煤粉预热燃烧特性及动力学分析

煤粉预热燃烧特性及动力学分析作者：左启伟苍大强安霞赵军杨静波来源：《河北科技大学学报》2015年第04期摘要：实验利用热重天平，采用非等温燃烧方法研究了国内某炼铁厂高炉喷吹的典型煤粉预热后燃烧特性及反应动力学参数。

考察了煤粉在423，473，523，573，623，673，723，773 K 温度等级下，煤粉试样的燃点、燃烧峰值温度、结束温度、综合燃烧特性指数（G）、燃烧峰值速率等动力学特征参数，计算了煤粉燃烧过程的活化能（E）和指前因子（A）。

分析结果表明，北区煤粉在423～773 K不同温度等级燃烧过程中，着火点温度最多下降了240 K，失重峰温度最多提前了263 K，最大燃烧速率最大幅度提升了1.29倍，燃烧特性指数最大为29.8倍；从动力学角度分析出两段热解活化能和指前因子之间均存在良好的线性拟合关系，煤粉燃烧为一级反应；煤粉有明显预热效果温度应不低于673 K。

关键词：冶金燃料；煤粉；预热；燃烧；动力学参数中图分类号：TF5361文献标志码：A收稿日期：2015-03-11；修回日期：2015-05-07；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51034008）作者简介：左启伟（1980—），男，河北唐山人，博士研究生，主要从事煤粉燃烧方面的研究。

通讯作者：苍大强教授。

E-mail：cangdaqiang@左启伟，苍大强，安霞，等.煤粉预热燃烧特性及动力学分析[J].河北科技大学学报，2015，36（4）：431-436.ZUO Qiwei， CANG Daqiang， AN Xia， et bustion characteristics and kinetic analysis of preheating pulverized coal[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36（4）：bustion characteristics and kinetic analysis ofpreheating pulverized coalZUO Qiwei1，2， CANG Daqiang1，2， AN Xia3， ZHAO Jun3， YANG Jingbo1，3（1.School of Metallurgical and Ecological Engineering， University of Science &Technology Beijing， Beijing 100083， China； 2.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy， Beijing 100083， China； 3.Tangshan Iron and Steel Company Limited， Tangshan， Hebei 063016，China）Abstract：Experimental research on non-isothermal combustion characteristics and dynamics parameters of applied pulverized coal under preheating domestically is conducted with a thermo gravimetric balance. The combustion characteristic parameters such as ignition temperature， peak temperature at maximum weight loss rate， burnout temperature， general burn exponent（G），and maximum combustion rate are studied under different preheating temperatures of 423， 473，523， 573， 623， 673， 723 and 773 K. The activation energy （E） and frequency factor （A）are also calculated. The results show that for pulverized coal in the North Area， during the preheating process， when temperature varies from 423 K to 773 K， ignition temperature decreases by 240 K mostly， peak temperature at maximum weight loss rate decreases by 263 K at most，maximum weight loss rate increases as 1.29 times， and G increases up to 29.8 times. It shows that there is lining fit result between E and ln A， which proves that the reaction could be regarded as first order reaction. The combustion process behaves greatly when preheating temperature is over 673 K for the pulverized coal.Keywords：metallurgical fuel； pulverized coal； preheating； combustion； kinetic parameters以煤代焦是高炉节能降耗的重要途径，而制约喷煤量的主要因素是煤粉的燃烧特性，因为煤粉在高炉的回旋区内停留的时间只有十几毫秒，燃烧时间短是限制喷煤量进一步升高的一个主要因素[1]。

过量喷吹煤粉不但会有大量的未燃煤粉进入到高炉渣，还会恶化高炉的操作条件，降低煤粉替代焦炭的经济效益，致使高炉运行不畅，影响正常的生产秩序[2-5]。

预热可以提高煤粉燃烧速率，降低未燃煤粉含量，提高煤粉的利用率。

对煤粉预热燃烧的研究正处于起步阶段[6-10]，国内外学者对其燃烧过程特性及动力学参数等的分析比较少。

刘仁生等[11]研究了煤粉预热后的燃烧行为，赵俊东等[12]对煤粉在回旋区的预热燃烧进行了模拟，研究了回旋区不同位置的燃烧行为，而对高温预热燃烧特性及动力学研究则相对较少。

