D0I:10.13374/i.i8sm1001t53.2011.08.018 第33卷第9期 北京科技大学学报 Vol 33 No 9 2011年9月 Journal of Un iversity of Science and Techno lgy Beijing Sep 2011 天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 孔德文1* 张建良)林祥海)龚必侠)苏步新 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)中治京诚工程技术有限公司，北京100176 *通信作者，Email kongdewenl98@126cm 摘要利用热分析法研究了大贵白云石、荣富镁石、东燃镁石、里领石灰石和方解石五种天然矿物添加剂对无烟煤燃烧过 程的影响.考察了着火温度、最大燃烧速率、挥发分释放特性指数和燃尽特征指数等燃烧特征参数，求出了反应动力学参数活 化能E和指前因子A实验结果表明：大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石能够显著促进煤粉的燃烧过程，降低着火温度，增大 煤粉的挥发分释放特征指数D和煤粉的燃尽特性指数C,使最大燃烧速率前移至挥发分着火燃烧阶段：里领石灰石和方解石 则相反·同时，动力学计算表明：大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石使煤粉的活化能分别降低10.4%、14.5%和10.7%，对煤 粉燃烧有助燃作用：里领石灰石和方解石使煤粉的活化能分别提高2.%和4.%，对煤粉燃烧没有助燃作用· 关键词高炉：煤燃烧：添加剂：燃烧特性：热重分析：动力学 分类号T℉538.63 Effects of naturalm inerals on the com bustion characteristics of pulverized coal KONG Dewen,ZHANG Jian-liang,LN X iang ha,GONG Bixia,SU Buxin) 1)School ofMetallngical and Ecobgical Engineering University of Science and Technology Beijing Beijng 100083 China 2)MCC Capital Engineering&Research Incomporation L,Beijng 100176 China Corresponding au thor Email kongdewen1984@126.com ABSTRACT The effects of five naturalm ineral additives on the comnbustion characteristics of anthracite were investigated w ith a syn- thetical themal analyzer The five naturalm ineral additives are DGdolom ite RF-hum ite DR hum ite LL-lmestone and calcite Combustion characteristic parameters such as ignition temperature maxium canbustion rate release property index and bumout characteristic index were studied by themo gravietric analysis and the kinetics parmeters of samples such as activation energy and frequency factor were also calculated Experiental results show that DG -dolmn ite RF-hum ite and DR-hum ite can promote the com- bustion of an thracite decrease the ign ition temperature increase the release property index and bum out characteristic index and make the maxinu rate of comnbustion move ahead the volatile matter combustion contemporaneously:nevertheless LL-liestone and calite have the opposite effect K inetics calculation results reveal that the addition of DGdolm ite RF-hum ite and DRhum ite decrea- ses the activation energy by 10.4%.14.5%and 10.7%rspectively and the decrease has a canbustion"supporting effect in the con- bustion of blends Adding LL-lmestone and calcite increases the activation energy by 2.0 and 4.3%respectively and the increase exhbits a fire-retardant effect in the combustion of blends KEY W ORDS blast fumaces coal combustion:additives combustion characteristics themogravmetric analysis kinetics 喷吹煤作为焦炭的主要替代品，在高炉冶炼过 加入添加剂起到助燃效果是提高煤粉燃烧效率的有 程中部分替代焦炭参与高炉冶炼过程，可以达到降 效措施之一，研究表明，添加剂对煤粉的助燃作用 低焦比、节约能源、减少污染和降低成本的作用，在 主要有：(1)降低煤粉的着火温度，使煤粉提前着 主要耗能环节加大喷煤比例，已经成为当前钢铁企 火[，延长煤粉在风口回旋区的时间；(2)增加煤粉 业节能减排、节约成本的有效手段之一山.煤粉燃 颗粒表面的活性点数及改变碳氧络合物的结构稳定 烧率是高炉喷吹煤粉的重要限制性环节，在煤粉中 性，加速氧界面反应速率；(3)改变半焦结构，从而 收稿日期：2010-09-15 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2008BAB32B05)
