解鳳霞，華敏，張欣欣，張丹

(西安工程大學環(huán)境與化學工程學院，陜西西安710048)

氣卸蒙古煤在氧氣中的燃燒特性

解鳳霞，華敏，張欣欣，張丹

(西安工程大學環(huán)境與化學工程學院，陜西西安710048)

在不同升溫速率條件下研究氣卸蒙古煤在氧氣中的燃燒行為，得出燃燒過程的動力學方程和動力學參數(shù).用等轉(zhuǎn)化率法求得其在氧氣中燃燒的活化能為199.81kJ·mol-1;用主曲線法確定燃燒過程的最可幾機理函數(shù)的積分式為G(α)=［-ln(1-α)］m，m=1.29±0.02，由Ea和G (α)求得指前因子lnA/s-1為29.95±0.04.另外，根據(jù)煤的燃燒特性指數(shù)R的大小，得出升溫速率越小，R值越大，則氣卸蒙古煤的燃燒特性愈好;在實驗范圍內(nèi)煤粒徑尺寸越小越容易燃燒.關鍵詞：煤;燃燒;粒徑;等轉(zhuǎn)化率法;主曲線法

0 引言

煤炭是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源，也是重要的戰(zhàn)略資源.它廣泛應用于鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)及居民生活領域.由于我國能源結(jié)構(gòu)以煤為主，經(jīng)濟發(fā)展過程中煤炭消費巨大，經(jīng)濟與煤炭兩者相互依賴相互促進，保持著一種唇齒相依的關系［1］.積極尋求更有效的、環(huán)境可接受的途徑，最大限度地提高煤炭的能源效率，減少污染物的排放總量，并大力推廣煤炭的綜合利用技術，這是社會、經(jīng)濟、能源、環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的必然要求，這對于進一步合理配置煤炭資源、提高煤炭資源使用效率、進一步落實科學發(fā)展觀具有重要的意義.煤的著火是一個特別復雜的問題，到目前為止還無法給出恰當?shù)拿枋龊蜌w納，一般說來，著火被描述為燃料與氧化劑達到一個連續(xù)反應的過程［2］.煤吸附周圍氧含量達到一定程度，自身氧化所釋放的能量，與向體系中散熱量達到平衡，開始點燃［3］.熱分析法具有試樣量少、速度快并且能在測量溫度范圍內(nèi)研究原料受熱發(fā)生熱反應的全過程等優(yōu)點，是實驗室研究燃料燃燒性能的常規(guī)方法［4-5］.

本文根據(jù)熱分析技術研究氣卸蒙古煤在氧氣中的燃燒性能.分別得到活化能，機理函數(shù)以及速率方程中的指前因子等燃燒過程的動力學三因子，為煤的燃燒規(guī)律提供數(shù)據(jù)支持.

1 實驗

1.1 試劑和儀器

氣卸蒙古煤(由包頭鋼鐵集團有限公司提供)，使用前經(jīng)烘箱在90℃恒溫下烘干，經(jīng)過標準分樣篩分別篩選出粒徑為0.20～0.30mm，0.15～0.20mm，0.00～0.15mm范圍的不同樣品.

TGA/SDTA851 e型熱重/差熱同步熱分析儀(瑞士梅特勒-托利多公司).

1.2 實驗方法

熱分析實驗使用開口的70uLAl2O3坩堝，樣品質(zhì)量約4mg，分別采用升溫速率β為5，10，15，20℃/min進行線性升溫，以高純O2做載氣，流速為50mL/min.熱分析儀的溫度采用標準金屬In和Al進行標定.數(shù)據(jù)均用Origin 8.0處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒熱重曲線

圖1(a)，(b)為不同升溫速率下的粒徑為0.20～0.30mm的氣卸蒙古煤在氧氣中燃燒的TG曲線和DTG曲線.從圖1(a)，(b)中可以看出，升溫速率對熱重曲線有較大影響，隨著升溫速率增大，揮發(fā)分初釋溫度提高，而且達到一定的失重率所對應的溫度也隨之提高，失重速率峰值提高，且峰值溫度向高溫區(qū)移動.燃燒過程的熱力學相關溫度見表1.

