低階煤燃燒化學反應特征參數研究

田慧英，李 曼

（1.集寧師范學院內蒙古自治區礦土土質改性及綜合利用重點實驗室,內蒙古 烏蘭察布 012000）

煤的燃燒反應是以煤為原料，煤中可燃成分（碳、氫、硫等）與空氣中的氧進行劇烈的化學反應，放出大量的熱并生成煙氣和灰渣的過程。我國煤炭資源中以褐煤、次煙煤為代表的低階煤儲量豐富，低階煤化學結構側鏈多，氫、氧含量較高，具有煤化程度低、揮發分含量高、含水量高等特點[1-2]。煤的燃燒是最直接的應用方式，盧洪波[3]等人利用熱重分析儀研究了祁連塔煤的燃燒特性，得出著火溫度隨升溫速率的變化規律，得到不同升溫速率下的燃燒特性參數，對研究煤的實際燃燒過程提供了數據。

煤燃燒特性的試驗方法有多種，熱重分析法應用頗為廣泛。因此，采用熱重分析法研究儲量豐富的低階煤的燃燒特性，根據實驗數據確定燃燒起始溫度、著火點、燃燼溫度等反應特征參數，分析產生差別的原因，可以預測低階煤的燃燒過程及燃燒難易程度，促進煤燃燒的定量研究，對低階煤的加工利用有著重要的意義[4]。

1 實驗部分

1.1 煤樣的選取與制備

實驗用煤根據《煤層煤樣采取方法》與《煤樣的制備方法》，采集煤樣后，用保鮮膜包裹好。選取保利（BL）、民達（MD）、范家村（FJC） 三種低階煤，煤樣采用顎式破碎機破碎后，經球磨機磨制，最后篩分，將200～400目規格的樣品作為實驗用煤。三種煤樣的工業分析數據見表1。三種低階煤揮發分、固定碳、灰分含量均有差異，FJC煤中揮發分和固定碳較低，灰分很高，具有低熱值、難于燃燒的特點。三種煤樣的變質程度由高到低依次為：MD、BL、FJC。

表1 煤樣工業分析

1.2 實驗方法

實驗儀器為Diamond TG/DTA 6300型熱重分析儀，煤樣量均為15mg左右，儀器升溫速率為10℃/min，載氣流速為100mL/min，熱重測試溫度范圍：室溫-1000℃。

2 結果與討論

2.1 煤燃燒熱重曲線分析

三種煤樣在氧氣氣氛下熱重分析TG結果如圖1所示。由圖1可知，三種煤樣的熱解總體可分為三個階段，第一階段是室溫～330℃，第二階段是330～600℃，第三階段為600～1000℃。首先是煤中水分蒸發過程，隨后揮發分開始析出，當達到著火溫度后開始燃燒。在室溫至330℃溫區內，三種煤樣的失重量順序為FJC>MD>BL，在90℃附近開始都有明顯的水分脫出峰，之后是煤吸附的小分子的脫附和一些易發生反應的官能團的分解。BL、MD、FJC分別在溫度為554℃、569℃、586℃左右燃燒基本完全，在燃燒反應結束時，三種煤的燃燒產物含量順序依次為：FJC>MD>BL，與工業分析數據一致。

圖1 三種低階煤燃燒TG曲線

三種煤樣的DTG曲線如圖2所示，三種煤樣的DTG曲線最初都有一個臺階，表示煤樣燃燒過程初始階段的水分蒸發過程，以脫除煤中的游離水為主。BL、MD煤在燃燒主體溫區內出現了兩個明顯的失重峰，這可能是因為這兩種煤中所含可燃組分較高，因此出現了二次燃燒現象。BL煤在350℃之后，第一個失重峰出峰較早，MD和FJC分別在404℃和389℃開始出現較為明顯的失重峰。煤化程度低的煤樣第一個失重峰出峰更加明顯，隨著煤化程度的升高，第二個失重峰的出峰位置后移，且峰值明顯增大，因為煤中碳含量的增加使煤中易燃組分更晚的燃燒。隨著煤化程度的提高，煤的失重速率明顯加快，燃燒溫度也相應增高，煤樣之間最大失重速率所對應的溫度相差50℃。在600℃以后，可以明顯看到，隨著溫度的升高，各煤樣峰面積越來越小，峰高越來越趨于平緩。

圖2 三種低階煤燃燒DTG曲線

2.2 燃燒化學反應特征參數

以BL煤為例，作圖闡述煤燃燒化學反應各特征溫度的確定方法，如圖3所示。

圖3 燃燒化學反應特征參數的確定

煤在水分蒸發過程發生后，經過一段平穩開始失重的點即為初始反應溫度Ts。著火溫度可以根據TG-DTG曲線來找準[5]：首先在DTG曲線找出最大峰值點，過最大峰值點做垂線并與TG曲線相交，過交點做TG曲線的切線，切線與TG曲線初始水平線段的延長線的交點所對應的溫度為著火溫度Ti。煤的燃燒在水分蒸發后，在DTG曲線上有一個最大峰值點，取最大峰值對應的速率為最大失重速率，最大峰值對應的溫度為最大失重溫度Tmax。煤樣中的可燃部分幾乎完全燃燒對應的溫度即為燃燼溫度Th，也即TG曲線趨于平緩時對應的溫度。

根據以上方法確定的幾種煤的燃燒反應特征參數見表2、圖4。

表2 低階煤燃燒反應特征參數

圖4 低階煤燃燒反應特征溫度

MD煤的起燃溫度最低，BL煤的起燃溫度最高。從著火溫度來看，BL煤的溫度最低，而MD煤的著火溫度最高，與起燃溫度的趨勢相反；從最大失重速率絕對值來看，BL煤的最大失重速率最大，MD煤的最小；FJC煤的最大失重溫度最低，MD煤最高；FJC煤燃燼溫度最低，BL煤燃燼溫度最高。綜合來看，三種煤樣MD、BL煤燃燒性能較好，FJC煤灰分高、熱值低，燃燒性能最差，煤樣燃燒性能優劣與煤的變質程度有直接關聯，煤樣的變質程度越高，燃燒反應所經歷的時間越長。

3 結論

三種煤樣在氧氣氣氛下熱重分析TG共分為三個階段，在第一階段失重量順序為FJC＞MD＞BL，BL、MD、FJC煤分別在溫度為 554℃、569℃、586℃左右燃燒基本完全，在燃燒反應結束時，三種煤的燃燒產物含量與工業分析數據一致。

BL、MD、FJC煤在燃燒主體溫區均出現了二次燃燒現象。FJC煤第一個失重峰更明顯，BL、MD煤第二個失重峰出峰位置后移，且峰值明顯增大，煤中碳含量的增加使煤中易燃組分更晚的燃燒。隨著煤化程度的提高，煤的失重速率明顯加快，燃燒溫度也相應增高。

通過確定燃燒化學反應特征參數可得，MD、BL煤燃燒性能較好，FJC煤灰分高、熱值低，燃燒性能最差，煤樣燃燒性能優劣與煤的變質程度有直接關聯，煤樣的變質程度越高，燃燒反應所經歷的時間越長。