第34卷第2期化學(xué)工程Vol 34 No. 22006年2月CHEMICAL ENGINEERING CHINAFeb.2006不同升溫速率下水煤漿的燃燒特性分析王輝,姜秀民2,劉建國(guó),張超群21.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.·上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240;3.東北電力學(xué)院動(dòng)力工程系,吉林吉枺132012)摘要深用熱重差熱分析儀研究了勝利制漿廠水煤漿在不同升溫速率下的燃燒特性所采用的升溫速率為10、20、30、50K/min所用的氣體為純O2,氣體總流量為100mL/min根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了不同升溫速率下水煤漿在不同階段的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析了水煤漿燃燒特性。結(jié)果表明隨著升溫速率的增大冰煤漿失水更加迅速在低溫段和高溫段的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)都表現(xiàn)岀質(zhì)量損失増加和活化能降低旳特點(diǎn)各特性溫度也相應(yīng)增加關(guān)鍵詞升溫速率熱重分析法反應(yīng)動(dòng)力學(xué)燃燒中圖分類(lèi)號(hào)K227文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):00599542006)2-0025404Analysis of the combustion parameter of coal waterslurry at various heating velocitiesWANG Hui, JIANG Xiu-min, LIU Jian-guo', ZHANG Chao-qun(1. School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001China. 2. School of Mechanical Erg UniversityShanghai 200240, China 3. Power Engineering Department, Northeast China Institute of ElectricJilin 132012, Jilin PrAbstract The combustion characteristic of coal water slurry( Cws ) at various heating rates which is produced byShengli Cws factory was studied by thermogravimetry-thermography analyzer. The heating rates used wererespectively 10, 20, 30 and 50 K/min. The flow rate of O, was 100 mL/ min. Combustion chemical kineticscharacteristic was analyzed through calculating combustion chemical kinetics parameter at various heating rates. Theresults show that the weightlessness of the coal water slurry will become faster and increase with the increase ofheating velocity and the activation energy E will decrease in both low temperature region and high temperatureregion. The characteristic temperatures of the coal water slurry will increase simultaneouslyKey words cheating rate thermogravimetry ,chemical kinetics ombustion水煤漿是一種煤基流體燃料,由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1實(shí)驗(yàn)部分65%—70%的煤粉、30%-35%的水和1%-2%本文的實(shí)驗(yàn)樣品采用山東省勝利油田勝利制漿的添加劑通過(guò)物理加工而成。目前許多學(xué)者根據(jù)廠生產(chǎn)的水煤漿。