（热能工程专业论文）半焦加压燃烧特性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 第二代p f b c - - c c 技术是在第一代p f b c - - c c 技术的基础上发展起来的项重 要的洁净煤转化技术。第二代p f b c - - c c 系统中气化炉产生的半焦在p f b 炉内燃烧 效率的高低直接影响到整个系统的发电效率。本文运用自行研制的加压热重分析仪对 半焦的燃烧进行了较为系统的研究。 本文对原有的加压热重分析仪加以改进，改双炉膛结构为单炉膛双吊篮结构； 改进了分析天平的结构：改造了原有的数据采集与信号处理系统。经改造后的加压热 重分析仪的测量精度、准确性和可重复性都有很大幅度的提高。 研究了加压条件下半焦的着火规律和燃烧稳定性。讨论了着火温度的确定方法， 对加压下影响半焦着火特性的各种因素，如半焦种类、总压、氧浓度、粒径、加热速 率等进行了试验研究。以纯碳的测试参数为基准，提出了燃烧稳定性的判别指数r 。 对加压条件下半焦的燃烧特性进行了研究。讨论了不同压力、不同氧浓度、不 同粒径的半焦t g d t g 曲线图，并对它们加以比较。分析了半焦种类、实验总压、 氧浓度、试样粒径和加热速率对最大失重速率、最大失重峰温、燃烧时间、燃烬温度 等的影响。描述了不同实验条件下半焦燃烧反应性随温度的动态变化趋势，用平均质 量反应性指数对半焦反应性加以评价。 用积分法确定半焦燃烧反应级数，用分段线性回归法求取不同实验条件下的反 应活化能和频率因子，并根据求得的动力学参数确定半焦燃烧的反应速度方程，以此 来预测半焦的燃烧过程。 关键词：加压热重分析仪、半焦、着火、燃烧特性、反应性、动力学参数 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e c o n dg e n e r a t i o np f b c c c ，w h i c hw a sd e v e l o p e do nb a s eo ft h ef i r s t g e n e r a t i o n ，i sas i g n i f i c a n tc l e a n c o a lc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y s e m i c o k ei s p r o d u c t i o no fg a s i f i e r ，i t sc o m b u s t i o ne f f i c i e n c yd i r e c t l yi n f l u e n c e dp o w e r g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h et o t a ls y s t e m t h i sp a p e rc a r r i e do u tag e n e r a l r e s e a r c ho nc o m b u s t i o nb e h a v i o ro fs e m i c o k ew i t ht h ea i do fp r e s s u r i z e d t h e r m o g r a v i m e t r y ， w h i c hi sd e v e l o p e db yo u r s e l v e s t h i s p a p e r a m e l i o r a t e dt h e o l d t h e r m o g r a v i m e t r y ，r e d e s i g n e d t h e s t r u c t u r eo fa n a l y t i c a lb a l a n c e ，i m p r o v e dd a t aa c q u i s i t i o na n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s ss y s t e m m o r e o v e r ，w er e p l a c e dt h ed o u b l e h e a r t h ss t r u c t u r ew i t h o n e h e a r t hd o u b l e c r u c i b l e ss t r u c t u r e a i lt h ee x p e r i m e n t a ld a t u m p r o v e dt h a t t h er e c o n s t r u c t i v es y s t e mh a v eb e t t e rm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，v e r a c i t ya n d r e p e a t a b i l i t yt h a nt h e0 1 do n e t h i sp a p e rr e s e a r c h e dr u