第27卷第14期中國電機工程學報VoL 27 No 14 May 20072007年5月Proceedings of the csee02007 Chin. Soc. for Elec Eng文章編號:0258803(2007)14005105中圖分類號:TK27文獻標識碼:A學科分類號:47010廢輪胎膠粉與煤混燒的熱重分析李相國,馬保國,徐立,羅忠濤(武漢理工大學硅酸鹽材料工程教育部重點實驗室,湖北省武漢市430070Investigation on Combustion Behavior of the Mixtures of Waste Tyres and Pulverized CoalLI Xiang-guo, MA Bao-guo, XU Li, LUO Zhong-taoKey Laboratory for Silicate Material and Engineering Ministry of Education,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, Hubei Province, China)ABSTRACT: The combustion process, ignition and burnout 0 3lEharacteristics of waste tyre, one high ash coal and tyre-coal隨著汽車工業(yè)和交通運輸事業(yè)的發(fā)展,對輪胎blends with 10%, 30% and 50% waste tyres were investigatedby means of thermogravimetric analysis (TGA)caried out at和其它橡膠制品的需求量日益增多,與此同時,廢20 K/min in the temperature range from ambient temperature舊輪胎的產(chǎn)生量也急劇增加。目前,熱解法處理廢o1273K. The results indicate that the combustion of waste舊輪胎是較為有效的方法之一,但該技術(shù)的推廣受tyre is controlled by the emission of volatile matter;the到一定的限制,主要原因是熱解設(shè)備投資大、熱解regions are more complex for waste tyre( three or more peaks)過程能耗高、熱解產(chǎn)品質(zhì)量不佳等。而與煤粉相比,than for coal( one peak), moreover, combustion of high ash廢輪胎具有更高的熱值(29~37MJkg),如果把廢輪oal is controlled by the burn of fixed carbon. Compared wi胎作為燃料( tire-derived fuel,TDr,這個問題就可the ignition temperature of high ash coal, those of mixtures以得到很好的解決。因此,無論從經(jīng)濟上還是環(huán)保with 10%, 30% and 50% waste tyre decreased by 8C, 30Cand 80 C, and the combustion rate can be increased which上考慮,如何將廢輪胎作為一種可回收利用的化工may be due to the emission and combustion of volatile matter原料或能源材料,已成為一個極為緊迫的世界性問in waste tyre. Moreover, the incorporation of waste tyre can題。TDF可廣泛地應(yīng)用于發(fā)電廠、水泥廠、造紙improve the burnout characteristics廠以及其他一些鍋爐裝置上,可減少化石燃料的使用,而且可以解決廢輪胎處理這個難題,保護自然KEY WORDS: waste tyres; coal; combustion; thermo-gravimetric analysis; ignition temperature環(huán)境,這種方法在美國、日本、歐洲等已得到廣泛的應(yīng)用4。但是在中國,把廢輪胎作為燃料利用摘要:采用熱重分析法(TGA)對膠粉、煤粉及膠粉與煤混的研究還沒有開展合物燃燒特性進行分析,研究煤粉與膠粉混合比例對混合燃料著火特性和燃盡特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:膠粉的充分了解廢輪胎膠粉(簡稱膠粉)的燃燒特性,燃燒特性與煤的燃燒有較大的區(qū)別,高灰分煤的燃燒主要為電力、水泥等工業(yè)專用燃燒設(shè)備的設(shè)計、燃燒裝受固定碳燃燒控制;而膠粉在燃燒過程中,其高揮發(fā)分的置的正常運行和控制燃燒過程提供理論基礎(chǔ),對發(fā)析出和燃燒起主要作用。