低氧气氛下混煤自燃倾向性研究

马金凤，黄新章，薛治家，李洪涛，李　楠

(1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136; 2.河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050018)



低氧气氛下混煤自燃倾向性研究

马金凤1，黄新章1，薛治家1，李洪涛2，李楠1

(1.沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136; 2.河北科技大学 机械工程学院，河北 石家庄 050018)

摘要：在低氧气氛下利用热分析技术进行了高挥发分混煤的慢速氧化特性实验，借助动力学分析理论，计算得出低温阶段的动力学参数。计算结果表明，活化能和指前因子随着反应过程的深入而增加，与单煤相比，高挥发分混煤的自燃倾向性发生改变。实验结果表明，吸氧增重阶段主要为物理吸附，氧化放热量很少；混煤的挥发分析出较单煤提前，着火温度介于单煤之间。如果制粉系统中含氧量低于16%，可以达到高挥发分混煤的防爆效果。

关键词：热分析；高挥发分；混煤；动力学理论

在烟煤锅炉掺烧褐煤的实际运行中，采取降低制粉系统的氧气浓度，是防止制粉系统爆炸的十分有效的技术措施。国内许多学者研究了煤炭的氧化与热解特性。文献[1-3]中针对粒度为150 μm左右的大颗粒，在氧气体积分数为21%的空气气氛中开展了煤粉氧化自燃的研究工作。电站锅炉中，以20～60 μm的煤粉居多，文献[4-8]中针对该粒度范围内的煤粉研究了煤粉惰性条件下的热解、高温氧化条件下的燃烧特性和燃尽特性，而对低温、低氧气氛下混煤粉的慢速氧化自燃特性并未进行深入研究。针对具有高挥发分的霍林河褐煤和3种典型东北烟煤配制的混煤，根据文献[9，10]中提到的国内外高挥发分煤粉的防爆技术指标，在文献[11，12]的基础上，应用热分析技术开展了在12%、14%和16%低氧气氛下混煤的慢速氧化实验及动力学分析，讨论了高挥发分混煤的自燃倾向性。

1实验部分

实验在SMP/PF7548/MET/600W热分析联用仪上进行。25～200 ℃范围内升温速率为2 ℃/min，200～650 ℃范围内升温速率为10 ℃/min。低氧气体积分数选为12%、14%和16%。煤样选用霍林河褐煤、阜新烟煤、抚顺烟煤和铁法烟煤，平均粒径为45 μm ，煤样的分析结果见文献[12]，混煤比例及编号如表1所示。

2实验结果及分析

以3#混煤为例，给出16%氧气体积分数下的热分析实验结果，如图1所示；煤样的氧化特性参数随氧气体积分数的变化如图2所示。文献[13,14]将煤粉的氧化过程分为水分蒸发及脱附失重阶段(起始温度～T1)、吸氧增重(T1～Ts)、受热分解(Ts～Ti)、燃烧(Ti～T2)及燃尽(T>T2)阶段。其中，Ts是挥发分初析温度，Ti是着火温度。

由图1可见，在水分蒸发及脱附阶段，煤的外在水分和内在水分被蒸发，吸附在煤体内部的气体被脱附，煤样在水分蒸发的同时也吸氧。由于水分蒸发失重量大于吸氧增重量，TG曲线直接呈下降趋势。DSC曲线表现为负值，说明该阶段煤样处于吸热状态。

表1　混煤比例及编号

图1　煤粉热分析曲线

在吸氧增重阶段，煤粉温度升高，煤氧结合和碰撞的机会增大，活化分子增加，化学反应速度加快。因水分蒸发及吸附气体脱附，使得煤粉的孔隙增多且自由面增大，煤粉将快速吸氧，TG曲线呈上升趋势。如果此阶段煤主要是化学吸氧和化学反应耗氧，放热量将增加，DSC曲线会随着氧化温度的升高而上升。而图1中DSC曲线随着温度的升高先下降，接近吸氧增重结束时才呈现上升的趋势，这说明煤的吸氧方式主要为物理吸附，化学吸附和化学反应的氧化放热量很少，表明制粉系统中含氧量低于16%，可以预防高挥发分混煤的自燃爆炸。

煤粉的自燃爆炸实质上是挥发分与氧气混合而形成的爆炸，挥发分初析温度Ts对煤粉的自燃爆炸具有重要的影响。从图2可以看出，随着氧气体积分数的升高，由于挥发分的析出与气氛条件和煤样的微观结构有关，使得各煤样Ts的变化规律不一致，但1#～6#混煤的挥发分析出的温度基本上低于相应单煤，说明混煤挥发分的析出较单煤提前。