l e so fi g n i t i o na n dc o m b u s t i o ns t a b i l i t yu n d e r p r e s s u r i z e de n v i r o n m e n t ，d i s c u s s e dh o wt oc a l c u l a t ei g n i t i o nt e m p e r a t u r e ，a n d a l s os t u d i e dt h ee f f e c t so fm a n yf a c t o r s ，s u c ha sc a t e g o r i e so fs e m i c o k e ， t o t a l p r e s s u r e ，o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，p a r t i c l es i z e ，h e a t i n gr a t e ，o n i g n i t i o nc h a r a c t e r o nb a s eo fp u r ec a r b o ne o m b u s t i o nt e s td a t a ，c o m b u s t i o n s t a b i l i t yp a r a m e t e rr w a sp r o p o s e dt oe v a l u a t e dc o m b u s t i o ns t a b i l i t y c o m b u s t i o nc h a r a c t e ro fs e m i c o k ew a s s t u d i e du n d e r p r e s s u r i z e d c i r c u m s t a n c e t h et g d t gc u r v e so fc o m b u s t i o np r o c e s s ，w h i c hw e r eg a i n e du n d e r d if f e r e n tp r e s s u r e ，o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dp a r t i c l es i z e ，w e r ea n a l y z e di n d e t a i l t h i sp a p e ra l s os t u d i e de f f e c t so fc a t e g o r i e so fs e m i c o k e ，t o t a l p r e s s u r e ，o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，p a r t i c l es i z ea n dh e a t i n gr a t eo nm a x i m u mm a s s l o s s r a t e ，b u r n i n gt i m e ，b u r n 二o u tt e m p e r a t u r e ，a n dd e s c r i b e dt h ed y n a m i c t r a n s f o r m a t i o no fc o m b u s t i o nr e a c t i v i t yo fs e m i c o k eu n d e rd i f f e r e n tt e s t i n g c o n d i t i o n m e a nm a s sr e a c t i v i t yp a r a m e t e rw a sp r o p o s e dt oe v a l u a t ec o m b u s t i o n r e a c t i v i t yo fs e m i c o k e i n t e g r a lm e t h o da n d1 i n e a rr e g r e s si ns e c t i o nm e t h o dw e r ea d o p t e dt o c a l c u l a t er e a c t i o np r o g r e s s i o na n da c t i v i t ye n e r g yr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n g t ok i n e t i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t e da b o v e 。