第 33卷 第 9期 2011年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ Ｖｏｌ．33Ｎｏ．9 Ｓｅｐ．2011 天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 孔德文 1）* 张建良 1） 林祥海 1） 龚必侠 2） 苏步新 1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京 100083 2） 中冶京诚工程技术有限公司北京 100176 * 通信作者Ｅ-ｍａｉｌ：ｋｏｎｇｄｅｗｅｎ1984＠126．ｃｏｍ 摘 要 利用热分析法研究了大贵白云石、荣富镁石、东燃镁石、里领石灰石和方解石五种天然矿物添加剂对无烟煤燃烧过 程的影响．考察了着火温度、最大燃烧速率、挥发分释放特性指数和燃尽特征指数等燃烧特征参数求出了反应动力学参数活 化能 Ｅａ和指前因子 Ａ．实验结果表明：大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石能够显著促进煤粉的燃烧过程降低着火温度增大 煤粉的挥发分释放特征指数 Ｄ和煤粉的燃尽特性指数 Ｃｂ使最大燃烧速率前移至挥发分着火燃烧阶段；里领石灰石和方解石 则相反．同时动力学计算表明：大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石使煤粉的活化能分别降低 10∙4％、14∙5％和 10∙7％对煤 粉燃烧有助燃作用；里领石灰石和方解石使煤粉的活化能分别提高 2∙0％和 4∙3％对煤粉燃烧没有助燃作用． 关键词 高炉；煤燃烧；添加剂；燃烧特性；热重分析；动力学 分类号 ＴＦ538∙6 ＋3 Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｎａｔｕｒａｌｍｉｎｅｒａｌｓｏｎｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌ ＫＯＮＧＤｅ-ｗｅｎ 1）* ＺＨＡＮＧＪｉａｎ-ｌｉａｎｇ 1）ＬＩＮＸｉａｎｇ-ｈａｉ 1）ＧＯＮＧＢｉ-ｘｉａ 2）ＳＵＢｕ-ｘｉｎ 1） 1） ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇＢｅｉｊｉｎｇ100083Ｃｈｉｎａ 2） ＭＣＣＣａｐｉｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｔｄ．Ｂｅｉｊｉｎｇ100176Ｃｈｉｎａ * ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＥ-ｍａｉｌ：ｋｏｎｇｄｅｗｅｎ1984＠126．ｃｏｍ ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｆｉｖｅｎａｔｕｒａｌ-ｍｉｎｅｒａｌａｄｄｉｔｉｖｅｓｏｎｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｎｔｈｒａｃｉｔｅｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｗｉｔｈａｓｙｎ- ｔｈｅｔｉｃａｌｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｚｅｒ．Ｔｈｅｆｉｖｅｎａｔｕｒａｌ-ｍｉｎｅｒａｌａｄｄｉｔｉｖｅｓａｒｅＤＧ-ｄｏｌｏｍｉｔｅＲＦ-ｈｕｍｉｔｅＤＲ-ｈｕｍｉｔｅＬＬ-ｌｉｍｅｓｔｏｎｅａｎｄｃａｌｃｉｔｅ． Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｉｇｎｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍａｘｉｍｕｍ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｒａｔｅｒｅｌｅａｓｅｐｒｏｐｅｒｔｙｉｎｄｅｘａｎｄｂｕｒｎ-ｏｕｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｄｅｘｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｔｈｅｒｍｏ-ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｔｈｅｋｉｎｅｔｉｃｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓａｍｐｌｅｓｓｕｃｈａｓａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆａｃｔｏｒｗｅｒｅａｌｓｏｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＤＧ-ｄｏｌｏｍｉｔｅＲＦ-ｈｕｍｉｔｅａｎｄＤＲ-ｈｕｍｉｔｅｃａｎｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｃｏｍ- ｂｕｓｔｉｏｎｏｆａｎｔｈｒａｃｉｔｅｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｉｇｎｉｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｒｅｌｅａｓｅｐｒｏｐｅｒｔｙｉｎｄｅｘａｎｄｂｕｒｎ-ｏｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｄｅｘａｎｄ ｍａｋｅｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｒａｔｅｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｍｏｖｅａｈｅａｄｔｈｅｖｏｌａｔｉｌｅｍａｔｔｅｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｎｅｏｕｓｌｙ；ｎｅｖｅｒｔｈｅｌｅｓｓＬＬ-ｌｉｍｅｓｔｏｎｅａｎｄ ｃａｌｃｉｔｅｈａｖｅｔｈｅｏｐｐｏｓｉｔｅｅｆｆｅｃｔ．ＫｉｎｅｔｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｒｅｖｅａｌｔｈａｔｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＤＧ-ｄｏｌｏｍｉｔｅＲＦ-ｈｕｍｉｔｅａｎｄＤＲ-ｈｕｍｉｔｅｄｅｃｒｅａ- ｓｅｓｔｈｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｂｙ10∙4％14∙5％ ａｎｄ10∙7％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｈａｓａｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ-ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｃｏｍ- ｂｕｓｔｉｏｎｏｆｂｌｅｎｄｓ．ＡｄｄｉｎｇＬＬ-ｌｉｍｅｓｔｏｎｅａｎｄｃａｌｃｉｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｂｙ2∙0％ ａｎｄ4∙3％ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅ ｅｘｈｉｂｉｔｓａｆｉｒｅ-ｒｅｔａｒｄａｎｔｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｂｌｅｎｄｓ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｓ；ｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ａｄｄｉｔｉｖｅｓ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｋｉｎｅｔｉｃｓ 收稿日期：2010--09--15 基金项目：国家科技支撑计划资助项目 （2008ＢＡＢ32Ｂ05） 喷吹煤作为焦炭的主要替代品在高炉冶炼过 程中部分替代焦炭参与高炉冶炼过程可以达到降 低焦比、节约能源、减少污染和降低成本的作用在 主要耗能环节加大喷煤比例已经成为当前钢铁企 业节能减排、节约成本的有效手段之一 ［1］．煤粉燃 烧率是高炉喷吹煤粉的重要限制性环节在煤粉中 加入添加剂起到助燃效果是提高煤粉燃烧效率的有 效措施之一．研究表明添加剂对煤粉的助燃作用 主要有：（1）降低煤粉的着火温度使煤粉提前着 火 ［2］延长煤粉在风口回旋区的时间；（2）增加煤粉 颗粒表面的活性点数及改变碳氧络合物的结构稳定 性加速氧界面反应速率；（3）改变半焦结构从而 DOI :10．13374／j．issn1001－053x．2011．09．018
