锡林浩特褐煤燃烧特性热重分析

赵炬明

(东北电力设计院 国际分公司,吉林 长春 130021)

锡林浩特褐煤燃烧特性热重分析

赵炬明

(东北电力设计院 国际分公司,吉林 长春 130021)

利用热重分析仪获得了升温速率分别为10 K/min、30 K/min、50 K/min和70 K/min下锡林浩特褐煤的燃烧失重特性曲线，计算了着火温度、燃尽温度、最大失重速度等燃烧特性参数。采用Coats-Redfern法计算出反应动力学参数：活化能E和频率因子A。结果表明，随着升温速率升高，其着火温度降低，燃尽时间增加。

褐煤；燃烧；热重分析

0 引言

我国褐煤储量丰富，利用方式以燃烧为主，研究褐煤燃烧特性具有重要意义。热重分析广泛用于煤燃烧特性研究[1-3]，通过热重曲线分析,可以获得着火温度、燃尽温度、最大失重温度、最大失重速率等特征参数，通过计算反应动力学参数,可以进一步分析煤燃烧反应机理和反应特性，为煤燃烧利用提供有价值的信息[4-5]。

锡林浩特褐煤是我国内蒙古地区的典型褐煤，本文采用热分析方法，分析了该煤种的燃烧特征参数，进行反应动力学参数计算。

1 热天平实验

1.1 实验样品选取和制备

将采集的锡林浩特(XLHT)褐煤研磨、筛分，粒度为140目(109 μm)以下，密封保存。煤粉样品工业分析和元素分析见表1。

表1锡林浩特(XLHT)褐煤工业和元素分析

煤种工业分析/[%]Qnet，ar元素分析daf/[%]VadFCadMadAad/kJ·kg-1CHONSXLHT35．2646．766．7911．1921134．072．204．9521．450．301．10

1.2 实验工况

热重分析仪为瑞士Mettler-Tolerdo公司生产的TGA/SDT851e型热重分析仪。实验中，将15 mg左右的煤样置于热天平坩埚中，用50 mL/min的氮气吹扫热天平，整个吹扫过程进行30 min后充分排出反应系统中的杂质气体，然后以20 K/min加热到378 K，恒温5 min，除去样品中的水分，然后通入氧气，以不同加热速率加热至1 273 K，最后在1 273 K继续通入30%、50 mL/min氧气并恒温5 min。升温速率分别为：10 K/min、30 K/min、50 K/min和70 K/min。

由于从室温升温到378 K阶段只是为了脱除外在水分，而对于煤粉而言，温度达到1 273 K时燃烧已趋于反应完全，达到1 273 K之后再恒温一段时间，是为了使反应更充分。因此这两个阶段在数据分析的过程中可以不考虑。以下曲线均为对由378 K以不同的升温速率加热至1 273 K的反应阶段的分析。即378 K时的重量为燃烧样品的初始重量，1 273 K为燃烧终点，此时的重量为燃烧样品的最终重量。

2 实验结果及分析

由热重曲线及数据，可得到某一时刻反应的转化率[6]，即某一时刻试样减少的质量与达到实验终温时试样的总损失质量之比

(1)

式中m0——样品失水结束的质量；

mt——某一时刻样品的质量；

m——反应结束时样品的质量。

由试验数据获得样品在4个升温速率下的燃烧特性参数如表2所示。

表2不同升温速率下的燃烧特性参数

升温速率β/K·min-1最终失重率mf/[%]着火温度Ti/K燃尽温度Th/K燃烧反应速度峰值(dw/dt)max/[%]·min-11088．65605．06844-11．13088．19590．57852-16．75088．02573．31003-18．07087．96556．321132-20．6

图1 不同升温速率下的TG曲线

图2 不同升温速率下的DTG曲线

由图1、图2可知，升温速率在一定程度上改变了煤的分解历程，升温速率会影响到某一温度时煤样的剩余质量，升温速率越高，在某一温度时剩余质量越大；同时随着升温速率的提高，燃烧失重速率明显增大，完成整个燃烧的时间会相应缩短。

而从表2里的数据可以看到，在4个不同的升温速率下，煤样的着火温度(确定方法见文献[7])具有特定的规律，即随着升温速率的增加，着火温度降低。这说明当升温速率提高时，煤粉着火提前，着火温度随之降低渐趋明显。升温速率对最大失重速率的影响很大，随着升温速率的增加，最大失重速率增大，燃尽温度(燃烧失重量为总失重量的98%时所对应的温度)随之增大，这是因为升温速率越大，从室温加热到反应终点温度所需时间越小，虽然温度高，但时间不够，没有燃尽，而且在高温条件下，燃烧处于扩散区，由于没有煤粉和空气的混合过程，就显得燃尽温度高。