a ne q u a t i o no fc o m b u s t i o nr a t ew a s e s t a b l i s h e dt of o r e c a s tc o m b u s t i o np r o c e s so fs e m i - c o k e k e y w o r d s ：p r e s s u r i z e dt h e r m o g r a v i m e t r y ，i g n i t i o n ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r r e a c t i v i t y ，k i n e t i cp a r a m e t e r l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：签i ：墨日期：2 1 1 z ：! 扩 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：左j ：幺导师签名：里釜鱼圣日期：至生生i 呈 东南大学硕士学位论文 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 煤炭在我国的能源结构中占有重要地位，煤炭资源约占总能源的7 6 。我国的 电力工业也以燃煤发电为主，目前燃煤电站的发电量约占全国总发电量的7 8 ，即 使到本世纪三四十年代，估计仍将占6 0 以上。但是，煤在利用过程中容易产生大 量的污染物，而我国的高硫煤的分布又比较广，从而导致大量的s 0 2 和n o 。向大气 排放。据统计，燃煤排出的s 0 2 占其排放总量的8 0 以上，大量排出的s 0 2 是导致 我国酸雨出现频率增多的主要原因，全国已有“4 的地区被划定为二氧化硫和酸雨 控制区，给这些地区造成了巨大的经济损失。总之，我国目前的煤利用状况是：消 耗量大而利用水平低、污染严重。因此，实现煤的高效低污染转化具有十分重要的 意义。 九十年代初发展并得到商业应用的增压流化床联合循环技术( p f b c c c ) ，是一 种已被世界公认的“煤的清洁利用技术”。它具有煤种适应性强、燃烧效率高、易于 实现低s 0 2 和低n o 。污染排放、结构紧凑等优点。但是，由于其燃气轮机入口烟温 较低( 约8 5 0 左右) ，因此燃气轮机的效率较低，其机组效率仅比同容量常规机组 高3 5 ，优势并不十分明显。 在原有p f b c c c 技术的基础上发展起来的第二代p f b c - - c c 技术【i 】，采用煤 的部分气化及前置燃烧方法把燃气轮机的入口温度提高到1 1 0 0 一1 3 0 0 ，同时采 用超临界蒸汽参数，使联合循环效率有可能达到4 5 - - 4 8 。该技术采用新型增压 流化床部分煤气化炉，煤与脱硫剂及空气、蒸汽一起喷入气化炉内，产生的煤气经 过煤气冷却器冷却至6 0 0 ，再经净化除尘后送至燃气轮机的顶置燃烧室，和热空气 混合燃烧后驱动燃气轮机发电。由于粗煤气温度较高，煤气冷却器可以用来产生部 分过热或再热蒸汽。而部分气化炉排出的固体( 其中包括半焦，和未反应完全的脱 硫剂) 则导入p f b 炉内燃烧，半焦燃烧后产生的热量用于生产蒸汽。p f b 炉出口的 高温高压富氧烟气( 大约8 7 0 。c ) 进入燃气轮机的顶置燃烧室作为煤气燃烧的氧化剂， 剩余的煤气燃烧需补充的氧化剂由压气机提供。燃烧室出口的高温高压烟气( 约1 0 0 0 一1 3 0 0 。c ) 在燃气轮机中膨胀做功后进入余热锅炉，放出的余热用于加热给水和 产生部分蒸汽。 众所周知，煤碳主要由挥发份、固定碳、灰份、水份和一些被吸附的气体组成， 这些组分之间的物理、化学性能差别极大。如果将煤炭作为“单一物质”对待进行 完全气化，就必须采用高温、高压、长停留时间和通入水蒸气等手段进行强制转化， 势必会增加系统的复杂度。 第二代p f b c - - c c 技术正是根据煤的各种组分有不同反应特性的特点，对煤炭 实施热解、气化、燃烧的分级转化，对煤的气化并不追求高转化率，而是着眼于降 低投资成本和获取良好反应活性的残余半焦。气化炉产生的低热值煤气用于提高燃 东南大学硕士学位论文 气轮机入口烟温，将气化后的残余半焦送入p f b 炉( 或a f b c 炉) 内燃烧。这一技 术路线改变了煤利用的常规方式，不仅使煤炭气化技术简化从而减少投资降低成本， 而且能用最经济的方法脱除煤利用过程中产生的污染物，实现清洁煤利用的更高转 化效率。相对于完全气化，部分气化技术的气化过程比较容易实现。完全气化的主 要反应过程集中在气化的后半阶段，而部分气化技术则是把煤中容易气化的部分提 取出煤气加以利用，对难于气化的半焦则通过燃烧加以利用。 第二代p f b c - - c c 技术系统比较简单，投资和运行费用在近期就可能和常规电 站相竞争，更重要的是p f b c 电站有8 0 是蒸汽发电，第二代p f b c - - c c 技术系统 也有6 0 左右的蒸汽发电，和原有的锅炉、汽轮机制造工业的基础可以较好衔接， 系统特点也和常规电站更接近些。可以预见，第二代p f b c - - c c 技术技术将成为燃 煤发电的重要形式之。 半焦是部分煤气化系统气化炉中的产物，它将被送至p f b 炉内燃烧，放出的能 量转化为过热蒸汽的能量，推动汽轮机发电。因此，半焦燃烧效率的高低直接影响 到整个系统的发电效率。 而相对于煤炭而言，半焦具有高灰份、低挥发份、难以燃烧和发热量低的特点， 这给半焦的利用带来了较大的困难。