煤泥型煤燃烧特性的实验研究

煤泥型煤燃烧特性的实验研究
朱红龙;张传祥;马名杰;黄光许;刘全润
【摘要】以5种煤泥型煤为原料进行燃烧实验,研究煤泥型煤的燃烧特性及影响因素.结果表明,成型过程及黏结剂等对煤泥的燃烧性能基本无影响;煤泥型煤燃烧初期主要为挥发分的析出和燃烧,火焰旺盛火力强;型煤中后期燃烧为焦炭的燃烧,燃烧由型煤表面不断深入内部进行,氧气要扩散到焦炭表面会受到灰壳及其内部产生的挥发分和燃烧产物等扩散阻力.型煤挥发分越高,灰分越低,其燃烧速率越大,且易于燃尽.【期刊名称】《煤炭转化》
【年(卷),期】2014(037)004
【总页数】4页(P55-57,90)
【关键词】煤泥型煤;燃烧特性;燃烧速率
【作者】朱红龙;张传祥;马名杰;黄光许;刘全润
【作者单位】河南理工大学材料科学与工程学院,454000 河南焦作;河南理工大学材料科学与工程学院,454000 河南焦作;河南理工大学材料科学与工程学
院,454000 河南焦作;河南理工大学材料科学与工程学院,454000 河南焦作;河南理工大学材料科学与工程学院,454000 河南焦作
【正文语种】中文
【中图分类】TQ536.1
0 引言
中国是煤炭生产和消费大国，环境保护及可持续发展要求煤炭必须清洁、高效利用.[1-2]近几年来，随着煤炭行业的低迷，市场对煤炭质量的要求越来越高，而煤泥由于其粒度细、灰分和水分含量高以及发热量低等特点[3]，往往存在着滞销、堆积和污染环境等问题.若将煤泥压制成型煤，即可有效解决煤泥利用问题，具有一定的经济效益.同时，燃用型煤相对于燃烧散煤SO2和CO2等污染物排放少，可有效缓解冬季雾霾天气问题.但煤泥灰分高，成型时又要加入一定量的不可燃物质.因此，煤泥型煤的燃烧性能就成为煤泥成型技术的关键问题.本实验选用5种煤泥型煤，通过马弗炉燃烧实验、热重燃烧实验和煤球炉试烧实验，研究炉温、燃烧时间、成型过程、型煤种类、型煤灰分和挥发分等对型煤燃烧性能的影响.
1 实验部分
1.1 原料
本实验分别以宁东洗煤厂5个分厂的煤泥为主要原料，掺入5%～10%的复合黏结剂，采用冷压成型工艺制备煤泥型煤，选取表面基本完整、无裂纹的型煤产品进行燃烧实验，型煤试样的质量指标见表1.
表1 型煤试样的质量指标Table 1 Quality indicators of briquette samplesBriquette samplew/%,ad MAVFCQgr,ad/(MJ·kg-1)Cold
strength/(N·ball-1)Thermal strength/(N·ball-
1)1#5.1254.5215.8624.508.965563372#8.8446.2615.9628.9412.704282763# 8.3138.3921.0032.3015.883981584#8.8034.0221.9535.2316.722031245#7.0 252.2819.4821.2215.61319221
1.2 燃烧实验
1.2.1 马弗炉燃烧实验
1) 炉温对型煤燃烧速率的影响.从5种煤泥型煤中分别选取1个型煤试样，称重；将5个型煤试样放在坩埚架上，之后迅速放入300 ℃～900 ℃的马弗炉中，炉门
敞开约5 cm；燃烧30 min后，迅速取出型煤试样，称重，记录数据.
2) 燃烧时间对型煤燃烧速率的影响.从5种煤泥型煤中分别选取1个型煤试样，称重；将5个型煤试样放在坩埚架上，之后迅速放入700 ℃的马弗炉中，炉门敞开约5 cm；每燃烧10 min后，迅速取出型煤试样，称重后再迅速放回马弗炉中；直至燃烧时间达60 min，记录数据.
1.2.2 热重燃烧实验
采用NETZSCH STA 409 PC/PG同步热分析仪器对1#型煤、1#型煤所用煤泥和原煤进行热重燃烧实验，将试样粉碎至0.2 mm以下，取样小于10 mg，升温速率为30 ℃/min，空气流速为50 mL/min，记录数据.
1.2.3 煤球炉试烧实验
采用民用煤球炉，选取1#型煤进行试烧实验，实验设备见图1.
图1 型煤试烧实验装置Fig.1 Schematic diagram of briquetle burning
2 结果与讨论
2.1 炉温对型煤烧失量的影响
图2为型煤烧失量随炉温的变化趋势.由图2可知，随着炉温的升高，型煤在30 min内的烧失量均呈现上升趋势.炉温较低(300 ℃～400 ℃)时，型煤燃烧30 min 后取出，表面仍有部分为暗黑色.炉温较高(大于600 ℃)时，型煤燃烧30 min后取出表面呈深红色，约1 min后变为灰白色.敲开后发现型煤外部是具有一定厚度的已经燃尽的灰壳，且灰壳具有一定的硬度，不散落；炉温越高，相应的灰壳越厚.型煤被灰壳包裹着的内部仍为深红色，与空气接触约2 min后变为暗黑色，是未燃烧的焦炭.说明较高的炉温有助于型煤快速引燃并迅速燃烧，炉温越高，单位时间内型煤吸收的热量越多，有助于加快有机物分解、挥发分及焦炭的燃烧速度.[4]同样条件下，3#和4#型煤的烧失量明显高于1#型煤的烧失量，主要是由于1#型煤灰分含量较高，增加了氧气透过灰壳向内部扩散的阻力，不利于焦炭的燃烧.[5]
图2 型煤烧失量随炉温的变化趋势Fig.2 Trend of briquette loss on ignition with stove temperature□—1# briquette；○—2# briquette；△—3# briquette；▽—4# briquette；×—5# briquette
2.2 燃烧时间对型煤燃烧速率的影响
型煤燃烧速率随燃烧时间的变化趋势见图3.由图3可知，随着燃烧时间的延长，型煤燃烧速率先迅速下降，之后趋于平缓.型煤燃烧初期主要是挥发分的逸出并燃烧，燃烧速率较高，持续时间较短；挥发分越高，析出阻力越小，型煤燃烧速率就越高[4，6]，因此，3#和4#型煤燃烧速率高于1#型煤燃烧速率.型煤燃烧中后期主要为焦炭的燃烧，燃烧速率较为缓慢，燃烧时间较长.[7，8]随着燃烧时间的延长，型煤灰壳逐渐变厚，增加了氧气向内部扩散的阻力[9]，故燃烧速率较低.