該水煤漿采用山西大同煙煤其水煤漿滴在燃燒過(guò)程中的溫度和質(zhì)量的變化把工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1表中υ為質(zhì)量分?jǐn)?shù),下水煤漿的整個(gè)燃燒過(guò)程分成不等溫加熱、水分蒸標(biāo)水、揮、灰分別為收到基水分、揮發(fā)分灰分!um發(fā)、揮發(fā)分析岀及燃燒、焦炭燃燒及燃盡4個(gè)有先為收到基低位發(fā)熱量。采用德國(guó) SYMPA公司SU后并有重疊的階段1本文采用熱重差熱分析儀 CELL CI型激光粒度分析儀用濕式方法測(cè)得的粒度對(duì)水煤漿的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并進(jìn)行理分布曲線見(jiàn)圖1。論分析本次實(shí)驗(yàn)同樣采用由日本島津( SHIMAD26化學(xué)工程2006年第34卷第2期ZU)公司生產(chǎn)的DTG60H型熱重差熱分析儀。用的升溫速率為10、20、30、50K/min,對(duì)同一種該設(shè)備聯(lián)接島津熱分析系統(tǒng)〔 Shimaoκ u Thermal水煤漿進(jìn)行了燃燒特性實(shí)驗(yàn)硏究。實(shí)驗(yàn)所用的Analysis Systen)TA60WS配套設(shè)備可以對(duì)單-氣體為純O2氣體總流量為100mL/min。實(shí)驗(yàn)樣品同時(shí)進(jìn)行熱重和差熱測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)所采初始質(zhì)量為16.20mgo表1實(shí)驗(yàn)煤種的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Ultimate and proximate analysis of coal water slurry samples工業(yè)分析元素分析CLL\減(C)%以(H)%“0)%以(N)%x(S)%50.573.276.130.930.56100表3不同升溫速率下水煤漿高溫段燃燒反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)60Table 3 Kinetic parameter of coal water slurry at variousheating rates at high temperature(l00010733-80941.150.00610.030.990顆粒直徑/um0739-82744.500.60529.630.980圖1水煤漿粒度分布30735-84444.420.2483.450.974Fig. 1 Size distribution of water coal slurry50831-87428.900.0065.060.9632數(shù)據(jù)處理與分析本文將水煤漿的燃燒反應(yīng)描述為一級(jí)反應(yīng)在在燃燒特性實(shí)驗(yàn)中也得到了不同升溫速率下處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)擬合的相關(guān)性很好都接近1,說(shuō)明級(jí)反應(yīng)適合于本實(shí)驗(yàn)水煤漿樣品的燃燒反應(yīng)。采的水煤漿燃燒特性參數(shù),見(jiàn)表4和表5。包括燃燒用Dole提出的熱分析動(dòng)力學(xué)積分法21并取p(x)產(chǎn)物初析溫度、最大燃燒速率(dd)m和所對(duì)函數(shù)其中x=-E(R)的前2項(xiàng)并且對(duì)一般的應(yīng)的溫度7m,以及(d/dr)(d/dr)m=12所反應(yīng)溫區(qū)及大部分的E而言2RT/E遠(yuǎn)小于1,于是對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間△T12AT2稱(chēng)為半峰寬表示水煤燃燒動(dòng)力學(xué)方程式可以整理為漿燃燒產(chǎn)物釋放的集中程度。r稱(chēng)為燃燒產(chǎn)物釋放In[βE2.3R(1)特性指數(shù),用來(lái)反映水煤漿的燃燒特性r=(da/E以I-ln(1-a)72]對(duì)1/T作線性擬合,即dr)(TΔTTn、)隨著r的增大水煤漿的燃燒可求出活化能E和頻率因子A得到不同升溫速率U特性趨好放熱更加集中。下水煤漿的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表2和表3A為損失質(zhì)量分?jǐn)?shù)R為相關(guān)系數(shù)。