河北科技大学学报2015年第4期左启伟，等：煤粉预热燃烧特性及动力学分析本文用热分析方法[13-14]，对煤粉在不同的预热温度等级下进行实验，得到某企业北区煤粉燃烧的动力学曲线，分析北区煤粉的燃烧过程，解析燃烧过程的动力学参数，为煤粉在预热条件下燃烧提供可靠的实验数据。

1实验部分1.1实验原料实验用的煤粉来自国内某钢铁企业北区高炉喷煤用粉，煤粉的工业分析及元素分析和弹筒发热值如表1和表2所示，分析的方法依据标准GB/T 212-2001，GB/T 214-2001。

表1煤粉工业分析Tab.1Proximate analysis of pulverized coal%煤种工业分析w（固定碳/FCad）w（灰分/Aad）w（挥发分/Vad）w（水分/Mad）北区煤粉65.223.4827.823.48注：表中数据均为空干基。

表2煤粉元素分析及弹筒发热值Tab.2Element analysis and calorific value of pulverized coal煤种元素分析w（Cad）/%w（Had）/%w（Oad）/%w（Nad）/%w（Sad）/%弹筒发热值/（MJ·kg-1）北区煤粉74.373.645.351.160.3627.11.2实验设备及方法北区煤粉燃烧实验设备采用北京恒久仪器厂生产的HCT-3微机差热天平，温度控制精度为±0.5 ℃，主要由实验天平、气氛控制系统、自动采集和转换系统组成。

煤粉经200目（约74 μm）筛子筛分得到，经激光粒度分析仪分析74 μm粒径超过80%，在热风箱中105 ℃条件下干燥2 h。

然后每次将10 mg煤粉试样放入差热天平的坩埚内，放入通有氩气保护气氛的控温炉中预热，温度设定为423，473，523，573，623，673，723，773 K共8个温度等级，煤粉预热时间为30 min，然后将坩埚放在差热天平上。

向差热天平通入适量的空气，并以10 K/min的升温速率升至目标温度，加热过程中空气流速为100 mL/min，煤粉加热至燃烧完全，自动采集绘制系统将质量与温度信号绘制成TG和DTG曲线，显示出煤粉在不同的预热温度等级下燃烧特性的变化。

1.3综合特性燃烧指数及着火温度确定北区煤粉的燃烧状况可以用综合燃烧特性指数（S）来表征，该数值越大，说明燃烧特性越好，是一个综合指标[15]。

S=dw/dtmaxdw/dtmeanT2iTf。

（1）式中，（dw/dt）max表示北区煤粉最大燃烧速率，%/min；（dw/dt）mean表示北区煤粉平均燃烧速率，%/min；Ti表示北区煤粉初始燃烧温度，K；Tf表示北区煤粉燃尽温度，K。

北区煤粉燃烧过程中着火温度的确定方法[16]如图1所示，该方法在热分析中应用广泛。

图1初始燃烧温度与燃尽温度示意图Fig.1Sketch map of ignition temperature and burn-out temperature在DTG曲线最大值处做温度轴的垂线，交北区煤粉热重曲线于A点，通过A点作TG曲线的延长切线，交煤粉失重质量分数为0（初始点）的水平直线于一点，C点所对应的水平轴温度Ti点就是北区煤样的初始燃烧温度，燃尽温度Tf定义为北区煤粉失重质量分数为98%且稳定时的温度，即图中E点，也是F点所对应的失重温度，燃烧时间定义为从开始着火温度到质量稳定温度所经历的温度折算的时间。

2结果与讨论2.1煤粉在预热条件下燃烧热过程北区煤粉在不同预热温度下燃烧的热重曲线及热重微商曲线如图2和图3所示。

图2北区煤粉预热燃烧热重曲线Fig.2TG curves of preheated pulverizedcoal in the North Area图3各预热温度下的DTG曲线Fig.3DTG curves of pulverized coal preheatedunder different temperatures由图2的热重对比曲线可以看出，预热温度越高，热重曲线前移，北区煤粉在低于623 K 的预热温度燃烧过程中，预热改善幅度比较小，当预热温度达到673 K，煤粉燃烧过程明显改善，燃烧行为提前，燃烧速率增加。