3 燃烧动力学分析

本文采用Coats-Redfern方法积分，反应选择一级反应机理函数[8]，求解锡林浩特褐煤热解反应的动力学参数，见表3。

Cumming[9]、刘辉[10]等人的研究也表明一级反应可以很好地描述煤粉热天平燃烧反应过程,燃烧反应在不同反应区间存在多段表观活化能的现象,说明反应温度增加,燃烧过程遵循不同的反应机理,这和本文的研究结果是一致的。

表3煤样燃烧反应动力学参数

升温速率/K·min-1温度范围/K拟合直线公式失重份额/[%]频率因子AE/kJ·mol-1相关系数R10559-695y=-7886．7x-1．652863．2115104．065．570．9987695-844y=-2319．6x-9．384630．181．919．290．835430529-731y=-5841．5x-5．306152．76869．448．570．9957731-820y=-4959．1x-6．649533．17192．641．230．996550513-738y=-4688．9x-7．273140．58162．738．980．9839738-932y=-2782．1x-10．03143．796．123．130．999370490-740y=-4115．7x-8．240235．3376．034．220．9801740-1025y=-1867．3x-11．45147．371．415．520．9981

4 结论

(1)升温速率在一定程度上改变了煤的分解历程，升温速率会影响到某一温度时煤样的剩余质量，升温速率越高，着火温度降低,煤粉着火提前；平均重量损失速率也随之增大，燃烧反应更加集中；最大失重速率所对应的温度没有很明显的规律性；燃尽温度随之增大。

(2)对燃烧反应的动力学分析表明,锡林浩特褐煤热天平燃烧反应为一级反应,燃烧反应分为两个阶段,升温速率升高,煤样各段反应的表观活化能降低。

[1]刘建忠,冯展管,张保生,等.煤燃烧反应活化能的两种研究方法的比较[J].动力工程,2006,26(1):121-124.

[2]朱群益,李瑞扬,秦裕琨,等.煤粉燃烧反应动力学参数的试验研究[J].动力工程,2000,20(3):703-706.

[3]赵丽红,楚希杰,辛桂艳.煤热解特性及热解动力学的研究[J].煤质技术,2010,34(1):8-11.

[4]胡荣祖,高胜利,等.热分析动力学[M].2版.北京:科学出版社,2008.

[5]熊友辉,孙学信.动力用煤及燃烧特性的研究手段和方法[J].煤质技术,1998(9):27-31.

[6]王俊宏,常丽萍,谢克昌.西部煤的热解特性及动力学研究[J].煤炭转化,2009,32(3):1-5.

[7]祝文杰,周永刚,赵虹,等.用热天平研究煤的燃烧特性[J].煤炭科学技术,2004,32(3):8-11.

[8]卢洪波，徐海军.煤燃烧特性的热重实验研究[J].电站系统工程，2006,22(6):11-13.

[9]J. W. Cumming.Reactivity assessment of Coals Via a Weighted Mean Activation Energy[J].Fuel,1984,63(10):1436-1440.

[10]刘辉，吴少华，赵广播，等.煤粉粒度对元宝山褐煤燃烧特性的影响[J].哈尔滨工业大学学报,2008,40(3):419-422.

ThermogravimetricAnalysisonCombustionCharacteristicsofXilinhaoteLignite

ZHAOJu-ming

(NortheastElectricPowerDesingInstitute,Changchun130021,China)

The combustion characteristics of Xilinhaote lignite were studied by thermogravimetric analysis at different heating rate (10 K/min、30 K/min、50 K/min and 70 K/min). The initiation point, burnout time, burnout temperature and maximum weight loss rate were calculated with the test date. The kinetic parameters, activation energy E and frequency factor A, were studied by Coats-Redfern thermalanalytical method. Results show the burnout time increases and the ignition temperature decresaes with rising heating rate.

lignite;combustion;thermogravimetric analysis

2014-09-16修订稿日期2014-10-23

国家科技支撑计划课题(2012BAA12B03);河北省教育厅科学研究计划(Q2012151)。

赵炬明(1970～)，男，本科，高级工程师,主要从事能源工程设计研究。

TK16

A

1002-6339 (2014) 06-0527-03