全 文 :第 42卷第 10期
2008年 10月
浙 江 大 学 学 报(工学版)
Journal o f Zhejiang Univ ersity(Engineering Science) Vol.42 No.10Oct.2008
收稿日期:2008-02-18. 浙江大学学报(工学版)网址:www.journals.z ju.edu.cn/ eng
作者简介:赵卫东(1980-),男,河北石家庄人 ,博士生 ,从事水煤浆制备及燃烧的研究.E-mai l:w eidong80@zju.edu.cn
通讯联系人:刘建忠,男 ,教授 ,博导.E-mail:jz liu@zju.edu.cn
DOI:10.3785/ j.issn.1008-973X.2008.10.028
水焦浆/水煤浆燃烧特性对比研究
赵卫东 ,刘建忠 ,周俊虎 ,张保生 ,张传名 ,岑可法
(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室 , 浙江 杭州 310027)
摘 要:采用热重分析仪研究了水焦浆的着火 、燃烧特性 , 并与兖州烟煤水煤浆 、贵州无烟煤水煤浆进行了对比;通
过 TG-DTG法确定燃烧特征温度;采用 F lynn-Wall-Ozawa 法进行反应动力学分析.结果表明 ,水焦浆的着火和燃
尽温度界于烟煤水煤浆和无烟煤水煤浆之间;随升温速率的升高 , 各样品的着火 、燃尽温度升高 , 说明燃烧反应向
高温区转移;可燃性指数随升温速率升高 , 表明燃烧特性提高;由动力学分析知 ,在同一转化率下 ,水焦浆的活化能
低于烟煤水煤浆和无烟煤水煤浆;水焦浆具有着火难 ,但一旦着火 , 燃烧反应剧烈的特点.
关键词:水焦浆;水煤浆;热重分析;燃烧特性;动力学分析
中图分类号:TK16 文献标识码:A 文章编号:1008-973X(2008)10-1795-06
Combustibility of petroleum coke water slurry compared
with coal water slurry
ZHAO Wei-dong , LIU Jian-zhong , ZHOU Jun-hu , ZHANG Bao-sheng ,
ZH ANG Chuan-ming , CEN Ke-fa
(State Key Laboratory o f Clean Energy Uti liz ation , Zhej iang University , Hangz hou 310027 , China)
Abstract:The ignit ion and combust ion characteristics of pet roleum coke w ater slur ry (PCWS)were studied
by the rmog ravimetric apparatus , and its combustibi li ty w as compared w ith that of the coal w ate r slur ry
(CWS)samples made by Yanzhou bi tumini te and Guizhou anthraci te.The igni tion temperature w as ob-
tained by TG-DTG method and the react ion kinetics w as analy zed w ith Flynn-Wall-Ozaw a method.Results
show that the ignit ion and burnout temperatures of PCWS are larger than Yanzhou bituminite CWS , while
smaller than Guizhou anthracite CWS;the ignition and burnout temperatures g row higher as the heat ing
rates become larg er , which means the combustion process t ransfers to a higher-tempe ra ture zone;the inte-
g ration index becomes la rg er , which indicates the combustibility turns bet ter.The dynamic analysis show s
that the act ivation energy of PCWS is lowe r than that of Yanzhou bituminite CWS and G uizhou anthraci te
CWS at a certain conversion rate;the PCWS has the characteristic of being difficult to light w hile burning
tempestuously once it is ignited.
Key words:petro leum coke w ater slurry (PCWS);coal w ater slurry (CWS);thermogravimetry;combus-
tibi li ty;dynam ic analysis
石油焦是一种炼油副产品 ,我国目前年产量约
900 ~ 1 000万吨.优质石油焦主要用来制造石墨电
极 ,而劣质石油焦由于热值高 ,常作为燃料利用 ,特
别是近年来经济快速发展对能源需求增加 ,石油焦
能源化利用已受到广泛重视.目前燃料型石油焦多
采用国外的循环流化床技术 ,但投资和运行费用相
当高;国内也在开发流化床燃烧石油焦技术 ,但需要
进一步完善 ,其炉前设焦场 、破碎等干法制粉系统 ,
对环境要求较高.
