧反应的动力学特征参数60Table 3 Kinetic parameter of coal water slurry at variousheating rates at high temperature(l00010733-80941.150.00610.030.990颗粒直径/um0739-82744.500.60529.630.980图1水煤浆粒度分布30735-84444.420.2483.450.974Fig. 1 Size distribution of water coal slurry50831-87428.900.0065.060.9632数据处理与分析本文将水煤浆的燃烧反应描述为一级反应在在燃烧特性实验中也得到了不同升温速率下处理过程中发现拟合的相关性很好都接近1,说明级反应适合于本实验水煤浆样品的燃烧反应。采的水煤浆燃烧特性参数,见表4和表5。包括燃烧用Dole提出的热分析动力学积分法21并取p(x)产物初析温度、最大燃烧速率(dd)m和所对函数其中x=-E(R)的前2项并且对一般的应的温度7m,以及(d/dr)(d/dr)m=12所反应温区及大部分的E而言2RT/E远小于1,于是对应的温度区间△T12AT2称为半峰宽表示水煤燃烧动力学方程式可以整理为浆燃烧产物释放的集中程度。r称为燃烧产物释放In[βE2.3R(1)特性指数,用来反映水煤浆的燃烧特性r=(da/E以I-ln(1-a)72]对1/T作线性拟合,即dr)(TΔTTn、)随着r的增大水煤浆的燃烧可求出活化能E和频率因子A得到不同升温速率U特性趋好放热更加集中。下水煤浆的燃烧反应动力学参数,见表2和表3A为损失质量分数R为相关系数。表4不同升温速率下水煤浆低温段的燃烧特性参数挥发分)表2不同升温速率下水煤浆低温段燃烧Table 4 Combustion parameter of CWS at various反应的动力学特征参数heating rates at low temperature( volatileTable 2 Kinetic parameter of coal water slurry at variousheating rates at low temperature(dr)max re(10°mgT/Ki E/(kJ.R5.79730.8566.1370.40.629710677-7339.990.39934.830.681-4.25783.3579.5358.80.434920663-73913.070.51833.200.73王辉等不同升温速率下水煤浆的燃烧特性分析27表5不同升温速率下水煤浆高温段的燃烧特性参数(固定碳)Table 5 Combustion parameter of CWS at variousheating rates at high temperature( fixed carbon10 K/minmin )/mg min"/K T /K ATia/K(10"mg一20K//(K·(da/dr)n740.8731.80.33769,2731.902004006008001000度/℃0.45781.3735,1图5水煤浆燃烧DTA曲线与温度关系Fig. 5 Relation of DTA combustion curve of CWS with temperatur①-“表示用当时的设备得不到相应的数据为了对比明显和说明清楚现分别列出以时间和温度为横轴的TG和DA曲线以及DTG曲线,如图2至图6中所示。曾-0048642喃-0.1230 K/min0K/min0.16020040060080010001200温度/℃图6水煤浆燃烧DTG曲线与温度关系Fig 6 Relation of DTG combustion curve of CWs with temperature2000400060008000如图2整个过程可以分为2个明显的阶段但图2水煤浆燃烧TG曲线与时间关系可以注意到在第2个下降阶段的末端有一个明显Fig 2 Relation of TG combustion curve of CWS with time的斜率变化可以判断为包含2个不同机理的燃烧1000过程斜率大的部分是挥发分迅速析出并燃烧的过程斜率小的部分是固定碳的燃烧2个过程是连续30 K/min的。