废轮胎胶粉与煤混烧的热重分析

第27卷第14期中国电机工程学报VoL 27 No 14 May 20072007年5月Proceedings of the csee02007 Chin. Soc. for Elec Eng文章编号:0258803(2007)14005105中图分类号:TK27文献标识码:A学科分类号:47010废轮胎胶粉与煤混烧的热重分析李相国,马保国,徐立,罗忠涛(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,湖北省武汉市430070Investigation on Combustion Behavior of the Mixtures of Waste Tyres and Pulverized CoalLI Xiang-guo, MA Bao-guo, XU Li, LUO Zhong-taoKey Laboratory for Silicate Material and Engineering Ministry of Education,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei Province, China)ABSTRACT: The combustion process, ignition and burnout 0 3lEharacteristics of waste tyre, one high ash coal and tyre-coal随着汽车工业和交通运输事业的发展,对轮胎blends with 10%, 30% and 50% waste tyres were investigatedby means of thermogravimetric analysis (TGA)caried out at和其它橡胶制品的需求量日益增多,与此同时,废20 K/min in the temperature range from ambient temperature旧轮胎的产生量也急剧增加。目前,热解法处理废o1273K. The results indicate that the combustion of waste旧轮胎是较为有效的方法之一,但该技术的推广受tyre is controlled by the emission of volatile matter;the到一定的限制,主要原因是热解设备投资大、热解regions are more complex for waste tyre( three or more peaks)过程能耗高、热解产品质量不佳等。而与煤粉相比,than for coal( one peak), moreover, combustion of high ash废轮胎具有更高的热值(29~37MJkg),如果把废轮oal is controlled by the burn of fixed carbon. Compared wi胎作为燃料( tire-derived fuel,TDr,这个问题就可the ignition temperature of high ash coal, those of mixtures以得到很好的解决。因此,无论从经济上还是环保with 10%, 30% and 50% waste tyre decreased by 8C, 30Cand 80 C, and the combustion rate can be increased which上考虑,如何将废轮胎作为一种可回收利用的化工may be due to the emission and combustion of volatile matter原料或能源材料,已成为一个极为紧迫的世界性问in waste tyre. Moreover, the incorporation of waste tyre can题。TDF可广泛地应用于发电厂、水泥厂、造纸improve the burnout characteristics厂以及其他一些锅炉装置上,可减少化石燃料的使用,而且可以解决废轮胎处理这个难题,保护自然KEY WORDS: waste tyres; coal; combustion; thermo-gravimetric analysis; ignition temperature环境,这种方法在美国、日本、欧洲等已得到广泛的应用4。但是在中国,把废轮胎作为燃料利用摘要:采用热重分析法(TGA)对胶粉、煤粉及胶粉与煤混的研究还没有开展合物燃烧特性进行分析,研究煤粉与胶粉混合比例对混合燃料着火特性和燃尽特性的影响规律。