水焦浆是近年发展起来的石油焦粉 、水及少量
添加剂组成的混和液态燃料 ,能象重油一样流动 、储
存和雾化 ,可作为石油的替代或补充燃料 ,已成为石
油焦有效清洁利用的重要途径.然而水焦浆与常规
烟煤水煤浆相比 ,具有挥发分低 ,着火不易 、燃尽困
难等特点 ,因此研究水焦浆的着火燃烧特性对有效
利用水焦浆具有指导意义.
对石油焦的研究 ,相关论文报道较少 ,对水焦浆
的研究更少.周军等人[ 1]对石油焦粉利用热天平分析
研究了其燃烧特性.沈伯雄等人[ 2] 指出石油焦着火 、
燃尽温度与颗粒直径有关.Smith[ 3] 研究了石油焦粉 、
无烟煤粉以及烟煤煤焦在 1 200 ~ 2 270 K温度范围
内的燃烧情况 ,指出样品颗粒随燃烧反应不断收缩 ,
并且燃烧速率同时受扩散控制以及反应动力学控制.
另外 ,利用石油焦孔隙多 ,比表面积大的特点 ,Galvez
等人[ 4] 尝试将石油焦燃烧后的灰作为催化剂载体 ,负
载活性物质 ,研究其脱除氮氧化物的性能.在水焦浆
方面 ,Vitolo 等人[ 5] 发现加入少量石油焦粉可以明显
改善水煤浆的流变特性.熊源泉等人[ 6] 利用热重分析
仪研究发现 ,水焦浆的燃烧速率与石油焦粉相当 ,小
于烟煤煤粉的燃烧速率.蔡崧等人[ 7] 采用旋风预燃室
考察了水焦浆以及石油焦粉的燃烧特性 ,发现由于前
者含有较高的水份 ,水份的蒸发将吸收大量汽化潜
热 ,使水焦浆比石油焦粉难着火 ,并且火焰长度 、飞灰
含碳量也高于后者.
本文采用热天平 TG-DTG-SDTA 方法对水焦
浆的燃烧特性进行较详细的研究并与水煤浆对比 ,
获得水焦浆燃烧特性参数 ,为其工程应用提供基础
和参考;同时还采用 Flynn-Wall-Ozaw a法进行反应
动力学分析 ,得到了样品活化能随反应深度(转化
率)的变化关系.
1 实验部分
1.1 实验装置和方法
采用瑞士 MET TLER-TOLEDO 的 TGA/SD-
TA851 系统对样品进行热分析 , 温度最高可达
1 600 ℃;升温速率最高可达 100 ℃/min.实验时分
别以12.5 、33.3和 50 ℃/min升温速率将样品由30
℃加热到 900 ℃.反应气氛为空气 ,体积流量为 50
mL/min;保护气为氮气;为减少传质输运阻力[ 8] ,水
焦浆 、水煤浆样品用量 10 ~ 14 mg.采用英国Maste-
rsizer 2000激光粒度仪对样品的粒度进行分析 ,用
德国 Thermo 公司生产的 HAAKE V T550型黏度
计对样品的黏度进行测定 ,用美国康塔公司生产的
氮吸附仪测定样品的孔隙结构参数.
1.2 实验样品
实验使用的石油焦产自山东 ,原煤样分别为贵
州无烟煤和兖州烟煤 ,其空气干燥基工业分析 、元素
分析见表 1.
