基于综合热分析技术研究煤炭燃烧

　　摘要：对几种水泥厂常用煤进行综合热分析测试，结果显示烟煤的解析开始温度较低，无烟煤解析温度相对较高。惰性气氛测试显示煤中的挥发分解析速率较慢，高温下挥发分存在对固定碳的燃烧仍有较为明显的助燃作用。

　　关键词：煤炭  燃烧特性  空气、惰性气氛

　　在我国新型干法水泥生产中所用的燃料以煤炭为主，为降低生产成本、提高综合效益，低挥发分、高灰分、低发热量煤炭的利用受到了越来越多的关注。这些煤在回转窑及分解炉内的燃烧行为与煤的热分析特性有很大相关性，有必要通过新检测技术对煤炭的燃烧特性的做深入了解，以探讨煤炭的高效利用途径。

　　对于煤炭的燃烧研究国内外开展了很多有益的工作，本文在吸取前人经验的基础上，采用技术成熟先进的综合热分析技术来考察国内水泥行业常用煤的燃烧特性，对煤炭的高效利用进行了初步探讨。

　　1.试验条件

　　实验用煤取自多个水泥厂原煤堆场，采用德国Netzsch STA449-F3 差示扫描量热仪对各试样进行燃烧测试，工作气氛为空气或纯N2，气体用量为50 mL/ min，升温速率分别为10℃/ min 和20℃/ min，温度变化范围分别为RT～1000 ℃和RT～1200 ℃。试样用量约10.0mg，细度80um左右。由热重曲线( TG) 和差热扫描曲线( DSC) 对样品进行定性分析。

　　2.试验结果及讨论

　　2.1常规条件下煤的燃烧

　　（1） 淮南烟煤

　　对煤样在空气气氛下测试，升温速率控制在10℃/ min。结果如图1所示。

　　图1 淮南煤燃烧测试曲线

　　由图1可见煤样从室温开始缓慢失水，至200 ℃左右基本结束，伴随着失重有两个吸热峰出现，分别为外水和内水的蒸发，质量变化在16%左右。随温度升高，挥发分逐步析出和燃烧，同时由于挥发分的燃烧放热焦炭也开始逐步放热燃烧，由DSC和TG曲线可见双峰现象的出现，并在439℃和477℃达到峰值，随后还有约2%左右的质量减小，一般是少量较大颗粒的煤粉内部颗粒逐步燃烧所致，至700℃左右燃烧结束，总质量变化为65.09%。至燃烧结束最后残留质量为17.29%，该部分主要为煤炭中的灰分。

　　（2） 昌吉烟煤

　　昌吉煤样在空气气氛下测试，升温速率控制在10℃/ min。结果如图2所示。

图2 昌吉煤燃烧测试曲线

　　由图2可见煤样从室温开始缓慢失水，至200 ℃左右基本结束，伴随着失重有两个吸热峰出现，分别为外水和内水的蒸发，质量变化在13%左右。随温度升高，挥发分逐步析出和燃烧，同时由于挥发分的燃烧放热焦炭也开始逐步放热燃烧，由DSC和TG曲线可见双峰现象的出现，并在437℃和476℃达到峰值，随后还有约2%左右的质量减小，一般是少量较大颗粒的煤粉内部颗粒逐步燃烧所致，至700℃左右燃烧结束，总质量变化为66.32%。至燃烧结束最后残留质量为17.95%，该部分主要为煤炭中的灰分。

　　（3）印尼无烟煤

　　印尼煤样在空气气氛下测试，升温速率控制在10℃/ min。结果如图3所示。

　　图3 印尼煤燃烧测试曲线

　　由图3可见该煤样从室温开始缓慢失水，至170 ℃左右基本结束，伴随着失重有一个吸热峰出现，内水很少，质量变化在1.5%左右。由图可见在200~400℃的范围内质量基本无变化，从410℃左右开始煤粉开始燃烧放热失重，燃烧峰值温度约572℃，至700℃左右燃烧结束，总质量变化为65%。至燃烧结束最后残留质量为33.13%，该部分主要为煤炭中的灰分。

