固硫剂及添加剂对燃煤燃烧特性影响的研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 固硫剂及添加剂对燃煤燃烧特性影响的研 究 赵大伟，张亚楠，王祎欣，孟小冬，王广尧，杨巧文** 作者简介赵大伟（1984 年），男，硕士研究生，主要研究方向燃煤固硫 通信联系人杨巧文（1963 年），女，博士生导师教授，主要研究方向固硫，脱硝，活性炭. E-mail abcyqw （中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083） 摘要 由于煤在锅炉中的燃烧过程十分复杂， 直接求解煤在锅炉真实燃烧条件下的燃烧特性 参数很困难， 但是可以利用实验来模拟煤粉在锅炉里面的燃烧过程。 煤粉燃烧特性的实验方 法多种多样，本实验研究煤样燃烧特性实验均在热重分析仪上进行。根据煤样的燃烧特性， 本文研究了固硫剂及固硫添加剂对煤样燃烧特性 （主要是燃烬温度、 着火点、 最大失重温度、 燃烧剩余量）的影响。比较分析固硫剂，固硫添加剂之间对煤样燃烧特性的影响，为进一步 研究煤的实际燃烧过程提高基本实验数据。 关键词 固硫；最大失重温度；燃烧剩余量 中图分类号X-5 Research on the role of sulfur-fixing agents and additive in combustion characteristic of coal-burning Zhao Dawei, Zhang Yanan, Wang Yixin, Meng Xiaodong, Wang Guangyao, Yang Qiaowen College of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083 Abstract As the coal in the boiler combustion process is very complex, directly solving the real burning of coal in the boiler combustion parameters under very difficult, but the experiments can be used to simulate the coal combustion process inside the boiler. There are a great number of experimental s of the coal combustion; experimental study of coal combustion experiments was carried out in thermo gravimetric analyzer. In this paper, it studies the influence of the combustion characteristicmainly the temperature of burn out ,ignition point ,Tmax of weight loss，inflammation remainder under the sulfur-fixing agents and additive based on the combustion characteristic of coal sample. Comparing the combustion characteristic under the sulfur-fixing agents and additive, it can afford the basic experimental data for the study of actual coal-burning. Keywords sulfur; Tmax of weight loss; inflammation remainder 0 引言引言 煤粉燃烧特性对锅炉的设计和运行有着重要的影响， 因此对煤粉燃烧特性参数的研究是 很有必要的，其燃烧特性参数主要有着火温度、、最大失重温度、燃烧剩余量、燃烬温度 等[1]。确定着火温度的方式很多，本实验采用 TG 和 DTG 曲线来确定煤的着火点。具体方 法是在 DTG 曲线中过峰值作垂线与 TG 曲线相交于一点，过该点做 TG 曲线的切线，与 TG 开始失重曲线的平行线相交的点所对应的温度为着火温度。 当煤粉达到着火温度燃烧时， 反应速度会迅速增加。最大失重温度为燃烧速率最大时对应的温度。从 DTG 曲线看，就是 峰值处对应的温度。 对于存在多次燃烧的燃烧过程， 每个峰值对应此燃烧阶段的最大失重温 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 度。