表 1 原煤样以及石油焦样的分析数据
Tab.1 Analy sis data of parent coal and pe troleum coke
样 品 工业分析 wB
M A V FC
元素分析 w B
C H N S t O
Qnet/(kJ· kg -1)
石油焦 0.86 3.04 10.60 85.50 85.63 3.11 1.03 6.27 0.06 36 451
贵州无烟煤 1.64 28.62 8.58 61.16 59.36 3.88 1.18 4.29 1.03 24 583
兖州烟煤 1.15 20.39 28.61 49.85 64.14 4.25 1.29 0.70 8.08 25 970
分别将石油焦粉或煤粉和水按浓度配比 ,添加适
量的添加剂(安阳双环添加剂厂),放入小型球磨机中 ,
在相同装球率和相同磨矿时间的条件下 ,进行湿法制
浆.制得水焦浆 、水煤浆样品的特性参数见表 2.表中 ,
黏度η为在100 s-1剪切速率下测得的平均黏度值.
表 2 水焦浆 、水煤浆的特性参数
Tab.2 Charac te r pa rameters of CWS and pe troleum coke
water slurry
样 品 w B/ % η/(mPa· s) 平均粒径/μm
水焦浆 68 970 38.3
贵州无烟煤水煤浆 67 505 40.1
兖州烟煤水煤浆 65 651 58.9
2 实验结果与讨论
2.1 水焦浆 、水煤浆的热重分析
图 1 ~ 4 中各曲线数据是在升温速率为 12.5
℃/min条件下得到的 ,图中 t 为参比温度.如图 1
所示 ,水焦浆 、水煤浆含有大量的水分 ,在热失重的
初期 ,有一个明显且迅速的失水阶段(包括内在水),
这一过程在 100 ℃内完成;失水阶段完成后 ,各样品
的质量达到其初始样品的质量分数值(水焦浆
68%、烟煤水煤浆 65%、无烟煤水煤浆 67%).随着
温度的继续升高 ,样品经历挥发份着火燃烧 、固定碳
1796 浙 江 大 学 学 报(工学版) 第 42 卷
着火燃烧阶段 ,质量迅速减少 ,最终样品质量保持不
变 ,此时对应各自的灰份质量分数.
图 1还显示失水阶段之后 ,水焦浆再次失重开
始的着火过程比烟煤水煤浆晚;而比无烟煤水煤浆
略早 ,这是因为样品的挥发份质量分数不同 ,燃料的
挥发份质量分数越高 ,燃料着火所需温度越低 ,着火
越早 ,与表 1中各样品的挥发份质量分数相吻合.从
图 1还可以看出 ,水焦浆在失水阶段后 ,着火燃烧前
有一个较为明显的增重阶段 ,水煤浆同样存在这一
现象 ,只是没有水焦浆明显 ,这与样品的孔隙结构特
性有关 ,石油焦具有较多的孔隙;而增重现象是样品
吸附氧气 ,并发生表面氧化[ 9] 的结果.样品的增重过
程对应图 2 ~ 4中 DTG曲线的 BC阶段.
图 2 ~ 4中均有 3条曲线:一条是失重速率 v DTG
曲线 ,一条是差热 t SDTA曲线 ,另一条是样品温度 ts
曲线;图中 2 条水平虚线分别代表 DTG 和 SDTA
曲线的基线;图中 A 点表示 SDTA 曲线由负变正 ,
即由吸热到放热过程的转折点;B 点是与 A 点同一
参比温度下 DTG 曲线上对应的点;C点表示 DTG
曲线着火前增重过程的结束 ,并对应 SDTA 曲线上
同一温度时的一个拐点 ,从这一时刻开始出现明显
的失重 ,并释放出大量的热量 ,随后达到 DTG 失重
曲线和SDTA 差热曲线的峰值 ,如图 2 ~ 4 ,DTG曲线
和 SDTA 曲线峰值温度基本上对应一致.
