混煤燃烧KAS动力学分析_李姣.pdf

延安职业技术学院学报2012年6月高炉大量喷煤是我国钢厂炼铁系统节能减排和降低生产成本的重要措施，实现200kg/t以上高煤比操作是各厂家高炉努力的目标。配煤混合喷吹是现阶段最大限度提高煤比可行而又有效的方法。配煤混合喷吹就是将种类不同的煤（如烟煤和无烟煤）进行适当选配，再混合制粉、喷吹。根据研究1,2，配煤混合喷吹具有某种催化燃烧的混合效应。在同样的喷吹条件下，采用配煤混合喷吹可以改善煤粉的燃烧性能，提高燃烧率。因此，采用实验的方法研究燃烧特性相差较大的煤进行掺混的燃烧特性，具有重要的工程实际价值和理论研究意义。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3。本文通过模式匹配的方法，以Kissinger-Akah-Sunose（KAS）模型为基础，讨论了无烟煤和烟煤组成的混合煤粉燃烧动力学特性，为生产过程选配煤种提供理论基础。1实验1.1原料分析实验所用烟煤及无烟煤样品为山东某钢铁企业提供，单煤种的煤质分析数据如表1所示。表1煤粉工业分析、元素分析及发热值煤粉水分(Mad)、灰分(Aad)、固定碳(FCad)和挥发分(Vad)含量具有线性加权性4，因此可以通过计算得到煤粉煤质分析数据，如表2所示。表2煤粉工业分析计算结果1.2实验设备和程序采用德国耐驰公司综合热分析仪(STA409PC)可获得试样的热重曲线(TG)、微熵热重曲线(DTG)。主要技术数据如下：热天平精度1g；最大试样量1000mg；温度范围为室温-1400；实验气氛为空气、氮气；升温速率范围0.1-30.0K?min-1；样品粒度小于80目。实验过程中，以无烟煤为基准，分别配加0%、20%、40%、60%、80%、100%的烟煤，按要求均匀混合后取样，在空气气氛下，从室温加热至900，观察热重曲线变化，分析煤粉的燃烧特性，确定过程的动力学参数。升温速率分别控制为5 K.min-1、10 Komin-1、20 Komin-1，每次称混煤燃烧KAS动力学分析李姣,万航（1.延安职业技术学院，陕西 延安716000；2.中冶陕压重工设备有限公司，陕西 西安710000）摘要利用热重分析（TGA）方法系统研究了配加烟煤对无烟煤燃烧特性的影响，采用非等温模型Kissinger-Akah-Sunose（KAS）对主要燃烧过程进行动力学分析。结果表明，煤粉燃烧主要包含三个过程，烟煤配加量和升温速率对燃烧过程有重要影响，当烟煤配加量从0%到100%时，煤粉燃烧活化能从128.5 kJ?mol-1降低到53.6 kJ?mol-1，且烟煤的配加量低于60%时，能够显著降低煤粉燃烧的活化能。关键词热重法;燃烧;煤粉中图分类号TK6文献标识码A文章编号1674-6198（2012）03-0084-03煤种无烟煤烟煤工业分析，%元素分析，%弹筒发热值/Jog-1M a d1.3 43.1 3A a d1 3.2 28.3 3F C a d7 6.0 94 5.4 0V a d9.3 24 2.5 9C a d7 9.1 76 6.5 8H a d3.4 53.8 2O a d3.5 11 9.1 0N a d1.0 11.0 6S a d0.9 81.0 52 9 1 7 2.6 22 5 8 6 7.5 8加入量(%)0%2 0%4 0%6 0%8 0%1 0 0%F C a d7 6.0 96 9.9 56 3.8 15 7.6 85 1.5 44 5.4 0A a d1 3.2 21 2.2 41 1.2 61 0.2 99.3 18.3 3V a d9.3 21 5.9 72 2.6 32 9.2 83 5.9 44 2.5 9M a d1.3 41.7 02.0 62.4 12.7 73.1 3收稿日期 2012-04-23作者简介李 姣（1982-），女，陕西榆林人，延安职业技术学院教师；万航（1983-），重庆市人，中冶陕压重工设备有限公司助理工程师，硕士。延安职业技术学院学报Journal of Yanan Vocational&Technical Institute第26卷 第3期Vol.26 No.32012年6月June 20128 4-第26卷 第3期取试样质量为100.2mg，为保证测量结果的准确性，同一实验条件下，实验重复3次。