圖1 在不同升溫速率下氣卸蒙古煤在純氧氣中的燃燒曲線圖

表1給出了不同升溫速率時煤在氧氣氛圍中的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)等參數(shù).揮發(fā)分釋放特性指數(shù)R可以綜合反映煤燃燒過程中揮發(fā)成分釋放的強烈程度，R越大煤的燃燒特性越好.不同升溫速率時的煤在氧氣氛圍中揮發(fā)分釋放特性指數(shù)等參數(shù)見表2.R= (dα/dτ)max/(Tmax×T1/2×TS)，其中(dα/dτ)max為揮發(fā)分最大釋放速度;Tmax為最大釋放速度對應的溫度;T1/2為(dα/dτ)/(dα/dτ)max對應的溫度區(qū)間：TS為揮發(fā)分初釋溫度.升溫速率減小，煤的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)R增大，說明升溫速率減小有利氣卸蒙古煤的燃燒.

表1 氣卸蒙古煤在氧氣氛圍中燃燒過程的溫度范圍

表2 不同升溫速率時的煤在氧氣氛圍中揮發(fā)分釋放特性指數(shù)等參數(shù)

2.2 煤粉粒度對燃燒過程的影響

圖2為不同粒徑的氣卸蒙古煤在氧氣中燃燒的TG曲線.從圖2可以看出，在氧氣中煤粒粒徑對燃燒特性的影響，達到相同的失重率時粒徑較小的煤樣所需溫度比粒徑較大的煤樣低，煤粒徑越小反應起始溫度和終止溫度越低，由此可知0～0.30mm的粒徑范圍內(nèi)，煤粒徑越小燃燒特性越好.

2.3 燃燒反應動力學分析

本文采用多重掃描速率法和等轉(zhuǎn)化率法處理固相體系的燃燒反應［6］.

2.3.1 氣卸蒙古煤燃燒過程的表觀活化能Ea在α為0.20～0.90的反應主期之間，間隔0.05取值，依據(jù)Ozawa方程［7］和KAS方程［8］，以lnβ對1/T和ln(β/T2)對1/T進行線性回歸求出反應過程的活化能Ea，結(jié)果見表3，從表3可以看出兩種方法的線性回歸系數(shù)均大于0.99，在轉(zhuǎn)化率α為0.20～0.90范圍內(nèi)活化能變化不大，可以認為是定值，說明氣卸蒙古煤的燃燒一步完成，燃燒過程的活化能取兩種方法所得值的平均值：Ea= 199.81kJ·mol-1.

圖2 不同粒徑的氣卸蒙古煤在氧氣中燃燒的TG曲線圖

表3 不同方法所求得汽卸蒙古煤在氧氣中燃燒過程的活化能

2.3.2 主曲線法判斷最可幾機理函數(shù)在α為0.20～0.90范圍內(nèi)間隔0.05取點，對合適的機理函數(shù)則有G(α)/G(0.5)=P(X)/PX(0.5)分別以不同升溫速率的P(x)/P(x0.5)對a做圖.繪制出圖3，考察實驗數(shù)據(jù)點與標準曲線的吻合情況［9］.從圖3可以看出，不同升溫速率下的實驗數(shù)據(jù)點與標準曲線基本吻合，但實驗數(shù)據(jù)點沒有全部落在某條標準曲線上，而是落在G(α)=-ln(1-α)和G(α)=［-ln(1-α)］2標準曲線之間，因此，可以認為該燃燒過程的機理函數(shù)為G(α)=［-ln(1-α)］m，1＜m＜2.

2.3.3 求指前因子A和指數(shù)m將G(α)=［-ln(1-α)］m，(1＜m＜2)代入熱分析動力學方程的積分式G(α)=A(Ea/βR)P(x)，整理后得P(x)=［-ln(1-α)］m/［1/(AEa/βR)］.以P(x)對-ln(1-α)作圖并對曲線按指數(shù)函數(shù)y=axb進行非線性擬和，從擬和結(jié)果a，b得出A，m，即A=Ea/βR.擬和結(jié)果見表4，求出指前因子lnA/s-1=29.95±0.04，m=1.29±0.02.

