气卸蒙古煤在氧气中的燃烧特性

解凤霞，华敏，张欣欣，张丹

(西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048)

气卸蒙古煤在氧气中的燃烧特性

解凤霞，华敏，张欣欣，张丹

(西安工程大学环境与化学工程学院，陕西西安710048)

在不同升温速率条件下研究气卸蒙古煤在氧气中的燃烧行为，得出燃烧过程的动力学方程和动力学参数.用等转化率法求得其在氧气中燃烧的活化能为199.81kJ·mol-1;用主曲线法确定燃烧过程的最可几机理函数的积分式为G(α)=［-ln(1-α)］m，m=1.29±0.02，由Ea和G (α)求得指前因子lnA/s-1为29.95±0.04.另外，根据煤的燃烧特性指数R的大小，得出升温速率越小，R值越大，则气卸蒙古煤的燃烧特性愈好;在实验范围内煤粒径尺寸越小越容易燃烧.关键词：煤;燃烧;粒径;等转化率法;主曲线法

0 引言

煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是重要的战略资源.它广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产及居民生活领域.由于我国能源结构以煤为主，经济发展过程中煤炭消费巨大，经济与煤炭两者相互依赖相互促进，保持着一种唇齿相依的关系［1］.积极寻求更有效的、环境可接受的途径，最大限度地提高煤炭的能源效率，减少污染物的排放总量，并大力推广煤炭的综合利用技术，这是社会、经济、能源、环境可持续协调发展的必然要求，这对于进一步合理配置煤炭资源、提高煤炭资源使用效率、进一步落实科学发展观具有重要的意义.煤的着火是一个特别复杂的问题，到目前为止还无法给出恰当的描述和归纳，一般说来，着火被描述为燃料与氧化剂达到一个连续反应的过程［2］.煤吸附周围氧含量达到一定程度，自身氧化所释放的能量，与向体系中散热量达到平衡，开始点燃［3］.热分析法具有试样量少、速度快并且能在测量温度范围内研究原料受热发生热反应的全过程等优点，是实验室研究燃料燃烧性能的常规方法［4-5］.

本文根据热分析技术研究气卸蒙古煤在氧气中的燃烧性能.分别得到活化能，机理函数以及速率方程中的指前因子等燃烧过程的动力学三因子，为煤的燃烧规律提供数据支持.

1 实验

1.1 试剂和仪器

气卸蒙古煤(由包头钢铁集团有限公司提供)，使用前经烘箱在90℃恒温下烘干，经过标准分样筛分别筛选出粒径为0.20～0.30mm，0.15～0.20mm，0.00～0.15mm范围的不同样品.

TGA/SDTA851 e型热重/差热同步热分析仪(瑞士梅特勒-托利多公司).

1.2 实验方法

热分析实验使用开口的70uLAl2O3坩埚，样品质量约4mg，分别采用升温速率β为5，10，15，20℃/min进行线性升温，以高纯O2做载气，流速为50mL/min.热分析仪的温度采用标准金属In和Al进行标定.数据均用Origin 8.0处理.

2 结果与讨论

2.1 燃烧热重曲线

图1(a)，(b)为不同升温速率下的粒径为0.20～0.30mm的气卸蒙古煤在氧气中燃烧的TG曲线和DTG曲线.从图1(a)，(b)中可以看出，升温速率对热重曲线有较大影响，随着升温速率增大，挥发分初释温度提高，而且达到一定的失重率所对应的温度也随之提高，失重速率峰值提高，且峰值温度向高温区移动.燃烧过程的热力学相关温度见表1.

图1 在不同升温速率下气卸蒙古煤在纯氧气中的燃烧曲线图

表1给出了不同升温速率时煤在氧气氛围中的挥发分释放特性指数等参数.挥发分释放特性指数R可以综合反映煤燃烧过程中挥发成分释放的强烈程度，R越大煤的燃烧特性越好.不同升温速率时的煤在氧气氛围中挥发分释放特性指数等参数见表2.R= (dα/dτ)max/(Tmax×T1/2×TS)，其中(dα/dτ)max为挥发分最大释放速度;Tmax为最大释放速度对应的温度;T1/2为(dα/dτ)/(dα/dτ)max对应的温度区间：TS为挥发分初释温度.升温速率减小，煤的挥发分释放特性指数R增大，说明升温速率减小有利气卸蒙古煤的燃烧.

表1 气卸蒙古煤在氧气氛围中燃烧过程的温度范围

表2 不同升温速率时的煤在氧气氛围中挥发分释放特性指数等参数

2.2 煤粉粒度对燃烧过程的影响

图2为不同粒径的气卸蒙古煤在氧气中燃烧的TG曲线.从图2可以看出，在氧气中煤粒粒径对燃烧特性的影响，达到相同的失重率时粒径较小的煤样所需温度比粒径较大的煤样低，煤粒径越小反应起始温度和终止温度越低，由此可知0～0.30mm的粒径范围内，煤粒径越小燃烧特性越好.

2.3 燃烧反应动力学分析

本文采用多重扫描速率法和等转化率法处理固相体系的燃烧反应［6］.