结果表明:胶粉的充分了解废轮胎胶粉(简称胶粉)的燃烧特性,燃烧特性与煤的燃烧有较大的区别,高灰分煤的燃烧主要为电力、水泥等工业专用燃烧设备的设计、燃烧装受固定碳燃烧控制;而胶粉在燃烧过程中,其高挥发分的置的正常运行和控制燃烧过程提供理论基础,对发析出和燃烧起主要作用。与煤粉相比,掺10%、30%和50%展循环经济具有极其重要的意义。热重分析法作为的胶粉后燃料的着火温度分别降低8、30℃和80℃,且促种研究固体化学反应特性的手段,广泛应用于进了燃料的燃烧速率,这主要是由于胶粉含大量挥发分且煤、生物质、城市生活垃圾和石油焦的燃烧和热解在较低温度下即可明显析出和燃烧的结果,胶粉与煤的混特性的研究512。采用TGA技术研究胶粉及其与煤烧有利于改善高灰分煤的着火和燃尽特性粉有部性和燃蟀性的相对较少中国煤化工关键词:废轮胎;煤;燃烧;热重分析:着火点CNMHG.煤粉及胶粉与煤基金项目:国家863高技术基金项目(2002AA335050)。The National High Technology Research and Development of China混合物燃烧特性进行分析,研究混合比例对混合燃863 Programme)(2002AA335050)料着火特性、燃尽特性和燃烧机理的影响规律第27卷1实验部分360-500℃、520~600℃和650~750℃的温度段;④对于纯煤粉,DTG曲线表现为一个宽峰,仅在1.1实验原材料实验中使用的胶粉样品由废轮胎剪切和粉磨400~750℃温度范围内观察到与固定碳燃烧过程相对应的明显的失重过程,而观察不到明显的挥发分制备而成,其粒径为0.3~0.45mm。煤粉颗粒度190的燃烧过程。其反应速率只出现一个最大值,即只目左右。其工业分析见表1。样品的制备:分别选取胶粉占混合样品总质量有一个最大反应温度。的0%(纯煤)、10%、30%、50%、100%(纯胶粉)混合均匀,制备热重分析用样品60表1胶粉和煤粉的工业分析DTGTab. 1 Industrial analysis of waste tyre and coal类别一水分灰分工业分析%发热值/Mkg挥发分固定碳200400800T℃煤粉266449321.40(a)胶粉1.2燃烧试验试验中所用热分析仪为德国 NETZSC公司的STA449C综合热分析仪,它采用的同步热分析DTG(STA)技术可对一个试样同时做出 TG/DTG和Dsc( differential scanning calorimetric)分析。TG和DSC/DTG的结果可同时获得,并互相比照,以确800T/℃定物质的性质,而且STA技术还避免了当 TG/DTG和DSC分开做时,试样的各相异性和几何形状对图1纯胶粉与煤粉燃烧 TG-DTG-DSC曲线Fig 1 TG-DTG-DSC of combustion of coal实验结果的影响以及实验产生的样品气氛不一致and waste tyres对反应平衡的影响通过分析胶粉的热重曲线还可以发现,胶粉试验条件如下:实验升温范围30-1000℃,升的燃烧特性与其自身性质有很大关系。由于胶粉含温速率为20℃/min,空气流速为20mL/min。每次有大量的挥发分,其热失重过程主要集中在挥发分取样量约为20mg。的析出和燃烧阶段,图中DIG峰非常陡,这表明胶粉挥发分的析出和燃烧非常迅速。从图中可以看2结果与讨论出,胶粉相对于煤在较低的温度下就可以着火,其21基本特性分析挥发分的析出与燃烧过程有3个明显不同的温度图1为胶粉和煤粉单一燃烧的 TG-DTG-DSC段(250-350℃、360-5000和520600℃),这应是曲线。由于胶粉所含挥发分的成分比较复杂,各成分的化对比煤粉与胶粉的 TG-DTG曲线(图1(a)和(b)学键强弱不一导致挥发分的释放速率与燃烧特性可发现:①在80℃附近有一个小的质量变化(分别不同,具体体现在DTG曲线上出现3个明显的燃为147%和1.22%),这是由于试样中所存在的吸烧失重速率峰。由于胶粉中固定碳的含量较低附水分析出所造成的;②纯煤粉的TG曲线为典DTG曲线上固定碳燃烧失重速率远小于挥发分燃型的平滑热失重曲线且仅有一个明显的失重变化烧速率。其对应的失重率5586%;与煤粉相比,胶粉的TG胶粉固定碳燃烧温度段为650~800℃C,与煤粉曲线并不是典型的平滑失重曲线,除了吸附水析出固定碳燃烧温度段相比,胶粉的燃烧温度略高,这造成的失重外,还存在3个比较明显的失重过程(挥而与试验条件和胶粉固定碳含量相对较低的发分释放和燃烧、固定碳燃烧),其对应的失重率自身中国煤化工于胶粉大量挥发分分别为1386%、6%和314%③胶粉中的可的村CNMHG气,阻碍了氧气与燃成分在低温度时析出,使DTG曲线有4个比较固定碳的结合,只有当挥发分燃烧到一定程度时,明显的失重速率变化区域,即250-350℃、固定碳与氧接触,并在温度达到足够高时,固定碳第14期李相国等:废轮胎胶粉与煤混烧的热重分析才开始燃烧,所以胶粉出现明显的固定碳燃烧区域用大于挥发分析出所引起的失重,从而使DTG曲较晚线出现了增重现象。