與煤粉相比,摻10%、30%和50%展循環(huán)經(jīng)濟具有極其重要的意義。熱重分析法作為的膠粉后燃料的著火溫度分別降低8、30℃和80℃,且促種研究固體化學反應(yīng)特性的手段,廣泛應(yīng)用于進了燃料的燃燒速率,這主要是由于膠粉含大量揮發(fā)分且煤、生物質(zhì)、城市生活垃圾和石油焦的燃燒和熱解在較低溫度下即可明顯析出和燃燒的結(jié)果,膠粉與煤的混特性的研究512。采用TGA技術(shù)研究膠粉及其與煤燒有利于改善高灰分煤的著火和燃盡特性粉有部性和燃蟀性的相對較少中國煤化工關(guān)鍵詞:廢輪胎;煤;燃燒;熱重分析:著火點CNMHG.煤粉及膠粉與煤基金項目:國家863高技術(shù)基金項目(2002AA335050)。The National High Technology Research and Development of China混合物燃燒特性進行分析,研究混合比例對混合燃863 Programme)(2002AA335050)料著火特性、燃盡特性和燃燒機理的影響規(guī)律第27卷1實驗部分360-500℃、520~600℃和650~750℃的溫度段;④對于純煤粉,DTG曲線表現(xiàn)為一個寬峰,僅在1.1實驗原材料實驗中使用的膠粉樣品由廢輪胎剪切和粉磨400~750℃溫度范圍內(nèi)觀察到與固定碳燃燒過程相對應(yīng)的明顯的失重過程,而觀察不到明顯的揮發(fā)分制備而成,其粒徑為0.3~0.45mm。煤粉顆粒度190的燃燒過程。其反應(yīng)速率只出現(xiàn)一個最大值,即只目左右。其工業(yè)分析見表1。樣品的制備:分別選取膠粉占混合樣品總質(zhì)量有一個最大反應(yīng)溫度。的0%(純煤)、10%、30%、50%、100%(純膠粉)混合均勻,制備熱重分析用樣品60表1膠粉和煤粉的工業(yè)分析DTGTab. 1 Industrial analysis of waste tyre and coal類別一水分灰分工業(yè)分析%發(fā)熱值/Mkg揮發(fā)分固定碳200400800T℃煤粉266449321.40(a)膠粉1.2燃燒試驗試驗中所用熱分析儀為德國 NETZSC公司的STA449C綜合熱分析儀,它采用的同步熱分析DTG(STA)技術(shù)可對一個試樣同時做出 TG/DTG和Dsc( differential scanning calorimetric)分析。TG和DSC/DTG的結(jié)果可同時獲得,并互相比照,以確800T/℃定物質(zhì)的性質(zhì),而且STA技術(shù)還避免了當 TG/DTG和DSC分開做時,試樣的各相異性和幾何形狀對圖1純膠粉與煤粉燃燒 TG-DTG-DSC曲線Fig 1 TG-DTG-DSC of combustion of coal實驗結(jié)果的影響以及實驗產(chǎn)生的樣品氣氛不一致and waste tyres對反應(yīng)平衡的影響通過分析膠粉的熱重曲線還可以發(fā)現(xiàn),膠粉試驗條件如下:實驗升溫范圍30-1000℃,升的燃燒特性與其自身性質(zhì)有很大關(guān)系。由于膠粉含溫速率為20℃/min,空氣流速為20mL/min。每次有大量的揮發(fā)分,其熱失重過程主要集中在揮發(fā)分取樣量約為20mg。的析出和燃燒階段,圖中DIG峰非常陡,這表明膠粉揮發(fā)分的析出和燃燒非常迅速。從圖中可以看2結(jié)果與討論出,膠粉相對于煤在較低的溫度下就可以著火,其21基本特性分析揮發(fā)分的析出與燃燒過程有3個明顯不同的溫度圖1為膠粉和煤粉單一燃燒的 TG-DTG-DSC段(250-350℃、360-5000和520600℃),這應(yīng)是曲線。由于膠粉所含揮發(fā)分的成分比較復(fù)雜,各成分的化對比煤粉與膠粉的 TG-DTG曲線(圖1(a)和(b)學鍵強弱不一導(dǎo)致?lián)]發(fā)分的釋放速率與燃燒特性可發(fā)現(xiàn):①在80℃附近有一個小的質(zhì)量變化(分別不同,具體體現(xiàn)在DTG曲線上出現(xiàn)3個明顯的燃為147%和1.22%),這是由于試樣中所存在的吸燒失重速率峰。由于膠粉中固定碳的含量較低附水分析出所造成的;②純煤粉的TG曲線為典DTG曲線上固定碳燃燒失重速率遠小于揮發(fā)分燃型的平滑熱失重曲線且僅有一個明顯的失重變化燒速率。