第9期 孔德文等：天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 1161. 改善颗粒燃烧的传质条件 样质量与温度关系的曲线(TG曲线)，横坐标为温 目前，煤粉添加剂主要包括碱金属、碱土金属、 度或时间，纵坐标为试样质量，该仪器的特点是由 过渡金属和稀土金属等四种化合物).其中，碱金 实验得到的TG曲线可以连续地、全程记录实验 属化合物具有很强的腐蚀性，稀土金属化合物的成 数据 本较高，因此在应用上受到很大限制：碱土金属Ca 1.2实验原料 Mg和过渡金属Fe的化合物是目前应用较为广泛的 (1)实验选用一种典型的无烟煤鑫泰煤为原始 煤粉添加剂.研究表明，CaMg和Fe三种元素对煤 煤样，将煤粉在105℃下干燥2h以去除煤中的自由 粉的热解具有催化作用。本文采用热分析技术山， 水，然后粉碎并研磨筛分，选取粒度小于74m作为 取五种天然矿物作为添加剂进行煤粉燃烧实验可， 煤粉原样.试样的元素分析和工业分析见表1 对其混合燃烧反应过程进行分析，并求出动力学 (2)本实验选用产自辽宁的大贵白云石、荣富 参数 镁石、东燃镁石、里领石灰石、方解石共五种天然矿 物作为煤粉添加剂，其化学成分见表2由表2可 1实验 知，天然矿物添加剂含有大量过渡金属氧化物和碱 1.1实验仪器 土金属氧化物，如FeO3、C0和Mg0等，均属于高 实验仪器为北京光学仪器厂生产的WCT-2C 炉中常见化合物，进入高炉后不会对高炉冶炼产生 微机差热天平，该天平得到的是程序控制温度下试 有害影响 表1煤样的工业分析和元素分析（质量分数） Tabl 1 Proxmate analysis and ultinate analysis of the coal sample % 工业分析 元素分析 M Aad Va FC H 0 N 4.50 8.01 7.40 80.09 82.45 3.16 2.82 1.29 0.32 注：M为空气干燥基水分，A为空气干燥基灰分，V为空气干燥基挥发分，FC为空气干燥基固定碳。 表2天然矿物添加剂的化学成分（质量分数） Table 2 Chen ical camposition of naturalm ineral addictives % 样品名称 SD2 F203 A203 Ca0 MgO 烧损 大贵白云石 1.49 0.20 0.06 30.20 21.37 46.68 荣富镁石 0.70 0.15 0.06 0.97 47.86 50.26 东燃镁石 0.30 0.50 0.25 0.70 46.89 51.36 里领石灰石 6.92 0.30 0.70 49.04 2.90 40.14 方解石 0.39 0.20 0.06 50.94 4.35 44.06 1.3实验方法 加剂的TG曲线和DTG曲线如图1所示，添加各种 为了使研究更加适合工业生产，选取五种天然 天然矿物后的煤粉燃烧特性曲线如图2所示.由 矿物的添加量都为1%与鑫泰煤配比混合后进行热 图可以看出，五种天然矿物的热反应失重均小于 重实验.用分析天平称取18士0.1mg含添加剂的煤 鑫泰煤，除荣富镁石的开始失重温度与鑫泰煤相当 粉试样，将其置于差热天平的坩埚内，向差热天平通 外，其余天然矿物的开始失重温度均大于鑫泰煤，且 入流量为60mLmm的空气流，并以20℃·mm 最大反应速率峰所出现的温度均大于鑫泰煤，故天 的升温速率连续升温至900℃，以保证试样完全燃 然矿物的热分解失重不会干扰其对煤粉催化燃烧反 烧，实验过程由计算机控制和采集数据，得到TG 应的分析 (热重)、DTA(差热)和DTG(微分热重)曲线. 从图2可知，在相同的实验条件下，五种天然矿 2结果及分析 物添加剂对煤粉的燃烧过程存在不同程度的影响， 煤粉的燃烧过程可以划分为三个阶段[：第一阶段 2.1燃烧过程分析 为从室温到300℃，试样失去表层水分，质量略有下 在燃烧特性实验中，得到鑫泰煤及天然矿物添 降；第二阶段为300~700℃，DTG曲线急剧变化并
第 9期 孔德文等： 天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 改善颗粒燃烧的传质条件． 目前煤粉添加剂主要包括碱金属、碱土金属、 过渡金属和稀土金属等四种化合物 ［3］．其中碱金 属化合物具有很强的腐蚀性稀土金属化合物的成 本较高因此在应用上受到很大限制；碱土金属 Ｃａ、 Ｍｇ和过渡金属 Ｆｅ的化合物是目前应用较为广泛的 煤粉添加剂．研究表明Ｃａ、Ｍｇ和 Ｆｅ三种元素对煤 粉的热解具有催化作用．本文采用热分析技术 ［4］ 取五种天然矿物作为添加剂进行煤粉燃烧实验 ［5］ 对其混合燃烧反应过程进行分析并求出动力学 参数． 1 实验 1∙1 实验仪器 实验仪器为北京光学仪器厂生产的 ＷＣＴ--2Ｃ 微机差热天平．该天平得到的是程序控制温度下试 样质量与温度关系的曲线 （ＴＧ曲线 ）横坐标为温 度或时间纵坐标为试样质量．该仪器的特点是由 实验得到的 ＴＧ曲线可以连续地、全程记录实验 数据． 1∙2 实验原料 （1） 实验选用一种典型的无烟煤鑫泰煤为原始 煤样将煤粉在 105℃下干燥 2ｈ以去除煤中的自由 水然后粉碎并研磨筛分选取粒度小于 74μｍ作为 煤粉原样．试样的元素分析和工业分析见表 1． （2） 本实验选用产自辽宁的大贵白云石、荣富 镁石、东燃镁石、里领石灰石、方解石共五种天然矿 物作为煤粉添加剂其化学成分见表 2．由表 2可 知天然矿物添加剂含有大量过渡金属氧化物和碱 土金属氧化物如 Ｆｅ2Ｏ3、ＣａＯ和 ＭｇＯ等均属于高 炉中常见化合物进入高炉后不会对高炉冶炼产生 有害影响． 表 1 煤样的工业分析和元素分析 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ1 Ｐｒｏｘｉｍａｔｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｕｌｔｉｍａｔｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｓａｍｐｌｅ ％ 工业分析 元素分析 Ｍａｄ Ａａｄ Ｖａｄ ＦＣ Ｃ Ｈ Ｏ Ｎ Ｓ 4∙50 8∙01 7∙40 80∙09 82∙45 3∙16 2∙82 1∙29 0∙32 注：Ｍａｄ为空气干燥基水分Ａａｄ为空气干燥基灰分Ｖａｄ为空气干燥基挥发分ＦＣ为空气干燥基固定碳． 表 2 天然矿物添加剂的化学成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ2 Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｎａｔｕｒａｌｍｉｎｅｒａｌａｄｄｉｃｔｉｖｅｓ ％ 样品名称 ＳｉＯ2 Ｆｅ2Ｏ3 Ａｌ2Ｏ3 ＣａＯ ＭｇＯ 烧损 大贵白云石 1∙49 0∙20 0∙06 30∙20 21∙37 46∙68 荣富镁石 0∙70 0∙15 0∙06 0∙97 47∙86 50∙26 东燃镁石 0∙30 0∙50 0∙25 0∙70 46∙89 51∙36 里领石灰石 6∙92 0∙30 0∙70 49∙04 2∙90 40∙14 方解石 0∙39 0∙20 0∙06 50∙94 4∙35 44∙06 1∙3 实验方法 为了使研究更加适合工业生产选取五种天然 矿物的添加量都为 1％与鑫泰煤配比混合后进行热 重实验．用分析天平称取18±0∙1ｍｇ含添加剂的煤 粉试样将其置于差热天平的坩埚内向差热天平通 入流量为 60ｍＬ·ｍｉｎ －1的空气流并以 20℃·ｍｉｎ －1 的升温速率连续升温至 900℃以保证试样完全燃 烧．实验过程由计算机控制和采集数据得到 ＴＧ （热重 ）、ＤＴＡ（差热 ）和 ＤＴＧ（微分热重 ）曲线． 2 结果及分析 2∙1 燃烧过程分析 在燃烧特性实验中得到鑫泰煤及天然矿物添 加剂的 ＴＧ曲线和 ＤＴＧ曲线如图 1所示添加各种 天然矿物后的煤粉燃烧特性曲线如图 2所示．由 图 1可以看出五种天然矿物的热反应失重均小于 鑫泰煤除荣富镁石的开始失重温度与鑫泰煤相当 外其余天然矿物的开始失重温度均大于鑫泰煤且 最大反应速率峰所出现的温度均大于鑫泰煤故天 然矿物的热分解失重不会干扰其对煤粉催化燃烧反 应的分析． 从图 2可知在相同的实验条件下五种天然矿 物添加剂对煤粉的燃烧过程存在不同程度的影响． 煤粉的燃烧过程可以划分为三个阶段 ［6］：第一阶段 为从室温到 300℃试样失去表层水分质量略有下 降；第二阶段为 300～700℃ＤＴＧ曲线急剧变化并 ·1161·
