淮北矿区煤矸石与洗中煤混合燃烧特性分析

章祥林，徐 建，靳廷甲

(安徽建筑大学 材料与化学工程学院，安徽合肥230601)

淮北矿区煤矸石与洗中煤混合燃烧特性分析

章祥林，徐 建，靳廷甲

(安徽建筑大学 材料与化学工程学院，安徽合肥230601)

为了充分利用淮北矿区煤矸石和洗中煤资源，采用热重分析实验研究了煤矸石与洗中煤在不同配比下的混合燃烧特性，计算燃烧特性指数。结果发现混合煤样中随着洗中煤含量的增加，煤样的着火温度均有所下降，着火指数、燃尽指数和综合燃烧特性指数均有所提高。利用Coats—Redfern积分法对燃烧过程进行动力学分析，得到了燃烧反应的活化能和频率因子等参数。结果表明混合比对反应活化能有很大影响，燃烧反应级数为1.5级时可信度最高。

热重分析；燃烧特性；动力学

0 引言

安徽淮北矿业集团年产原煤3 000余万t，其中煤矸石含量占原煤产量的10%～20%，洗中煤含量为原煤产量的7%～8%。洗中煤因灰分和硫分高、结渣倾向大，作为锅炉燃料燃烧时具有较大的安全隐患，环境污染较为严重，所以，一般不单独燃烧。煤矸石因其高灰分、低挥发分，难燃烧等特点，长期以来难以得到高效利用。采用煤矸石的混合燃烧技术，是煤矸石热值回收最为常用的方法，也是目前淮北矿区处理煤矸石最主要的方法。由于煤性质的不同，即使采用相同的工艺设备，相同的配比，不同地区的燃烧效果也大不相同。关于煤矸石混合燃烧[1～5]的研究已十分成熟，但很少有针对淮北矿区临涣选煤厂洗中煤与煤矸石混合燃烧的研究。为此，本文利用热重分析实验研究了煤矸石与洗中煤在不同配比下的混合燃烧特性，为临涣矸石电厂330 MW超临界流化床锅炉的高效应用提供理论指导。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验所用煤矸石和洗中煤均来自淮北临涣选煤厂，测试样品为煤矸石和洗中煤的质量比分别为0,1:4，2:3,3:2的均匀混合煤样，记为a,b,c，d。煤矸石和洗中煤的工业分析如表1所示。

表1 煤样的工业分析

1.2 实验仪器与条件

实验仪器：采用热重分析仪(德国NETZSCH STA 409PC型热天平)对混合煤样进行燃烧实验分析。

实验条件：称取混合煤样10 mg左右，放入Al2O3坩埚中，保存数据，空气气氛,流速为100 ml/min，以20 ℃/min的升温速率由室温升到1 000 ℃。混合煤样燃烧实验过程中，同步热分析仪自动绘制出混合煤样的TG曲线、DTG曲线和DSC曲线。混合煤样的粒度为150 μm以下。

1.3 煤样燃烧评价指标

通过热重实验数据，计算出着火指数(Di)、燃尽指数(Df)以及综合燃烧特性指数[6](SN)，作为混合煤样燃烧的评价指标。

1.4Coats—Redfern法

采用Coats—Redfern[7,8]法对程序升温的热重实验进行动力学参数的计算。根据Coats—Redfern方程：

2 结果与讨论

2.1 TG—DTG曲线

混合煤样TG—DTG曲线如图1所示。

图1 混合煤样TG—DTG曲线

TG为煤样质量百分数随温度(或时间)的变化情况，反映煤样燃烧的失重过程。由图1可知，不同配比下的煤样燃烧失重趋势基本相同，随着混合煤样中洗中煤含量的增加，煤样的燃烧失重率增加(煤样a、b、c、d的失重率分别为70.5%、64.1%、45.5%、33.2%)，燃烧速率增加。由此可知，混合煤样中洗中煤含量越多，煤样的燃烧效果越好，燃烧速率加快。在284～383 ℃之间，TG曲线发生增重现象，这主要是煤样与环境气体(氧气)发生反应所致[9]。383～440 ℃之间主要为煤样挥发分析出燃烧；440 ℃之后为煤样固定碳的燃烧过程。DTG曲线是对TG曲线求一级微分商得到的，反映煤样燃烧速率的大小，曲线峰值的大小代表燃烧的猛烈程度。混合煤样中洗中煤含量不同，煤样的燃烧激烈程度不同(a>b>c>d),燃烧特征参数不同。根据TG—DTG曲线，计算混合煤样的着火与燃尽特性指数，具体参数见表2[10]。

表2 混合煤样燃烧特性参数

着火和燃尽指数反映了煤样的着火和燃尽性能，指数越大，着火和燃尽性能越好；综合燃烧特性指数全面反映性质差异较大的煤混燃时的燃烧性能，指数越大燃烧性能越好。由计算结果可知，煤样a、b、c、d的着火温度分别为460.7 ℃，470.6 ℃，484.5 ℃，486.5 ℃；着火指数分别为24.0×10-3，18.2×10-3，14.5×10-3，11.2×10-3；燃尽指数分别为39.7×10-4，31.5×10-4，24.9×10-4，18.7×10-4；综合燃烧特性指数分别为15.0×10-8，10.0×10-8，6.2×10-8，3.5×10-8。由此可知，随着洗中煤含量的增加，煤粉的着火和燃尽特性都有不同程度的提高，燃烧效果变好。可以解释为混合煤样中洗中煤含量增加，挥发分含量增加，率先析出燃烧，燃烧释放出的热量又提供了发生反应所需要的能量，促进燃烧反应的进行。此外，随着煤样可燃物含量增多，灰分减少，对燃料的覆盖面积减小，从而可燃物与氧气的接触面积增大，加快了燃烧初期火焰传播速度，使得燃烧更充分，燃烧效果变好。

