煤粉预热对其燃烧反应动力学参数的影响-最后.doc

煤粉预热对其燃烧反应动力学参数的影响杨永昌， 王 恒， 赵俊东（北京科技大学机械工程学院，北京，100083）摘要：本文采用非等温热重技术对煤粉预热前后燃烧反应动力学参数进行研究。试验使用微机差热天平、升温速率为20/min、升温范围从室温到1100，分别对预热前后煤粉进行热重分析。采用积分法(CoatsRedfern方程)计算得到动力学参数活化能E和指前因子A。结果表明：煤粉预热后燃烧反应动力学参数发生了变化，改善了煤粉的着火性，使煤粉着火温度更低，燃烧速度更快。关键词：煤粉燃烧； 热重分析； 反应动力学； 活化能中图分类号：TQ530 文献标识码：AImpact of pulverized Coal Preheating on its Combustion Kinetics Parameters YANG Yong-chang, WANG Heng, ZHAO Jun Dong(School of Mechanical Engineering, University of Science & Technology Beijing,Beijing 100083, China)Abstract: The paper studied the combustion kinetics of pulverized coal before and after preheating by the non-isothermal thermogravimetry analysis (TGA). The microcomputer differential thermal balance was used in the test, and the TGA of pulverized coal before and after preheating was conducted respectively when the temperature ranged from room temperature to 1100 with a heating rate of 20/min. The activation energy E and pre-exponential factor A were calculated using the Coats-Redfern integral. The results show that the coal kinetic parameters have been changed, and the ignition of preheated coal powder has been improved, which makes the coal ignition temperature lower and the burning speed faster. Key words: PC combustion；thermogravimetry analysis；reaction kinetics；activation energy0 前言高炉炼铁喷吹煤粉已成为钢铁企业节焦增产、合理利用煤炭资源、减少环境污染、降低生产成本和改进冶炼工艺最有效的措施，世界各国都在积极开发和应用高炉喷吹技术。但随着喷吹量的提高，喷煤比增加到一定限度后，焦比降低的幅度大大减小，主要原因是高炉正常生产合理的理论燃烧温度在220050范围内，提高高喷煤比会使理论燃烧温度大幅度下降1-2。利用热风炉烟气余热为主要热源来预热高炉炼铁喷吹煤粉不但可以减轻喷煤对热风的冷却效应、加速煤粉的燃烧过程而提高煤粉利用率，而且也合理利用了热风炉烟气余热、提高了整个高炉的热效率。煤粉预热前后其化学性质的变化对燃烧有很大的影响。因此本文对煤粉燃烧反应动力学参数进行了实验分析，得出了煤粉预热前后活化能和指前因子的变化，为进一步的理论计算提供依据。1 试验煤样及仪器1.1试验样品试验中使用的煤样为山西屯留高炉喷吹用煤 (本文用TL表示) ，粒度-200目70%，其煤样的工业分析和元素分析如表1所示。表1 TL煤的工业分析和元素分析 工业分析元素分析成分FCadVadAadMadCadHadOadNadSad质量75.8912.3510.770.9979.943.672.981.310.341.2试验仪器实验采用北京科学仪器厂HCT-1型微机差热天平。主要性能：加热温度范围：室温1150，调温速度：0.120/min，差热量程：101000v，热重量程：1200mg。实验条件：煤样实验样品均为20mg，升温速率为20/min，最终加热温度为1100 。2 试验研究方法2.1燃烧反应动力学分析本文采用Coats-Refern积分法进行研究。 根据质量作用定律及Arrhenius定律，非等温热重实验的反应速率方程可以表示如下 ： （1）煤样的燃烧转化率可以根据热失重 （TG）曲线求出： （2）其中，t为时间，s；T为温度，K；为升温速率，/min；A为指前因子，s-1；E为反应的活化能，kJ/mol；R为气体常数，其值为 8.31410-3kJ/(molK )；、和分别代表反应开始前、反应t时刻和反应结束时样品的质量，mg；n为反应级数。 煤的燃烧反应通常被描述为一级反应3，由（1）式积分，得 （3）根据Doyle关系（取前2项近似），积分移相得： （4）令,在本文中反应温度区及E值而言，可以近似看做常数，令，则有，。将实验结果作图进行线性回归，数据的线性越好，则反应机理函数选择的越合适。再根据a和 b的值求出活化能E和指前因子A4。2.2 确定煤粉着火点为了计算煤粉在挥发分析出段和燃烧段各自的活化能，就需要求出煤粉的着火点。本文主要利用TG 和DTG 曲线确定煤粉着火温度5。在DTG 曲线上，过峰值作垂线与 TG 线交于一点X，过X 点作 TG曲线的切线，该切线与失重开始平行线的交点 Y 所对应的温度定义为着火温度 Ti (如图1所示) 。Ti越高说明着火越困难，Ti点前为挥发分析出段，Ti点后为固定碳燃烧段。图1 煤粉着火点的确定3 实验计算结果与分析 根据图1的方法求出TL煤样在常温时、预热到150及250时煤粉着火点结果分别为513.7、505.5和497.3。 图2 预热到不同温度时的着火点根据不同预热温度的失重曲线，以对作图，其结果如图3所示。(a) 常温时的拟合曲线（b）预热至150时的拟合曲线 （c）预热至250时的拟合曲线 图3 不同预热温度时的煤粉拟合结果从图3拟合结果可以看出，用Coats-Refern积分的效果良好，线性相关度都可达99以上。其中煤粉预热到150时的效果最好，线性相关度达到99.94。由此方法确定的燃烧反应活化能和指前因子结果见表3。表3 Coats-Refern法动力学参数计算结果试样（TL）拟合直线方程相关系数,R2活化能E (kJmol-1)指前因子A（s-1)TL-常温y= -5599.2x-3.690.998146.552779.5TL-150y= -5498.5x-3.610.999445.712540.2TL-250y= -4946.7x-3.290.998741.122298.5由表3可知，煤粉预热至150及250后，煤粉燃烧的活化能比预热前分别降低了1.8和13.2。煤粉预热后内部水甚至部分矿物结晶水得到释放，使水分蒸发所带走的热量减少，提高了煤粉的升温速率；煤粉预热的同时比表面积和孔隙率增加，表面形态变粗糙，扩大了与氧气的接触面，增加了反应活性。当温度达到着煤粉火点后，反应速度增加，燃烧气化速度加快。因此预热改变了煤粉的化学性质，使反应活化能减小，着火点降低。4 结论（1）利用热天平对煤粉进行燃烧反应动力学分析。计算出了煤粉在常温时、预热至150、250时的着火点为513.7、505.5、497.3及活化能分别为46.55 kJmol-1、45.71 kJmol-1、41.12 kJmol-1，比常温时活化能分别降低了1.8、13.2。（2）实验结果表明，随着预热温度在一定范围内升高，煤粉着火点降低，活化能减小，说明反应活性有了一定的增加。因此煤粉预热后燃烧反应动力学参数发生变化，改善了其着火性能，使着火温度更低，燃烧速度更快，有利于煤粉的燃尽率。参考文献：1 刘仁生. 高炉喷吹煤粉预热对其燃烧性能的影响J. 第九届全国大高炉炼铁学术年会论文集2 祝文杰，周永刚，等.用热天平研究煤的燃烧特性 J.煤炭科学技术.2004，3：8-113 马宝国，徐立，等.碳酸盐对高灰分煤粉燃烧的动力学研究 J.水泥技术2007，5：1-44 胡勤海，等.城市污泥掺制水煤浆燃烧动力