最大失重率为快速失重过程中的失重率。燃尽余量是燃烧过程结束后的残余量。本论文 中均以 900℃时的余量作为燃尽余量。由于煤在锅炉中的燃烧过程十分复杂，直接求解煤在 锅炉真实燃烧条件下的燃烧特性参数很困难， 但是可以利用实验来模拟煤粉在锅炉里面的燃 烧过程。 煤粉燃烧特性的实验方法多种多样， 本实验研究煤样燃烧特性实验均在热重分析仪 上进行。 1 实验原料及方法实验原料及方法 1.1 实验原料实验原料 实验中所用的原料煤是山西无烟煤，所用的电石渣来自西安。 煤的工业分析结果见表 1 表 1 煤的工业分析 Tab.1 Technical analysis of the coal 煤种 Mad（） 水分 A ad（） 灰分 V ad（） 挥发份 FC ad（） 固定碳 Std（） 全硫 Q b, ad （kJkg-1） 山西无 烟煤 4.56 10.06 11.01 74.37 2.06 30680 电石渣的化学元素分析见表 2。 表 2 电石渣的化学元素分析 Tab.1 Technical analysis of the coal 元素 名 称 Ca O C Si Al Fe S K Ti Sr Cr 含量 42.286 39.153 12.288 3.2181.860.520.3940.1050.057 0.038 0.034 根据有关文献已经知道工业碱基废料[2,3]电石渣中的主要成分是氢氧化钙，有少量钙是 以碳酸钙的形式存在于电石渣中的，现在由电石渣中 Ca 元素的含量完全按氢氧化钙进行折 算，可以折算出电石渣中氢氧化钙的含量为 78.23。 1.2 实验仪器和方法实验仪器和方法 采用美国 TA 仪器公司生产的 Q50 同步热分析仪 SDTDTA/TGA 联用），实验条件 通空气；样品煤用量 7.0mg 左右；温度范围 251000℃；升温速率 20℃/min；为了了解煤样 燃烧过程中硫析出情况，选用 200 目以下煤样在热分析仪上做实验。其中 TG 曲线表示物料 随温度变化时开始分解、燃烧和失重的温度、区间、失重量和剩余量（灰分）等。DTG 曲 线是 TG 曲线的微分线，求出得物料在某一时刻瞬时失重速度，定量表示燃烧、分解的失重 速度和程度。确定着火温度的方式很多，本实验采用 TG 和 DTG 曲线来确定煤的着火点。 具体方法是在 DTG 曲线中过峰值作垂线与 TG 曲线相交于一点，过该点做 TG 曲线的切 线，与 TG 开始失重曲线的平行线相交的点所对应的温度为着火温度[4]。当煤粉达到着火温 度燃烧时，反应速度会迅速增加。 选取的煤样 1 为原煤；2 为加入了固硫剂电石渣，Ca/S 为 2；3 为加入了固硫剂电石渣， Ca/S 为 2，然后加入添加剂 1 Fe2O3；4 为加入了固硫剂电石渣，Ca/S 为 2，然后加入添加 剂 4Na2CO3；5 为加入了固硫剂电石渣 Ca/S 为 2，然后加入添加剂4Na2CO3、4SiO2、 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 4Al2O3和 1Fe2O3。 2 燃烧特性参数的分析比较燃烧特性参数的分析比较 2.1 单个煤样的热重曲线分析单个煤样的热重曲线分析 图 1 五个煤样的热重曲线图 Fig1The five coal sample’ thermogravimetric curve 从图 1 中的 TG 曲线可以看出，原煤的热失重曲线上出现一个转折点，也就是说原煤在 整个燃烧过程中为一段燃烧。当温度在 25℃-100℃之间时，热重曲线略微向下移，这是因 为煤样中含有一定的水分， 在其加热过程中， 水分逐渐挥发， 水分的挥发引起煤样失重 0.6。 - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 随后发生缓慢的氧化反应，此时虽有放热，但尚未着火。在温度达到 535.13℃（着火点）时 煤样开始燃烧，失重曲线呈明显下降趋势，到 576.46℃时，为 DTG 曲线上的最高点，该点 对应的温度为燃烧过程中反应速度最快时的温度， 失重速率达到最大值。 此后失重曲线继续 下降，至 613.70℃时，失重曲线不再下降，曲线趋于平缓，燃烧基本结束，煤样在 800℃时 的残渣剩余量为 9.353，在快速燃烧过程中煤样的失重率为 91.00。 由图 1 可知，加入了电石渣且 Ca/S 为 2 的煤样是通过二次燃烧才达到终点的，表现为 失重曲线出现两个峰，其中第一个较为明显，这说明第一段燃烧较为剧烈，且为煤样的主要 燃烧区间。加入了电石渣且 Ca/S 为 2 的煤样，当温度在 25℃-100℃之间时，曲线未显示明 显的变化，在其加热过程中，水分逐渐挥发，水分的挥发引起煤样失重 0.57。