水泥窑用煤燃烧动力学研究

2011-01-29王世杰黄陈杰刘瑞芝胡芝娟

武汉科技大学学报 2011年5期

王世杰，吕源，黄陈杰，秦瑾，刘瑞芝，胡芝娟

（1.武汉科技大学煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室，湖北武汉，430081；2.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津，300400）

我国水泥生产所用燃料以煤为主。近年来，由于煤价节节攀升，国内诸多水泥企业的供煤也受到了影响。为降低生产成本、提高经济效益，保持市场竞争力，高灰分、低发热量的劣质煤的利用受到了越来越多的关注。因此，改善劣质煤的燃烧特性、提高其燃烧利用率显得尤为重要。在燃煤中加入催化剂是改善煤燃烧特性的重要手段之一［1］。

燃烧反应过程的动力学参数是表征煤反应能力的重要指标，通过其值的变化可以判断催化剂对劣质煤燃烧特性的影响。动力学参数是工业上设计反应器和选择生产工艺的重要参考数据，国内外学者对其进行了大量研究［2－7］，并提出多种基于热重分析数据的动力学处理方法。本文采用普适积分法和微分方程法，对加入不同催化剂的煤进行燃烧动力学分析，获取煤燃烧的最概然机理函数和动力学参数，以期为燃煤催化剂的研究提供基础数据。

1 实验

1.1 煤样制备

选用华润南宁无烟煤作为实验煤种，按GB474—2008制备煤样。煤样过180目筛且筛余物少于8%，干燥后备用，其元素分析及工业分析结果如表1所示。

将质量分数为2%的催化剂Zn O、NaCl O4、Na2Cr2O7、Fe2O3和Mn O2分别加入原煤中，充分混合，制得干混煤样。

表1 原煤的元素分析和工业分析结果（wB／%）Table 1 Ultimate and proximate analysis of coal samples

1.2 煤的燃烧动力学特性分析

将原煤和干混煤样放置8 h后，利用NETZSCH STA 409 PC／PG型热分析仪进行TG分析。分析条件：①气氛：流量为13 m L／min的O2和流量为40 m L／min的N2；②升温速率：10 K／min；③温度范围：室温至1 273 K左右。

1.3 动力学参数数据处理

利用煤燃烧的TG和DSC数据，分别采用普适积分法和微分方程法进行数据处理，分析煤燃烧的最概然机理与动力学参数。

煤燃烧反应速率表达式为：

式中：G（α）为积分形式的机理函数；k为反应速率常数；t为反应时间，s。

假设反应速率常数与活化能、指前因子之间遵循阿伦尼乌斯公式：

式中：A为指前因子，s－1；E为活化能，kJ／mol；R为气体常数；T为反应温度，K。

根据热重分析数据，按下式算出质量变化率（即失重率）α：

式中：W为样品的质量，mg；W0为样品反应初始质量，mg；W∞为样品反应终止质量，mg。

在恒定的程序升温速率β下，反应温度

式中：T0为反应起始温度，K。

由以上各式整理可得普适积分法方程：

积分模式函数G（α）和微分模式函数f（α）之间的关系为

式（5）两边微分，并将方程式（6）代入整理可得微分方程法方程：

由以上普适积分法和微分方程法的方程可知，只要从一条TG曲线上得到原始数据Ti、αi（i＝1，2，…，m）、β和T0，采用线性最小二乘法和迭代法处理方程，就可以由斜率求得E值，由截距求得A值。

2 结果与分析

原煤及加催化剂试样的TG和DSC曲线分别如图1和图2所示。从图1可见，加入催化剂后，煤样燃烧的着火点和燃尽温度均降低，表明加入催化剂有利于煤的完全燃烧。其中加入Na2Cr2O7的煤样，其TG曲线中还表现出在630 K附近出现一明显区别于其他曲线的失重平台，表明Na2Cr2O7不仅使煤的着火温度降低，而且改变了煤的燃烧反应历程。

由图2中可知，原煤与加催化剂试样的燃烧放热特性是不同的，即催化剂改变了煤的燃烧反应速率。