,1162 北京科技大学学报 第33卷 出现明显的峰，试样的大部分失重发生在此温度区 1000℃，DTG曲线趋于平缓，是残炭的缓慢燃烧 域，是煤粉燃烧过程的主要阶段；第三阶段为700~ 过程 0.5 16 12 —一鑫泰煤 05 大贵白云石 ·一鑫泰煤 8 荣富镁石 大贵白云石 东燃镁石 -1.0 荣富镁石 里领石灰石 东燃镁石 4 方解石 里领石灰石 方解石 0 200 400 6(00 800 1000 200 400 600 800 10(00 温度℃ 温度℃ 图1鑫泰煤及不同种类添加剂的热重分析曲线 Fig 1 TG and D'TG curves ofX intai pulverized coal and different addictives 0.5 ·鑫泰煤 ·塞泰煤+%大贵白云石 16 6 0 -0.5 ·鑫泰煤+1% 鑫奈煤 荣富镁石 一鑫泰煤+%大贵白云石 鑫泰煤+1% 8 鑫套煤+1%荣富镁石 -1.0 东燃镁石 鑫泰煤+1%东燃镁石 鑫茶煤+1% 鑫套媒+1%里领石灰石 -15 里领石灰石 鑫泰媒+1%方解石 鑫秦煤+1% 方解石 2. 200 400 600 800 200 400 600 800 温度℃ 温度℃ 图2鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉燃烧的热重分析曲线 Fig 2 TG and DTG curves of X ntai pulverized coal and the coal with different addictives 2,2燃烧特性分析 火性能越佳；(dGr)m越大，表明挥发分释放程度 在煤粉的燃烧过程中，影响挥发分析出的因素 越剧烈；越小，则表明挥发分释放越快，此时燃烧 也将直接影响煤粉的着火燃烧，在实验的热解特性 就容易在较低的温度下进行 曲线上明显影响挥发分析出的主要特征参数有[)： 同时，将煤粉燃烧后期DTG曲线趋于平直的起 (1挥发分析出开始温度t,℃；(2)挥发分最大释 始温度点作为初始燃尽点F,其所对应的温度、时间 放速率即峰值(dG/ac)信mgmn;(3)对应于 分别用和来表示，煤粉燃烧过程中主要燃烧特 (dGAτ)的温度x,℃.t越小，则表明燃料的着 征参数值见表3 表3加入不同种类添加剂后无烟煤燃烧过程的特征参数 Table 3 Panmeters of anthracite samples w ith and without addictives during combustion (dG/dr)/ 样品名称 C T A in ha Taa in 专C Te /min (mgmin1) 鑫泰煤 478 22.88 1.79 558 24.22 711 34.07 鑫泰煤十1%大贵白云石 467 21.93 1.89 501 22.82 699 31.12 鑫泰煤十1%荣富镁石 444 19.95 1.67 531 23.13 710 33.98 鑫泰煤十1%东燃镁石 457 21.62 2.02 503 22.88 700 33.43 鑫泰煤十%里领石灰石 491 23.72 1.69 563 24.37 712 34.17 鑫泰煤十%方解石 488 23.53 1.59 572 24.62 719 34.43
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 出现明显的峰试样的大部分失重发生在此温度区 域是煤粉燃烧过程的主要阶段；第三阶段为 700～ 1000℃ＤＴＧ曲线趋于平缓是残炭的缓慢燃烧 过程． 图 1 鑫泰煤及不同种类添加剂的热重分析曲线 Ｆｉｇ．1 ＴＧａｎｄＤＴＧｃｕｒｖｅｓｏｆＸｉｎｔａｉｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｄｉｃｔｉｖｅｓ 图 2 鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉燃烧的热重分析曲线 Ｆｉｇ．2 ＴＧａｎｄＤＴＧｃｕｒｖｅｓｏｆＸｉｎｔａｉｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌａｎｄｔｈｅｃｏａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｄｉｃｔｉｖｅｓ 2∙2 燃烧特性分析 在煤粉的燃烧过程中影响挥发分析出的因素 也将直接影响煤粉的着火燃烧．在实验的热解特性 曲线上明显影响挥发分析出的主要特征参数有 ［7］： （1）挥发分析出开始温度 ｔａ℃；（2）挥发分最大释 放速率即峰值 （ｄＧ／ｄτ） ｖ ｍａｘｍｇ·ｍｉｎ －1；（3）对应于 （ｄＧ／ｄτ） ｖ ｍａｘ的温度 ｔｍａｘ℃．ｔａ越小则表明燃料的着 火性能越佳；（ｄＧ／ｄτ） ｖ ｍａｘ越大表明挥发分释放程度 越剧烈；ｔｍａｘ越小则表明挥发分释放越快此时燃烧 就容易在较低的温度下进行． 同时将煤粉燃烧后期 ＤＴＧ曲线趋于平直的起 始温度点作为初始燃尽点 Ｆ其所对应的温度、时间 分别用 ｔＦ和 τＦ来表示．煤粉燃烧过程中主要燃烧特 征参数值见表 3． 表 3 加入不同种类添加剂后无烟煤燃烧过程的特征参数 Ｔａｂｌｅ3 Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆａｎｔｈｒａｃｉｔｅｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔａｄｄｉｃｔｉｖｅｓｄｕｒｉｎｇｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ 样品名称 ｔａ／℃ τａ／ｍｉｎ （ｄＧ／ｄτ） ｖ ｍａｘ／ （ｍｇ·ｍｉｎ－1） ｔｍａｘ／℃ τｍａｘ／ｍｉｎ ｔＦ／℃ τＦ／ｍｉｎ 鑫泰煤 478 22∙88 1∙79 558 24∙22 711 34∙07 鑫泰煤 ＋1％大贵白云石 467 21∙93 1∙89 501 22∙82 699 31∙12 鑫泰煤 ＋1％荣富镁石 444 19∙95 1∙67 531 23∙13 710 33∙98 鑫泰煤 ＋1％东燃镁石 457 21∙62 2∙02 503 22∙88 700 33∙43 鑫泰煤 ＋1％里领石灰石 491 23∙72 1∙69 563 24∙37 712 34∙17 鑫泰煤 ＋1％方解石 488 23∙53 1∙59 572 24∙62 719 34∙43 ·1162·