有关半焦的研究还很不充分，因此，研究半焦 的燃烧特性，查明半焦燃烧反应的机理，收集半焦燃烧的基础数据，对部分煤气化 系统设计和提高整个系统的效率将起到重要的指导作用。目前国内有关半焦燃烧特 性的研究工作开展的较少，在加压条件下的研究更少。因此，该课题不仅具有现实 意义，而且具有理论意义。 1 2 半焦加压燃烧的研究现状 1 2 1 半焦的着火特性和燃烧稳定性的研究 半焦的着火特性和燃烧稳定性既反映半焦的着火难易程度，又体现半焦的跟迸 燃烧状况，是流化床锅炉燃烧稳定性的主要影响因素，对锅炉的安全经济运行有着 重要影响。 研究煤焦着火的实验方法很多，有的采用预热气体或火焰加热，或者附着在金 属丝网和石英针顶部，然后放人炉内加热，或是由激光加热，本文将采用热重法进 行分析。文献【2 3 】概括分析了实验技术对着火特性的影响。只有少数研究者对煤粒着 火的压力效应进行了一定的研究【4 1j ，有关加压下半焦着火的试验数据就更加缺乏。 大连理工大学沈胜强f 7 】等人用红外热像仪对单颗半焦粒子着火与燃烧过程进行 了研究，测定了几种尺寸的半焦粒子在不同环境温度下的着火温度、着火滞燃期、 燃烬时问和燃烧过程中的粒子温度等参数的变化，并给出了描述半焦粒子燃烧过程 的模型。他们在实验中发现，随着半焦粒子直径的增大，其着火温度有所降低，而 滞燃期明显延长。在整个燃烧过程中，半焦粒子的温度大致呈“上升一大致稳定一 下降”的趋势。 华东理工大学李文等人【4 】用程序升温的金属丝网加热器对八种不同煤化程度的 煤和两种干馏所得的焦样进行加压着火研究，所得的结论和文献2 中相一致。而清 2 堑塑尘堂堕主堂堡垒塞 华大学的韩洪樵等人用加压热天平研究了快速升温条件下直径为5 m m 的单颗粒煤 的着火及燃烬时间。两篇文献对着火温度与压力的变化关系的结论不一致。 清华大学廖洪强等人【9 悃t g a 温度突变法确定垃圾的着火温度，它的基本原理 为：样品放在样品盘中，样品的的上方有一只热电偶，热电偶和样品之间的间距很 小，它主要测试样品环境温度，当样品着火燃烧时，其放出的局部热量会引起热电 偶瞬间升温，从而反映出样品着火温度。燃烧过程中典型失重和温度随时间的变化 曲线如图l 一1 所示。 时问( s 1 1 m e * p j 遗 i 蜒 1 一 一 jo 图卜1t g a 温度突变法确定样品的着火温度 东南大学孙晨亮 】用双炉膛加压热重分析仪在0 1 m p a 1 6 m p a 的压力条件下 对8 种煤粒的着火特性进行了研究，试验设备中有一只热电偶埋在试样中，能测出 煤粒本身的温度，另一只热电偶在炉膛中吊篮的正下方，用来测量炉温。该文未用 颗粒温度本身的突跃作为着火的判断依据，他认为矾卉比t 。本身对颗粒着火的反 应更为灵敏。该实验分析了颗粒粒径、氧浓度、加热速率、挥发份含量等因素对煤 着火特性的影响。结果表明：煤粒的着火温度随着压力、氧浓度以及挥发份含量的 增加而降低，随着粒径的增大煤粒的着火温上升，而加热速率对着火温度的影响不 大。其典型的颗粒温度变化曲线如图1 2 所示。 本文也试图用以：斫峰值法确定半焦的着火温度，但由于半焦的着火比较缓慢， 实验过程中，半焦颗粒温度并没有出现明显的突跃，着火温度难以判断。因此本文 使用传统的t g - - d t g 法判断半焦的着火温度。t g _ d t g 法判断着火温度的原理和 判定步骤降在第三章中介绍。 2 o ， 0 一s譬苌上p 东南大学硕士学位论文 图卜2 识a t 峰值法确定样品的着火温度 1 2 2 半焦加压燃烧特性的研究 半焦的加压燃烧试验较少见诸报导。美国b d g h a r n y o u n g 大学的先进燃烧工程研 究中心( a c e r c ) 建立了高压温控型反应器( h p c p ) ，进行了一系列加压燃烧的研究。 文献【l 叫用两种粒径的u t a h 和p i t t s b u r g h 烟煤炭进行了总压l 、5 、1 0 、1 5 a t m 的 近1 0 0 个燃烧试验，反应器温度从1 0 0 0 k 到1 5 0 0 k 之间变化，氧气浓度5 至2 l 。 实验得出：炭燃烧处于同时变密度和变粒径的动力控制和扩散控制的过渡区。颗粒 温度取决于总压及氧分压。总压一定时，增加氧分压可明显增加颗粒表面温度，而 氧分压一定时总压增加则明显减少颗粒表面温度。在一定的气体组成下，总压从l a t i n 增加到5 a t m 可适当地增加煤燃烧反应性，而进一步增加总压燃烧反应性反而下降。 文献h 纠的实验结果表明，随着压力的升高，煤粒的燃烬时间有比较明显的减 少，见图l 一3 ，图1 4 ，也就是说煤粒的燃烧速率明显加大，燃烧反应性也明显加 大，不单是l 至5 a r m ，从5 至1 5 a t m 乃至3 0 a r m 均如此。这显然与文献1 0 的实验结 果不一致。 文献【l l j 用加压热天平研究了总压、氧分压、气体流速等参数对总的燃烧时间t ，、 最大失重速率( a m a t ) 。和样品最高温度t 。的影响。发现最大失重速率( a n l ，d t ) 。 