2.3.1 气卸蒙古煤燃烧过程的表观活化能Ea在α为0.20～0.90的反应主期之间，间隔0.05取值，依据Ozawa方程［7］和KAS方程［8］，以lnβ对1/T和ln(β/T2)对1/T进行线性回归求出反应过程的活化能Ea，结果见表3，从表3可以看出两种方法的线性回归系数均大于0.99，在转化率α为0.20～0.90范围内活化能变化不大，可以认为是定值，说明气卸蒙古煤的燃烧一步完成，燃烧过程的活化能取两种方法所得值的平均值：Ea= 199.81kJ·mol-1.

图2 不同粒径的气卸蒙古煤在氧气中燃烧的TG曲线图

表3 不同方法所求得汽卸蒙古煤在氧气中燃烧过程的活化能

2.3.2 主曲线法判断最可几机理函数在α为0.20～0.90范围内间隔0.05取点，对合适的机理函数则有G(α)/G(0.5)=P(X)/PX(0.5)分别以不同升温速率的P(x)/P(x0.5)对a做图.绘制出图3，考察实验数据点与标准曲线的吻合情况［9］.从图3可以看出，不同升温速率下的实验数据点与标准曲线基本吻合，但实验数据点没有全部落在某条标准曲线上，而是落在G(α)=-ln(1-α)和G(α)=［-ln(1-α)］2标准曲线之间，因此，可以认为该燃烧过程的机理函数为G(α)=［-ln(1-α)］m，1＜m＜2.

2.3.3 求指前因子A和指数m将G(α)=［-ln(1-α)］m，(1＜m＜2)代入热分析动力学方程的积分式G(α)=A(Ea/βR)P(x)，整理后得P(x)=［-ln(1-α)］m/［1/(AEa/βR)］.以P(x)对-ln(1-α)作图并对曲线按指数函数y=axb进行非线性拟和，从拟和结果a，b得出A，m，即A=Ea/βR.拟和结果见表4，求出指前因子lnA/s-1=29.95±0.04，m=1.29±0.02.

表4 不同升温速率下的非线性拟和结果

2.3.4 动力学方程可靠性验证为了验证本文所建立的动力学方程的可靠性，在TGA/SDTA851e型热重/差热同步热分析仪的实验装置上对气卸蒙古煤在升温速率为10K/min下的燃烧速率进行测定，测得的实验结果与本文建立的动力学方程进行对比.理论计算依据下列根据非等温条件下动力学方程式：

其中，dα/dT为非等温条件下反应速率，Ea和A分别为动力学分析结果中的活化能和指前因子，f(α)为气卸蒙古煤燃烧过程中所遵循的机理函数，f(α)=1/m(1-α)［-ln(1-α)］1/(1-1/m)(m= 1.29)，该表达式由动力学分析结果中的G(α)=［-ln(1-α)］m(m=1.29)得到.实验结果和计算结果见表4.从表4可以看出，两组数据吻合的比较好，从而证明本文所建立的方程是可靠的.

图3 常见的动力学模型函数所对应的标准曲线与不同升温速率下气卸蒙古煤在氧气中燃烧的实验数据

表5 燃烧速率理论值与实验值对比

3 结论

(1)在实验条件下气卸蒙古煤在氧气中燃烧的温度范围为250～600℃，质量损失率＞90%，通过Ozawa方程和KAS方程求得燃烧过程的活化能为199.81kJ·mol-1.通过主曲线法求得燃烧过程的最可几机理函数的积分式为G(α)=［-ln(1-α)］m，m=1.29±0.02，指前因子lnA/s-1为29.95±0.04.

(2)随着升温速率的增大，煤燃烧的初始温度、失重峰温度及燃烧终止温度向高温区迁移，且DTG峰值增高;不同升温速率时煤在纯氧气中的燃烧特性指数等参数表明：升温速率越小，R值越大，燃烧特性越好，对煤着火越有利.

(3)在氧气中燃烧，煤样粒度越小，煤样的着火温度越低，自燃倾向越大.通过燃烧速率的测定，证明本文所得的动力学方程中的三因子Ea，A以及G(α)是合理、可靠的.

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［3］公旭中，王志，郭占成.煤基燃料催化燃烧时然点的变化规律［C］//2012年全国冶金物理化学学术会议专辑(上册).北京，《中国稀土学报》编辑委员会，2012：383-386.

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Combustion characteristic of Qixie Mongolian coal in oxygen

XIE Feng-xia，HUA Min，ZHANG Xin-xin，ZHANG Dan

(School of Environmental and Chemical Engineering，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China)

The burning behavior of Qixie Mongolia coal were studied under non-isothermal conditions by thermogravimetry(TG)technique in O2.The iterative iso-conversional method was applied to calculate the activation energy Ea of burning，the most probable mechanism function G(α)was determined by means of the master plots method.The pre-exponential factor A was obtained on the basis of Ea and G(α).In O2，the kinetic parameters (Ea and ln A)of burning are given as：Ea=199.81kJ·mol-1，ln(A/s-1)=29.95±0.04.The mechanism function of the burning was G(α)=［-ln(1-α)］m，m=1.29±0.02.In addition，the influence of particle size on the combustion of coal were also studied.It was found that the smaller of particle size，the better of the combustion characteristics.When the heating rate of the Qixie Mongolia coal is lower，the R is bigger，and the combustion characteristic is better.

coal;burn;iterative iso-conversional method;the master plots method

TQ 531

A

1674-649X(2014)01-0059-05

编辑、校对：田莉

2013-04-07

西安工程大学博士科研启动基金资助项目(BS0902)

解凤霞(1973-)，女，山西省黄城县人，西安工程大学副教授.E-mail：xiefengxia2010@126.com