其對應(yīng)的失重率5586%;與煤粉相比,膠粉的TG膠粉固定碳燃燒溫度段為650~800℃C,與煤粉曲線并不是典型的平滑失重曲線,除了吸附水析出固定碳燃燒溫度段相比,膠粉的燃燒溫度略高,這造成的失重外,還存在3個比較明顯的失重過程(揮而與試驗條件和膠粉固定碳含量相對較低的發(fā)分釋放和燃燒、固定碳燃燒),其對應(yīng)的失重率自身中國煤化工于膠粉大量揮發(fā)分分別為1386%、6%和314%③膠粉中的可的村CNMHG氣,阻礙了氧氣與燃成分在低溫度時析出,使DTG曲線有4個比較固定碳的結(jié)合,只有當揮發(fā)分燃燒到一定程度時,明顯的失重速率變化區(qū)域,即250-350℃、固定碳與氧接觸,并在溫度達到足夠高時,固定碳第14期李相國等:廢輪胎膠粉與煤混燒的熱重分析才開始燃燒,所以膠粉出現(xiàn)明顯的固定碳燃燒區(qū)域用大于揮發(fā)分析出所引起的失重,從而使DTG曲較晚線出現(xiàn)了增重現(xiàn)象。當膠粉的比例很小(僅為10%)通過分析比較膠粉與煤粉的燃燒特性曲線可時,這一現(xiàn)象變化不大,仍與煤相似,但當膠粉的以得出,膠粉的燃燒過程與煤粉的燃燒過程有著較摻燒量達到30%和50%時,由于混合燃料中膠粉大不同,煤粉燃燒過程中起主要作用的是固定碳的揮發(fā)分的大量析出和燃燒,一方面加速了失重過程燃燒,而膠粉在燃燒過程中,其高揮發(fā)分的析出和(表現(xiàn)為該溫度段最大失重速率的增大),另一方面燃燒起主要作用析出的揮發(fā)分燃燒又迅速消耗了大量的氧氣,從而22膠粉與煤混燒特性使DTG曲線出現(xiàn)了明顯的失重峰,這與純膠粉在2.2.1膠粉與煤粉混合燃燒過程該溫度段的性質(zhì)相似。由這一現(xiàn)象也可看出,膠粉煤粉、膠粉及其混合物燃燒特征參數(shù)見表2。所占比重和揮發(fā)分的析岀對混合燃料的著火燃燒圖2和圖3分別是膠粉和煤混合燃燒的TG和DTG有較大影響類似的現(xiàn)象在360420℃和420~480℃曲線兩個溫度段也可發(fā)現(xiàn)。表2煤粉、膠粉及其混合物燃燒特征參數(shù)通過DTG曲線還可以發(fā)現(xiàn),在煤的固定碳燃Tab. 2 The characteristics parameters of the blends, coal燒區(qū)域400~700℃溫度段,混合燃料的燃燒特性比tyre pr編號( dw/dn)mav/(mg/s)TcT4ssT℃heen較復(fù)雜。當膠粉的摻燒量達到10%時,最大失重速58845827821.284541.776.7252345024420.7721率明顯增加(圖3);當膠粉摻燒量達到30%和50%53!42824.619.27253022時,最大失重速率又有所減少。這說明膠粉的摻入6.0753137824817.172624.35量對混燒的影響比較復(fù)雜,需要結(jié)合實際考慮最佳735020.515.872411.14注:1-100%煤粉:2-90%煤粉+10%膠粉:3—70%煤粉+30%膠粉;的膠粉比例,以優(yōu)化混燒過程。在700~800℃溫度4-50%煤粉+50%膠粉:5100%膠粉;T為DTG曲線(dwd)mx對段,與純煤相比,摻膠粉的試樣DTG曲線出現(xiàn)了應(yīng)的溫度:T為試樣著火溫度;T為燃盡時對應(yīng)的溫度;7hmd為燃個不大的凹峰且隨著膠粉混燒比例的增大越明盡時殘余物所占比例顯,這主要是由于該溫度段是膠粉中固定碳的燃燒比較圖3中DTG曲線可發(fā)現(xiàn),膠粉揮發(fā)分析出的250~350℃溫度段,隨著膠粉比例的增大,有區(qū)域,膠粉固定碳的燃燒失重作用增強使曲線出現(xiàn)了凹峰明顯的DTG峰由凸峰逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘挤濉＿@是因為對純煤而言,加熱時由于其揮發(fā)分的析出量不22.,2膠粉與煤粉混合燃燒著火特性著火點雖然發(fā)生在某一個時刻,但著火與著火大,試驗環(huán)境中的氧擴散到煤顆粒的外表面和內(nèi)部孔隙,發(fā)生物理化學吸附,并且此時的吸附增重作過程、特別是著火前的溫升狀況有關(guān)。本研究借鑒TG-DTG法來確定著火點151690%煤+10%膠粉著火點的確定方法:在DTG曲線上,過峰值A(chǔ)點作垂線與TG曲線交于B點,過B點作TG曲線70%煤+30%膠粉的切線,該切線與TG曲線上開始失重時的溫度50%煤+T(點D),見圖4由表2可知,膠粉的著火溫度為350℃,比煤粉的低108℃。隨著膠粉比例的增大,混合燃料的圖2混合燃料燃燒TG曲線著火溫度逐漸減小;與煤粉的著火溫度相比,當煤Fig 2 TG of combustion of coal and waste tyres200400600日-2690%煤+10%膠粉50%煤+50%70%煤+30%膠粉中國煤化工CNMHG0.50圖3混合燃料燃燒DG曲線圖4著火溫度T定義示意圖Fig 3 DTG of combustion of coal and waste tyresFig 4 Sketch of ignition temperature(Te)definition中國電機工程學報第27卷粉樣品中分別摻有10%、30%、50%的膠粉時,(4)膠粉是一種高揮發(fā)分、易于燃燒、熱值煤的著火溫度分別降低8、30℃和80℃;當膠粉高的燃料,其與煤粉混合制備成混合燃料適合于電摻量達到50%時,其著火溫度接近于純膠粉的。