从图2可以看出，随着氧气体积分数的升高，着火温度Ti逐渐降低，1#～6#混煤的着火温度均介于相应的单煤之间。随着霍林河褐煤比例增加，混煤的着火温度逐渐降低。与14%氧气体积分数相比较，16%氧气体积分数下各煤样挥发分初析温度和着火温度降低值都低于9 ℃。

3动力学参数计算结果及分析

文献[13]提出煤的活化能和化学结构在吸氧增重阶段与煤的自燃机理有着本质联系，文献[15]提出将45～70 ℃的活化能作为煤自燃倾向性的鉴定指标。根据16%氧气体积分数下的热分析实验结果，针对水分蒸发及脱附阶段和吸氧增重阶段，分别进行了动力学参数的计算，具体计算方法见文献[12]，结果如表2所示。

图2　不同氧气体积分数下氧化特性参数

煤样温度区间水分蒸发及脱附阶段E/kJ·mol-1lnA/min-1r温度区间吸氧增重阶段E/kJ·mol-1lnA/min-1r霍林河褐煤25-123.23161.3658.420.9854123.23-220.99263.3064.900.9767抚顺烟煤25-69.06273.09100.630.958469.06-283.50119.0426.180.9789阜新烟煤25-80.29250.5994.080.978780.29-279.50162.0538.050.9847铁法烟煤25-81.79237.4388.530.985581.79-285.15149.2834.370.98201#混煤25-157.6787.1432.270.9825157.67-237.86357.9689.920.94562#混煤25-95.51196.9271.660.969595.51-252.18208.6850.490.95993#混煤25-116.11163.4858.620.9880116.11-228.33286.3269.920.95584#混煤25-167.0663.1825.760.9870167.06-238.81527.65159.650.98215#混煤25-104.33183.8466.860.9857104.33-242.33231.7556.500.95386#混煤25-96.85213.9678.260.959996.85-256.03201.5048.570.9714

由表2的计算结果可知，在水分蒸发及脱附阶段，混煤的活化能E和指前因子A的排序规律如下：

E1#

E4#

E褐煤

lnA1#

lnA4#

lnA褐煤

与烟煤相比，抚顺烟煤、阜新烟煤与霍林河褐煤掺烧时，混煤的活化能均减少。根据文献[15]的观点，高挥发分混煤的自燃倾向性存在增大的趋势。

在吸氧增重阶段，混煤的活化能E和指前因子A的排序规律如下：

E抚顺

E阜新

E铁法

lnA抚顺

lnA阜新

lnA铁法

混煤的活化能高于相应的烟煤，根据文献[13]的观点，高挥发分混煤的自燃倾向性存在降低的趋势。

4结论

1)实验结果表明，16%低氧气氛下高挥发分混煤的吸氧方式主要为物理吸附，化学吸附和氧化放热量很少。混煤挥发分的析出较单煤提前，着火温度介于单煤之间；与14%氧气体积分数相比，16%氧气体积分数下混煤的氧化特征温度降低值不大。将制粉系统的氧气体积分数控制在16%，具有一定的防爆效果，对于烟煤锅炉掺烧褐煤的工程应用具有一定的参考价值。

2)在电站锅炉实际运行中，高挥发分煤粉的一次风温位于水分蒸发及脱附阶段的温度区间。计算结果表明，该阶段高挥发分混煤的活化能变小，自燃倾向性增大，在烟煤锅炉掺烧褐煤时应重视对制粉系统氧气体积分数的监视和控制。

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(责任编辑张凯校对佟金锴)

Spontaneous combustion tendency of blended coals in low oxygen environment

MA Jin-feng1,HUANG Xin-zhang1,XUE Zhi-jia1,LI Hong-tao2,LI Nan1

(1.School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province;2.Mechanical Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,Hebei Province)

Abstract：Experiment of oxidation characteristics with slow velocity of high volatile blended coals was investigated in the surroundings of low oxygen conditions,which gave three kinetic factors in the step of low temperature.The results of calculation show that the activation energy and pre-exponential factor increase with the reaction process and tendency of spontaneous combustion of the blended coal have changed.The experimental results show that the type of absorbing oxygen is mainly physical adsorption and calorific value is very small during increasing weight.Volatile of blended coal releases before single coal and combustion temperature of blended coal is between one and other single coals.If the oxygen content is below 16% in the milling system,explosion-proof effect on high volatile blended coal can be obtained.

Key words：Thermogravimetric Analysis; High Volatile; Blended Coal; Kinetic Theory

中图分类号：TK124；TK224.1

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)02-0118-04

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.02.005

作者简介：马金凤(1969-)，女，内蒙古通辽人，副教授，博士，主要从事电站锅炉煤粉燃烧研究工作。

收稿日期：2015-11-17