煤粉氧化燃烧特性实验研究

2020-09-05田水承孟少聪

科学技术创新 2020年27期

田水承孟少聪

（1、西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054 2、西部矿井开采及灾害防治教育部重点试验室，陕西西安710054）

在我国，煤炭被广泛应用于发电、化工及冶金等领域。为了实现高效及清洁的目标，经常会将煤炭破碎成小颗粒的粉尘甚至是超细煤粉[1]。与原煤相比，煤粉具有更大的表面积和氧化活性，更易与氧气发生氧化放热反应[2]。煤粉在氧化燃烧过程中会与氧气发生多种物化反应，主要包括物理化学吸附、化学反应、热解反应及剧烈的燃烧反应等[3]。煤粉的自燃是一个逐步活化的自加速反应过程，随着反应温度的增加，煤粉与氧气的反应强度也会逐渐增强，在宏观上表现为煤粉质量的变化[4]。煤粉的氧化燃烧过程中存在多个特征温度点，在这些温度点前后煤粉的氧化反应类型及强度均会发生显著变化[5]。本文选取两种变质程度的煤粉作为研究对象，采用热重实验装置对样本进行测试。基于TG/DTG 曲线的变化趋势，确定了煤粉氧化燃烧过程中的特征温度点，并根据这些特征温度点对煤粉的氧化燃烧过程进行了阶段划分。研究结果可为煤粉自燃的防控工作提供一定的理论依据。

1 实验样本及装置

1.1 实验煤样

在本文中，两种变质程度的煤样分别取自新疆硫磺沟矿（LHG）和宁夏红柳矿（HL）。两种煤样均被破碎并筛分为粒径小于100μm 的煤粉。两种煤粉的工业分析结果如表1 所示。可以看出，两种煤粉的水分含量均较低，并且HL 煤粉的挥发分含量高于LHG 煤粉，但其灰分含量相对较低。

1.2 热重实验装置

图1 为热重实验装置的示意图。实验过程中煤粉的质量为10±0.3 mg，实验在空气氛围下进行，且气体流量设置为100 mL/min。两种煤粉分别以5、10、15、20 °C/min 的升温速率由30°C 升高至800 °C。

表1 煤粉的工业分析结果

表2 两种煤粉在不同升温速率下的氧化燃烧特性参数

图1 热重实验装置

2 结果与讨论

2.1 特征温度点的确定

以升温速率为5 °C/min 时煤粉的TG 及DTG 曲线为例来研究煤粉的自燃氧化过程。通过这些曲线随温度的变化规律确定了五个特征温度点：吸氧增重起始温度（Tf）、质量最大值点温度（Tm）、燃点温度（Tig）、DTG 曲线最大值点温度（Tmax）和燃尽温度（Tb）。

2.1.1 吸氧增重起始温度Tf

Tf 温度代表煤粉水分蒸发及气体脱附的终止点，也是煤粉发生物理化学吸附反应的起始点。煤粉温度超过该点之后，煤粉与氧气之间的吸附反应强度逐渐增加，煤粉质量表现出缓慢增加的趋势。

2.1.2 质量最大值点温度Tm

Tm温度处煤粉质量达到最大值，煤粉质量在吸氧增重阶段不断增加但增长速率逐渐降低。这是因为随着温度的升高，煤粉发生氧化及热解反应的强度逐渐增加。当煤粉在氧化反应及吸氧增重之间达到动态平衡时，煤粉质量不再增加并达到最大值。在该温度点之后，煤氧化反应强度迅速增强，煤粉质量开始快速降低。

