基于綜合熱分析技術研究煤炭燃燒

　　摘要：對幾種水泥廠常用煤進行綜合熱分析測試，結果顯示煙煤的解析開始溫度較低，無煙煤解析溫度相對較高。惰性氣氛測試顯示煤中的揮發(fā)分解析速率較慢，高溫下揮發(fā)分存在對固定碳的燃燒仍有較為明顯的助燃作用。

　　關鍵詞：煤炭  燃燒特性  空氣、惰性氣氛

　　在我國新型干法水泥生產中所用的燃料以煤炭為主，為降低生產成本、提高綜合效益，低揮發(fā)分、高灰分、低發(fā)熱量煤炭的利用受到了越來越多的關注。這些煤在回轉窯及分解爐內的燃燒行為與煤的熱分析特性有很大相關性，有必要通過新檢測技術對煤炭的燃燒特性的做深入了解，以探討煤炭的高效利用途徑。

　　對于煤炭的燃燒研究國內外開展了很多有益的工作，本文在吸取前人經驗的基礎上，采用技術成熟先進的綜合熱分析技術來考察國內水泥行業(yè)常用煤的燃燒特性，對煤炭的高效利用進行了初步探討。

　　1.試驗條件

　　實驗用煤取自多個水泥廠原煤堆場，采用德國Netzsch STA449-F3 差示掃描量熱儀對各試樣進行燃燒測試，工作氣氛為空氣或純N2，氣體用量為50 mL/ min，升溫速率分別為10℃/ min 和20℃/ min，溫度變化范圍分別為RT～1000 ℃和RT～1200 ℃。試樣用量約10.0mg，細度80um左右。由熱重曲線( TG) 和差熱掃描曲線( DSC) 對樣品進行定性分析。

　　2.試驗結果及討論

　　2.1常規(guī)條件下煤的燃燒

　　（1） 淮南煙煤

　　對煤樣在空氣氣氛下測試，升溫速率控制在10℃/ min。結果如圖1所示。

　　圖1 淮南煤燃燒測試曲線

　　由圖1可見煤樣從室溫開始緩慢失水，至200 ℃左右基本結束，伴隨著失重有兩個吸熱峰出現，分別為外水和內水的蒸發(fā)，質量變化在16%左右。隨溫度升高，揮發(fā)分逐步析出和燃燒，同時由于揮發(fā)分的燃燒放熱焦炭也開始逐步放熱燃燒，由DSC和TG曲線可見雙峰現象的出現，并在439℃和477℃達到峰值，隨后還有約2%左右的質量減小，一般是少量較大顆粒的煤粉內部顆粒逐步燃燒所致，至700℃左右燃燒結束，總質量變化為65.09%。至燃燒結束最后殘留質量為17.29%，該部分主要為煤炭中的灰分。

　　（2） 昌吉煙煤

　　昌吉煤樣在空氣氣氛下測試，升溫速率控制在10℃/ min。結果如圖2所示。

圖2 昌吉煤燃燒測試曲線

　　由圖2可見煤樣從室溫開始緩慢失水，至200 ℃左右基本結束，伴隨著失重有兩個吸熱峰出現，分別為外水和內水的蒸發(fā)，質量變化在13%左右。隨溫度升高，揮發(fā)分逐步析出和燃燒，同時由于揮發(fā)分的燃燒放熱焦炭也開始逐步放熱燃燒，由DSC和TG曲線可見雙峰現象的出現，并在437℃和476℃達到峰值，隨后還有約2%左右的質量減小，一般是少量較大顆粒的煤粉內部顆粒逐步燃燒所致，至700℃左右燃燒結束，總質量變化為66.32%。至燃燒結束最后殘留質量為17.95%，該部分主要為煤炭中的灰分。

　?。?）印尼無煙煤

　　印尼煤樣在空氣氣氛下測試，升溫速率控制在10℃/ min。結果如圖3所示。

　　圖3 印尼煤燃燒測試曲線

　　由圖3可見該煤樣從室溫開始緩慢失水，至170 ℃左右基本結束，伴隨著失重有一個吸熱峰出現，內水很少，質量變化在1.5%左右。由圖可見在200~400℃的范圍內質量基本無變化，從410℃左右開始煤粉開始燃燒放熱失重，燃燒峰值溫度約572℃，至700℃左右燃燒結束，總質量變化為65%。至燃燒結束最后殘留質量為33.13%，該部分主要為煤炭中的灰分。