第9期 孔德文等：天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 .1163. 2.2.1挥发分析出和着火特性分析 镁石和东燃镁石对煤粉燃烧有促进作用；而添加 为了定量说明添加剂对煤粉中挥发分逸出的促 1%的里领石灰石和方解石后，试样的着火温度提高 进作用，采用挥发分释放特性指数D⑧]作为衡量添 7℃和3℃，即里领石灰石、方解石对煤粉燃烧有阻 加剂催化效果的指标.D的定义为 碍作用 D=(dw/dt)mx(T.Tma△Te） 式中：（do/dt)ms为挥发分最大释放速率，mg· 500 497 min;T为挥发分初析温度，K:Tnan为(dwdt)ms 43 对应的温度，K:△T2为(doat)/(dat)ms=12 90 49 对应的温度区间. 挥发分释放特性指数综合了挥发分释放特性曲 480 线上的三个特征数值.(dω/t)m越大，表明挥发分 释放越强烈；T越小，挥发分越易析出；Tm越低， 470 △T越小，挥发分的释放峰出现的越早，越集中，对 着火越有利. 添加剂 添加矿石添加剂前后的挥发分释放特征指数D 值见表4由表4可知，无烟煤的挥发分特征指数为 图3鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉者火点的比较 Fig3 Camparison of ignition points betveen X intai pulverized coal 5.38矿石添加剂添加量为1.%时，添加剂大贵白 and the coal w ith differnt addictives 云石、荣富镁石和东燃镁石的挥发分指数大于鑫泰 煤，添加剂里领石灰石、方解石的挥发分指数小于鑫 2.2.2最大燃烧速率和燃尽特性分析 泰煤，分别是鑫泰煤的1.27倍、1.07倍、1.62倍、 煤粉燃烧过程的快速失重，主要是由挥发分的 0.93倍和0.89倍.五种添加剂对挥发分释放的催 着火燃烧和固定碳的着火燃烧所引起，这两个过程 化顺序为：东燃镁石大贵白云石荣富镁石里 的连续性和剧烈程度，导致DTG曲线呈现“单峰”和 领石灰石方解石，其中前三种添加剂对挥发分释 “双峰的构型，从表3和图1可以看出，原始煤粉 放起到正催化作用，后两种添加剂则相反 的DTG曲线为双峰型，两峰值相差不大，最大燃烧 速率出现在后峰为1.79mgmn,即固定碳着火燃 表4鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉的挥发分释放特性指数 烧阶段，加入大贵白云石、东燃镁石后最大燃烧速 Table 4 Volatile release characteristic index (D)of X intai pulverized coal and the coal w ith different addictives 率前移至前峰，分别增加至1.89mg·mm和 Dh0-8 2.02 mgmin,说明这两种矿物对挥发分的着火和 样品名称 △TBK (mgmn1.K3) 燃烧有很强的催化作用，加入荣富镁石、里领石灰 鑫泰煤 187.1 3.59 石和方解石后，最大燃烧速率仍然停留在后峰，且峰 鑫泰煤十1%大贵白云石 177.0 4.56 值有不同程度的减小，但加入荣富镁石后的燃烧速 鑫泰煤十1%荣富镁石 184.5 3.84 率陡升，温度（开始反应温度）减小了34℃，而后两 鑫泰煤十1%东燃镁石 151.1 5.82 者则分别增加13℃和10℃. 鑫泰煤十1%里领石灰石 183.0 3.34 定义煤粉的燃尽特征指数C来表述煤粉的燃 鑫泰煤十1%方解石 178.5 3.19 尽特性·其定义方法为：将TG曲线上着火点对应的 煤样失重与煤中可燃质含量的比值定义为初始燃尽 着火点是衡量试样着火特性的重要特征参数， 率í，将煤样燃烧失重从开始到燃烧98%可燃质的 可以反映煤粉着火的难易程度.本文采用最常用的 时间定义为燃尽时间，时刻所对应的煤样失重 TG-DTG法来确定试样的着火温度，即过DTG曲线 量与煤中可燃质含量的比值定义为总燃尽率则后 峰值对应的温度位置作平行于Y轴的直线交于TG 期燃尽率￡=一f,则煤样的燃尽特征指数为 曲线上一点，过该点作TG曲线的切线，该切线与过 C=(f一6)/ TG曲线O点且与X轴平行的直线的交点所对应温 式中：「反应了挥发分相对含量、煤的着火特性的影 度即为着火温度[).从图3可以看出，添加1%的大 响，越大，煤的可燃性越佳；重反应了煤中碳的燃 贵白云石、荣富镁石和东燃镁石后，试样的着火温度 尽性能，与含碳量、碳的存在形态等煤质特性有关， 分别降低了7℃、7℃和11℃，即大贵白云石、荣富 6越大，煤的燃尽性能越佳
第 9期 孔德文等： 天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 2∙2∙1 挥发分析出和着火特性分析 为了定量说明添加剂对煤粉中挥发分逸出的促 进作用采用挥发分释放特性指数 Ｄ ［8］作为衡量添 加剂催化效果的指标．Ｄ的定义为 Ｄ＝（ｄω／ｄｔ）ｍａｘ／（ＴａＴｍａｘΔＴ1／2）． 式中：（ｄω／ｄｔ）ｍａｘ为 挥 发 分 最 大 释 放 速 率ｍｇ· ｍｉｎ －1；Ｔａ为挥发分初析温度Ｋ；Ｔｍａｘ为 （ｄω／ｄｔ）ｍａｘ 对应的温度Ｋ；ΔＴ1／2为 （ｄω／ｄｔ）／（ｄω／ｄｔ）ｍａｘ ＝1／2 对应的温度区间． 挥发分释放特性指数综合了挥发分释放特性曲 线上的三个特征数值．（ｄω／ｄｔ）ｍａｘ越大表明挥发分 释放越强烈；Ｔａ 越小挥发分越易析出；Ｔｍａｘ越低 ΔＴ1／2越小挥发分的释放峰出现的越早越集中对 着火越有利． 添加矿石添加剂前后的挥发分释放特征指数 Ｄ 值见表 4．由表 4可知无烟煤的挥发分特征指数为 5∙38．矿石添加剂添加量为 1∙0％时添加剂大贵白 云石、荣富镁石和东燃镁石的挥发分指数大于鑫泰 煤添加剂里领石灰石、方解石的挥发分指数小于鑫 泰煤分别是鑫泰煤的 1∙27倍、1∙07倍、1∙62倍、 0∙93倍和 0∙89倍．五种添加剂对挥发分释放的催 化顺序为：东燃镁石 ＞大贵白云石 ＞荣富镁石 ＞里 领石灰石 ＞方解石其中前三种添加剂对挥发分释 放起到正催化作用后两种添加剂则相反． 表 4 鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉的挥发分释放特性指数 Ｔａｂｌｅ4 Ｖｏｌａｔｉｌｅｒｅｌｅａｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｄｅｘ（Ｄ） ｏｆＸｉｎｔａｉｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌａｎｄｔｈｅｃｏａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｄｉｃｔｉｖｅｓ 样品名称 ΔＴ1／2／Ｋ Ｄ／10－8 （ｍｇ·ｍｉｎ－1·Ｋ－3） 鑫泰煤 187∙1 3∙59 鑫泰煤 ＋1％大贵白云石 177∙0 4∙56 鑫泰煤 ＋1％荣富镁石 184∙5 3∙84 鑫泰煤 ＋1％东燃镁石 151∙1 5∙82 鑫泰煤 ＋1％里领石灰石 183∙0 3∙34 鑫泰煤 ＋1％方解石 178∙5 3∙19 着火点是衡量试样着火特性的重要特征参数 可以反映煤粉着火的难易程度．本文采用最常用的 ＴＧ--ＤＴＧ法来确定试样的着火温度即过 ＤＴＧ曲线 峰值对应的温度位置作平行于 Ｙ轴的直线交于 ＴＧ 曲线上一点过该点作 ＴＧ曲线的切线该切线与过 ＴＧ曲线 0点且与 Ｘ轴平行的直线的交点所对应温 度即为着火温度 ［9］．从图3可以看出添加1％的大 贵白云石、荣富镁石和东燃镁石后试样的着火温度 分别降低了 7℃、7℃和 11℃即大贵白云石、荣富 镁石和东燃镁石对煤粉燃烧有促进作用；而添加 1％的里领石灰石和方解石后试样的着火温度提高 7℃和 3℃即里领石灰石、方解石对煤粉燃烧有阻 碍作用． 图 3 鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉着火点的比较 Ｆｉｇ．