当胶粉的比例很小(仅为10%)通过分析比较胶粉与煤粉的燃烧特性曲线可时,这一现象变化不大,仍与煤相似,但当胶粉的以得出,胶粉的燃烧过程与煤粉的燃烧过程有着较掺烧量达到30%和50%时,由于混合燃料中胶粉大不同,煤粉燃烧过程中起主要作用的是固定碳的挥发分的大量析出和燃烧,一方面加速了失重过程燃烧,而胶粉在燃烧过程中,其高挥发分的析出和(表现为该温度段最大失重速率的增大),另一方面燃烧起主要作用析出的挥发分燃烧又迅速消耗了大量的氧气,从而22胶粉与煤混烧特性使DTG曲线出现了明显的失重峰,这与纯胶粉在2.2.1胶粉与煤粉混合燃烧过程该温度段的性质相似。由这一现象也可看出,胶粉煤粉、胶粉及其混合物燃烧特征参数见表2。所占比重和挥发分的析岀对混合燃料的着火燃烧图2和图3分别是胶粉和煤混合燃烧的TG和DTG有较大影响类似的现象在360420℃和420~480℃曲线两个温度段也可发现。表2煤粉、胶粉及其混合物燃烧特征参数通过DTG曲线还可以发现,在煤的固定碳燃Tab. 2 The characteristics parameters of the blends, coal烧区域400~700℃温度段,混合燃料的燃烧特性比tyre pr编号( dw/dn)mav/(mg/s)TcT4ssT℃heen较复杂。当胶粉的掺烧量达到10%时,最大失重速58845827821.284541.776.7252345024420.7721率明显增加(图3);当胶粉掺烧量达到30%和50%53!42824.619.27253022时,最大失重速率又有所减少。这说明胶粉的掺入6.0753137824817.172624.35量对混烧的影响比较复杂,需要结合实际考虑最佳735020.515.872411.14注:1-100%煤粉:2-90%煤粉+10%胶粉:3—70%煤粉+30%胶粉;的胶粉比例,以优化混烧过程。在700~800℃温度4-50%煤粉+50%胶粉:5100%胶粉;T为DTG曲线(dwd)mx对段,与纯煤相比,掺胶粉的试样DTG曲线出现了应的温度:T为试样着火温度;T为燃尽时对应的温度;7hmd为燃个不大的凹峰且随着胶粉混烧比例的增大越明尽时残余物所占比例显,这主要是由于该温度段是胶粉中固定碳的燃烧比较图3中DTG曲线可发现,胶粉挥发分析出的250~350℃温度段,随着胶粉比例的增大,有区域,胶粉固定碳的燃烧失重作用增强使曲线出现了凹峰明显的DTG峰由凸峰逐渐转变为凹峰。这是因为对纯煤而言,加热时由于其挥发分的析出量不22.,2胶粉与煤粉混合燃烧着火特性着火点虽然发生在某一个时刻,但着火与着火大,试验环境中的氧扩散到煤颗粒的外表面和内部孔隙,发生物理化学吸附,并且此时的吸附增重作过程、特别是着火前的温升状况有关。本研究借鉴TG-DTG法来确定着火点151690%煤+10%胶粉着火点的确定方法:在DTG曲线上,过峰值A点作垂线与TG曲线交于B点,过B点作TG曲线70%煤+30%胶粉的切线,该切线与TG曲线上开始失重时的温度50%煤+T(点D),见图4由表2可知,胶粉的着火温度为350℃,比煤粉的低108℃。随着胶粉比例的增大,混合燃料的图2混合燃料燃烧TG曲线着火温度逐渐减小;与煤粉的着火温度相比,当煤Fig 2 TG of combustion of coal and waste tyres200400600日-2690%煤+10%胶粉50%煤+50%70%煤+30%胶粉中国煤化工CNMHG0.50图3混合燃料燃烧DG曲线图4着火温度T定义示意图Fig 3 DTG of combustion of coal and waste tyresFig 4 Sketch of ignition temperature(Te)definition中国电机工程学报第27卷粉样品中分别掺有10%、30%、50%的胶粉时,(4)胶粉是一种高挥发分、易于燃烧、热值煤的着火温度分別降低8、30℃和80℃;当胶粉高的燃料,其与煤粉混合制备成混合燃料适合于电掺量达到50%时,其着火温度接近于纯胶粉的。厂锅炉和预分解窑。但利用胶粉与煤混烧时应充分这主要是由于胶粉中大量挥发分在低温条件下析考虑二者优势互补,均衡挥发分与固定碳的燃烧出并迅速燃烧,促进了混合燃料的着火,表明胶粉这样才能做到有利于胶粉初期热量的释放以及后的掺入可以改善煤的着火性能。