表4不同升溫速率下水煤漿低溫段的燃燒特性參數(shù)揮發(fā)分)表2不同升溫速率下水煤漿低溫段燃燒Table 4 Combustion parameter of CWS at various反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)heating rates at low temperature( volatileTable 2 Kinetic parameter of coal water slurry at variousheating rates at low temperature(dr)max re(10°mgT/Ki E/(kJ.R5.79730.8566.1370.40.629710677-7339.990.39934.830.681-4.25783.3579.5358.80.434920663-73913.070.51833.200.73王輝等不同升溫速率下水煤漿的燃燒特性分析27表5不同升溫速率下水煤漿高溫段的燃燒特性參數(shù)(固定碳)Table 5 Combustion parameter of CWS at variousheating rates at high temperature( fixed carbon10 K/minmin )/mg min"/K T /K ATia/K(10"mg一20K//(K·(da/dr)n740.8731.80.33769,2731.902004006008001000度/℃0.45781.3735,1圖5水煤漿燃燒DTA曲線與溫度關(guān)系Fig. 5 Relation of DTA combustion curve of CWS with temperatur①-“表示用當(dāng)時(shí)的設(shè)備得不到相應(yīng)的數(shù)據(jù)為了對(duì)比明顯和說(shuō)明清楚現(xiàn)分別列出以時(shí)間和溫度為橫軸的TG和DA曲線以及DTG曲線,如圖2至圖6中所示。曾-0048642喃-0.1230 K/min0K/min0.16020040060080010001200溫度/℃圖6水煤漿燃燒DTG曲線與溫度關(guān)系Fig 6 Relation of DTG combustion curve of CWs with temperature2000400060008000如圖2整個(gè)過(guò)程可以分為2個(gè)明顯的階段但圖2水煤漿燃燒TG曲線與時(shí)間關(guān)系可以注意到在第2個(gè)下降階段的末端有一個(gè)明顯Fig 2 Relation of TG combustion curve of CWS with time的斜率變化可以判斷為包含2個(gè)不同機(jī)理的燃燒1000過(guò)程斜率大的部分是揮發(fā)分迅速析出并燃燒的過(guò)程斜率小的部分是固定碳的燃燒2個(gè)過(guò)程是連續(xù)30 K/min的。這樣可以把第2階段分成低溫段和高溫段分-50 K/min00冊(cè)別為揮發(fā)分的燃燒和固定碳的燃燒其特性參數(shù)列于表4和表5水煤漿燃燒的整個(gè)溫升是由漿滴燃燒和線性程序升溫疊加的結(jié)果在圖4中溫度回落的曲線實(shí)際20004000608000時(shí)間/s上是由于固定碳燃燒放岀的熱量不能補(bǔ)償氧氣流走圖3水煤漿燃燒DTA曲線與時(shí)間關(guān)系帶走的熱量。盡管產(chǎn)生回落但此時(shí)的溫度比線性Fig 3 Relation of DTA combustion curve of CWS with time程序升溫所能達(dá)到的溫度要高水煤漿的燃燒過(guò)程與文獻(xiàn)3]所描述的過(guò)程基本一致。反應(yīng)過(guò)程的第1階段為脫水階段主要是脫除游離水、外在水以及內(nèi)在水對(duì)應(yīng)于圖3和圖510中的DTA曲線存在1個(gè)吸熱峰。在圖6中的DTG曲線上也對(duì)應(yīng)存在1個(gè)質(zhì)量損失峰,見(jiàn)圖中各曲線的第1個(gè)峰。隨著程序升溫的進(jìn)行,在TG曲線上出現(xiàn)第20200400600800次質(zhì)量損失過(guò)程圖2中可以看到曲線在出現(xiàn)第2溫度28化學(xué)工程2006年第34卷第2期在低溫下吸氧發(fā)生表面氧化而造成的。DrG曲線燃燒的總的趨勢(shì)是隨著升溫速率的增大水煤漿的質(zhì)燒段上可以看到揮發(fā)分燃燒和固定碳燃燒2個(gè)峰。量損失逐漸増加而活化能逐漸減小。其原因是燃燒水煤漿在低溫下的氧化放熱與脫揮發(fā)分的吸熱過(guò)程是劇烈的氧化反應(yīng)在水煤漿中的水分迅速析岀之是同時(shí)進(jìn)行的因此反映在DTA曲線上是吸氧作用后由于存在爆裂、破碎現(xiàn)象使水煤漿形成一種疏松的放熱效應(yīng)和脫揮發(fā)分的吸熱效應(yīng)兩者疊加的結(jié)果。