氧浓度和升温速率对煤泥燃烧特性影响的实验研究＊

张晓婉，周 宇，龚德鸿，强 睿

（1.六盘水师范学院，贵州 六盘水 553001；2.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

煤泥是煤炭洗选的副产品，具有粒径小、含水率高、持水性强、热值低、不便运输等特点，以往常被露天堆放或回填矿坑处理，不仅会造成能源的浪费，还会对环境造成污染。选煤被认为是原煤燃烧前的有效净化技术手段，促使了煤泥的产量不断增加，关于煤泥的综合利用已有大量学者进行了研究。曹允业等[1]采用煤泥替代煤粉作为低品位难选铁矿石-高磷鲕状赤铁矿的还原剂，李国斌[2]采用煤泥制备煤泥颗粒活性炭，司玉成[3-4]采用黄陵矿区煤泥制备13X型和4A型分子筛。而燃烧才被认为是解决煤泥工业化综合利用的最佳处理方式[5-6]，将含水煤泥通过柱塞泵或脱水干燥后送至循环流化床锅炉中与其他煤种混合燃烧，制备成煤泥水煤浆投入改装后的锅炉中燃烧[7-8]，或与加工处理后的生物质制备煤泥生物质型煤燃烧。本文针对贵州某电厂内所取煤泥，在热重-质谱（TG-MS）联用系统中进行燃烧实验，并进行燃烧特性和产物析出特性分析。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验煤泥为贵州六盘水烟煤洗选产生的副产品，为贵州盘县某电厂流化床锅炉的燃料，原始样的含水率约为40%，取适量原始样于105℃的电热鼓风箱内干燥2 h至恒重，置于空气中冷却至常温后充分研磨后装入密封瓶保存备用。表1为其工业分析和元素分析。

表1 煤泥的工业分析和元素分析（单位：%）

1.2 实验设备和条件

实验在热重-质谱（TG-MS）联用系统中进行，该系统由STA409PC热分析仪和QMS403质谱仪组成。每次实验取（10±0.5）mg煤泥粉末于坩埚中送入热分析仪，以流量为12 mL/min的氧气和48 mL/min的氩气模拟空气，12 mL/min的氩气作为保护气。实验共分为两组：一组是以氧浓度为变量，在20 K/min的升温速率下，氧浓度分别设置为10%、15%、21%、25%、30%；另外一组是以升温速率作为研究变量，在21%的氧浓度条件下，分别设置10 K/min、20 K/min和30 K/min三种不同的升温速率。

2 实验结果分析

2.1 热重曲线分析

2.1.1 氧浓度对燃烧曲线的影响

图1为煤泥在20 K/min升温速率下，不同氧浓度时的TG、DTG曲线。

图1 不同氧浓度下煤泥燃烧时的TG、DTG曲线

以21%氧浓度下的燃烧曲线为例，其燃烧过程可以分为以下几个阶段：常温至200℃间，TG曲线下降约5%，此阶段主要是煤样自身水和一些小分子裂解挥发；200～360℃间，TG曲线出现向上增加的趋势，为煤中环状结构大分子断键后产生的孔隙吸附氧气所导致的增重；360～800℃间，TG曲线从95%左右迅速下降到约60%，为挥发分和固定碳燃烧过程，对应DTG曲线上的两段失重峰。对比不同工况下的曲线可知，氧浓度对煤泥燃烧中的固定碳和挥发分燃烧阶段影响较为明显。随着氧浓度增大，DTG曲线中的最大失重峰值温度向低温区移动。

2.1.2 升温速率对燃烧曲线的影响

图2为煤泥在21%氧浓度下，升温速率分别为10 K/min、20 K/min、30 K/min时的TG、DTG曲线，其燃烧过程与不同氧浓度下的煤泥燃烧情况相似。随着升温速率增加，DTG曲线逐渐向高温区移动，这是由坩埚和煤样较差导热性延缓传热传质所导致。升温速率的增加能促进挥发分的析出和固定碳的燃烧，最大失重速率明显增大。

图2 不同升温速率下煤泥燃烧时的TG、DTG曲线

2.2 燃烧特性分析

针对煤泥的燃烧特性，采用可燃性指数Cb、燃烧稳定性指数G和综合燃烧指数S等燃烧指标进行描述[9]：

式（1）（2）（3）中：（dw/dt）max为最大燃烧失重率，%/min；θi为着火温度，℃；θmax为峰值温度，℃；（dw/dt）mean为平均燃烧失重率，%/min；θh为燃烬温度，℃。

