无烟煤燃烧过程的热分析动力学研究

采用同步热分析(TG-DSC)法,分析了升温速率对无烟煤热分解和燃烧过程的影响,利用等转化率法和Malek法确定了各个阶段的最概然机理函数,得到了无烟煤燃烧过程热分析动力学模型。结果表明：升温速率越快,相同温度下煤的失重率越低,燃烬温度升高,着火特征由均相-非均相着火方式向非均相着火方式转变。在较低升温速率下,在碳着火温度之前不但发生了有机物的热分解,还发生部分碳的氧化过程,且氧化反应是限制性环节,遵循的机理为收缩球模型;当升温速率较快时,碳着火点之前遵循SB(m,n)模型,挥发分的热解成为限制性环节。在燃烧阶段,碳表面和内部部分燃烧遵循圆柱形对称三维扩散模型,而稳定燃烧阶段遵循反应级数机理。     

CO_2对煤升温氧化燃烧特性的影响

为了掌握CO2气体防治煤自燃的特性,采用TG-DSC联用分析系统测定煤样在不同CO2体积分数、不同升温速率时反应引起的质量、能量变化,研究CO2对煤升温氧化燃烧过程的影响。通过分析煤升温氧化燃烧过程的TG-DSC曲线,确定了煤氧化燃烧过程的特征温度变化规律,实验表明:煤样变质程度越高,TG曲线越向温度高的方向移动;特征温度T1,T2,T3在不同CO2/空气混合条件下失重曲线差异较小,在失重温度T4时,CO2体积分数越大,其TG,DTG曲线差异越大,着火温度、质量变化速率最大温度点及燃烬温度点延后。CO2体积分数影响了煤样放热强度,CO2体积分数越低,DSC曲线越陡,放热强度越高;CO2体积分数越高,曲线平缓,放热量小,燃烧点放热峰向高温区移动,反应得到了抑制。通过动力学分析计算得出:煤样在空气氛围下的活化能和频率因子均大于在通入CO2气体后,随着CO2体积分数的升高,表观活化能和指前因子减小速度加快,但反应速率常数也减小,表明CO2抑制了煤的氧化燃烧。     

CO2气化反应对O2/CO2气氛中煤焦燃烧特性影响

为探讨CO2气化反应在低氧气体积分数下对煤焦燃烧及燃烬过程的影响,利用热天平对比研究了大同煤焦在O2/N2/和O2/CO2气氛中的燃烧行为,主要探讨CO2气化反应对煤焦富氧燃烧特性的影响。实验结果表明,在5%氧气体积分数下,煤焦在O2/CO2气氛下的燃烧速率要低于O2/N2气氛下。当氧气体积分数降低到2%,且温度高于900 ℃时,在CO2气化反应的作用下,煤焦在O2/CO2气氛中的整体反应速率逐渐高于O2/N2气氛中的燃烧速率,使得燃烬提前。随着环境温度的升高,煤焦在O2/CO2和O2/N2气氛下的反应速率均有所增加,但在O2/CO2中增幅更显著。动力学分析显示,在5%氧气体积分数时,大同煤焦在O2/N2中的活化能要低于O2/CO2中。当氧体积分数减少到2%时,由于高温下煤焦的燃烧和气化反应同时进行,较高的气化反应活化能使得煤焦在O2/CO2中的整体反应活化能有明显增加。     

贫氧条件下煤自燃特性的热重-红外实验研究

为研究煤粉在贫氧条件下的自燃特性,利用TG/DSC-FTIR联用技术测试了顾北气煤在不同氧气浓度气氛下的燃烧放热过程,分析了贫氧条件下特征温度点、TG、DSC曲线的变化规律,通过红外光谱技术研究了CO、CO_2的释放规律,采用积分法计算了活性温度点到着火点的活化能变化规律。研究表明:贫氧条件下,煤氧复合反应仍然能够持续,特征温度点在高温氧化阶段呈增大趋势,TG、DSC曲线向高温区偏移,CO、CO_2的峰值温度升高,增重阶段至燃烧阶段的活化能变化不大。     