　　2.2煤中主要成分热解特点

　　为考察煤炭中主要成分的解析过程，试验测试了煤炭在惰性气氛及空气气氛转换下的热解、燃烧性能，在RT~1000℃范围内采用惰性气氛（纯N2）保护，随后在1000~1200℃内改为空气气氛，气体总流量为50 mL/ min，升温速率控制在20℃/ min。

　　（1）淮南烟煤

　　图4 淮南煤热解燃烧测试曲线

　　由图4可见，在RT~1000℃范围内，惰性气氛下水分的蒸发和空气气氛下基本一致，失重量在16%左右。随后挥发分开始逐步解析，对应的DSC曲线显示该过程有微量吸热反应，在700℃左右有一较小的吸热峰出现，随着温度的升高失重量逐步加大。在1000℃时由于氧化气氛的出现，煤粉在高温环境下迅速燃烧失重放热， DSC曲线出现了一个不规则的放热峰，因此在1000~1200℃的燃烧阶段不完全是固定碳的燃烧，仍有一部分的挥发分燃烧存在。

　　（2）昌吉烟煤

　　由图5可见，在RT~1000℃范围内，惰性气氛下水分的蒸发和空气气氛下基本一致，失重量在15%左右。随后挥发分开始逐步解析，对应的DSC曲线显示该过程有微量吸热反应，随着温度的升高失重量逐步加大。在1000℃时由于氧化气氛的出现，煤粉在高温环境下迅速燃烧失重放热，DSC曲线出现了一个不规则的放热峰，因此在1000~1200℃的燃烧阶段不完全是固定碳的燃烧，仍有一部分的挥发分燃烧存在。

　　图5 昌吉煤热解燃烧测试曲线

　　（3）印尼无烟煤

　　图6 印尼煤热解燃烧测试曲线

　　由图6可见，在RT~1000℃范围内，惰性气氛下水分的蒸发和空气气氛下基本一致，失重量在1 %左右。随着温度的升高，煤样缓慢失重并伴有吸热反应产生，从900℃左右失重速率开始逐渐增大，至1000℃时由于氧化气氛的出现煤样迅速燃烧放热，并在1154~1167℃的范围内出现比较恒定的高速失重放热阶段，随后燃烧放热速率下降，由图可见至1200℃测试结束时仍在发生放热反应，实验结束后也可见样品中有部分未燃黑色颗粒存在。

　　对比空气气氛下的无烟煤燃烧测试可见其中即使在1000℃的高温下固定碳的燃烧仍然是比较困难的，挥发分的存在对于固定碳的助燃有较大帮助；淮南烟煤和昌吉烟煤的在1000℃开始的氧化气氛下由于部分挥发分存在使得固定碳在较窄的范围内即发生了完全燃烧。对水泥工业而言，无烟煤的合理使用应考虑合理搭配部分烟煤助燃，使混煤能够易燃、放热区域集中。

　　3.结论与展望

　　（1）三组煤样中的水分在约200℃时基本蒸发完毕。

　　（2）空气气氛下烟煤中的挥发分随着温度升高逐渐失重燃烧，在400~500℃达到峰值，固定碳的燃烧温度也较为集中，整个燃烧过程在700℃左右结束。

　　（3）无烟煤在空气气氛下燃烧开始温度较高，整个燃烧在400~700℃范围内基本结束。

　　（4）在惰性气氛下（N2），烟煤的挥发分在升温至1000℃时仍未解析完毕，部分挥发分对烟煤和无烟煤的迅速燃烧无论在低温高温或是都很重要。

　　（5）相关的试验初步展示了煤炭的燃烧过程，对煤炭通过搭配获得良好的燃烧状态具有示范意义。

　　参考文献

　　[1] 张建良，张曦东，陈杉杉，吕 卫。利用热重法研究混煤的燃烧。钢铁研究学报，2009.2：（6）。

　　[2] 赵凤杰，刘 剑。煤的热重分析技术及其应用。辽宁工程技术大学学报，2005.12：（25）。

　　[3] 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。煤炭转化，2003.1：（71）。