張翼祥 / 方大炭素新材料科技股份有限公司

無煙煤與石油焦燃燒的熱分析曲線研究

張翼祥 / 方大炭素新材料科技股份有限公司

本文對于無煙煤和石油焦的燃燒的特點(diǎn)進(jìn)行全面的分析和研究，并且對兩者的著火特點(diǎn)和燃盡特點(diǎn)進(jìn)行研究。通過熱分析曲線對兩者的著火、燃盡及可燃性特點(diǎn)指數(shù)進(jìn)行計算，并且推算在非等溫燃燒過程中的綜合燃燒指數(shù)。通過本文實(shí)驗(yàn)表示，石油焦的燃燒特點(diǎn)和無煙煤的燃燒特點(diǎn)相同，雖然較低揮發(fā)無煙煤的著火和燃燒速度較快，但是燃盡性能卻較差。

無煙煤；石油焦；燃燒；熱分析曲線

石油焦是一種石油加工工業(yè)的副產(chǎn)品，世界中的石油焦最大使用工業(yè)就是水泥工業(yè)，之后是石油焦燃燒后生產(chǎn)煉鋁，石油焦的燃料發(fā)電及供熱消耗量并不多。一般石油焦具有高發(fā)熱值、高揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及低灰份質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所以使用石油焦作為燃料能夠有效降低渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)和燃料比。在現(xiàn)代煤炭資源不斷缺乏的背景下，對于取代部分燃料用煤物質(zhì)研究具有重要的作用?；诖?，本文就從微觀結(jié)構(gòu)分析，對石油焦和無煙煤的微觀差異進(jìn)行研究，分析兩者的燃燒熱分析曲線。

1.實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品

本文使用兩種無煙煤及四種石油焦作為研究對象，表1為兩種無煙煤和四種石油焦的工業(yè)、元素分析，通過表1可以看出來，無煙煤的干燥無灰基揮發(fā)分較低，石油焦和無煙煤具有明顯的差別，其主要特點(diǎn)就是發(fā)熱量比無煙煤高，并且灰份較低，固定的碳含量較高【1】。

表1 兩種無煙煤和四種石油焦的工業(yè)、元素分析

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和過程

本文實(shí)驗(yàn)使用德國STA449型號分析儀進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)過程中的氣氛O2和N2兩者的比為21:79，流量設(shè)置為100ml/min，其主要目的就是能夠?qū)?shí)際爐內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行真實(shí)的模擬，升溫的速率為25℃/min，最開始的溫度為30℃，結(jié)束時的溫度為1350℃，選擇10mg左右樣品即可。實(shí)驗(yàn)過程為：將選擇的樣品放入到儀器中，在恒溫中加熱氧化并且燃燒，對樣品質(zhì)量在溫度不斷升高過程中的變化進(jìn)行記錄，從而得出熱重曲線，并且通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析，對比并且研究無煙煤和石油焦兩者的著火、可燃性、燃盡特性和綜合燃燒方面的關(guān)系【2】。

2.結(jié)果

2.1 石油焦和無煙煤的失重曲線及失重速率曲線

圖1為石油焦和無煙煤的燃燒的失重曲線，圖2為石油焦和無煙煤的失重速率曲線，通過兩圖可以看出來，O2和N2兩者的比為21:79，兩者的燃燒主要包括三個階段，第一個階段為：在溫度不斷升高的過程中，水分也在不斷的析出，內(nèi)在水不斷的流失；第二個階段為： 在揮發(fā)分析之后著火，失重速率曲線不斷的下降，并且值不斷擴(kuò)大；第三個階段為：在可燃質(zhì)不斷消耗完畢之后，失重速率曲線逐漸評分， 進(jìn)入到燃盡階段，燃燒失重曲線也在不斷平衡。

圖1 石油焦和無煙煤的燃燒的失重曲線

圖2 石油焦和無煙煤的失重速率曲線

石油焦和無煙煤兩者的燃燒曲線大致上相同，但是也存在不同。通過失重曲線分析，所有樣品的失重具有明顯的先后順序，石油焦為開始失重，將揮發(fā)分吸出，之后無湮滅開始將揮發(fā)分析出，析出揮發(fā)分越早表示初期著火燃燒越好，表示石油焦著火燃燒比無煙煤更快、從失重速率曲線分析，石油焦最快到達(dá)失重速率，無煙煤失重速率較大，表示后期燃燒就小偉強(qiáng)烈。從兩種曲線中能夠看出來，可以對煤種燃燒困難與否進(jìn)行定性判斷，但是不能夠?qū)ζ渚C合燃燒、可燃燒及燃燒特性進(jìn)行定量分析，這并不滿足高效使用低灰煤和石油焦的需求【3】。

2.2 升溫速度對著火和燃盡的影響

稱取一定的石油焦和無煙煤樣品，分別在10℃、20℃、30℃每分鐘的升溫速度中實(shí)現(xiàn)熱重實(shí)驗(yàn)，圖3為不同升溫速度對石油焦熱重微分圖。

圖3 不同升溫速度對石油焦熱重微分圖

通過圖3表示，石油焦著火點(diǎn)不會在升溫速度改變過程中發(fā)生改變，但是燃盡溫度會在升溫速度不斷增加過程中而不斷增加。最大的升溫速度在升溫速度不斷增加的過程中有所減少，以此表示燃燒熱性指數(shù)是在升溫速度不斷增加過程中不斷減少。因?yàn)樯郎貫榫€性增加，升溫速度不斷增加，導(dǎo)致石油焦在高溫溫度的停留時間較短，燃盡相同質(zhì)量的石油焦的時間較長。在鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，石油焦在進(jìn)入爐腔過程中會快速加熱，加熱速度對石油焦的燃盡具有重要的作用，因?yàn)槭徒乖谶_(dá)到著火溫度過程中的時間就會縮短【4】。表2是石油焦和無煙煤的著火溫度，通過表2可以看出來，石油焦著火溫度較低，并且之后著火性能較好。

表2 石油焦和無煙煤的著火溫度

2.3 無煙煤和石油焦的綜合燃燒特點(diǎn)

為了能夠深入研究煤粉的著火及燃盡特點(diǎn)，從而為電廠提供全面的參考，本文使用綜合燃燒特點(diǎn)指數(shù)SN表示煤著火和燃盡特點(diǎn)。如果加熱燃燒過程中緩慢，燃燒反應(yīng)就是著火階段為通過化學(xué)動力學(xué)因素進(jìn)行控制，表示為：

A表示前因子，T表示煤粉的顆粒溫度，通過上式進(jìn)行求導(dǎo)，并且使T=Ti，整理得到公式為：

R/E為煤的活性，如果E越小，表示反應(yīng)能力就越強(qiáng)。表3為無煙煤和石油焦的綜合燃燒特點(diǎn)，通過表3可以看出來，無煙煤的綜合燃燒特點(diǎn)最佳，之后是石油焦，表示綜合燃燒特性指數(shù)能夠?qū)⒖扇假|(zhì)的綜合燃燒特點(diǎn)精準(zhǔn)的表現(xiàn)出來【5】。

表3 無煙煤和石油焦的綜合燃燒特點(diǎn)

3.結(jié)論

通過本文研究能夠?yàn)殡娬惧仩t燃用無煙煤和石油焦提供參考基礎(chǔ)，尤其是低揮發(fā)分無煙煤。并且表示，石油焦的著火燃燒特點(diǎn)和無煙煤相同，著火溫度較低，并且具有良好的可燃性，但是燃盡特點(diǎn)較差，這和其中具有較高的固定碳含量具有密切的關(guān)系，所以在使用過程中要注意。

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