油页岩干馏残渣与烟煤混合燃烧试验研究

采用热重分析方法,对油页岩干馏残渣、烟煤及其混合物燃烧特性进行试验研究,考察不同比例混合燃料对着火、燃烬等特性的影响;通过混合燃烧试验TG/DTG曲线与计算各组分加权平均TG/DTG曲线的对比,分析燃烧过程中油页岩干馏残渣与烟煤相互影响的机理;比较混合燃料在不同升温速率条件下的着火、燃烬等特征参数的变化。结果表明：混合燃料中烟煤比例增大,着火温度略有降低,燃烧DTG曲线峰值增大,燃烬温度降低,燃烧特性趋好;混合燃烧相互影响主要发生在燃烧低温段450~645 ℃之间,且燃烧试验DTG曲线峰值大于计算曲线峰值,燃烧稳定性增强;不同升温速率条件下,混合燃料随着升温速率的提高,燃烧着火延迟,反应向高温区移动,DTG曲线峰值增大,综合燃烧特性趋好     

外加高岭石对配煤燃烧特性的影响

以典型动力煤山西无烟煤和韩城瘦煤为原料,采用化学脱矿、热重分析等方法研究了外加高岭石对配煤燃烧特性的影响。结果表明,随高岭石含量的增加,配煤的TG曲线逐渐变得平缓,最大失重速率减小,降幅达40%;高岭石添加量为10%时,配煤的着火点有最低值328℃,较原配煤降低21℃,之后呈上升趋势,但都低于原配煤的349℃;配煤的最大燃烧速率减小,峰值温度增大,燃尽率及转化速率降低。高岭石的存在阻碍了配煤前期的燃烧反应但有利于后期的燃尽。     

混煤燃烧过程中的交互作用：机理实验研究与数值模拟

为深入研究混煤燃烧过程中的交互作用机理,在沉降炉上进行了贫煤和烟煤不同配比混煤(贫煤掺混烟煤比例0,25%,50%,75%,100%)燃烧特性的实验研究与数值模拟。结果表明,混煤燃烧过程中易燃煤对混煤燃烧的促进和抑制2种交互作用的竞争决定了混煤的燃烬特性,促进作用表现为烟煤优先燃烧,提高了燃烧初期的局部温度,促进了难燃煤的着火与燃烧;抑制作用则表现为易燃煤抢先燃烧消耗了大量氧气,导致难燃煤燃烧处于欠氧状态,阻碍了难燃煤的燃烧与燃烬。由于煤种差异大,交互作用影响明显,混煤实际燃烬率与计算线性燃烬率差异较大。掺混25%易燃煤时,促进作用在混煤燃烧中占主导地位,燃烬率高于按掺烧比例线性计算得出的计算线性燃烬率;当掺混50%易燃煤时,混煤燃烬率的出现“拐点”;进一步增加至75%时,抑制作用在混煤燃烧中占据主导地位,燃烬率明显降低。混煤燃烧NOx排放量与计算线性NOx计算值比较接近,其随着易燃煤的掺烧比例的增加而线性增加。     

Fe2O3对生物质焦燃烧特性的影响

利用热重分析天平,通过对不同Fe2O3含量的生物质焦样品的燃烧特性曲线分析,研究了Fe2O3对生物质焦燃烧性能的影响,考察了不同Fe2O3含量的生物质焦样品的着火温度、最大反应速率和燃烬温度等燃烧特性参数。结果表明:Fe2O3添加量为0.5%时,对生物质焦的燃烧起促进作用;Fe2O3含量高于0.5%时,对生物质焦的燃烧可起到抑制作用。     

蔚州长焰煤热解特性及热解动力学研究

通过非等温热重试验,对不同温度及升温速率下,蔚州长焰煤热解特性及动力学参数的变化规律进行分析,研究结果表明:随升温速率升高,长焰煤在对应温度点的失重率先减小后增大,此时同一温度段内的活化能先升高后降低。同一升温速率下,不同温度段的反应级数也不完全相同,且随温度段升高,煤的热解反应活化能及指前因子均呈下降趋势。同时,得到变升温速率下活化能与指前因子之间的线性关系式,验证了二者之间的补偿效应。     