样品在 C点之后开始发生剧烈的热分解反应 ,
产生的气体脱离样品表面 ,并在其附近发生氧化放
热反应 ,使 SDTA 曲线放热趋势增强;随热解反应
的加速 ,以及挥发份析出不断增加 ,温度继续升高 ,
形成了挥发份燃烧放热峰 ,对应图 2 ~ 4 中 SDTA
曲线上放热峰之前出现的内包峰 ,烟煤水煤浆的
SDTA 内包峰比无烟煤水煤浆和水焦浆明显 ,这是
因为烟煤的挥发份质量分数较高(28.61%),无烟煤
和石油焦的挥发份质量分数较低;挥发份燃烧后期
伴随焦炭燃烧过程 ,并形成主要的放热峰 ,其峰值位
置对应燃烧速度最大 、燃烧反应最剧烈时刻的温度 ,
对应 ts 曲线上的特征点 D ,由于焦炭剧烈燃烧释放
出大量热量 ,样品温度曲线在 D 点附近发生较为明
显的弯曲变形.
另外 ,由于石油焦含碳质量分数大 ,热值高 ,燃
烧释放的热量相应较大 ,如图 2 所示 ,其 SDTA 的
峰高明显大于图 3 、4中烟煤和无烟煤的放热峰 ,其
SDTA曲线峰下面积也较大.
2.2 着火温度 、燃尽温度以及燃烧特性指数
关于着火温度 ,一般采用 TG-DTG 联合定义
法[ 1] ,具体操作是在 DTG 曲线上 ,过峰值点 A 作垂
线与 TG曲线交于一点 B ,过 B 点作 TG 曲线的切
线 ,该切线与失重开始时的平行线相交于 C , C点对
应的温度即为着火温度 ,如图 5所示.
采用燃烧特性指数 S 来分析水焦(煤)浆的燃
烧和燃尽特性[ 10]
1797第 10期 赵卫东 ,等:水焦浆/水煤浆燃烧特性对比研究
图 5 TG-DTG法定义着火点温度
Fig.5 Ignition temperature difined by TG-DTG method
S=K max ×Kmean/ t2i/ th . (1)
式中:K max为最大燃烧速率 , K mean为平均燃烧速率 ,
ti 为着火温度 , th 为燃尽温度.
将 DTG 曲线得到的最大失重速率作为最大燃
烧速率 ,并将样品从失重开始时刻到失重结束时刻
的失重速率数据求平均得到平均燃烧速率 ,将得到
的最大燃烧速率和平均燃烧速率与初始质量 G 相
比得到最大比燃烧速率 K′max以及平均比燃烧速率
K′mean ,并替换式(1)中的最大燃烧速率和平均燃烧
速率进而得到修正的综合燃烧特性指数 S′.
将得到的水焦浆 、烟煤水煤浆 、无烟煤水煤浆的
升温速率 β 、ti 、t h 、K′max 、K′mean及 S′汇总于表 3.
表 3 燃烧特性指数
Tab.3 Combustibility pa rameters
样品 β/(℃·
min-1) ti/ ℃ th/ ℃
K′max/
min-1
K′mean/
min-1
S′/ 109
12.5 461 645 0.083 0.015 0.009 2
水焦浆 33.3 493 766 0.135 0.041 0.029 8
50.0 504 877 0.153 0.063 0.043 0
12.5 436 604 0.071 0.013 0.007 8烟煤水
煤浆 33.3 440 750 0.115 0.034 0.027 2
50.0 450 822 0.132 0.053 0.042 0
12.5 521 671 0.096 0.012 0.006 7无烟煤
水煤浆 33.3 537 802 0.133 0.034 0.019 6
50.0 551 884 0.162 0.052 0.031 2
由表 3可知 ,不同样品随 β的提高 ,各项燃烧特
性指数都有所提高 ,原因分析如下:
1)在热天平加热条件下 ,样品挥发份的析出随
升温速率的升高有所延迟 ,挥发份着火以及随后的
焦炭着火相应延迟 ,表现为样品开始失重的温度升
高 ,如图 6所示;因此随升温速率的升高 ,煤的着火
或热解初始温度 、失重峰温度以及终止温度都会向
高温区迁移 ,他人的研究也有同样结论报道[ 1 , 11] .