与影响因素之间存在如下关系式： l o g ( d m d t ) m a x = a + b l o g p + c t + d l o g p o z + f f t o t ( 式中a 、b 、c 、d 、f 为常系数，p 一总压，p 0 2 一氧分压，t 气体温度，f c o t 一总 气体流量) ，并认为t s 。和t 与( d i n d o 。有相似的变化规律，只是各系数有所不同。 实验结果表明：( 1 ) 随氧气流速和氧分压的增加燃烧速率显著增加；( 2 ) 总压在o 5 2 1 m p a 时，压力对燃烧过程影响很小。 东南大学硕士学位论文 圈1 - 3 压力对燃烬时间的影响 ( 实验条件：粒径1 0 - - 1 2 5 m m ，试样 重量1 0 0 r a g ，升掘速率7 5 c r a i n ，总 压0 1 - - 3 0 m p a ) 州k ! p 牵j 圈土= 4 压力对煤粒燃烬时间的影响 龙岩无烟煤1 1 7 3 k ，口大同无烟煤 8 7 3 k ，o 大同烟煤1 1 7 3 k 熊源泉【1 2 】在加压条件下对煤热解后半焦的燃烧特性进行了热重研究，结果表明， 压力提高可使煤燃尽时间短，在5 a t m 以下尤为显著，但随着压力的进一步提高，其 对燃尽时问的影响迅速减小，且压力对燃尽时间的影响还与煤种有关；压力对燃烧 速率也有较大的影响，其影响与压力对燃尽时间的影响相一致。此外，压力的提高 会使着火环境温度降低，其降低程度还与煤种、粒径有关。无烟煤比烟煤降低程度 大，小粒径比大粒径降得多，且随压力的提高着火环境温度降低程度变小。 前面的一些实验大多是针对煤的燃烧而开展起来的，但半焦与煤的物理性质有 很大的不同，半焦中几乎不含挥发份，其外表面有一层灰壳，空隙率较大，所有这 些特点使得半焦的燃烧特性与煤有一定的差别。文献1 2 对半焦的加压燃烧作了一些 研究，但该文所用半焦是慢速热解焦，荷本文的研究对象是煤部分气化之后的半焦。 这两种半焦也有较大的差异。因此，本文的研究内容具有自己的特点。 1 2 3 半焦燃烧机理和动力学参数的研究 对半焦燃烧机理的研究一般集中于燃烧动力学参数的求解问题通常做法是以 阿累尼乌斯( a r t h e n i u s ) 定律为基础、将测得的燃烧速率实验数据整理成为i n k 和1 厂r 的线性关系式，根据该直线的斜率与截距确定燃烧动力学参数e ( 活化能) 和a ( 频率 因子1 。 b c y o n g 等人 1 3 1 使用热重分析法对褐煤焦的燃烧速率进行了研究，认为在不同 的反应温度下煤焦的燃烧方式不同，因此活化能也不尽相同。他们认为在温度高于 7 0 0k 的情况下燃烧受氧扩散控制，而在低于7 0 0 k 时燃烧受化学动力学控制，活化 能大大增加。 j e h u s t a r d 等人1 1 4 j 利用甲烷燃烧加热倒吹管式炉对煤焦的燃烧速率进行了测 量。他们使用粒径为9 0 - - 3 6 0t u n 的焦炭粒子进行实验，发现其实际燃烧速率远远小 s 东南大学硕士学位论文 于扩散控制的燃烧速率，焦炭粒径越小，两者差别越明显。他们同时对焦炭密度和 粒径与燃烬度的关系进行了研究，发现在燃烧过程中，焦炭密度与粒径均有不同程 度的减小。 a _ b a y l i n g 等人利用电加热倒吹管式炉研究了粉状焦炭的动力学参数。发现 在燃烧过程中随焦炭粒径增大，其颗粒温度与载流气体温度差距越来越大。对于大 粒径焦炭，其温度可以比气体温度高出几百度。 p a t e l 等人【1 6 1 对褐煤焦的燃烧过程进行了研究，他们假定燃烧反应只在外表面进 行，同时颗粒直径和温度保持不变。结果表明：7 0 0 k 以上褐煤焦的燃烧由氧气的扩 散控制，活化能为1 8 k j m o i ，7 0 0 k 以下燃烧由化学动力学控制，活化能为1 2 0 k j t o o l ， 阿伦尼乌斯蓝线不能显示内扩散控制区域。 傅维标等人 1 7 , 1 8 】认为：煤焦的表面活化能e 与煤焦的种类无关，而只取决于温 度；但其反应频率因子a 与煤焦种类有密切关系。在此基础上，他们给出了一种确 定煤焦燃烧反应动力学参数的新方法。依据他们给出的计算方法，只要知道煤焦的 工业分析数据，即可求出a 值。此外，他们还认为a 不仅与煤焦种类有关，还与煤 焦的燃烧状态有关，并给出了它们之间的定量关系。另外，傅维标等研究了煤焦的 还原气化问题，他们认为，半焦比表面积越大，其气化反应速率也越大。 对于半焦燃烧反应级数n ，大多数研究者取为l ，也有些研究者取为0 或0 5 。 文献【t 9 , 2 0 认为：碳和半焦反应时的反应级数可以在零级到一级之间变动。文献用 加压燃烧炉，在修正试样表面氧分压的情况下测定了高纯石墨和无烟煤的燃烧表观 反应级数，实验结果表明，石墨和无烟煤的表观反应级数分别为o 2 6 和o 3 l 。文献 考虑了比表面积的影响，利用l n ( t i 尼) 对l n p 作图，由直线斜率求出半焦燃烧反应 级数为0 4 1 1 ，平均值为o 8 ，其中t m 是失重率为5 0 时的燃烧时间，p 为氧分 压，单位为m p a 。 本文使用积分法确定半焦燃烧反应级数n 。用分段回归法求取表观活化能e 。