期煤粉固定碳燃烧的放热。2.2.3胶粉与煤粉混合燃烧燃尽特性参考文献燃尽特性是评价燃料燃烧性能的一个重要指标,它与燃烧效率有着密切的关系。T表示燃尽温1 :CH, Robertson J D, Rooters哪叫m度,对应于TG和DTG曲线不再有重量变化时的tire-derived fuel and petroleum coke at western Kentucky温度。胶粉、高灰分煤及其混合燃料的燃尽特征温cyclone- fired unit[]. Fuel Processing Technology, 2001, 74(2)度T和燃尽时残余物所占质量达hend见表2由图2和表2可知,胶粉的掺入使混合燃料[2] Prisciandaro M, Mazziotti G, Veglio F. Effect of burningsupplementary waste fuels on the pollutant emissions by cement的燃尽温度降低,但影响程度不大。随着试样中煤plants: a statistical analysis of process data[J]. Resources,粉比例的增加,TG曲线后移,在相同的失重情况Conservation and Recycling, 2003, 39(2): 161-184下,燃烧所需要的温度随着煤粉比例的增加而升[3] Atal A, Levendis Y A. Comparison of the combustion behavior ofpulverized waste tyres and coalg]. Fuel, 1995, 74(11): 1570-1581高。且混烧的最终残留物所占比重随着胶粉在混合[4] Cook A, Kemm ]. Health impact assessment of proposal to burn tyres燃料中所占比重的增加而有少量减少,这主要是煤in a cement plant[]. Environment Impact Assessment Review, 2004粉和胶粉所含有的灰分比例不同造成的。因此可以24(2);207-216.推论混烧在一定程度上提高了高灰分煤的燃尽率。[5] Altun N E, Hicyilmaz C, Kok M V. Effect of different binders on thecombustion properties of lignite, TG/DTG study, Part I. Eftect因此,胶粉作为电厂锅炉、水泥窑的替代燃thermal properties[]. Joumal of Thermal Analysis and Calorimetry料与煤混烧时应充分考虑二者优势互补,均衡挥发2001,65(2):787-795分与固定碳的燃烧,这样才能做到既有利于胶粉初[6] Kok M V. An Investigation into the thermal behaviour of coals打]. Energy Sources,2002,24(10):899-906期热量的释放以及后期煤粉固定碳燃烧的放热7]王春波,李永华,陈鸿伟.混煤燃烧特性研究[中国电机工程3结论学报,2005,25(18):97-103Wang Chunbo, Li Yonghua, Chen Hongwei. Study on combustion(1)胶粉的燃烧过程与煤粉的燃烧过程有着characteristics of blends coals[]. Proceedings of the CSEE, 200525(18):97-103( in Chinese较大不同,仅在400~700℃温度范围内观察到与固8]刘小伟,徐明厚,于敦喜,等.燃煤过程中矿物质变化与颗粒物定碳燃烧过程相对应的明显的失重过程,而观察不生成的研究中国电机工程学报,2005,25(22):1041到明显的挥发分的燃烧过程。而胶粉相对于煤在较Liu Xiaowei, Xu Minghou, Yu Dunxi, et al. Study on combustion低的温度下(250-350℃)就可以着火,这主要是由aracteristics of blends coals[J]. Proceedings of the CSEE, 200525(22);104-108( in Chinese)于挥发分的明显析出和燃烧的作用。