3 ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｉｇｎｉｔｉｏｎｐｏｉｎｔｓｂｅｔｗｅｅｎＸｉｎｔａｉｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌ ａｎｄｔｈｅｃｏａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｄｉｃｔｉｖｅｓ 2∙2∙2 最大燃烧速率和燃尽特性分析 煤粉燃烧过程的快速失重主要是由挥发分的 着火燃烧和固定碳的着火燃烧所引起．这两个过程 的连续性和剧烈程度导致 ＤＴＧ曲线呈现 “单峰 ”和 “双峰 ”的构型．从表 3和图 1可以看出原始煤粉 的 ＤＴＧ曲线为双峰型两峰值相差不大最大燃烧 速率出现在后峰为 1∙79ｍｇ·ｍｉｎ －1即固定碳着火燃 烧阶段．加入大贵白云石、东燃镁石后最大燃烧速 率前 移 至 前 峰分 别 增 加 至 1∙89ｍｇ·ｍｉｎ －1和 2∙02ｍｇ·ｍｉｎ －1说明这两种矿物对挥发分的着火和 燃烧有很强的催化作用．加入荣富镁石、里领石灰 石和方解石后最大燃烧速率仍然停留在后峰且峰 值有不同程度的减小但加入荣富镁石后的燃烧速 率陡升温度 （开始反应温度 ）减小了 34℃而后两 者则分别增加 13℃和 10℃． 定义煤粉的燃尽特征指数 Ｃ ［7］ ｂ 来表述煤粉的燃 尽特性．其定义方法为：将 ＴＧ曲线上着火点对应的 煤样失重与煤中可燃质含量的比值定义为初始燃尽 率 ｆ1将煤样燃烧失重从开始到燃烧 98％可燃质的 时间定义为燃尽时间 τ0τ0时刻所对应的煤样失重 量与煤中可燃质含量的比值定义为总燃尽率 ｆ则后 期燃尽率 ｆ2＝ｆ－ｆ1．则煤样的燃尽特征指数为 Ｃｂ＝（ｆ1－ｆ2）／τ0． 式中：ｆ1反应了挥发分相对含量、煤的着火特性的影 响ｆ1越大煤的可燃性越佳；ｆ2 反应了煤中碳的燃 尽性能与含碳量、碳的存在形态等煤质特性有关 ｆ2越大煤的燃尽性能越佳． ·1163·
,1164 北京科技大学学报 第33卷 燃尽特性指数综合考虑了煤的着火和燃烧稳定 粉的燃尽时间最长，为13.29mm添加大贵白云 性等因素对燃尽的影响，C越大，煤的燃尽特性越 石、荣富镁石、东燃镁石、里领石灰石和方解石后，煤 好.从表5中可以看出，添加1%大贵白云石的煤粉 粉的燃尽时间分别是鑫泰煤的0.90倍、0.97倍、 的燃尽时间最短，为9.31m添加1%方解石的煤 0.94倍、1.12倍和1.28倍 表5鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉的燃尽特性指数 Table 5 The Bum-out characteristic index (C)of xntai pulverized coaland coal with differnt addictives 样品名称 to/m in EA 黄% E% C10-4mn) 鑫泰煤 10.38 98 5.66 92.34 50.34 鑫泰煤十1%大贵白云石 9.31 98 5.95 92.05 58.79 鑫泰煤十%荣富镁石 10.05 98 7.09 90.91 64.13 鑫泰煤十%东燃镁石 9.74 98 5.56 92.44 52.72 鑫泰煤十1%里领石灰石 11.64 98 4.69 93.31 37.59 鑫泰煤十1%方解石 13.29 4.64 93.36 32.60 加入大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石后，煤粉 (5) 的燃尽指数增大，燃尽性能得到改善；加入里领石灰 RT 石和方解石后，煤粉的燃尽指数减小，燃尽性能恶 化，五种添加剂对煤粉的燃尽特征指数影响顺序 令Y=h一h@x一作YX关系图，应为 为：荣富镁石大贵白云石东燃镁石里领石灰 一条直线，进而通过该直线的斜率和截距即可求得 石方解石· 动力学参数E和A所得动力学参数结果见表6. 2.3添加剂的催化氧化动力学分析 表6鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉燃烧的动力学参数 煤粉燃烧是在常压下进行的小颗粒缓慢燃烧， Table 6 Calculated kinetic parmeters for the cambustion of X intai pul 属于动力学控制区域，因此可以用A rrehen ius公式 verized coal and the coal with different addictives 表示非等温热重条件下的煤粉燃烧反应速率方 E./ 样品名称 n(A/in 程0 (k小mo) 鑫泰煤 94.77 11.49 -0.99324 de=Aep(-E.RT)(1-a)° (1) dt 鑫泰煤十1%大贵白云石 84.96 10.17 -0.99405 热重分析法采用程序升温，在无限小的时间间 鑫泰煤十1%荣富镁石 80.98 9.25 -0.99212 隔内非等温反应可以看作等温过程，其升温速率为 盘泰煤十1%东燃镁石 84.61 9.85 -0.98792 常数： 鑫泰煤十1%里领石灰石 96.67 11.58 -0.98864 B-dT (2) 盘泰煤十1%方解石 98.85 11.82 -0.9877 dt 将式(2)代入式(1)试得 从表6的动力学参数的计算结果可以看出，假 daA dr月·ep(-ERT)(1-a)” (3) 设混合试样燃烧反应级数为一级反应是合理的，加 入添加剂后煤粉的活化能与指前因子都发生了变 试样转化率α可由TG曲线求得： 化：添加大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石后活化能 a=ow 分别降低10.4%、14.%和10.7%，加入里领石灰 (4) 石和方解石后，活化能分别提高了2.0%和4.3%： 式中，B为升温速率，A为指前因子，E为反应的活 而指前因子呈现出与活化能相同的变化规律. 化能，R=8.314mo.K为气体常数，n为反应 级数，wo、w,和分别代表反应前、反应时刻和反 3结论 应结束时样品的质量， (1)加入大贵白云石和东燃镁石后，煤粉的最 煤粉燃烧反应通常被描述为一级反应)，因而 大燃烧速率增大，且出现的温度由固定碳着火燃烧 假设煤粉燃烧过程的反应级数n=1,将式(3)移项 阶段前移至挥发分着火燃烧阶段：而荣富镁石、里领 积分后取对数得 石灰石和方解石则使煤粉的最大燃烧速率降低
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33卷 燃尽特性指数综合考虑了煤的着火和燃烧稳定 性等因素对燃尽的影响．Ｃｂ越大煤的燃尽特性越 好．从表 5中可以看出添加 1％大贵白云石的煤粉 的燃尽时间最短为 9∙31ｍｉｎ；添加 1％方解石的煤 粉的燃尽时间最长为 13∙29ｍｉｎ．添加大贵白云 石、荣富镁石、东燃镁石、里领石灰石和方解石后煤 粉的燃尽时间 τ0分别是鑫泰煤的 0∙90倍、0∙97倍、 0∙94倍、1∙12倍和 1∙28倍． 