， 并利用所求的动力学参数来预测半焦的燃烧失重过程。 1 3 本文的研究内容 从上面可以看出研究者在常压下对半焦的燃烧进行了一些研究，只有很少试 验考虑了压力的影响，而且研究对象一般是惰性气氛下的慢速热解焦。本文的研究 对象是煤气炉内的快速气化半焦，慢速热解焦的碳含量和反应活性比快速气化半焦 高，且后者的灰份含量大，两者的性能有较大的差异。加压下对煤燃烧的研究较多， 而煤与半焦之间的差别更大。针对上面存在的问题，本文对半焦加压下的着火、燃 烧特性进行了较为系统的研究。主要研究内容如下： 1 对原有的加压热重分析仪进行改造，改双炉膛结构为单炉膛双吊篮结构， 对称重机构加以调整，提高了测量精度。此外，本文还开发了相应的软件， 对数据进行实时快速采集，并对采集的数据进行滤波和平滑处理。 2 讨论了半焦着火温度的确定方法，对加压下影响半焦着火特性的各种因素， 如半焦种类、总压、氧浓度、粒径、加热速率等进行了试验研究。 6 东南大学硕士学位论文 3 4 对加压条件下半焦的燃烧特性进行了研究。讨论了不同压力下、不同氧浓 度、不同粒径的半焦t g - - d t g 曲线图，并对它们加以比较。对总压、粒 径、半焦种类、氧浓度、加热速率等因素对半焦燃烧反应性的影响进行了 较系统的研究。 研究半焦燃烧动力学参数，确定燃烧反应级数n ，计算不同实验条件下反应 活化能e 和频率因子a ，并根据求得的动力学参数确定半焦燃烧的反应速 度方程，以此来预测半焦的燃烧过程。 7 查堕奎兰堕主羔焦鲨壅 参考文献 1 余廷芳，蔡宁生，一个典型第二代p f b c - - c c 发电系统的参数分析，江西电力， v 0 1 2 3 ，n o 4 ：5 ，1 9 9 9 2 w a l l ，t f ，g u p t a ，r p ，g u r u r a j a n ，v s a n dz h a n g ，d k ，t h ei g n i t i o no f c o a l p a r t i c l e s ，f u e l ，7 0 ：1 0 1 1 ，1 9 9 i 3 z h a n g ，d k a n dw a l l ，t f ，i g n i t i o n o fc o a l p a r t i c l e s ：t h ei n f l u e n c eo f e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e ，f u e l ，7 3 ：11 4 ，1 9 9 4 4 李文，沙兴中，孙惠，高晋生，加压下煤着火特性的研究，燃料化学学报， v 0 1 1 9 ，n o 4 ：3 7 0 ，1 9 9 1 5 韩洪樵，傅维标，赵岩，周以静，余立新，压力对煤粒然烬时间影响的研究，工程热 物理学报，v 0 1 1 2 ，n o 3 ：2 4 2 ，1 9 9 i 6 m o r i y a m a ，t ，i t a y a ，h ，d e t e r m i n a t i o n o f i g n i t i o nt e m p e r a t u r e o f c o a l ， c h e m e n g ( j a p a n e s e ) ，2 7 ：5 3 9 ，1 9 8 2 7 孙晨亮，章名耀，压力下各种因素对煤粒着火温度的影响，燃烧科学与技术， v 0 1 5 ，n o 3 ：3 1 3 ，1 9 9 9 8 沈胜强，李素芬，石英，半焦粒子着火与燃烧过程实验研究，燃烧科学与技术， v 0 1 6 ，n o 1 ：6 8 ，2 0 0 0 9 廖洪强，姚强，t g a 技术研究城市生活垃圾燃烧特性，燃料化学学报， v 0 1 2 6 ，n o 2 ：1 4 l ，2 0 0 1 1 0 m o n s o n ，c r ，g e r m a n e ，g j ，b l a c k h a m ，a v a n ds m o o t ，l d ，c h a ro x i d a t i o n a te l e v a t e dp r e s s u r e c o m b u s t f l a m e1 0 0 ：6 6 9 6 8 3 ，1 9 9 5 1 1 r i c h a r d ，j r ，m a j t h o u b ，m a ，a h o ，m j a n dp i r k o n e n ，p m ，s e p e r a t ee f f e c t s o fp r e s s u r ea n ds o m eo t h e rv a r i a b l e so nc h a rc o m b u s t i o nu n d e rf i x e db e d c o n d iti o n s ，f u e l ，1 9 9 4 ，7 3 ，4 8 5 1 2 熊源泉，章名耀，加压条件下半焦燃烧特性的实验研究，锅炉技术， v 0 1 3 2 ，n o 1 l ：3 7 ，2 0 0 1 1 3 y o u n g ，b c ，e l c ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t