2.2 着火和燃尽温度

着火温度是指煤样在空气(氧气)气氛中加热时达到连续燃烧的最低温度。由表2计算结果分析可知，混合煤样中随着洗中煤含量的增加，煤样的挥发分增加，挥发分能够在较低的温度下析出燃烧，并引燃焦炭，促进燃烧反应的进行，因此，着火温度向低温区移动。这在TG—DTG曲线上可以得知。所以，从着火温度的角度来看，洗中煤含量越多，越容易着火。燃尽温度是指煤样失重占总失重的99 %以上所对应的温度。由计算结果可知，混合煤样的燃尽温度并没有随洗中煤含量的增加而减小，说明混合比对煤样的燃尽温度影响较大；煤样c比煤样b和煤样d的燃尽温度都有所提前，和煤样a的燃尽温度也相差不大。说明煤样c的燃尽特性相对较好，燃烧较为彻底。产生这种现象的主要原因是不同含量的不同矿物质在燃烧过程中发生的熔融反应所致。

2.3 DSC曲线

DSC是程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的能量差随温度或时间变化的一种技术[9]，提供煤样的放热强度、放热峰面积等燃烧特性方面的讯息，反映了整个燃烧过程中放热量随时间或温度的变化情况。由图2可知，煤样的燃烧阶段主要发生在燃烧中后期，即焦炭燃烧阶段。DSC的峰值表示煤样燃烧放热的最大速率。随着混合煤样中洗中煤含量的增加，煤样的最大放热速率增大。由峰面积可知，不同配比下的混合煤样燃烧放出的热量是不相同的(煤样a、b、c、d放热量分别为23.4 kJ/g，19.1 kJ/g，14.7 kJ/g，9.9 kJ/g)。在383～440 ℃之间DSC曲线上出现一个峰主要是煤样挥发分析出燃烧引起的，DSC峰值温度分别为511 ℃，534 ℃，536 ℃，543 ℃，相差较小，说明混合比对低热值煤的燃烧影响不大。因此，在实际应用过程中，可以认为混合煤样的放热量是几种单煤的加权结果。

图2 混合煤样燃烧过程DSC曲线

2.4 燃烧动力学分析

活化能是化学反应中反应物分子达到活化时所需的最小能量，反应活化能的大小可以反映出化学反应的难易。混合煤样的燃烧一般包括挥发物的着火燃烧和固定碳的着火燃烧两个过程，低热值混合煤样的固定碳燃烧过程主要受化学动力控制。通过实验模型计算不同反应级数下燃烧反应的活化能、频率因子等参数，结果发现当燃烧反应级数为1.5级时，可信度最高。根据Coats—Redfern方程

图3 混合煤样燃烧动力学方程

混合煤样的活化能的大小，反映出燃烧反应的难易。由计算结果可知，活化能大小顺序为d>b>c>a。由此可知，活化能的大小并不随混合煤样中洗中煤的增加而增加或减少而减少。这主要是因为在煤样的燃烧过程中，不同矿物本身以及矿物之间发生的反应对煤样的燃烧产生了影响，煤样内在矿物的特殊导热效应，也会对燃烧反应产生影响，从而影响整个燃烧反应的历程和反应活化能。因此，在实际应用过程中需寻求最佳配比，以提高综合应用性能。

表3 煤样燃烧动力学参数

3 结论

通过热重实验对比分析了不同配比下混合煤样和洗中煤燃烧特性，计算出了低热值混煤燃烧特性参数及动力学参数，结果表明：

(1)混合煤样中随着洗中煤含量的增加，混合煤样的着火温度均有不同程度的提前，着火、燃尽指数和综合燃烧指数均有所增大。混合比对燃尽温度影响较大。

(2)混合煤样燃烧反应级数为1.5级时，可信度最高，混合比对煤样的反应活化能具有较大影响。煤样的燃烧过程非常复杂，在实际应用中需综合各种因素，选择最佳比例。

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Analysis of the Combustion Characteristics of Middling Mixed with Coal Gangue from Huaibei Mining Area

Zhang Xianglin，Xu Jian,Jin Tingjia

(School of Materials and Chemical Engineering，Anhui Jianzhu University，Hefei 230601，China)

In order to make the best use of coal gangue and middling resource from Huaibei mining area, experiment on the combustion characteristics of middling and coal gangue’s mixture in different proportion was investigated by thermogravimetric analyzer, the combustion characteristic indexes were calculated.The results show that with the increase of the middling in the mixed,the ignition temperature was decreased,the ignition index,burnout index and comprehensive combustion characteristic index were improved.In addition Coats-Redfern integral method was used for combustion process in the dynamics analysis,the activation energy and frequency factor, etc. were acquired by performing the dynamic analysis. The results indicate that the blending ratio has a great influence on activation energy in the combustion process,and the highest reliability was obtained when the combustion process obeys 1.5 magnitude of chemical reaction.

thermogravimetry analysis；combustion characteristics；dynamics

2015-07-25。

安徽省科技厅科技攻关项目(12010402109)。

章祥林(1955-)，男，教授，研究方向为碳材料及功能高分子材料，E-mail:zxl@aiai.edu.cn。

TK16

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.09.004