表 5 鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉的燃尽特性指数 Ｔａｂｌｅ5 ＴｈｅＢｕｒｎ-ｏｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｉｎｄｅｘ（Ｃｂ） ｏｆｘｉｎｔａｉｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌａｎｄｃｏａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｄｉｃｔｉｖｅｓ 样品名称 τ0／ｍｉｎ ｆ／％ ｆ1／％ ｆ2／％ Ｃｂ／（10－4·ｍｉｎ－1） 鑫泰煤 10∙38 98 5∙66 92∙34 50∙34 鑫泰煤 ＋1％大贵白云石 9∙31 98 5∙95 92∙05 58∙79 鑫泰煤 ＋1％荣富镁石 10∙05 98 7∙09 90∙91 64∙13 鑫泰煤 ＋1％东燃镁石 9∙74 98 5∙56 92∙44 52∙72 鑫泰煤 ＋1％里领石灰石 11∙64 98 4∙69 93∙31 37∙59 鑫泰煤 ＋1％方解石 13∙29 98 4∙64 93∙36 32∙60 加入大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石后煤粉 的燃尽指数增大燃尽性能得到改善；加入里领石灰 石和方解石后煤粉的燃尽指数减小燃尽性能恶 化．五种添加剂对煤粉的燃尽特征指数影响顺序 为：荣富镁石 ＞大贵白云石 ＞东燃镁石 ＞里领石灰 石 ＞方解石． 2∙3 添加剂的催化氧化动力学分析 煤粉燃烧是在常压下进行的小颗粒缓慢燃烧 属于动力学控制区域因此可以用 Ａｒｒｅｈｅｎｉｕｓ公式 表示非等温热重条件下的煤粉燃烧反应速率方 程 ［10］： ｄα ｄｔ ＝Ａ·ｅｘｐ（－Ｅａ／ＲＴ）·（1－α） ｎ （1） 热重分析法采用程序升温在无限小的时间间 隔内非等温反应可以看作等温过程其升温速率为 常数： β＝ ｄＴ ｄｔ （2） 将式 （2）代入式 （1）式得 ｄα ｄＴ ＝ Ａ β ·ｅｘｐ（－Ｅａ／ＲＴ）·（1－α） ｎ （3） 试样转化率 α可由 ＴＧ曲线求得： α＝ ｗ0－ｗｔ ｗ0－ｗ∞ （4） 式中β为升温速率Ａ为指前因子Ｅａ为反应的活 化能Ｒ＝8∙314Ｊ·ｍｏｌ －1·Ｋ －1为气体常数ｎ为反应 级数ｗ0、ｗｔ和 ｗ∞分别代表反应前、反应 ｔ时刻和反 应结束时样品的质量． 煤粉燃烧反应通常被描述为一级反应 ［10］因而 假设煤粉燃烧过程的反应级数 ｎ＝1将式 （3）移项 积分后取对数得 ｌｎ －ｌｎ（1－α） Ｔ 2 ＝－ Ｅａ ＲＴ ＋ｌｎ ＡＲ βＥ （5） 令 Ｙ＝ｌｎ －ｌｎ（1－α） Ｔ 2 Ｘ＝ 1 Ｔ 作 Ｙ--Ｘ关系图应为 一条直线进而通过该直线的斜率和截距即可求得 动力学参数 Ｅａ和 Ａ．所得动力学参数结果见表 6． 表 6 鑫泰煤及加入不同种类添加剂后煤粉燃烧的动力学参数 Ｔａｂｌｅ6 ＣａｌｃｕｌａｔｅｄｋｉｎｅｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆＸｉｎｔａｉｐｕｌ- ｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌａｎｄｔｈｅｃｏａｌｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｄｉｃｔｉｖｅｓ 样品名称 Ｅａ／ （ｋＪ·ｍｏｌ－1） ｌｎ（Ａ／ｍｉｎ－1） Ｒ 鑫泰煤 94∙77 11∙49 －0∙99324 鑫泰煤 ＋1％大贵白云石 84∙96 10∙17 －0∙99405 鑫泰煤 ＋1％荣富镁石 80∙98 9∙25 －0∙99212 鑫泰煤 ＋1％东燃镁石 84∙61 9∙85 －0∙98792 鑫泰煤 ＋1％里领石灰石 96∙67 11∙58 －0∙98864 鑫泰煤 ＋1％方解石 98∙85 11∙82 －0∙9877 从表 6的动力学参数的计算结果可以看出假 设混合试样燃烧反应级数为一级反应是合理的．加 入添加剂后煤粉的活化能与指前因子都发生了变 化：添加大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石后活化能 分别降低 10∙4％、14∙5％和 10∙7％加入里领石灰 石和方解石后活化能分别提高了 2∙0％和 4∙3％； 而指前因子呈现出与活化能相同的变化规律． 3 结论 （1） 加入大贵白云石和东燃镁石后煤粉的最 大燃烧速率增大且出现的温度由固定碳着火燃烧 阶段前移至挥发分着火燃烧阶段；而荣富镁石、里领 石灰石和方解石则使煤粉的最大燃烧速率降低． ·1164·
第9期 孔德文等：天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 .1165. (2)无烟煤中添加大贵白云石、荣富镁石和东 (马保国.新型干法水泥生产工艺·北京：化学工业出版社， 燃镁石三种天然矿物后，煤粉的着火点降低，挥发分 2006:244) [4]KastanakiE Van vuka D.Grammelis P et al Themogravinetric 释放特征指数D和燃尽特征指数C增大，表明大贵 stdies of the behav ior of lignite bimmass blends during devolatil- 白云石、荣富镁石和东燃镁石对煤粉燃烧有促进作 ization Fuel P mcess Technol 2002 77/78 159 用，能提高煤粉的综合燃烧特性， [5]Backreedy R I Jones JM.Pourkashanian M,et al Bumout of pul (3)从动力学角度分析，煤粉与五种天然矿物 verised coal and bimmass chars Fuel 2003 82(15-17):2097 添加剂的燃烧反应为一级反应，求出了反应动力学 [6]Liu R S Zhao B Fang L Z et al The pymolysis characteristics of 参数活化能E,和指前因子A指前因子呈现出与活 pulerized coal and its dynam ics lw.C lean Coal Technol 2008 14(6):51 化能相同的变化规律，存在协同作用，加入大贵白 (刘仁生，赵兵，房连增，等.高炉喷吹煤粉的热解过程及其动 云石、荣富镁石和东燃镁石后煤粉的活化能分别降 力学规律.洁净煤技术，200814(6)：51) 低10.4%、14.5%和10.7%，对煤粉燃烧反应有正 [7]Nie Q H.Sun SZ LiZ Q.et al Themogravinetric analysis on the 催化作用. camnbustion characteristics of bmown coal blends J Cambust Sci 综上所述，大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石对 Technol2001.7(1):72 (聂其红，孙绍增，李争起，等.褐煤混煤燃烧特性的热重分 无烟煤的燃烧过程有助燃作用，其中大贵白云石、东 析法研究.燃烧科学与技术，2001,7(1)：72) 燃镁石助燃效果明显，而里领石灰石和方解石没有 [8]Sun XX.Physicochan ical P roperties of Coal Canbustion Wuhan 助燃作用， Huazhong University of Science and Technolgy Press 1991:123 孙学信煤粉燃烧物理化学基础，武汉：华中理工大学出版 参考文献 社，1991：123) [1]Zhang JY.Jin LZ W ang L Y.et al Feasbility stuidy on blast [9]Zhang H.Guo ZC W ang Z et al Effects of catalysts on camnbus- fumace blow ing with meager coal and meager coal Coal Sci Techn- tion of pulverized coal by syn thetical themo gravinetric analysis o1200634(10):62 Chin J Pmocess Eng 2007.7(6):1154 (张俊燕，金龙哲，王丽颖，等.