1.3动力学分析方法非等温、非均相燃烧反应过程中，样品热解速率或转化速率与反应速率常数和燃烧机理函数具有线性关系，其动力学方程为：（1）式中为煤粉氧化分解过程的转化率，%；T为转化率等于时所对应的温度，K；t为转化率等于时的升温时间，s；通常采用Arrhenius定律描述：（2）式中：A为前置因子；E为活化能，kJ/mol；R为普适气体常数，其值为8.314J.mol-1.K-1。描述为：（3）式中：n为反应级数。定义热解转化率为5：（4）式中mi、mt和m分别代表反应开始前、反应t时刻和反应结束时样品的重量。将式（3）和式（4）代入方程（1）中，得到方程（5）如下所示：（5）升温速率（6）方程（5）变为：（7）对式（7）进行积分并记为g(a)：（8）（9）式中T0为初始温度，K。本文采用非等温转化的方法，设计了一系列不同升温速率的实验，根据非等温模型Kissinger-Akah-Sunose（KAS）计算出燃烧过程动力学参数活化能。Kissinger-Akah-Sunose（KAS）模型基于以下方程5,6：（10）该方程可以根据与1/T的线性关系，计算通过不同转化率时的燃烧转化活化能E。2实验结果及动力学参数分析2.1热重实验升温速率为10 K?min-1时，不同烟煤配加量对煤粉燃烧特性影响的热失重曲线(TG)和失重微分曲线(DTG)如图1和图2所示，TG曲线表征的是样品质量随温度递减的变化曲线；DTG曲线表示样品瞬时失重速率随温度的变化曲线，其反映某一时刻样品发生失重的剧烈程度。在给定的工况条件下，煤粉的燃烧经历了几个不同的阶段，大致分为3个区域。首先是从室温到煤粉着火点TI的干燥脱气阶段，即室温至315.1421.2（不同烟煤配加量），这一阶段主要是水分的挥发和少量挥发分的析出，煤粉热重曲线的外形基本没有发生变化。第二阶段是煤粉燃烧的主要阶段，在该阶段，随着温度的升高，煤粉中固定炭和大量有机物挥发燃烧；第三阶段的温度区间是第二阶段的末端温度之后到900，煤粉只有少量质量损失。其中第2阶段的反应最为强烈，也是研究煤粉燃烧动力学的主要反应区域。煤粉燃烧是一个复杂的物理化学过程，本文描述的三个阶段只是粗略划分。从DTG曲线可知第二阶段的质量损失速率明显大于其它两个阶段。Fig.1.10 K.min-1加热速度下TG曲线Fig.2.10 K.min-1加热速度下DTG曲线2.2动力学分析以方程（10）为基础，利用与1/T之间的线性关系可以计算出不同燃烧率条件下的反应活化能E。本实验采用非等温转化的方法，分别选取5 K.min-1、10 K.min-1、20 K.min-1三个不同的升温速率评价反应活化能和转化率之间的关系。在一定的烟煤配加量的条件下不同升温速率混合煤粉燃烧的特征参数和热重曲线分别如表3、图3及图4所示。从表3可以看出，升温速率不仅影响煤粉挥发分的析出和燃烧，同时影响煤粉的燃烧速率，且升温速率越大，最大燃烧速率和平均燃烧速率越高。图5是以KAS模型为基础绘制计算确定煤粉燃烧活化能E的与1/T趋势图7。Fig.3.配加无烟煤40%条件下TG曲线Fig.4.配加无烟煤40%条件下DTG曲线表3不同升温速率时煤粉燃烧的特征参数混煤燃烧KAS动力学分析8 5-延安职业技术学院学报2012年6月（a）（b）（c）（d）（e）（f）（a）0%；（b）20%；（c）40%；（d）60%；（e）80%；（f）100%图5 ln与1/T之间的线性关系采用KAS的方法计算了转化率在0.2，0.8的活化能，如表4所示。从表4可以看出，活化能E具有很好的线性相关系数，R2值在0.96427-0.99998之间，证明结果是可靠的。随着烟煤加入量的增加，活化能分别为128.4878 kJ.mol-1、115.9445 kJ.mol-1、89.43833 kJ.mol-1、70.11031 kJ?mol-1、64.90226 kJ.mol-1、53.57398 kJ.mol-1。混合煤粉燃烧活化能随着烟煤配入量的增加逐渐降低，这与混合煤粉中挥发分含量有关，混合煤粉中挥发分的含量如表2所示。混合煤粉挥发分含量增加，活化能逐渐降低，这主要是因为混合煤粉挥发分含量越高，相同温度条件下析出的挥发分的量越多、挥发分浓度越高，挥发分分子间碰撞越剧烈，普通分子更容易转化为活化分子，煤粉氧化燃烧越容易8。