对热重曲线 图进行分析，可知煤样的着火点、燃尽温度等特征值，该煤样的着火点温度是 537.19℃。在 温度超过着火点之后，热重曲线呈迅速下降的趋势，在温度为 578.92℃时，达到 DTG 曲线 上的最高点，该点对应的温度为燃烧过程中反应速度最快时的温度，失重速率达到最大值。 以后，失重曲线下降的速度也较快，至温度 619.55℃时，曲线不再下降而趋于平缓，这是燃 烧的结束温度，也是煤样燃烧的结束点即燃烬点，此煤样在快速燃烧阶段重量损失了 81.28。最后煤样剩余量为 19.29，比前面原煤的灰渣量有明显增多，说明固硫剂电石渣 在此钙硫比下有不错的固硫效果。 由图 1 可知，为加入了电石渣，Ca/S 为 2 且加入 1 Fe2O3的煤样是通过二次燃烧才达 到终点的， 表现为失重曲线出现两个峰， 其中第一个较为明显， 这说明第一段燃烧较为剧烈， 且为煤样的主要燃烧区间。加入了电石渣，Ca/S 为 2 且加入 1 Fe2O3的煤样，当温度在 25℃-100℃之间时，曲线未显示明显的变化，在其加热过程中，水分逐渐挥发，水分的挥发 引起煤样失重 0.66。对热重曲线图进行分析，可知煤样的着火点、燃尽温度等特征值，该 煤样的着火点温度是 537.03℃。在温度超过着火点之后，热重曲线呈迅速下降的趋势，在温 度为 578.97℃时，达到 DTG 曲线上的最高点，该点对应的温度为燃烧过程中反应速度最快 时的温度，失重速率达到最大值。在 668.56℃左右又出现一次小的失重，这是因为固定碳在 此时燃烧失重，第二段燃烧结束时，重量减少了 2.734。最后煤样剩余量为 19.44，比前 面电石渣的灰渣量有所增多，说明添加剂 Fe2O3有不错的固硫促进效果。以后，失重曲线下 降的速度也较快，至温度 685.11℃时，曲线不再下降而趋于平缓，这是燃烧的结束温度，也 是煤样燃烧的结束点即燃烬点，此煤样在快速燃烧阶段重量损失了 79.67。 由图 1 可知，为加入了电石渣，Ca/S 为 2 且加入 4 Na2CO3的煤样是通过二次燃烧才 达到终点的，表现为失重曲线出现两个峰，其中第一个较为明显，这说明第一段燃烧较为剧 烈，且为煤样的主要燃烧区间。加入了电石渣，Ca/S 为 2 且加入 4 Na2CO3的煤样，当温 度在 25℃-100℃之间时，曲线未显示明显的变化。对热重曲线图进行分析，可知煤样的着 火点、燃尽温度等特征值，该煤样的着火点温度是 538.64℃。在温度超过着火点之后，热重 曲线呈迅速下降的趋势，在温度为 577.50℃时，达到 DTG 曲线上的最高点，该点对应的温 度为燃烧过程中反应速度最快时的温度， 失重速率达到最大值。 在 663.61℃左右又出现一次 小的失重，这是因为固定碳在此时燃烧失重，第二段燃烧结束时，重量减少了 2.843。最 后煤样剩余量为 20.81， 比前面电石渣的灰渣量有所增多， 说明添加剂 Na2CO3有不错的固 硫促进效果。以后，失重曲线下降的速度也较快，至温度 680.37℃时，曲线不再下降而趋于 平缓，这是燃烧的结束温度，也是煤样燃烧的结束点即燃烬点，此煤样在快速燃烧阶段重量 损失了 78.42。 由图1可知， 为加入了电石渣， Ca/S为2且加入4Na2CO3、 4SiO2、 4Al2O3和1Fe2O3 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 的煤样是通过二次燃烧才达到终点的，表现为失重曲线出现两个峰，其中第一个较为明显， 这说明第一段燃烧较为剧烈，且为煤样的主要燃烧区间。加入了电石渣，Ca/S 为 2 且加入 4Na2CO3、4SiO2、4Al2O3和 1Fe2O3的煤样，当温度在 25℃-100℃之间时，曲线未显 示明显的变化。对热重曲线图进行分析，可知煤样的着火点、燃尽温度等特征值，该煤样的 着火点温度是 538.08℃。在温度超过着火点之后，热重曲线呈迅速下降的趋势，在温度为 577.03℃时，达到 DTG 曲线上的最高点，该点对应的温度为燃烧过程中反应速度最快时的 温度，失重速率达到最大值。在 668.78℃左右又出现一次小的失重，这是因为固定碳在此时 燃烧失重，第二段燃烧结束时，重量减少了 2.624。最后煤样剩余量为 20.47，比前面电 石渣的灰渣量有所增多，说明复合添加剂有不错的固硫促进作用。以后，失重曲线下降的速 度也较快，至温度 688.44℃时，曲线不再下降而趋于平缓，这是燃烧的结束温度，也是煤样 燃烧的结束点即燃烬点，此煤样在快速燃烧阶段重量损失了 77.15。 将上述分析的数据制作成表，见表 3。 