廠鍋爐和預(yù)分解窯。但利用膠粉與煤混燒時應(yīng)充分這主要是由于膠粉中大量揮發(fā)分在低溫條件下析考慮二者優(yōu)勢互補,均衡揮發(fā)分與固定碳的燃燒出并迅速燃燒,促進了混合燃料的著火,表明膠粉這樣才能做到有利于膠粉初期熱量的釋放以及后的摻入可以改善煤的著火性能。期煤粉固定碳燃燒的放熱。2.2.3膠粉與煤粉混合燃燒燃盡特性參考文獻燃盡特性是評價燃料燃燒性能的一個重要指標,它與燃燒效率有著密切的關(guān)系。T表示燃盡溫1 :CH, Robertson J D, Rooters哪叫m度,對應(yīng)于TG和DTG曲線不再有重量變化時的tire-derived fuel and petroleum coke at western Kentucky溫度。膠粉、高灰分煤及其混合燃料的燃盡特征溫cyclone- fired unit[]. Fuel Processing Technology, 2001, 74(2)度T和燃盡時殘余物所占質(zhì)量達hend見表2由圖2和表2可知,膠粉的摻入使混合燃料[2] Prisciandaro M, Mazziotti G, Veglio F. Effect of burningsupplementary waste fuels on the pollutant emissions by cement的燃盡溫度降低,但影響程度不大。隨著試樣中煤plants: a statistical analysis of process data[J]. Resources,粉比例的增加,TG曲線后移,在相同的失重情況Conservation and Recycling, 2003, 39(2): 161-184下,燃燒所需要的溫度隨著煤粉比例的增加而升[3] Atal A, Levendis Y A. Comparison of the combustion behavior ofpulverized waste tyres and coalg]. Fuel, 1995, 74(11): 1570-1581高。且混燒的最終殘留物所占比重隨著膠粉在混合[4] Cook A, Kemm ]. Health impact assessment of proposal to burn tyres燃料中所占比重的增加而有少量減少,這主要是煤in a cement plant[]. Environment Impact Assessment Review, 2004粉和膠粉所含有的灰分比例不同造成的。因此可以24(2);207-216.推論混燒在一定程度上提高了高灰分煤的燃盡率。[5] Altun N E, Hicyilmaz C, Kok M V. Effect of different binders on thecombustion properties of lignite, TG/DTG study, Part I. Eftect因此,膠粉作為電廠鍋爐、水泥窯的替代燃thermal properties[]. Joumal of Thermal Analysis and Calorimetry料與煤混燒時應(yīng)充分考慮二者優(yōu)勢互補,均衡揮發(fā)2001,65(2):787-795分與固定碳的燃燒,這樣才能做到既有利于膠粉初[6] Kok M V. An Investigation into the thermal behaviour of coals打]. Energy Sources,2002,24(10):899-906期熱量的釋放以及后期煤粉固定碳燃燒的放熱7]王春波,李永華,陳鴻偉.混煤燃燒特性研究[中國電機工程3結(jié)論學報,2005,25(18):97-103Wang Chunbo, Li Yonghua, Chen Hongwei. Study on combustion(1)膠粉的燃燒過程與煤粉的燃燒過程有著characteristics of blends coals[]. Proceedings of the CSEE, 200525(18):97-103( in Chinese較大不同,僅在400~700℃溫度范圍內(nèi)觀察到與固8]劉小偉,徐明厚,于敦喜,等.燃煤過程中礦物質(zhì)變化與顆粒物定碳燃燒過程相對應(yīng)的明顯的失重過程,而觀察不生成的研究中國電機工程學報,2005,25(22):1041到明顯的揮發(fā)分的燃燒過程。而膠粉相對于煤在較Liu Xiaowei, Xu Minghou, Yu Dunxi, et al. Study on combustion低的溫度下(250-350℃)就可以著火,這主要是由aracteristics of blends coals[J]. Proceedings of the CSEE, 200525(22);104-108( in Chinese)于揮發(fā)分的明顯析出和燃燒的作用。