多孔的結(jié)構(gòu)而且由于水煤漿的燃燒屬于動(dòng)力-擴(kuò)散隨著程序升溫的不斷進(jìn)行絕大部分揮發(fā)分釋燃燒范疇這就有利于氧氣前沿進(jìn)入水煤漿內(nèi)部參與放岀來(lái)并燃燒在DTA曲線上會(huì)岀現(xiàn)一個(gè)高大的燃燃燒同時(shí)因?yàn)楸哑扑橐鸬姆磻?yīng)表面積增大使燒峰峰頂?shù)臏囟燃礊槿紵俣茸畲髸r(shí)的溫度。在反應(yīng)進(jìn)行更加容易也更加徹底。升溫速率越快內(nèi)部燃燒峰的右側(cè)岀現(xiàn)的小峰是揮發(fā)分燃燒結(jié)朿后固水鰲汽歴力増加越明顯由玭引起的爆裂和破碎現(xiàn)象定碳的燃燒這段曲線對(duì)應(yīng)DrG曲線上揮發(fā)分燃燒越顯著這樣水煤漿在低溫段和高溫段的動(dòng)力學(xué)特峰后面的小峰如圖6中所示。張明旭3認(rèn)為這主征參數(shù)都表現(xiàn)出質(zhì)量損失增加和活化能降低的特點(diǎn)。要是由于煤的孔徑結(jié)構(gòu)上的差異或是在燃燒過(guò)程中可燃物質(zhì)與礦物質(zhì)結(jié)合特性的作用亦或是煤質(zhì)3結(jié)論顆粒膨脹性等因素引起孔隙度改變致使在燃燒峰(1)實(shí)驗(yàn)用水煤漿在空氣中室溫下就開(kāi)始失中出現(xiàn)小峰或帶肩峰。隨著溫度的不斷升高揮發(fā)水。稱(chēng)量好的樣品在放入實(shí)驗(yàn)儀器之前已經(jīng)開(kāi)始分和固定碳燃燼TC和DA曲線均回到基線位置,質(zhì)量損失。水煤漿燃燒曲線的第1階段為脫水階剩余質(zhì)量即為灰分段燃燒階段包含揮發(fā)分迅速析岀并燃燒和固定碳如以上各圖中所示升溫速率不同其TG、DrG燃燒2個(gè)連續(xù)的過(guò)程。且水煤漿集中在593-曲線圖形很相似。對(duì)于DTA曲線10、20、30K/mi853K溫度范圍內(nèi)迅速燃燒完全適合于低溫燃燒。的升溫速率下的圖形很相似50K/min時(shí)的情況因(2)總的來(lái)說(shuō)升溫速率越高各特性溫度相應(yīng)為升溫速率太快沒(méi)能體現(xiàn)出中間過(guò)程的微小變化。的有所增加水煤漿在低溫段和高溫段的動(dòng)力學(xué)特總的來(lái)說(shuō)升溫速率越高名特性溫度相應(yīng)的有所增征參數(shù)都表現(xiàn)出質(zhì)量損失增加和活化能降低的特加且存在溫度滯后現(xiàn)象。r值隨升溫速率的變化點(diǎn)。r值隨升溫速率的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律。沒(méi)有明顯的規(guī)律。由TG曲線還可以看到,水煤漿由水分析出引起的質(zhì)量損失在383-423K就基本參考文獻(xiàn)結(jié)束了質(zhì)量損失占到總質(zhì)量的23%-27%。第2[Ⅰ]岑可法姚強(qiáng),曹欣玉等.煤漿燃燒、流動(dòng)、傳熱和氣階段質(zhì)量損失開(kāi)始處拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)值在593-633K整化的理論與應(yīng)用技術(shù)[M]杭州:浙江大學(xué)出版社個(gè)質(zhì)量損失過(guò)程在823-853K基本完成質(zhì)量損失1997為62%-64%。說(shuō)明水煤漿點(diǎn)燃時(shí)會(huì)需要大量熱[2]李余增熱分杌M]北京清華大學(xué)出版社1987量來(lái)預(yù)熱干燥,旦燃燒水煤漿會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)[3]張眀旭閔凡飛.工業(yè)廢水水煤漿燃燒特性的熱分析較低的溫度下迅速燃燒并接近完全。綜合研究[J]中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版分析燃燒動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)可以看到水煤漿燃2001303)285-289公告《化學(xué)工程》由雙月刊改為月刊為使《化學(xué)工程》期刊適應(yīng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的形勢(shì)引領(lǐng)學(xué)科前沿促進(jìn)科技進(jìn)步同時(shí)也為了使《化學(xué)工程》期刊增加年載文量、縮短岀版周期、擴(kuò)大影響、加快國(guó)際化進(jìn)程滿(mǎn)足廣大作者及讀者的需求我編輯部決定從2006年起將《化學(xué)工程》由雙月刊改為月刊全年12期每月25日出版。每期頁(yè)數(shù)不變單價(jià)變即80頁(yè)/期正文),8元/期。歡迎廣大作者及讀者以及社會(huì)各界給予我刊更廣泛的合作