这样可以把第2阶段分成低温段和高温段分-50 K/min00冊別为挥发分的燃烧和固定碳的燃烧其特性参数列于表4和表5水煤浆燃烧的整个温升是由浆滴燃烧和线性程序升温叠加的结果在图4中温度回落的曲线实际20004000608000时间/s上是由于固定碳燃烧放岀的热量不能补偿氧气流走图3水煤浆燃烧DTA曲线与时间关系带走的热量。尽管产生回落但此时的温度比线性Fig 3 Relation of DTA combustion curve of CWS with time程序升温所能达到的温度要高水煤浆的燃烧过程与文献3]所描述的过程基本一致。反应过程的第1阶段为脱水阶段主要是脱除游离水、外在水以及内在水对应于图3和图510中的DTA曲线存在1个吸热峰。在图6中的DTG曲线上也对应存在1个质量损失峰,见图中各曲线的第1个峰。随着程序升温的进行,在TG曲线上出现第20200400600800次质量损失过程图2中可以看到曲线在出现第2温度28化学工程2006年第34卷第2期在低温下吸氧发生表面氧化而造成的。DrG曲线燃烧的总的趋势是随着升温速率的增大水煤浆的质烧段上可以看到挥发分燃烧和固定碳燃烧2个峰。量损失逐渐増加而活化能逐渐减小。其原因是燃烧水煤浆在低温下的氧化放热与脱挥发分的吸热过程是剧烈的氧化反应在水煤浆中的水分迅速析岀之是同时进行的因此反映在DTA曲线上是吸氧作用后由于存在爆裂、破碎现象使水煤浆形成一种疏松的放热效应和脱挥发分的吸热效应两者叠加的结果。多孔的结构而且由于水煤浆的燃烧属于动力-扩散随着程序升温的不断进行绝大部分挥发分释燃烧范畴这就有利于氧气前沿进入水煤浆内部参与放岀来并燃烧在DTA曲线上会岀现一个高大的燃燃烧同时因为爆裂破碎引起的反应表面积增大使烧峰峰顶的温度即为燃烧速度最大时的温度。在反应进行更加容易也更加彻底。升温速率越快内部燃烧峰的右侧岀现的小峰是挥发分燃烧结朿后固水鰲汽歴力増加越明显由玭引起的爆裂和破碎现象定碳的燃烧这段曲线对应DrG曲线上挥发分燃烧越显著这样水煤浆在低温段和高温段的动力学特峰后面的小峰如图6中所示。张明旭3认为这主征参数都表现出质量损失增加和活化能降低的特点。要是由于煤的孔径结构上的差异或是在燃烧过程中可燃物质与矿物质结合特性的作用亦或是煤质3结论颗粒膨胀性等因素引起孔隙度改变致使在燃烧峰(1)实验用水煤浆在空气中室温下就开始失中出现小峰或带肩峰。随着温度的不断升高挥发水。称量好的样品在放入实验仪器之前已经开始分和固定碳燃烬TC和DA曲线均回到基线位置,质量损失。水煤浆燃烧曲线的第1阶段为脱水阶剩余质量即为灰分段燃烧阶段包含挥发分迅速析岀并燃烧和固定碳如以上各图中所示升温速率不同其TG、DrG燃烧2个连续的过程。且水煤浆集中在593-曲线图形很相似。对于DTA曲线10、20、30K/mi853K温度范围内迅速燃烧完全适合于低温燃烧。的升温速率下的图形很相似50K/min时的情况因(2)总的来说升温速率越高各特性温度相应为升温速率太快没能体现出中间过程的微小变化。的有所增加水煤浆在低温段和高温段的动力学特总的来说升温速率越高名特性温度相应的有所增征参数都表现出质量损失增加和活化能降低的特加且存在温度滞后现象。r值随升温速率的变化点。r值随升温速率的变化没有明显的规律。没有明显的规律。由TG曲线还可以看到,水煤浆由水分析出引起的质量损失在383-423K就基本参考文献结束了质量损失占到总质量的23%-27%。第2[Ⅰ]岑可法姚强,曹欣玉等.煤浆燃烧、流动、传热和气阶段质量损失开始处拐点对应值在593-633K整化的理论与应用技术[M]杭州:浙江大学出版社个质量损失过程在823-853K基本完成质量损失1997为62%-64%。说明水煤浆点燃时会需要大量热[2]李余增热分杌M]北京清华大学出版社1987量来预热干燥,旦燃烧水煤浆会在很短的时间内[3]张眀旭闵凡飞.工业废水水煤浆燃烧特性的热分析较低的温度下迅速燃烧并接近完全。综合研究[J]中国矿业大学学报(自然科学版分析燃烧动力学特征参数可以看到水煤浆燃2001303)285-289公告《化学工程》由双月刊改为月刊为使《化学工程》期刊适应我国科学技术飞速发展的形势引领学科前沿促进科技进步同时也为了使《化学工程》期刊增加年载文量、缩短岀版周期、扩大影响、加快国际化进程满足广大作者及读者的需求我编辑部决定从2006年起将《化学工程》由双月刊改为月刊全年12期每月25日出版。每期页数不变单价变即80页/期正文),8元/期。欢迎广大作者及读者以及社会各界给予我刊更广泛的合作