烟煤的配加量低于60%时，能够显著降低煤粉燃烧的活化能。3结论本文系统研究了烟煤配加量对混合煤粉燃烧特性的影响，并对燃烧过程活化能采用KAS模型进行计算，得出以下结论：1.1随着烟煤配加量的增加，煤粉燃烧DTG曲线向低温区发生移动，煤粉燃烧平均反应速率逐渐增加；1.2随着烟煤配加量的增加，煤粉的着火温度和燃尽温度均降低，综合燃烧指数提高，煤粉的燃烧特性得到改善，这将有利于煤粉的燃烧和燃尽；1.3挥发分对燃烧特性有较大影响，煤粉挥发分含量增加，煤粉活化能逐渐降低；1.4采用KAS方法计算燃烧过程活化能，得到活化能和烟煤配加量具有一定的数学关系，烟煤的配加量低于60%时，能够显著降低煤粉燃烧的活化能。参考文献 1 刘亮,周臻,李录平.混煤燃烧反应动力学参数的实验研究 J .电站系统工程,2 0 0 6,2 2(2):7-9.2 周俊虎,平传娟,杨卫娟,等.混煤燃烧反应动力学参数的热重研究 J .中国动力工程学报,2 0 0 5,2 5(2):2 0 7-2 1 1.3 张建良,张曦东,陈杉杉.利用热重法研究煤粉的燃烧 J .钢铁研究学报,2 0 0 9,2 1(2):6-1 0.4 唐强,王丽朋,闫云飞.富氧气氛下煤粉燃烧及动力学特性的实验研究 J .煤炭转化,2 0 0 9,3 2(3):5 5-6 0.5 Z o uSP,W uYL,Y a n gMD,L iC,T o n gJ M.P y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c s a n d k i n e t i c s o f t h e m a r i n e m i c r o a l g a eD u n a l i e l l a t e r t i o l e c t a u s i n g t h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y z e r J .B i o r e s o u rT e c h n o l,2 0 1 0,1 0 1(1):3 5 9-3 6 5.6 B o o n c h o m B,P u t t a w o n g S.T h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c so ft h ed e h y d r a t i o nr e a c t i o no fF e P O 4?2 H 2 O J .P h y sB,2 0 1 0,4 0 5(9):2 3 5 0-2 3 5 5.7 S E OD O N GK Y U N,P A R KS A N GS HI N,H W A N GJ U N G H O,e t a l.S t u d y o ft h e P y r o l y s i so fB i o m a s sU s i n gT h e r m o g r a v i m e t r i cA n a l y s i s(T G A)a n dC o n c e n t r a t i o nM e a s u r e m e n t so ft h eE v o l v e dS p e c i e s J .J o u r n a lo fA n a l y t i c a la n dA p p l i e dP y r o l y s i s,2 0 1 0,8 9(1):6 6-7 3.升温速率（Komin-1）T I()T 1()(d w/d t)1(%o m i n-1)T 2()(d w/d t)2(%o m i n-1)T m a x()(d w/d t)m a x(%o m i n-1)(d w/d t)m e a n(%o m i n-1)T F()51 02 03 5 0.93 5 5.03 7 3.53 8 4.54 0 1.24 3 6.93.5 95.4 87.2 14 9 8.25 2 4.25 6 4.74.6 17.5 49.8 04 9 8.25 2 4.25 6 4.74.6 17.5 49.8 00.5 71.1 22.3 45 6 1.45 9 3.26 4 1.4E（kjmol-1）8 6-