2)随升温速率的升高 ,虽然平均燃烧反应速
率增大 ,但样品燃尽需要足够的时间 ,又因为燃烧反
应速率增加程度不及温升速率快 ,从而表现为燃尽
温度提高.
图 6 水焦浆在不同升温速率下的失重曲线
Fig.6 Weight loss of PCWS a t diffe rent heating rates
从表 3中还可看出 ,随升温速率的提高 ,最大比
燃烧速率和平均比燃烧速率也有所提高 ,说明燃烧
反应加快 ,最大失重速率对应 DTG 曲线的最大峰 ,
是失重速率最大点 ,最大失重速率的提高表明燃烧
反应的剧烈程度增加;平均比燃烧速率的提高 ,意味
着燃烧过程完成的时间缩短.S′是着火和燃尽的综
合指标 ,随升温速率的升高 ,其值也相应提高.
表 3还表明 ,在同一升温速率下 ,水焦浆的着火
温度比烟煤水煤浆高 ,但比无烟煤水煤浆低 ,原因是
石油焦挥发分质量分数低于烟煤而高于无烟煤(见表
1);在燃尽温度方面 ,水焦浆也是界于烟煤水煤浆和
无烟煤水煤浆之间 ,即水焦浆和无烟煤水煤浆都具有
难着火和难燃尽的特点 ,但从平均比燃烧速率和可燃
性指数来看 ,水焦浆优于烟煤水煤浆和无烟煤水煤
浆 ,说明一旦水焦浆着火 ,其燃烧反应将非常剧烈 ,其
剧烈程度甚至超过烟煤水煤浆 ,其原因在于:
1)石油焦 、烟煤以及无烟煤粉的孔隙结构有差
异 ,燃烧反应与这些微观结构有直接关系;3 种样品
初始孔隙参数见表 4.如表 4所示 ,石油焦孔容积较
大 ,其孔隙相应较发达;其平均孔径较大说明含有一
定数目的中孔或大孔 ,在焦炭燃烧阶段 ,燃烧反应同
时受扩散控制和动力学控制 ,这些大孔或中孔为氧
分子向焦炭表面输运提供了路径[ 12-13] ,有利于反应
速率的提高.另外 ,在热天平燃烧反应条件下 ,随样
品水分的蒸发以及挥发份的析出燃烧 ,样品的孔隙
结构将会发生变化 ,表 4 中各参数也会发生相应改
变 ,而样品的平均比燃烧速率主要受这些变化
的影响.
表 4 样品初始孔隙结构参数
Tab.4 I nitial po re structure parameter s
样 品 孔容积/(mL· g -1) 平均孔径/ nm
石油焦 0.019 6 27.8
兖州烟煤 0.018 1 19.5
贵州无烟煤 0.019 1 12.1
1798 浙 江 大 学 学 报(工学版) 第 42 卷
2)石油焦和煤粉在燃烧过程中孔隙结构变化
过程不同.石油焦在燃烧过程中比表面积和孔容积
均是先变大 ,然后略有减小 ,后再增大 ,这可能与石
油焦本身的物质组成及其本身的可塑性有关[ 14-15] ,
致使燃烧反应的表面活性位一直保持充足;相比之
下 ,在煤粉颗粒在燃烧过程中 ,比表面积和孔容积先
变大 ,后变小 ,这主要是由于煤中水分蒸发以及挥发
份的析出 ,首先增加了煤粉颗粒的多孔性 ,但随着燃
烧反应的进行 ,煤粉颗粒的孔结构发生了合并 、崩
塌[ 16-17] ,从而破坏了氧气输运的路径 ,进而减少了比
表面积 ,表面活性位也相应减少.
3)灰份的影响.由表 1可知 ,石油焦灰份的质
量分数比兖州烟煤和贵州无烟煤小得多.随燃烧反
应的进行 ,在煤粉颗粒表面会形成灰层或灰壳 ,在高
温反应区 ,这些灰层会明显阻碍氧气向可燃物扩散.
