基于非等温热重法的煤粉燃烧特性研究

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近年来,我国无烟煤的储量急剧降低,高炉喷吹用煤种类不断增多,煤质的结构差异越发明显,导致掺混后混煤的燃烧性能难以预测,而且不同因素对喷吹效果造成的影响也不尽相同。同时,随着喷煤比不断攀升,煤灰结渣对高炉风口产生更严重的影响,所以在探究混煤燃烧性能的同时也要兼顾煤灰对高炉喷吹的影响。本文首先对所选煤种的官能团结构与碳素结构进行分析。结果表明,在煤样官能团结构分析中发现,三种煤样存在的官能团结构十分相近,只是煤样中脂肪烃(CH2、CH3)的振动形式存在差别,其中YQ和HLL属于对称伸缩振动,TSH为剪切振动。在煤样碳素结构分析中发现,TSH煤样的变质程度最高,YQ煤样分子结构的缺陷程度更高;相比较HLL煤样,YQ和TSH煤样大分子结构中芳香环含量较高,芳香型碳的富集程度较大,芳香层的排列有序化程度较高,侧链及杂原子含量较低。探究不同因素对混煤燃烧性能影响中发现,TSH煤样掺混粒径越小,TH表现出的燃烧性能更好,而YQ煤样随粒径变化,YH燃烧行为更加均匀;在较高升温速率下,YH表现出更好的燃烧性能,而TH混煤在低加热速率下的燃烧效果更明显;随富氧浓度的提高,烟煤与无烟煤间的催化作用减弱,其中对YH独立燃烧性能的影响更为明显。对比不同因素下混煤试样的特征指数发现,升温速率对混煤燃烧性能的影响更大,其中TH与YH混煤的燃烧时间t分别缩短了36.1和67.1min,S值分别从5.49×10-10、3.73×10-10min-2·℃-3增加到36.48×10-10、37.12×10-10min-2·℃-3。不同升温速率对混煤燃烧动力学影响的研究中发现,HT和HY混煤试样通过RPM模型拟合后的相关系数R2(>0.990和0.982)更大,标准误差RMSE(<0.13%和0.16%)更小,更适合描述混煤的燃烧过程。同时发现,较高升温速率下,HY混煤的活化能E(13.01kJ·mol-1)远低于HT(18.65kJ·mol-1),所以在较高升温速率下HY混煤燃烧性能更好。在混煤灰结渣特性研究中发现,煤灰熔融过程中主要出现三个失重峰,第一阶段主要由菱铁矿的分解产生;第二阶段主要是碳酸盐和硫酸铁分解形成CaO和Fe2O3;第三阶段的失重量最大,其质量损失产生包括:温度大于1100℃时,灰分中CaSO4和Al2(SO43等硫酸盐在高温下的分解;温度超过1200℃时,灰分中的氧化物与硅酸盐发生固态反应,形成铁橄榄石(2FeO·SiO2);以及温度大于1300℃时,煤灰中存在白榴石(KAlSi2O6)与石英(SiO2)反应形成钾长石(K2O·Al2O3·6SiO2)。同时,从灰熔点以及灰熔融过程的变形曲线可知,随着温度的升高,AYH煤灰在1311℃率先达到变形温度,并于1377℃达到流动温度;而ATH煤灰在1350℃才出现轻微变形,且软化速度缓慢,流动温度大于1500℃。结果表明,ATH的灰熔点比AYH煤灰高,更有利于改善风口前的结渣性能。
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