表2为煤泥在不同燃烧条件下的基本燃烧特性参数。通过表2可知，当氧浓度从10%增加到30%时，煤泥的着火温度从485.3℃降低至468.1℃，这是因为氧浓度的提升促进了煤泥对氧气的吸附，从而降低煤泥中挥发分和固定碳氧化反应的表观活化能，使煤泥更容易着火燃烧[10]，着火时间的提前使得峰值温度和燃烬温度均向低温区移动；根据质量作用定律和传质过程扩散控制理论，较高的氧气浓度及反应界面与外界较大的氧浓度差能加快挥发分和固定碳的反应速率，使最大燃烧失重率从5.52%/min增大到6.33%/min，平均燃烧失重率从4.28%/min增大到4.64%/min，可燃性参数、燃烧稳定性系数和综合燃烧特征参数也相应增大，表明增加氧浓度能提高煤泥的燃烧特性[11]。

表2 煤泥在不同燃烧条件下的基本燃烧特性参数

针对21%氧浓度下燃烧的煤泥，增大升温速率，其着火温度、峰值温度、燃烬温度均增加，这是由以下两个原因延迟其燃烧反应过程所导致：煤泥在较高升温速率下来不及分解或挥发释放不及时，煤泥和坩埚较差的导热性延长了热量传递到煤泥内部的时间[12]。升温速率的提高增大了煤泥内外的温差梯度，促进热量向内部传递，使得煤泥的燃烧反应进行得更剧烈，最大燃烧失重率从3.37%/min增大到8.12%/min，平均燃烧失重率从2.39%/min增大到6.15%/min，可燃性参数、燃烧稳定性系数和综合燃烧特征参数也随之增大。

2.3 燃烧产物生成特性分析

2.3.1 氧浓度对主要燃烧产物的影响

图3为5种不同氧浓度下的煤泥在20 K/min升温速率下燃烧生成CO2的离子流强度曲线。由CO2离子流强度曲线可知，在260℃之前，氧浓度对CO2析出特性的影响几乎可以忽略不计，随着反应温度升高，少量活化能较低的煤末和一些不稳定的有机机构断裂形成的碳氢化合物发生氧化反应，使得CO2析出强度增加，在400℃左右时形成一个台阶后进一步提升CO2生成速率，氧浓度为10%和15%时，CO2在553℃和552.6℃时到达析出峰，氧浓度为21%时，CO2在540.4℃时达到析出峰，氧浓度为25%和30%时，CO2在539.9℃和539.7℃时达到析出峰，析出峰的终止温度也随着氧浓度增大向低温区移动，这是由于氧浓度的增加提高煤泥燃烧性能所导致。

图3 不同氧浓度下煤泥燃烧析出CO2的离子流强度曲线图

2.3.2 升温速率对主要燃烧产物的影响

图4为三种不同升温速率下的煤泥在21%氧浓度下燃烧析出CO2的离子流强度曲线。由CO2离子流强度曲线可知，在260℃前，CO2的析出强度几乎可以忽略不计，当CO2析出强度开始增大时，升温速率对其析出强度的影响开始凸显，在420℃时，30 K/min升温速率下的CO2的析出强度约为10 K/min时的2倍。增大升温速率引起的热滞后现象使得CO2的析出向高温区移动，10 K/min、20 K/min、30 K/min升温速率下的析出峰值温度分别为517.7℃、540.4℃和555.3℃，析出峰的终止温度以约40℃增加的速度向高温区移动。

图4 不同升温速率下煤泥燃烧析出CO2的离子流强度曲线图

3 结论

通过研究得出以下结论：①煤泥的燃烧反应过程随着氧浓度增大向低温区移动，着火温度、峰值温度和燃烬温度降低，失重率增大，可燃性参数、燃烧稳定性系数和综合燃烧特征参数增大；②增大升温速率会延迟煤泥燃烧反应的进行，着火温度、峰值温度和燃烬温度升高，燃烧反应加剧，失重率大幅度增大，燃烧性能明显提高；③氧浓度和升温速率的改变都会对煤泥燃烧析出CO2的离子流强度存在一定影响。