研究表明 ,实际燃烧有效表面积与灰份的质量分数
成反比 ,即不同样品燃料的燃烧反应速率随其灰份
质量分数的增加而降低[ 18] .
4)粒径的影响.如表 2所示 ,水焦浆的平均粒
径比烟煤水煤浆和无烟煤水煤浆小 ,较小的粒径有
利于燃烧反应的进行.
3 动力学分析
动力学研究较多采用单条热失重曲线 ,如用
Coats-Redfern法得到动力学参数[ 19] ;Cao 等人[ 20]
通过研究指出 ,采用多条升温速率曲线确定动力学
参数的方法更为合理.本文采用多条升温速率曲线
的 Flynn-Wall-Ozaw a法.
3.1 转化率模型
通过热重曲线的数据 ,可以得到燃烧反应某一
时刻的转化率 a(反应深度):
a=(m0 -m)/(m0 -m1). (2)
式中:m0 为样品起始质量 , m 为某时刻样品质量 ,
m1为失重结束时样品质量.
3.2 Flynn-Wall-Ozawa法求解活化能[ 21]
lg β=lg (A×E/R/G(a))-2.315-0.456 7×
E/R/ T. (3)
式(3)即为 Flynn-Wall-Ozawa 法的表达式 ,由不同
升温速率 βi 的 TG 实验数据 ,在相同的 a下 ,找到
相应的温度 T i ,则 lg βi 与 T i 可以拟合得到一条直
线 ,由其斜率可以得到活化能 E ,并且可以得到 E
随a 的变化关系 ,如图 7所示.
由图 7 可见 ,水焦浆 、烟煤水煤浆和无烟煤水
煤浆的活化能随反应进行 ,逐渐减小;另外 ,同一转
图 7 Flynn-Wall-Ozawa 法得到的样品 E随 a 的变化
F ig.7 Activa tion energ y versus conver sion r ates by F ly-
nn-Wall-Ozawa method
化率对应的活化能 ,水焦浆小于烟煤水煤浆和无烟
煤水煤浆 ,说明在热重实验条件的燃烧反应中 ,水焦
浆反应活性优于烟煤水煤浆和无烟煤水煤浆 ,其燃
烧反应的剧烈程度最强 ,这与表 4中水焦浆的平均
比燃烧速率高于烟煤水煤浆和无烟煤水煤浆的结论
相一致.
4 结 论
(1)热重实验中水焦浆 、水煤浆样品随温度的升
高 ,都经历了失水 、表面吸附氧化增重 、挥发份析出燃
烧 、焦炭燃烧燃尽 4个阶段.由于水焦浆的热值较高 ,
其 SDTA 峰值最大 ,峰下包围面积也最大;烟煤水煤
浆含有较高质量分数的挥发份 ,在其SDTA 放热峰之
前出现明显的内包峰 ,对应挥发份的燃烧放热.
(2)水焦浆的着火温度和燃尽温度界于烟煤水
煤浆和无烟煤水煤浆之间;
(3)样品的燃烧特性参数(着火温度 、燃尽温
度 、可燃性指数等)都随升温速率的提高而升高 ,表
明燃烧反应向高温区转移 ,升温速率的升高有利于
样品燃烧反应的进行.
(4)石油焦和煤粉的孔隙结构存在差异 ,并且
随燃烧反应的发生 ,由于石油焦和煤粉的孔隙结构
以及比表面积变化趋势不同 ,结合灰份和粒径等影
响 ,导致水焦浆的燃烧比烟煤水煤浆和无烟煤水煤
浆剧烈.
(5)Flynn-Wall-Ozaw a 动力学分析表明 ,燃烧
过程中 ,在同一反应深度(转化率)下 ,水焦浆的活化
能低于烟煤水煤浆和无烟煤水煤浆.
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