　　2.2煤中主要成分熱解特點

　　為考察煤炭中主要成分的解析過程，試驗測試了煤炭在惰性氣氛及空氣氣氛轉換下的熱解、燃燒性能，在RT~1000℃范圍內采用惰性氣氛（純N2）保護，隨后在1000~1200℃內改為空氣氣氛，氣體總流量為50 mL/ min，升溫速率控制在20℃/ min。

　?。?）淮南煙煤

　　圖4 淮南煤熱解燃燒測試曲線

　　由圖4可見，在RT~1000℃范圍內，惰性氣氛下水分的蒸發(fā)和空氣氣氛下基本一致，失重量在16%左右。隨后揮發(fā)分開始逐步解析，對應的DSC曲線顯示該過程有微量吸熱反應，在700℃左右有一較小的吸熱峰出現，隨著溫度的升高失重量逐步加大。在1000℃時由于氧化氣氛的出現，煤粉在高溫環(huán)境下迅速燃燒失重放熱， DSC曲線出現了一個不規(guī)則的放熱峰，因此在1000~1200℃的燃燒階段不完全是固定碳的燃燒，仍有一部分的揮發(fā)分燃燒存在。

　　（2）昌吉煙煤

　　由圖5可見，在RT~1000℃范圍內，惰性氣氛下水分的蒸發(fā)和空氣氣氛下基本一致，失重量在15%左右。隨后揮發(fā)分開始逐步解析，對應的DSC曲線顯示該過程有微量吸熱反應，隨著溫度的升高失重量逐步加大。在1000℃時由于氧化氣氛的出現，煤粉在高溫環(huán)境下迅速燃燒失重放熱，DSC曲線出現了一個不規(guī)則的放熱峰，因此在1000~1200℃的燃燒階段不完全是固定碳的燃燒，仍有一部分的揮發(fā)分燃燒存在。

　　圖5 昌吉煤熱解燃燒測試曲線

　　（3）印尼無煙煤

　　圖6 印尼煤熱解燃燒測試曲線

　　由圖6可見，在RT~1000℃范圍內，惰性氣氛下水分的蒸發(fā)和空氣氣氛下基本一致，失重量在1 %左右。隨著溫度的升高，煤樣緩慢失重并伴有吸熱反應產生，從900℃左右失重速率開始逐漸增大，至1000℃時由于氧化氣氛的出現煤樣迅速燃燒放熱，并在1154~1167℃的范圍內出現比較恒定的高速失重放熱階段，隨后燃燒放熱速率下降，由圖可見至1200℃測試結束時仍在發(fā)生放熱反應，實驗結束后也可見樣品中有部分未燃黑色顆粒存在。

　　對比空氣氣氛下的無煙煤燃燒測試可見其中即使在1000℃的高溫下固定碳的燃燒仍然是比較困難的，揮發(fā)分的存在對于固定碳的助燃有較大幫助；淮南煙煤和昌吉煙煤的在1000℃開始的氧化氣氛下由于部分揮發(fā)分存在使得固定碳在較窄的范圍內即發(fā)生了完全燃燒。對水泥工業(yè)而言，無煙煤的合理使用應考慮合理搭配部分煙煤助燃，使混煤能夠易燃、放熱區(qū)域集中。

　　3.結論與展望

　?。?）三組煤樣中的水分在約200℃時基本蒸發(fā)完畢。

　?。?）空氣氣氛下煙煤中的揮發(fā)分隨著溫度升高逐漸失重燃燒，在400~500℃達到峰值，固定碳的燃燒溫度也較為集中，整個燃燒過程在700℃左右結束。

　?。?）無煙煤在空氣氣氛下燃燒開始溫度較高，整個燃燒在400~700℃范圍內基本結束。

　?。?）在惰性氣氛下（N2），煙煤的揮發(fā)分在升溫至1000℃時仍未解析完畢，部分揮發(fā)分對煙煤和無煙煤的迅速燃燒無論在低溫高溫或是都很重要。

　?。?）相關的試驗初步展示了煤炭的燃燒過程，對煤炭通過搭配獲得良好的燃燒狀態(tài)具有示范意義。

　　參考文獻

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