so fb e u l a hl i g n i t ec h a ri n a n o v e ll a m i n a rf l o wr e a c t o r ，f u e l ，1 9 9 8 ，( 6 7 ) ：4 0 1 4 h u s t a r d ，f e ，e l c ，b u r n i n gr a t e so fc o k ep a r t i c l e s i nt h ef r e e b o a r d a b o v eaf l u i d i z e db e dr e a c t o r ，c o m b u s t i o n sa n df l a m e ，1 9 9 1 ，( 8 5 ) ：2 2 3 2 4 0 1 5 a l y i n g ，a b ，e l c ，m e a s u r e dt e m p e r a t u r e s o f b u r n i n g p u l v e r i z e df u e l p a r t i c l e sa n dt h en a t u r eo ft h ep r i m a r yr e a c t i o np r o d u c t ，c o m b u s t i o na n d f l a m e ，1 9 7 2 ，( 1 8 ) ：1 7 3 1 8 4 1 6 p a t e l ，m m ，g r o w ，d t ，y o u n g ，b c ，f u e l ，1 9 8 8 ，6 7 ( 2 ) ：1 6 5 1 7 傅维标，张百立，煤焦燃烧反应动力学参数与煤种的通用关系，燃烧科学与技术， 1 9 9 7 。( 3 ) ：l 1 4 8 东南大学硕士学位论文 1 8 傅维标，王庆华，煤焦还原气化反应动力学参数与煤种的通用关系，燃烧科学与 技术，2 0 0 0 ，( 6 ) ：9 6 一i 0 0 1 9 s e r a g e l d i n ，m a ，p a n ，w ，c o a la n a l y s i su s i n gt h e r m o g r a v i m e t r y t h e r m o c h i m a c t a ，1 9 8 4 7 6 ( 1 ) ：1 4 5 一1 6 0 2 0 w a r n e ，s s j ，p r e n c h ，d h ，t h ea p p l i c a t i o no fs i m u l t a n e o u sd t aa n dt gt o s o m ea s p e c to i ls h a l em i n e r a l o g y t h e r m o c h i ma c t a ，1 9 8 4 ，7 6 ( 1 ) ：1 7 9 2 0 0 2 1 韩洪樵，傅维标，碳与氧反应时反应级数测定的研究，工程热物理学报 v 0 1 1 5 n o 1 ：1 7 6 1 9 9 4 9 2 1 引言 第二章实验装置 现今国内外研究压力对煤焦燃烧影响的主要试验方法有：电热栅法，激波管法【2 】， 夹带流法【3 】和热重分析方法。其中夹带流反应器( e f r ) 和加压热重分析技术分别是快 速加热和慢速加热方法的典型代表，为大多数研究者所采用。用热重技术研究煤焦燃烧 时，通过分析t g 曲线以及d t g 曲线可以得出反应速率，反应性等参数，这些参数反 映了煤焦的物理和化学特性的总影响，因而不仅能预测煤焦的热解、着火、燃烧行为， 还可以对煤及煤焦结构和性质进行更深入的分析。 为研究煤的热解及燃烧特性，华东化工学院研制了加压热天平。采用日本进口的 1 2 0 t - 2 0 b 型微力传感器作为感应重量变化的元件，记录天平为悬臂式应变仪型。该天平 成功地采用了耐压部分不受高温，耐高温部分不耐压的设计思想，但由于年久失修，该 分析仪现已无法使用。 清华大学韩洪樵、傅维标 4 1 等人研制了快速加热快速分析加压燃烧炉，用悬臂式电 涡流型测重仪测量样品重量变化过程。，该仪器用于碳与氧反应时反应级数的测量，得 到了很好的结果。 东南大学热能工程研究所【5 j 研制的双炉膛加压热重分析仪创造性地采用了双炉膛 结构，可以在测出样品失重曲线及炉膛温度的同时，直接测量样品本身的温度，样品温 度比炉膛温度更能真实地反映煤焦热解、着火、燃烧反应的本质特点。该仪器已经得到 了一批煤加压热解和燃烧数据，取得了较好的结果。但是，由于两个炉膛的物理结构和 加热元件的差异，很难保证两个炉膛升温曲线是相同的，因此实验过程中会产生一定的 误差。鉴于此，本文在继承双炉膛设计思想的基础上对该仪器进行了系统改造，采用了 单炉膛双吊蓝结构即在一个炉膛里放置两个吊蓝一个用来测量试样的失重过程，另 一个测量试样的温度变化过程。两只吊蓝位于炉膛的相同高度，保证两只吊蓝中的试样 在完全相同的环境下反应，失重曲线和温度变化曲线具有良好的同步性。此外，还对原 加压热重分析仪的数据采集系统加以改造，并编制了相应的软件，可以对实验数据进行 快速实时采集、去噪和平滑处理。 