巢昌耀等：煤粉与半焦的混合燃烧特性及动力学分析 ·1533· 的燃烧动力学分析，利用计算机模拟出燃烧的动力学 的活化能、指前因子以及反应速率常数、有效扩散系数 参数：Sadhukhan等网推导出煤燃烧的收缩核模型，并 与温度的关系式1-.根据燃烧特性参数和动力学参 用实验数据进行验证；景旭亮等可运用等转化率法对 数得出高炉喷吹煤粉添加半焦的最佳比例. 半焦的燃烧进行分析，将燃烧分为前后两个阶段：孙辉 等@利用随机孔模型、收缩核模型和体积模型对混煤 1实验 燃烧过程分别进行动力学分析.但是，煤粉的燃烧并 1.1实验试样 非单一的化学反应控速过程，对燃烧反应不应该用单 本实验所采用的神华烟煤、寿阳无烟煤和富鼎半 一的反应模型来进行模拟，在不同阶段应该用不同的 焦其工业分析和元素分析如表1所示.参照高炉喷吹 模型来进行动力学分析. 煤粉的要求的，为了使煤粉易燃烧且防止其因高挥发 本文采用非等温热重法，对煤粉和半焦进行燃烧 分而发生爆炸，将实验所用煤/半焦的混合燃料中挥发 实验，利用燃烧曲线得出各个燃烧特性参数.根据煤 分的质量分数控制在15%~20%之间：同时为了研究 粉燃烧过程中不同温度区间反应机理的不同，对燃烧 半焦代替无烟煤后混合燃料的燃烧性能的变化，将混 过程进行分段处理.由动力学基本方程推导出模型积 合燃料中神华烟煤的质量分数固定为40%，逐步改变 分式，对不同温度区间进行模型拟合，计算出不同区间 寿阳无烟煤和富鼎半焦含量，见表2 表1煤和半焦的工业分析和元素分析结果（质量分数） Table 1 Proximate and element analysis results of coal and semicoke 号 工业分析 元素分析 煤样 水分 灰分 挥发分 固定碳 C H 0 N 神华 1.32 4.19 32.44 62.05 77.61 4.24 11.12 1.26 0.26 寿阳 0.94 10.87 10.28 77.91 81.40 2.71 2.42 1.32 0.34 富鼎 1.08 4.49 4.01 90.42 92.21 0.52 0.52 1.02 0.17 表2试样中各煤分的质量分数 的升温速率进行热重实验，得到燃烧的转化率曲线和 Table 2 Mass fraction of components in the sample 转化速率曲线，分别如图1和图2所示.三种试样在 煤样 1号 2号 3号 4号 5号 100℃左右都存在着水分蒸发引起质量减少的现象， 神华 40 40 40 40 40 由于水分含量较少，所以将水分蒸发过程忽略，主要针 寿阳 60 45 30 15 0 对燃烧区间进行讨论.对于神华煤来说，转化速率曲 富鼎 0 15 30 45 60 线在400℃左右出现尖峰的现象，主要是由于其挥发 分含量较高，在较低温度情况下挥发分先发生反应且 1.2实验装置及方法 较为迅速，之后是碳的燃烧反应，所以出现尖峰的现 实验设备为北京恒久型号HTG」热重分析仪.采 象.对于寿阳煤和富鼎半焦来说，两者的挥发分都较 用非等温法进行燃烧实验，在坩埚中称取煤焦的粉状 低，主要反应为碳的燃烧，所以转化率曲线中没有 试样(100~200目颗粒)10mg放入仪器中，以一定的 升温速率（本实验取20℃·min)由室温升至900℃， 1.0 并以l00mL·min的速率通入空气，由电脑自动记录 样品的失重曲线(TG)和失重速率曲线(DTG),最终根 0.8 据计算得到煤焦燃烧的转化率曲线和转化速率曲线. 0.6 其中定义任一时刻t,反应的转化率α：为 mo -m 04 一一神华 Q= (1) 寿阳 mo -m 。一富鼎 式中：m为样品起始质量，kg;m,为某时刻样品质量， 02 kgm为反应结束达到稳定时样品质量，kg 2实验结果分析 250300350400450500550600650700750800 温度℃ 2.1神华烟煤、寿阳无烟煤和富鼎半焦的燃烧特性 图1神华煤、寿阳煤和富鼎半焦燃烧的转化率曲线 分析 Fig.I Fractional conversion curves of Shenhua coal,Shouyang coal 分别将神华煤、寿阳煤和富鼎半焦以20℃·min1 and Fuding semicoke combustion巢昌耀等: 煤粉与半焦的混合燃烧特性及动力学分析 的燃烧动力学分析，利用计算机模拟出燃烧的动力学 参数; Sadhukhan 等［8］推导出煤燃烧的收缩核模型，并 用实验数据进行验证; 景旭亮等［9］运用等转化率法对 半焦的燃烧进行分析，将燃烧分为前后两个阶段; 孙辉 等［10］利用随机孔模型、收缩核模型和体积模型对混煤 燃烧过程分别进行动力学分析． 