表4 不同升溫速率下的非線性擬和結(jié)果

2.3.4 動力學方程可靠性驗證為了驗證本文所建立的動力學方程的可靠性，在TGA/SDTA851e型熱重/差熱同步熱分析儀的實驗裝置上對氣卸蒙古煤在升溫速率為10K/min下的燃燒速率進行測定，測得的實驗結(jié)果與本文建立的動力學方程進行對比.理論計算依據(jù)下列根據(jù)非等溫條件下動力學方程式：

其中，dα/dT為非等溫條件下反應速率，Ea和A分別為動力學分析結(jié)果中的活化能和指前因子，f(α)為氣卸蒙古煤燃燒過程中所遵循的機理函數(shù)，f(α)=1/m(1-α)［-ln(1-α)］1/(1-1/m)(m= 1.29)，該表達式由動力學分析結(jié)果中的G(α)=［-ln(1-α)］m(m=1.29)得到.實驗結(jié)果和計算結(jié)果見表4.從表4可以看出，兩組數(shù)據(jù)吻合的比較好，從而證明本文所建立的方程是可靠的.

圖3 常見的動力學模型函數(shù)所對應的標準曲線與不同升溫速率下氣卸蒙古煤在氧氣中燃燒的實驗數(shù)據(jù)

表5 燃燒速率理論值與實驗值對比

3 結(jié)論

(1)在實驗條件下氣卸蒙古煤在氧氣中燃燒的溫度范圍為250～600℃，質(zhì)量損失率＞90%，通過Ozawa方程和KAS方程求得燃燒過程的活化能為199.81kJ·mol-1.通過主曲線法求得燃燒過程的最可幾機理函數(shù)的積分式為G(α)=［-ln(1-α)］m，m=1.29±0.02，指前因子lnA/s-1為29.95±0.04.

(2)隨著升溫速率的增大，煤燃燒的初始溫度、失重峰溫度及燃燒終止溫度向高溫區(qū)遷移，且DTG峰值增高;不同升溫速率時煤在純氧氣中的燃燒特性指數(shù)等參數(shù)表明：升溫速率越小，R值越大，燃燒特性越好，對煤著火越有利.

(3)在氧氣中燃燒，煤樣粒度越小，煤樣的著火溫度越低，自燃傾向越大.通過燃燒速率的測定，證明本文所得的動力學方程中的三因子Ea，A以及G(α)是合理、可靠的.

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Combustion characteristic of Qixie Mongolian coal in oxygen

XIE Feng-xia，HUA Min，ZHANG Xin-xin，ZHANG Dan

(School of Environmental and Chemical Engineering，Xi'an Polytechnic University，Xi'an 710048，China)

The burning behavior of Qixie Mongolia coal were studied under non-isothermal conditions by thermogravimetry(TG)technique in O2.The iterative iso-conversional method was applied to calculate the activation energy Ea of burning，the most probable mechanism function G(α)was determined by means of the master plots method.The pre-exponential factor A was obtained on the basis of Ea and G(α).In O2，the kinetic parameters (Ea and ln A)of burning are given as：Ea=199.81kJ·mol-1，ln(A/s-1)=29.95±0.04.The mechanism function of the burning was G(α)=［-ln(1-α)］m，m=1.29±0.02.In addition，the influence of particle size on the combustion of coal were also studied.It was found that the smaller of particle size，the better of the combustion characteristics.When the heating rate of the Qixie Mongolia coal is lower，the R is bigger，and the combustion characteristic is better.

coal;burn;iterative iso-conversional method;the master plots method

TQ 531

A

1674-649X(2014)01-0059-05

編輯、校對：田莉

2013-04-07

西安工程大學博士科研啟動基金資助項目(BS0902)

解鳳霞(1973-)，女，山西省黃城縣人，西安工程大學副教授.E-mail：xiefengxia2010@126.com