造气炉内煤燃烧实验及限制性环节的确定

徐庆伟，吕庆，刘小杰，兰臣臣，闫占亮

(1.华北理工大学 冶金与能源学院，河北 唐山 063009；2.东北大学 冶金学院，辽宁 沈阳 110819)

由吕庆教授提出的一种生产冶金煤气的竖式造气炉是一种新工艺，它通过对煤进行气化，把高炉风口区域煤的燃烧放到炉外，然后喷入高炉，使高炉喷煤系统简化，造气炉运用煤气化原理，将煤的燃烧从高炉内部转移到外部，解决了高炉由于喷煤所带来的问题，使得高炉顺行，提高生产效率[1-6]。

煤粉燃烧动力学对燃烧设备的设计和运行都起着至关重要的作用，能够从本质上反应煤粉燃烧特性的本质。国内外很多学者对此做了大量的研究[7-11]。因为本研究是在新工艺的基础上开展，虽然众多学者对煤燃烧动力学的研究很多，但并不满足新工艺反应状态，因此并不具有代表性。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

烟煤、无烟煤，两种煤工业分析见表1。

表1 煤样工业分析Table 1 Analysis of coal powder industry

二氧化碳、氮气和氧气均为瓶装气体。高温悬浮态气固反应实验台(如图1所示)，自制。

PTQ-A30型天平。

图1 实验装置Fig.1 Experimental facility1.计算机；2.热电偶；3.热天平；4.反应管；5.样品；6.加热体；7.刚玉球；8.流量计；9.混气瓶；10.CO2；11.N2；12.O2

1.2 实验方法

将煤样用制样机破碎，制成粒径为0.15 mm的煤粉。然后利用圆盘造球机进行造球。采用电阻丝编制的小篮盛放煤球，在管式炉上搭接一个可以容纳天平的支架，天平下部设有挂钩，将小篮与天平通过电阻丝与挂钩相连，放入管式炉内，使其悬浮；升温前向管式炉内通入保护气体N2，流量为5 L/min。待排净管式炉内空气后，利用控制程序以10 ℃/min的升温速率进行升温。待管式炉内达到1 000 ℃，停止升温，15 min后通入O2+N2的混合气体，气体总流量为5 L/min，用热天平实时记录试样的失重曲线。实验反应时间为2 h，2 h后停止通入混合气体并保存数据。

2 结果与讨论

2.1 氧浓度对燃烧的影响

实验方案见表2，不同氧浓度下的燃烧率与时间关系见图2。

表2 工艺参数实验方案Table 2 Scheme of process parameters experiments

图2 不同氧浓度下的燃烧率曲线Fig.2 Burning rate curves at different oxygen concentrations

由图2可知，随着氧浓度的增加，煤完全燃烧所用时间逐渐变短。氧浓度51%时，反应时间最短，煤球燃烧率变化最快，为30 min。这是由于氧气为反应气体，当反应气体增加时，有利于碳原子与氧原子的接触，改善了动力学条件，使得反应速率提高，有助于燃烧反应正向进行，致使其反应时间减少。

2.2 燃烧反应动力学

2.2.1 动力学模型 为了更全面的了解煤燃烧反应规律，国内外大多数学者采用动力学模型预测其反应进程，其中最简单的为体积反应模型和未反应核反应模型，已被大多数研究者采用，且与实验数据符合良好[12]。郭文涛等[13]利用未反应核模型较为详细的描述了燃烧反应的动力学，本研究在其模型的基础上，对该实验进行了动力学分析。假设煤球反应期间形状、密度保持不变，该反应为一次性不可逆的，当达到稳定状态后，每个步骤反应速率相等。动力学模型表达式为：

(1)

式中kg——气相边界层的质量传质系数，mol/min；

r0——试样的初始半径，m；

De——反应气体在产物层的有效扩散系数，m2/min；

k+——反应速率常数；

ρC——固定C含量，mol/m3；

t——化学反应时间，min；

X——t时刻试样的失重率，其求解方程为：

(2)

式中，m0为加入的试样重量；mt为反应t时刻试样的重量；C为固定C含量。

2.2.2 动力学分析 煤燃烧动力学模型经转变得到3个控制方程，分别为外扩散控制，化学反应控制，内扩散控制。

分别作t-X、t-[1-3(1-X)2/3+2(1-X)]、t-[1-(1-X)1/3]的线性拟合，比较3条拟合直线的拟合度，拟合度高的为本实验的限制性环节。

不同氧浓度煤燃烧反应3个环节的拟合曲线见图3。

图3 不同O2浓度下3个环节的线性拟合Fig.3 Linear fitting of three links under different O2 concentrations

由图3可知，氧浓度为26%时，外扩散、化学反应和内扩散3个环节的拟合度分别为0.985，0.975和0.914，内扩散环节拟合度最低，而外扩散和化学反应环节的拟合度很高且极为接近，故氧浓度为26%时，外扩散和化学反应为限制性环节，为混合限制。随着氧浓度的提高，内扩散环节的拟合度波动范围在0.90～0.94之间，拟合度较低，而外扩散和化学反应两个环节的拟合度波动范围在0.97～0.99之间，拟合度很高且相差极小，外扩散和化学反应为限制性环节，为混合限制，即氧浓度的变化在总体上并不能改变该反应的限制性环节。

由于本实验是在高温状态下进行，考虑到煤球在最开始通氧的状态下反应非常剧烈，而反应最后阶段相对缓慢，故本研究采取分段的方式来判断该反应的限制性环节，根据通氧量的不同及反应时间的长短，将每组实验按反应时间平均分为两部分，即反应初期和后期。分别对不同氧浓度实验所得数据进行整理后拟合，得出3个环节在反应初期和后期的拟合度R2见表3。

表3 不同O2浓度下3个环节分阶段拟合度Table 3 Different stages of fitting of three linksunder different O2 concentrations

由表3可知，在反应前期，外扩散和化学反应的拟合度极高，均在0.989～0.999之间，而内扩散拟合度相对较低，在0.884～0.943之间，很显然，在反应前期为外扩散和化学反应共同限制；在该反应后期，外扩散和化学反应的拟合度有所降低，但幅度微乎其微，仍然保持在0.971～0.999区间范围内，而内扩散拟合度明显升高，从0.884～0.943区间提高到0.959～0.986区间内，说明在反应后期，内扩散对煤燃烧反应起到一定的限制作用，尤其在氧浓度为26%～36%时，内扩散与化学反应的限制程度十分接近，而在氧浓度41%～51%范围内，内扩散同样起到一定的限制作用，但是并没有外扩散和化学反应环节限制的作用大。

3 结论

对煤在不同氧浓度下进行燃烧实验，并利用未反应核模型对限制性环节进行了确定，得出：

(1)随着氧浓度由26%升高到51%，煤球完全燃烧时间逐渐缩短，燃烧率变化越来越快，氧浓度提高了1倍，其反应时间缩短了一倍多。工业上考虑到富氧的成本，可将氧浓度控制在36%～41%范围内。

(2)煤球燃烧反应的限制性环节为外扩散和化学反应两个环节混合控制。在反应前期，限制性环节为外扩散和化学反应两个阶段，而在反应后期，尤其在低氧浓度下，除了外扩散和化学反应外，内扩散也对反应起到一定的限制作用，其限制程度与化学反应阶段十分接近，而在高氧浓度下，内扩散同样起到一定的限制作用，但是并没有外扩散和化学反应环节限制的作用大。