基于活化能的煤的自燃倾向性研究

针对现阶段我国鉴定煤自燃倾向性方法的不足,分析了活化能判断煤自燃倾向性的可能性。运用热重法分析煤样活化能,通过讨论2种热分析动力学方法的优缺点,决定应用多重扫描率法中的Starink法对3条不同升温速率(5、10、20℃/min)下的煤样热动力参数进行计算。研究表明煤样活化能在反应转化率范围内先变小后增大,其氧化燃烧反应是一个复杂的多步反应。最终通过分析同一煤样不同升温速率下的着火点,发现虽然3个着火点温度不同,但其对应的转化率均接近于一定值,所以选取此定值转化率下的活化能即着火点活化能作为鉴定煤的自燃倾向性的指标。     

生物质与煤混烧燃烧特性参数研究

应用TG-DTG热重分析方法研究分析煤与生物质的混合燃烧过程,考查了生物质占比、O2浓度、升温速率对煤与生物质混合燃烧特性参数的影响。结果表明,生物质掺入煤中可以改良原煤的燃烧性能,增加生物质占比、O2浓度、升温速率都可以改善煤的着火性能、燃尽性能及综合燃烧性能,有助于燃烧的进行。     

煤的自燃倾向性新分类方法

应用热重分析仪实验研究了神东矿区不同层位和不同工作面煤的自燃特性,结果表明：煤氧化燃烧过程分为3个阶段,即升温失水失重阶段、升温增重氧化阶段、升温燃烧失重阶段.对应3个阶段的活化能分别为失水活化能、着火活化能和燃烧活化能.着火活化能是指从增重开始到增重结束转为失重的拐点处阶段的活化能,以煤的着火活化能判定煤炭的自燃难易程度的新方法.着火活化能越小煤样越容易自燃,着火活化能越大煤样越不易自燃.     

超细煤粉着火特性的热重分析

采用热重法,分析了粒度、升温速率和氧气浓度对超细煤粉着火特性和燃烧特性的影响.实验结果表明,减小煤粉粒度,增大氧气浓度有利于降低煤粉着火温度,增大煤粉的燃烧速率,提高超细煤粉燃烧性能.升温速率对煤粉的燃烧特性也有影响,随着升温速率的提高超细煤粉的着火温度升高,最大失重速率增大,最大失重速率对应的温度升高.     

添加剂对煤粉-污泥混合燃烧特性的影响及动力学

采用热重分析法考察污泥、煤粉以及两者混合样品的燃烧特性,通过着火温度(Ti)、燃尽温度(Tb)以及综合燃烧特性指数(S)的变化,进一步研究添加剂对污泥-煤粉混合燃烧特性的影响,并探讨催化燃烧机理。结果表明:添加污泥能够降低煤粉的Ti,加速煤粉热解燃烧,改善煤粉的燃烧性能;但当污泥掺混比10%时,混合样品的最大失重速率降低,Tb升高,综合燃烧性能S变差。CaO,Na_2CO_3能够促进挥发分析出燃烧,并带动后续固定碳的燃烧,因此混合样品的燃烧速率提高,燃烧时间缩短,综合燃烧性能改善;MnO_2,Fe_2O_3对混合样品的无明显催化作用,且降低了混合样品的最大燃烧速率。同时,动力学分析表明添加CaO,Na_2CO_3能够减小燃烧体系的活化能,而添加MnO_2和Fe_2O_3对混合样品的表观活化能无明显影响。     

多场耦合下煤堆自燃过程及影响因素分析

为研究煤堆自燃特征及发火规律,建立了风力和浮力驱动下煤堆的多场（速度场、温度场和氧气浓度场）耦合自然发火模型,并运用COMSOLMultiphysics软件对煤自燃的过程及其影响因素进行了数值模拟分析。研究结果表明：在风速3．6m／h条件下,煤堆自燃最高温度点位于进风侧的煤堆中下部,最终于第65d在此位置开始自燃;随着风速的增大,煤堆自然发火点往风流的下方向迁移,自然发火周期缩短;煤堆孔隙率、高度和角度的减小能延长煤堆的自然发火周期。     