但是，煤粉的燃烧并 非单一的化学反应控速过程，对燃烧反应不应该用单 一的反应模型来进行模拟，在不同阶段应该用不同的 模型来进行动力学分析． 本文采用非等温热重法，对煤粉和半焦进行燃烧 实验，利用燃烧曲线得出各个燃烧特性参数． 根据煤 粉燃烧过程中不同温度区间反应机理的不同，对燃烧 过程进行分段处理． 由动力学基本方程推导出模型积 分式，对不同温度区间进行模型拟合，计算出不同区间 的活化能、指前因子以及反应速率常数、有效扩散系数 与温度的关系式［11--14］． 根据燃烧特性参数和动力学参 数得出高炉喷吹煤粉添加半焦的最佳比例． 1 实验 1. 1 实验试样 本实验所采用的神华烟煤、寿阳无烟煤和富鼎半 焦其工业分析和元素分析如表 1 所示． 参照高炉喷吹 煤粉的要求［15］，为了使煤粉易燃烧且防止其因高挥发 分而发生爆炸，将实验所用煤/半焦的混合燃料中挥发 分的质量分数控制在 15% ～ 20% 之间; 同时为了研究 半焦代替无烟煤后混合燃料的燃烧性能的变化，将混 合燃料中神华烟煤的质量分数固定为 40% ，逐步改变 寿阳无烟煤和富鼎半焦含量，见表 2． 表 1 煤和半焦的工业分析和元素分析结果( 质量分数) Table 1 Proximate and element analysis results of coal and semicoke % 煤样 工业分析 元素分析 水分 灰分 挥发分 固定碳 C H O N S 神华 1. 32 4. 19 32. 44 62. 05 77. 61 4. 24 11. 12 1. 26 0. 26 寿阳 0. 94 10. 87 10. 28 77. 91 81. 40 2. 71 2. 42 1. 32 0. 34 富鼎 1. 08 4. 49 4. 01 90. 42 92. 21 0. 52 0. 52 1. 02 0. 17 表 2 试样中各煤分的质量分数 Table 2 Mass fraction of components in the sample % 煤样 1 号 2 号 3 号 4 号 5 号 神华 40 40 40 40 40 寿阳 60 45 30 15 0 富鼎 0 15 30 45 60 1. 2 实验装置及方法 实验设备为北京恒久型号 HTG-1 热重分析仪． 采 用非等温法进行燃烧实验，在坩埚中称取煤焦的粉状 试样( 100 ～ 200 目颗粒) 10 mg 放入仪器中，以一定的 升温速率( 本实验取 20 ℃·min － 1 ) 由室温升至 900 ℃， 并以 100 mL·min － 1 的速率通入空气，由电脑自动记录 样品的失重曲线( TG) 和失重速率曲线( DTG) ，最终根 据计算得到煤焦燃烧的转化率曲线和转化速率曲线． 其中定义任一时刻 t，反应的转化率 α 为 α = m0 － mt m0 － mf ． ( 1) 式中: m0为样品起始质量，kg; mt 为某时刻样品质量， kg; mf为反应结束达到稳定时样品质量，kg． 2 实验结果分析 2. 1 神华烟煤、寿阳无烟煤和富鼎半焦的燃烧特性 分析 分别将神华煤、寿阳煤和富鼎半焦以 20 ℃·min － 1 的升温速率进行热重实验，得到燃烧的转化率曲线和 图 1 神华煤、寿阳煤和富鼎半焦燃烧的转化率曲线 Fig． 1 Fractional conversion curves of Shenhua coal，Shouyang coal and Fuding semicoke combustion 转化速率曲线，分别如图 1 和图 2 所示． 三种试样在 100 ℃左右都存在着水分蒸发引起质量减少的现象， 由于水分含量较少，所以将水分蒸发过程忽略，主要针 对燃烧区间进行讨论． 对于神华煤来说，转化速率曲 线在 400 ℃左右出现尖峰的现象，主要是由于其挥发 分含量较高，在较低温度情况下挥发分先发生反应且 较为迅速，之后是碳的燃烧反应，所以出现尖峰的现 象． 对于寿阳煤和富鼎半焦来说，两者的挥发分都较 低，主要 反 应 为 碳 的 燃 烧，所 以 转 化 率 曲 线 中 没 有 ·1533·