表 3 五种煤样的燃烧特性参数 Tab.3 The five coal sample’ combustion characteristic 煤样 着火点 （℃） 最大失重温度 （℃） 最大失重量 （） 燃烬点温度 （℃） 900℃时残渣剩余量 （） M1 533.90 576.46 91.00 613.76 9.35 M3 536.19 578.92 81.28 619.55 19.29 M4 537.03 578.97 79.67 685.11 19.44 M5 538.64 577.50 78.42 680.37 20.81 M6 538.08 577.03 77.15 688.44 21.47 2.2 煤样的热重曲线分析比较煤样的热重曲线分析比较 为了更好的了解固硫剂和添加剂[5,6]对燃烧特性的影响，将五种实验煤样的 TG 曲线拟 合在一张图中如图 1 所示。其中 1 是原煤的热重曲线，2 是只加入固硫剂电石渣的煤样热重 曲线，3 是加入主固硫剂电石渣，Ca/S 为 2 且加入 1的 Fe2O3的煤样热重曲线，4 是加入 固硫剂电石渣，Ca/S 为 2 且 4的 Na2CO3煤样的热重曲线，5 是加入固硫剂电石渣，Ca/S 为 2 且 4Na2CO3、4SiO2、4Al2O3和 1Fe2O3的煤样的热重曲线。 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 2 五个煤样的热重曲线拟合图 Fig2The five coal sample’ thermogravimetric curve fitting 从图 2 可以看出， 加入主固硫剂的四种煤样所得到的热重曲线走势相同， 最后剩余的煤 渣量都比原煤燃烧时要多， 这也体现了主固硫剂的固硫作用。 煤样 1,2,3,4,5 的曲线在低温区 重量变化不太明显， 而在高温区出现了明显的变化， 说明主固硫剂和添加剂的作用已经显现。 煤样 2,3,4,5 在高温区变化不太明显，但也可以看出细微差别，加入添加剂的三条曲线在只 加入主固硫剂电视渣的上方。主要表现在燃烧结束点剩余量的变化，随着添加剂的加入，残 余量也随之呈规律性的增大。从图中还可以看出，原煤的热重曲线和加入还有一个不同点， 原煤热重曲线经过一次快速下降燃烧就基本结束， 而加入固硫剂和添加剂之后还有一次微小 的下降过程，在 700℃左右才趋于平缓。 从图 2 中可以看出，原煤析出的硫分最多，固硫效果最差。添加电石渣后析出的硫分减 少了，加入添加剂后析出的硫分又有所降低。同时，剩余的灰渣量也在增加，扣除反应剩余 的固硫剂和添加剂后，也说明固硫产物量增加了。高温时，TG 曲线接近直线，这也说明加 入固硫剂和添加剂的煤样燃烧后生成了热稳定性很高的固硫物相。 3 总结总结 本文主要就煤炭燃烧特性进行了初步的研究， 主要考察了原煤的燃烧特性参数以及固硫 剂和固硫添加剂的加入对煤炭燃烧特性的影响，得出以下结论。 1 添加了电石渣的煤样固硫物相并不稳定， 在高温下又继续发生分解释放出硫分， 导 致固硫率偏低。热分析实验表明，加入添加剂的煤样提高了氧化钙的利用率，煤样燃烧后生 成了热稳定性更高的固硫物相，同时发现，煤渣质量增重了，固硫率增大是主要原因。 2 在燃烧实验中， 固硫剂和添加剂的加入使煤样燃烧特性产生一定变化， 随着固硫剂 和添加剂加入量的增大， 煤样的着火点和燃烬点都呈现逐渐增大的趋势， 这说明固硫剂和添 加剂的加入使煤样的燃烧反应向不利的方向发展， 使整个燃烧区间向高温方向移动。 而且固 - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 硫剂和添加剂的加入使煤样的燃尽剩余量均有所增大。原煤的残余量为9.35，而加入电石 渣使钙硫比取2.0时在1000℃时的残余量为19.29，剩余量增加了9.94。 3 固硫剂和添加剂的加入使煤样的燃烧过程变得较为复杂， 燃烧由原煤的一段燃烧变 成两段燃烧，与次对应，在 DTG 曲线中出现了两个峰，第二段燃烧主要是灰粒中包裹的碳 粒和矿物质在后期的燃尽过程。 从整个燃烧过程来看， 加入固硫剂和添加剂的煤样的燃尽时 间延长，曲线较原煤平缓。 4 热重分析技术的广泛应用基于这样几个原因 能自动收集和处理数据； 燃烧结束后 可以方便对产物进行分析。 参考文献参考文献 [1] 向银花,房倚天,黄戒介等.焦煤的燃烧特性和动力学模型研究[J].煤炭转化,2000,12310-15 [2] 吴晓静,赵玉祥.浅析电石渣的综合利用途径[J].江苏环境科技,2004,1765-66 [3] 路春美.钙基材料用于燃煤锻烧固硫过程研究〔山东大学博士论文].山东山东大学,2002,21-2 [4] 邹学权,王新红,武建军,陈越.用热重-差热-红外光谱技术研究煤粉的燃烧特性[J].煤炭转 化,2003,12671-73 [5] 徐东耀.燃煤固硫添加剂的研究〔中国科学院博士论文〕.北京中国科学院生态环境研究中心,2000,9 [6] 何绪文.燃煤高温固硫添加剂固硫的促进机理研究.中国矿业大学学报,2001,305480-483