9王文選王鳳君李鵬等石油焦與煤混合燃料熱重分析研究[燃(2)膠粉與煤混燒特性比較復(fù)雜,膠粉與煤料化學學報,2004,32(5):5225的各自性質(zhì)對混合燃料的著火點和燃盡特性都有ang Wenxuan, Wang Fengjun, Li Peng, et al. Thermogravimetric著很大影響,隨著膠粉在混合燃料中所占比重的增analysis on the pyrolysis and combustion characteristics of mixed加,失重曲線后移,DTG曲線也發(fā)生了變化,DTGTechnology(China), 2004, 32(5): 522-525(in Chinese曲線逐漸向煤粉的DTG曲線過渡,在比例為1:10蘇勝,李培生,孫學信,等.污泥基本特性及其與煤混燒的熱熏時,DTG曲線上有5個峰值點,但是當比例為9:1研究叮,熱力發(fā)電,2004,33(9):6974.時,只有3個峰值點。on basic characteristics of sewage sludge and it's mix-burming(3)煤的著火溫度為458℃,當分別摻入erformance with coal]. Thermal Power Generation, 2004, 33(9)10%、30%和50%的膠粉時,燃料的著火溫度分別中國煤化工!燒的燃燒特性研究]熱降低為450、428和378℃;同時最終殘留物所占CNMHG比重也有一定程度的降低,說明膠粉有利于燃料的Liu Hao, Qiu Jianrong, Dong Xuewen, et al. A study of combustion著火和燃盡。characteristics of biomass-and-coal mixed firing[J]. Joumal of第14期李相國等:廢輪胎膠粉與煤混燒的熱重分析Engineering for Thermal Energy Power, 2002, 17(5): 451-454(in15]聶其紅,孫紹增,李爭起,等,褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法Chinese研究[門,燃燒科學與技術(shù),2001,7(1)1272-761以]秦成,田文棟,肖云漢,垃圾衍生燃料熱重法的燃燒特性.燃zeng, Li Zhen燒科學與技術(shù),2004,103):232236.study on the combustion characteristics of brown coal blendsQin Cheng, Tian Wendong, Xiao Yunhan. Analysis of combustionJournal of Combustion Science and Technology, 2001, 7(1)characteristics of RDF by thermogravimetry[J]. Journal of72-76(in Chinese)Combustion Science and Technology, 2004, 10(3): 232-236(in[16] Ma Baoguo, Li Xiangguo, Xu Li, et al. Investigation on catalyzedChinese)combustion of High Ash Coal by Thermogravimetric analysis13]崔洪,楊建麗,劉振宇.廢舊輪胎熱解行為的 TG/DTA研究,化J]. Thermochimica Acta, 2006, 445(I): 19-22.工學報,1999,506:826-833Cui Hong, Yang Jianli, Liu Zhenyu. Pyrolysis of tires and tire收稿日期:2006-11-20components by TG/DTA analyzer[]. Journal of Chemical Industry作者簡介:and Engineering, 1999, 50(6): 826-833(in Chinese李相國(1976),男,博士,講師,研究方向為生態(tài)建筑材料、水14陸斌,張衛(wèi)華,桑芝富,膠粉和煤粉混合燃燒特性的分析門能泥工業(yè)劣質(zhì)煤資源化利用, Ixggroup@l63com源研究與信息,2004,201):3845馬保國(1957),男,博士,教授,研究方向為低環(huán)境負荷型水泥Lu Bin, Zhang Weihua, Sang Zhifu. Combustion characteristics of the關(guān)鍵制備技術(shù)。mixtures of tire and coal powder D], Energy Research(編輯王慶霞)nformation, 2004, 20(1): 38-45(in Chinese中國煤化工CNMHG