图3 型煤燃烧速率随燃烧时间的变化趋势Fig.3 Trend of briquette burning rate with time□—1# briquette；○—2# briquette；△—3# briquette；▽—4# briquette；×—5# briquette
2.3 成型过程对型煤燃烧速率的影响
型煤及其所用煤泥和原煤的燃烧失重曲线(TG)与燃烧失重率曲线(DTG)见第57页图4.由图4可知，型煤燃烧初始阶段主要是水分的蒸发，并伴有少量的有机物分解，此阶段原煤、煤泥与型煤的燃烧曲线基本重合.若以失重速率5%/min为着火点，则原煤、煤泥和型煤的着火点分别为300 ℃，330 ℃和326 ℃，此时挥发分开始析出并燃烧，且挥发分越高，燃烧速率越大；温度为489 ℃时，原煤燃烧失重速率达到最大值30.1%/min，而煤泥与型煤的最大燃烧失重速率在473 ℃时均达到最大值18.7%/min；温度约600 ℃时，燃烧速率趋于平缓，此阶段开始焦炭的稳定燃烧.整体来看，相比于煤泥与型煤，挥发分高、灰分低的原煤易于点燃，前期燃烧速率高，烧失量大，中后期燃烧速率低，易于燃尽.煤泥与型煤的燃烧曲线基本重合，燃烧特征相似，故成型过程及黏结剂的添加等对煤泥的燃烧性能基本
无影响.
图4 燃烧失重和燃烧失重率曲线Fig.4 TG-DTG curves□—Raw coal；○—Coal slime；△—Briquette
2.4 煤泥型煤的燃烧特性
煤球炉试烧实验中，炉温随燃烧时间的变化趋势见图5. 由图5可知，型煤燃烧初期主要为挥发分的析出和燃烧.刚加入未点燃的型煤时，有少量黄烟；通过鼓风机鼓风，挥发分与空气充分接触并在空间燃烧，型煤表面火焰旺盛，炉温快速上升，在7 min时达到温控仪的温度上限1 200 ℃；之后温度又迅速下降，在17 min 时炉温降至700 ℃，停止鼓风，炉温有所回升，主要是由于鼓入的冷空气暂时带走了热电偶附近的热量，此时炉内已基本无烟无明显火焰，型煤整体呈现深红色；之后型煤的燃烧主要是焦炭的燃烧，燃烧由型煤表面不断深入内部进行，少量CO 等在空间燃烧，氧气要扩散到焦炭表面会受到灰壳及其内部产生的挥发分和燃烧产物等扩散阻力，型煤燃烧速率由氧气能否有效扩散到型煤内部所决定，此阶段属于静态渗透式扩散燃烧[11]，燃烧稳定，炉温基本保持在750 ℃左右.型煤燃烧120 min后炉温开始缓慢下降，在180 min时炉温降至300 ℃.
图5 炉温随燃烧时间变化趋势Fig.5 Trend of stove temperature with the burning time
3 结论
1) 随着炉温的升高，5种型煤在30 min内的烧失量均逐渐增加；同样条件下，型煤灰分含量越高，氧气透过灰壳向型煤内部扩散的阻力越大，型煤烧失量越小. 2) 在700 ℃条件下，5种型煤的燃烧速率随燃烧时间均先迅速下降，之后趋于平缓；同样条件下，型煤挥发分越高，灰分含量越低，其燃烧速率越大；随着燃烧时间的延长，型煤灰壳越来越厚，氧气向型煤内部扩散的阻力增加，燃烧速率下降.
3) 热重燃烧实验结果表明，成型过程及黏结剂等对煤泥的燃烧性能基本无影响，
煤泥与煤泥型煤的燃烧特征相似，在330 ℃左右开始挥发分的析出并燃烧，在473 ℃时失重速率达到最大值18.7%/min，在约600 ℃时燃烧速率趋于平缓，此后开始焦炭的稳定燃烧.
4) 型煤燃烧初期主要为挥发分的析出和燃烧，火焰旺盛，炉温迅速上升，可达1 200 ℃以上；型煤中后期燃烧为焦炭的燃烧，无烟无明显火焰，属于静态渗透式扩散燃烧，燃烧稳定，炉温基本保持在750 ℃左右.燃烧由型煤表面不断深入内部进行，氧气要扩散到焦炭表面会受到灰壳及其内部产生的挥发分和燃烧产物等扩散阻力，型煤燃烧速率由氧气能否有效扩散到型煤内部所决定.
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