低阶煤燃烧化学反应特征参数研究

田慧英，李 曼

（1.集宁师范学院内蒙古自治区矿土土质改性及综合利用重点实验室,内蒙古 乌兰察布 012000）

煤的燃烧反应是以煤为原料，煤中可燃成分（碳、氢、硫等）与空气中的氧进行剧烈的化学反应，放出大量的热并生成烟气和灰渣的过程。我国煤炭资源中以褐煤、次烟煤为代表的低阶煤储量丰富，低阶煤化学结构侧链多，氢、氧含量较高，具有煤化程度低、挥发分含量高、含水量高等特点[1-2]。煤的燃烧是最直接的应用方式，卢洪波[3]等人利用热重分析仪研究了祁连塔煤的燃烧特性，得出着火温度随升温速率的变化规律，得到不同升温速率下的燃烧特性参数，对研究煤的实际燃烧过程提供了数据。

煤燃烧特性的试验方法有多种，热重分析法应用颇为广泛。因此，采用热重分析法研究储量丰富的低阶煤的燃烧特性，根据实验数据确定燃烧起始温度、着火点、燃烬温度等反应特征参数，分析产生差别的原因，可以预测低阶煤的燃烧过程及燃烧难易程度，促进煤燃烧的定量研究，对低阶煤的加工利用有着重要的意义[4]。

1 实验部分

1.1 煤样的选取与制备

实验用煤根据《煤层煤样采取方法》与《煤样的制备方法》，采集煤样后，用保鲜膜包裹好。选取保利（BL）、民达（MD）、范家村（FJC） 三种低阶煤，煤样采用颚式破碎机破碎后，经球磨机磨制，最后筛分，将200～400目规格的样品作为实验用煤。三种煤样的工业分析数据见表1。三种低阶煤挥发分、固定碳、灰分含量均有差异，FJC煤中挥发分和固定碳较低，灰分很高，具有低热值、难于燃烧的特点。三种煤样的变质程度由高到低依次为：MD、BL、FJC。

表1 煤样工业分析

1.2 实验方法

实验仪器为Diamond TG/DTA 6300型热重分析仪，煤样量均为15mg左右，仪器升温速率为10℃/min，载气流速为100mL/min，热重测试温度范围：室温-1000℃。

2 结果与讨论

2.1 煤燃烧热重曲线分析

三种煤样在氧气气氛下热重分析TG结果如图1所示。由图1可知，三种煤样的热解总体可分为三个阶段，第一阶段是室温～330℃，第二阶段是330～600℃，第三阶段为600～1000℃。首先是煤中水分蒸发过程，随后挥发分开始析出，当达到着火温度后开始燃烧。在室温至330℃温区内，三种煤样的失重量顺序为FJC>MD>BL，在90℃附近开始都有明显的水分脱出峰，之后是煤吸附的小分子的脱附和一些易发生反应的官能团的分解。BL、MD、FJC分别在温度为554℃、569℃、586℃左右燃烧基本完全，在燃烧反应结束时，三种煤的燃烧产物含量顺序依次为：FJC>MD>BL，与工业分析数据一致。

图1 三种低阶煤燃烧TG曲线

三种煤样的DTG曲线如图2所示，三种煤样的DTG曲线最初都有一个台阶，表示煤样燃烧过程初始阶段的水分蒸发过程，以脱除煤中的游离水为主。BL、MD煤在燃烧主体温区内出现了两个明显的失重峰，这可能是因为这两种煤中所含可燃组分较高，因此出现了二次燃烧现象。BL煤在350℃之后，第一个失重峰出峰较早，MD和FJC分别在404℃和389℃开始出现较为明显的失重峰。煤化程度低的煤样第一个失重峰出峰更加明显，随着煤化程度的升高，第二个失重峰的出峰位置后移，且峰值明显增大，因为煤中碳含量的增加使煤中易燃组分更晚的燃烧。随着煤化程度的提高，煤的失重速率明显加快，燃烧温度也相应增高，煤样之间最大失重速率所对应的温度相差50℃。在600℃以后，可以明显看到，随着温度的升高，各煤样峰面积越来越小，峰高越来越趋于平缓。

图2 三种低阶煤燃烧DTG曲线

2.2 燃烧化学反应特征参数

以BL煤为例，作图阐述煤燃烧化学反应各特征温度的确定方法，如图3所示。

图3 燃烧化学反应特征参数的确定

煤在水分蒸发过程发生后，经过一段平稳开始失重的点即为初始反应温度Ts。着火温度可以根据TG-DTG曲线来找准[5]：首先在DTG曲线找出最大峰值点，过最大峰值点做垂线并与TG曲线相交，过交点做TG曲线的切线，切线与TG曲线初始水平线段的延长线的交点所对应的温度为着火温度Ti。煤的燃烧在水分蒸发后，在DTG曲线上有一个最大峰值点，取最大峰值对应的速率为最大失重速率，最大峰值对应的温度为最大失重温度Tmax。煤样中的可燃部分几乎完全燃烧对应的温度即为燃烬温度Th，也即TG曲线趋于平缓时对应的温度。

根据以上方法确定的几种煤的燃烧反应特征参数见表2、图4。

表2 低阶煤燃烧反应特征参数

图4 低阶煤燃烧反应特征温度

MD煤的起燃温度最低，BL煤的起燃温度最高。从着火温度来看，BL煤的温度最低，而MD煤的着火温度最高，与起燃温度的趋势相反；从最大失重速率绝对值来看，BL煤的最大失重速率最大，MD煤的最小；FJC煤的最大失重温度最低，MD煤最高；FJC煤燃烬温度最低，BL煤燃烬温度最高。综合来看，三种煤样MD、BL煤燃烧性能较好，FJC煤灰分高、热值低，燃烧性能最差，煤样燃烧性能优劣与煤的变质程度有直接关联，煤样的变质程度越高，燃烧反应所经历的时间越长。

3 结论

三种煤样在氧气气氛下热重分析TG共分为三个阶段，在第一阶段失重量顺序为FJC＞MD＞BL，BL、MD、FJC煤分别在温度为 554℃、569℃、586℃左右燃烧基本完全，在燃烧反应结束时，三种煤的燃烧产物含量与工业分析数据一致。

BL、MD、FJC煤在燃烧主体温区均出现了二次燃烧现象。FJC煤第一个失重峰更明显，BL、MD煤第二个失重峰出峰位置后移，且峰值明显增大，煤中碳含量的增加使煤中易燃组分更晚的燃烧。随着煤化程度的提高，煤的失重速率明显加快，燃烧温度也相应增高。

通过确定燃烧化学反应特征参数可得，MD、BL煤燃烧性能较好，FJC煤灰分高、热值低，燃烧性能最差，煤样燃烧性能优劣与煤的变质程度有直接关联，煤样的变质程度越高，燃烧反应所经历的时间越长。