加压热重分析仪的结构简图见图2 一l ，其主要组成部分有：( 1 ) 记录天平；( 2 ) 温控加热系统；( 3 ) 压力容器与升降系统；( 4 ) 配气系统；( 5 ) 数据采集与处理系统。 记录天平是整个热重分析系统的核心，它的测量精度直接影响到系统的整体性能；温控 加热系统由温控仪和电加热炉两部分组成，前者可以对炉膛温度进行程序控制，后者产 生实验用的反应高温区；压力容器和升降系统由上下压力壳和电动推杆组成，前者承受 实验时的高压，后者控制加热炉本体的升降；配气系统由配气柜、真空泵和高压气源组 成，不同的气源在配气柜中按不同的比例进行混合后进入封闭的压力壳内，真空泵用来 抽走炉膛内的杂质气氛；数据采集与处理系统由传感器、变送器、数据采集板、计算机 以及软件系统等部分组成，可以实时采集实验数据，并对实验数据进行滤波和平滑处理。 查塑奎鲎堡圭兰堡笙壅 本章的后面几节将分别对这几部分加以介绍。 l o i l 】数据 f采集 lj 系统 1 5 2 图2 1 加压热重分析仪的结构简图 0 金属软管1 上高压容器2 迷宫3 电涡流位移传感器4 弹簧片 5 吊蓝6 气氛调节系统7 下高压容器8 双铂铑热电偶9 温度控制 系统1 0 镍铬一镍硅热电偶1 i 硅碳管1 2 电动推杆1 3 刚玉管 1 4 保温材料1 5 数据采集系统 2 2 记录天平 记录天平是加压热重分析仪最重要的组成部分。记录天平按动作方式，基本上可以 分为两大类：指零型和偏转型。自动指零型天平是通过一敏感元件检测天平偏离零点的 偏差，通过适当的电动或机械联动装置，把电或机械的回复力施于天平梁上，使其回复 零位。回复力与重量变化成正比，可以直接记录下来，或通过电一机械转换器来记录1 6 】。 偏转型天平则必须通过( 1 ) 照相；( 2 ) 位移测量变换器产生的记录电信号；( 3 ) 电一 机械装置把天平梁相对于支点的偏转量变成相应的重量变化曲线。偏转型天平的种类有 ( 1 ) 螺旋弹簧式，( 2 ) 扭丝式；( 3 ) 杠杆式；( 4 ) 悬臂式。 东南大学顾士学位论文 测量偏转式天平天平梁的偏转量的方法有；( 1 ) 光学方法；( 2 ) 力学方法：( 3 ) 电 学方法。电学方法是把电容器的电容变化作为天平梁位移的函数来检测梁的偏转，或者 通过线圈与线圈或线圈与金属板之间的感应祸合、磁涡合，把差动变压器的输出信号变 化作为天平梁偏转的位移函数。 本文的记录天平采用偏转型悬臂式结构，使用电涡流位移传感器测量天平的偏转 量。天平的结构见图2 2 。 图2 - 2 记录天平结构图 1 电涡流位移传感器2 弹簧片3 吊丝4 吊蓝5 支撑架 悬臂式天平测重的原理如图2 - 3 所示，一端固定的水平弹簧片，在自由端施加垂 直作用力，当自由端的位移很小时，弹簧片上任意一点在垂直方向上的位移等于该点的 挠度。e q 2 1 表明了挠度与作用力之间的关系。 6 x 2 k 一髟) 丑2 _ 云产叩( e q 2 1 ) 式中：丑为挠度，e 为弹簧片弹性模量，b 为弹簧片宽度，h 为弹簧片厚度。当弹 簧片的几何尺寸b 、h 、l 弹性模量e 及位置x 一定时，挠度与作用力f 存在线性关系。 x - - i i _ 图2 - - 3 悬臂式天平测重原理图 f 东南大学顺士学位论文 挠度的测量采用东南大学测振中心和清华大学精仪系联合研制的s e - - 9 1 系列电涡 流位移传感器，传感器探头直径为8 r a m ，量程2 0 m m ，灵敏度8 0 v r a m ，温漂小于3 o ， 该产品具有优良的性能，工作可靠且价格低廉。其工作原理 7 】如图2 - - 4 所示。 线豳 1 1 x 图2 4 电涡流传感器工作原理图 当传感器的探头线圈中有一高频电流通过时，便产生高频电磁场h ，此交变电磁场 通过邻近的金属板，在金属板表层内产生感应电流，即电涡流，电涡流产生一个与原磁 场相反的交变磁场h 1 ，两磁场相互迭加就改变了原线圈的阻抗。线圈的阻抗可用e q 2 2 表示： z = 厂，p ，五1 ，) ( e q 2 ，2 ) 如果让制磁导率，电导率，尺寸因子r ，激励电流强度i ，和频率不变，那么阻抗z 就成为距离x 的单值函数，通过一定的测量线路可以把传感器线圈与被测金属间距离x 变换成电压信号显示出来。 实验表明“1 ，当被测金属导体直径d 与探头外径d 之比大于2 5 ，厚度大于o 2 m m 时，z 与尺寸因子r 无关。为了既满足这一条件又保证弹簧的敏感性和测量的准确性， 弹簧片为精密加工的异形弹簧，由锰钢发条改制而成，厚度0 3 r a m 。其外形如图2 - - 5 所示。 图2 5 异型弹簧片外形 弹簧片的左端固定在支撑架上，中间的小孔用来穿引吊丝，最右端特别设计了一个 扩大了的圆形，其直径为2 5 m m ，大于2 5 倍的探头外径d ，这种设计保证了z 与尺寸因 子r 无关。 查堕查兰堡主兰堡丝苎 一 实验过程中，吊蓝内样品质量的变化表现为弹簧片挠度的变化，从而引起位移传感 器输出的电压值的变化，输出电压与样品质量呈线性关系。 用电涡流位移传感器测位移时，传感器会随温度的变化产生温漂吼对于s e 一9 1 系列巾8 探头，其温漂测试数据如表2 1 所示： 表2 一i 中8