2.1.3 燃点温度Tig

Tig温度是指煤粉开始发生燃烧的起始温度。温度超过Tig后，煤粉进入了快速燃烧阶段，煤粉的质量快速降低并释放出大量的热量。

2.1.4 DTG 曲线最大值点温度Tmax

Tmax温度点处的煤粉质量损失率达到最大值，表明此点处煤粉的燃烧速率最快。在整个氧化燃烧过程中，可燃物数量及温度是影响反应进程的关键因素。当温度小于Tmax时，温度是影响煤氧化反应的主要因素；温度超过Tmax后，由于之前煤粉已经被大量消耗，因而可燃物数量成为影响煤粉燃烧进程的主要因素。在此温度点之后，煤粉的氧化燃烧速率逐渐降低直至可燃物燃尽。

2.1.5 燃尽温度Tb

图2 升温速率为5 °C/min 时两种煤粉的TG/DTG 曲线

Tb温度标志着煤粉氧化燃烧的终止，温度超过Tb后TG 与DTG 曲线逐渐趋于平缓。然而从图2 可知煤粉质量仍有小幅度的降低，这是煤粉中残余物的热分解引起的。

两种煤粉在不同升温速率下的氧化燃烧特性参数如表2 所示。可以看出随着升温速率的增加，两种煤粉的特征温度点也逐渐增加。这是因为升温速率的增加缩短了煤粉温度升高的时间，导致前一阶段大量的活性结构未及时被氧化。因此当升温速率较大时煤粉内部发生了非均相反应，导致煤粉氧化燃烧进程出现滞后，各特征温度点增加。不同升温速率下LHG 煤粉的Tf均小于HL 煤粉约50 °C，这主要与煤粉的水分含量不同有关。LHG 煤粉的Tm、Tig、Tmax和Tb均高于HL 煤粉，由表1 可知HL 煤粉具的挥发分相对较高，更高的挥发分意味着高的氧化反应性，因此HL 煤粉相对更早到达特征温度点。

2.2 煤粉氧化燃烧过程的阶段划分

以LHG 煤粉在升温速率为5 °C/min 时的TG/DTG 曲线为例对煤粉氧化燃烧过程中的阶段进行划分，其曲线如图2（a）所示。通过TG/DTG 曲线的变化趋势及特征温度点将煤粉氧化燃烧过程分为了四个阶段，分别为：水分蒸发及气体脱附阶段（Ⅰ）、吸氧增重阶段（Ⅱ）、热解与燃烧阶段（Ⅲ）和燃尽阶段（Ⅳ）。在不同的氧化阶段，煤粉的反应类型会发生显著变化，本文主要对煤粉在不同阶段下的氧化燃烧特性进行了分析。（1）水分蒸发及气体脱附阶段：由于温度较低，此阶段中主要发生水分蒸发及气体脱附等物理反应，煤粉质量缓慢降低。此阶段的温度范围为30～85.1 °C，质量损失为1.02%；（2）吸氧增重阶段：该阶段主要发生煤粉对氧气的物理化学吸附和煤粉的缓慢氧化，且煤粉对氧气的吸附作用占主导地位，此阶段中煤粉质量缓慢增加。该阶段的温度范围为85.1～332.6 °C，质量增加了3.55%；（3）热解与燃烧阶段：随着温度的升高，煤粉与氧气反应的类型转变为剧烈的燃烧反应。此阶段主要发生煤粉的高温热解与燃烧反应，会释放大量的热量及气体产物，煤粉质量在此阶段快速降低。此阶段的温度范围为332.6～597.6 °C，质量损失为89.49%；（4）燃尽阶段：由于煤粉中的可燃物质在上一阶段被完全消耗，导致此阶段中煤粉的质量趋于稳定。然而发现TG曲线仍出现了缓慢的降低，这是由于温度较高，煤粉中的矿物质分解造成的。煤粉在不同阶段的质量损失如表2 所示，可以看出LHG 煤粉在第二阶段的质量增加大于HL 煤粉，表明LHG煤粉具有更大的吸氧量。LHG 煤粉在第三阶段中的质量损失远大于HL 煤，这主要与煤粉的挥发分及固定碳含量有关。一般地，较高的挥发分及固定碳含量代表了较大的氧化速率及质量损失。