9王文选王凤君李鹏等石油焦与煤混合燃料热重分析研究[燃(2)胶粉与煤混烧特性比较复杂,胶粉与煤料化学学报,2004,32(5):5225的各自性质对混合燃料的着火点和燃尽特性都有ang Wenxuan, Wang Fengjun, Li Peng, et al. Thermogravimetric着很大影响,随着胶粉在混合燃料中所占比重的增analysis on the pyrolysis and combustion characteristics of mixed加,失重曲线后移,DTG曲线也发生了变化,DTGTechnology(China), 2004, 32(5): 522-525(in Chinese曲线逐渐向煤粉的DTG曲线过渡,在比例为1:10苏胜,李培生,孙学信,等.污泥基本特性及其与煤混烧的热熏时,DTG曲线上有5个峰值点,但是当比例为9:1研究叮,热力发电,2004,33(9):6974.时,只有3个峰值点。on basic characteristics of sewage sludge and it's mix-burming(3)煤的着火温度为458℃,当分别掺入erformance with coal]. Thermal Power Generation, 2004, 33(9)10%、30%和50%的胶粉时,燃料的着火温度分别中国煤化工!烧的燃烧特性研究]热降低为450、428和378℃;同时最终残留物所占CNMHG比重也有一定程度的降低,说明胶粉有利于燃料的Liu Hao, Qiu Jianrong, Dong Xuewen, et al. A study of combustion着火和燃尽。characteristics of biomass-and-coal mixed firing[J]. Joumal of第14期李相国等:废轮胎胶粉与煤混烧的热重分析Engineering for Thermal Energy Power, 2002, 17(5): 451-454(in15]聂其红,孙绍增,李争起,等,褐煤混煤燃烧特性的热重分析法Chinese研究[门,燃烧科学与技术,2001,7(1)1272-761以]秦成,田文栋,肖云汉,垃圾衍生燃料热重法的燃烧特性.燃zeng, Li Zhen烧科学与技术,2004,103):232236.study on the combustion characteristics of brown coal blendsQin Cheng, Tian Wendong, Xiao Yunhan. Analysis of combustionJournal of Combustion Science and Technology, 2001, 7(1)characteristics of RDF by thermogravimetry[J]. Journal of72-76(in Chinese)Combustion Science and Technology, 2004, 10(3): 232-236(in[16] Ma Baoguo, Li Xiangguo, Xu Li, et al. Investigation on catalyzedChinese)combustion of High Ash Coal by Thermogravimetric analysis13]崔洪,杨建丽,刘振宇.废旧轮胎热解行为的 TG/DTA研究,化J]. Thermochimica Acta, 2006, 445(I): 19-22.工学报,1999,506:826-833Cui Hong, Yang Jianli, Liu Zhenyu. Pyrolysis of tires and tire收稿日期:2006-11-20components by TG/DTA analyzer[]. Journal of Chemical Industry作者简介:and Engineering, 1999, 50(6): 826-833(in Chinese李相国(1976),男,博士,讲师,研究方向为生态建筑材料、水14陆斌,张卫华,桑芝富,胶粉和煤粉混合燃烧特性的分析门能泥工业劣质煤资源化利用, Ixggroup@l63com源研究与信息,2004,201):3845马保国(1957),男,博士,教授,研究方向为低环境负荷型水泥Lu Bin, Zhang Weihua, Sang Zhifu. Combustion characteristics of the关键制备技术。mixtures of tire and coal powder D], Energy Research(编辑王庆霞)nformation, 2004, 20(1): 38-45(in Chinese中国煤化工CNMHG