最低点火温度条件下煤粉自燃特性试验研究

火电厂及煤化工行业中需要将原煤加工成煤粉,煤粉在制备及输送过程中具有粒度小、环境温度高和供氧条件充分等特点,易发生自燃现象。最低点火温度Tm指在一定条件下煤粉能够发生自燃的最低环境温度,是衡量煤粉自燃危险性的重要参数。因此,研究煤粉在最低点火温度下的自燃特性参数及热动力学行为,对了解在最低点火温度时煤粉自燃行为、建立相应的预警机制具有重要意义。以3种不同变质程度的煤粉(张家卯弱黏煤ZJM、兖州气煤YZ和长治贫瘦煤CZ)为研究对象,采用油浴程序控温试验装置对煤样自燃特性进行测试,确定了3种煤粉的Tm和延迟点火时间ti;得出最低点火温度下各煤样耗氧速率、CO及C2H4产生量的变化规律;采用热动力学分析方法计算了3种煤粉的表观活化能。试验结果表明:①ZJM、YZ和CZ煤粉的最低点火温度分别为120、130、164℃,随变质程度的增加而增加;煤的变质程度越高,内部活性基团数量越少,自燃需要热量更多,导致高变质程度煤的最低点火温度较高;3种煤粉在最低点火温度处的延迟点火时间均约为20 min。②耗氧速率呈现出先增加后缓慢减少的趋势,在试验后期由于氧气浓度较低,引起煤粉氧化反应强度降低,最终导致耗氧速率出现缓慢下降;最低点火温度处的CO产生量随时间呈现出先升高后降低趋势,当煤粉温度约120℃时,产生C2H4。③最低点火温度处ZJM、YZ和CZ煤粉的表观活化能分别为24.33、29.50和18.67 kJ/mol,其中变质程度最高的CZ煤粉的表观活化能低于另外2个煤样,这表明高变质程度煤样的最低点火温度高,初期氧化反应速率较高。     

燃煤过程中添加剂的作用机理研究

从煤炭的燃烧过程出发，分析了燃煤过程中热值低的主要原因。通过实验测定、理论计算和文献查找，证明添加剂能够降低燃点、促进燃烧、增加热值，并提出了添加剂的作用机理。添加剂一方面促进煤的盐基交换，使煤成为着火性能较好的腐植酸盐，另一方面使煤分子断裂成相对较小的分子，有利于析出挥发分和煤的热传导。同时使用不同的添加剂，可以在不同温度下释放出活性氧，有利于煤的完全燃烧。添加剂的作用机理为添加剂的研究提供了理论指导。     

置于楔形热板上的煤自燃特性数值模拟

基于着火和阴燃蔓延两步化学反应,构建了煤自燃楔形热板模型,考虑了热对流以及热辐射,研究了置于楔形热板上的煤自燃特性。首先进行了模型可靠性验证,之后对楔形热板上的煤样自热温度特性、自热过程的多物理参数的变化以及最敏感点火位置进行研究。研究结果表明:构建的数值模型与实验结果有较好的一致性,楔形热板上的煤样发生热失控的临界温度为193 ℃;随着热板温度的升高,最小点火时间逐渐缩短,呈线性递减趋势;煤体温度、氧气体积分数以及气体产物体积分数变化均提前,氧气以及气体产物在发生热失控瞬间迅速变化;未发生热失控时,最敏感点火位置的高度随热板温度升高而增加;发生热失控时,最敏感点火位置的高度随热板温度降低而减小。     

神木煤与半焦混合燃烧特性的热重分析

焦粉与煤混合燃烧是高效处理焦粉的有效方法之一,对选用的焦粉和煤样按照不同的比例进行混合,考察煤焦混粉发热量的变化规律,并利用热重分析法对各煤焦混粉样品的着火温度、最大反应温度、燃尽率及燃尽温度等燃烧特性进行了研究。试验结果表明,随着掺焦比的增加,煤焦混粉的着火温度略有升高,发热量增大,最大反应温度增大,燃尽率下降,而燃尽温度变化不大。     

煤矿火区管治中采场调压数学模式的作用分析

基于工作实践,分析了煤矿火区管治中采场自然发火的充分必要条件,并着重介绍了调压数学模式在煤矿火区管治中的作用,描述具体的发火预防措施以及具体的发火治理措施。调压数学模式能够确定采场自然发火的可能性,预测采场自然发火的位置。