贫煤、贫瘦煤用作高炉喷吹煤的 (张卉，郭占成，王志，等.综合热分析法研究催化剂对煤粉燃 可行性研究.煤炭科学技术，200634(10)62) 绕过程的影响-过程工程学报，2007,7(6)：1154) [2]LiL Tan ZC Meng S H.etal K inetic shudy of the accelemating [10]Zhou JH.Ping C J Yang W J et al Themogravietric re- effect of coalbumng additives on the combustion of graphite J search on dynan ic combustion raction parmeters of blended Them Anal Ca lorin,2000 62(3):681 coals Power Eng 2005,25(2):208 [3]Ma BG Techniue ofN ew DryPmocess CamentP mduction Beijing (周俊虎，平传娟，杨卫娟，等：混煤燃烧反应动力学参数的热 Chem ical Industry Press 2006.244 重研究.动力工程，200525(2)：208)
第 9期 孔德文等： 天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响 （2） 无烟煤中添加大贵白云石、荣富镁石和东 燃镁石三种天然矿物后煤粉的着火点降低挥发分 释放特征指数 Ｄ和燃尽特征指数 Ｃｂ增大表明大贵 白云石、荣富镁石和东燃镁石对煤粉燃烧有促进作 用能提高煤粉的综合燃烧特性． （3） 从动力学角度分析煤粉与五种天然矿物 添加剂的燃烧反应为一级反应求出了反应动力学 参数活化能 Ｅａ和指前因子 Ａ指前因子呈现出与活 化能相同的变化规律存在协同作用．加入大贵白 云石、荣富镁石和东燃镁石后煤粉的活化能分别降 低 10∙4％、14∙5％和 10∙7％对煤粉燃烧反应有正 催化作用． 综上所述大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石对 无烟煤的燃烧过程有助燃作用其中大贵白云石、东 燃镁石助燃效果明显而里领石灰石和方解石没有 助燃作用． 参 考 文 献 ［1］ ＺｈａｎｇＪＹＪｉｎＬＺＷａｎｇＬＹｅｔａｌ．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙｏｎｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅｂｌｏｗｉｎｇｗｉｔｈｍｅａｇｅｒｃｏａｌａｎｄｍｅａｇｅｒｃｏａｌ．ＣｏａｌＳｃｉＴｅｃｈｎ- ｏｌ200634（10）：62 （张俊燕金龙哲王丽颖等．贫煤、贫瘦煤用作高炉喷吹煤的 可行性研究．煤炭科学技术200634（10）：62） ［2］ ＬｉＬＴａｎＺＣＭｅｎｇＳＨｅｔａｌ．Ｋｉｎｅｔｉｃｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏａｌ-ｂｕｒｎｉｎｇａｄｄｉｔｉｖｅｓｏｎｔｈｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅ．Ｊ ＴｈｅｒｍＡｎａｌＣａｌｏｒｉｍ200062（3）：681 ［3］ ＭａＢＧ．ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＮｅｗＤｒｙ-ＰｒｏｃｅｓｓＣｅｍｅｎｔＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｂｅｉｊｉｎｇ： ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ2006：244 （马保国．新型干法水泥生产工艺．北京：化学工业出版社 2006：244） ［4］ ＫａｓｔａｎａｋｉＥＶａｍｖｕｋａＤＧｒａｍｍｅｌｉｓＰｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ ｓｔｕｄｉｅｓｏｆｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｌｉｇｎｉｔｅ-ｂｉｏｍａｓｓｂｌｅｎｄｓｄｕｒｉｎｇｄｅｖｏｌａｔｉｌ- ｉｚａｔｉｏｎ．ＦｕｅｌＰｒｏｃｅｓｓＴｅｃｈｎｏｌ200277／78：159 ［5］ ＢａｃｋｒｅｅｄｙＲＩＪｏｎｅｓＪＭＰｏｕｒｋａｓｈａｎｉａｎＭｅｔａｌ．Ｂｕｒｎ-ｏｕｔｏｆｐｕｌ- ｖｅｒｉｓｅｄｃｏａｌａｎｄｂｉｏｍａｓｓｃｈａｒｓ．Ｆｕｅｌ200382（15--17）：2097 ［6］ ＬｉｕＲＳＺｈａｏＢＦａｎｇＬＺｅｔａｌ．Ｔｈｅｐｙｒｏｌｙｓｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌａｎｄｉｔｓｄｙｎａｍｉｃｓｌａｗ．ＣｌｅａｎＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌ2008 14（6）：51 （刘仁生赵兵房连增等．高炉喷吹煤粉的热解过程及其动 力学规律．洁净煤技术200814（6）：51） ［7］ ＮｉｅＱＨＳｕｎＳＺＬｉＺＱｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｒｏｗｎｃｏａｌｂｌｅｎｄｓ．ＪＣｏｍｂｕｓｔＳｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ20017（1）：72 （聂其红孙绍增李争起等．褐煤混煤燃烧特性的热重分 析法研究．燃烧科学与技术20017（1）：72） ［8］ ＳｕｎＸＸ．ＰｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｏａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．Ｗｕｈａｎ： ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｅｓｓ1991：123 （孙学信．煤粉燃烧物理化学基础．武汉：华中理工大学出版 社1991：123） ［9］ ＺｈａｎｇＨＧｕｏＺＣＷａｎｇＺｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｃａｔａｌｙｓｔｓｏｎｃｏｍｂｕｓ- ｔｉｏｎｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｂｙｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｔｈｅｒｍｏ-ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓ． ＣｈｉｎＪＰｒｏｃｅｓｓＥｎｇ20077（6）：1154 （张卉郭占成王志等．综合热分析法研究催化剂对煤粉燃 烧过程的影响．过程工程学报20077（6）：1154） ［10］ ＺｈｏｕＪＨＰｉｎｇＣＪＹａｎｇＷ Ｊｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍｏ-ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃｒｅ- ｓｅａｒｃｈｏｎｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂｌｅｎｄｅｄ ｃｏａｌｓ．ＰｏｗｅｒＥｎｇ200525（2）：208 （周俊虎平传娟杨卫娟等．混煤燃烧反应动力学参数的热 重研究．动力工程200525（2）：208） ·1165·