混煤燃烧KAS动力学分析_李姣

煤燃烧反应活化能计算方法的研究
毛晓飞;陈念祖
【期刊名称】《电站系统工程》
【年(卷),期】2007(23)3
【摘要】采用多重扫描速率法中的Flynn-Wall-Ozawa方法对3种煤燃烧反应的活化能进行研究。

发现计算出来的u(u=E/RT)并不完全落在区间[20,60]内,然而20≤u≤60是Flynn-Wall-Ozawa方法中的重要前提条件。

所以对Flynn-Wall-Ozawa方法进行了改进,将20≤u≤60改为10≤u≤30。

采用改进后的方法对3种煤的燃烧反应的活化能重新进行了计算,计算出来的u完全落在区间[10,30]内。

【总页数】3页(P15-17)
【关键词】反应动力学;活化能;热分析;燃烧
【作者】毛晓飞;陈念祖
【作者单位】江西省电力科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TK16
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㊀第46卷第2期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.46㊀No.2㊀㊀2021年2月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYFeb.㊀2021㊀不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性裴㊀蓓1,张子阳1,潘荣锟1,余明高2,陈立伟1,温小萍1(1.河南理工大学煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南焦作㊀454003;2.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆㊀400044)摘㊀要:在全透明有机玻璃管道中,利用同步控制系统㊁高速摄像系统和高速粒子成像测速系统(PIV ),从爆炸超压㊁火焰传播速度㊁火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性,并分析了煤尘卷扬湍流特征㊂实验结果表明:3种工况下,随着甲烷体积分数的增加,爆炸超压和压力上升速率明显增高,压力峰值来临时刻减小,且当体积分数超过8．5%后,压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征;复合火焰传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况,且复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征;甲烷的体积分数越接近当量比,爆炸超压㊁波前流速㊁火焰锋面温度及其温度上升速率越高;甲烷体积分数为9．5%和8．5%时,复合火焰呈 倒钩形 ,之后很快出现火焰加速;而甲烷体积分数降至8．5%后,复合火焰亮度降低,结构呈现破碎和不连续的形态特点㊂PIV 测试表明:甲烷体积分数为9．5%时,初始爆炸强度高,波前流速快,煤粉可随冲击波整体快速运动,卷扬区整体湍流强度较高,大大加快了煤粉与空气的混合速度,促进了卷扬煤粉的燃烧㊂较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因㊂关键词:瓦斯爆炸;煤尘卷扬;煤尘爆炸;火焰加速;火焰传播特性中图分类号:TD712㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)02-0498-09移动阅读收稿日期:2019-12-16㊀㊀修回日期:2020-05-18㊀㊀责任编辑:钱小静㊀㊀DOI :10.13225/ki.jccs.2019.1737㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(YFC20180808100);中国博士后科学基金资助项目(2018M630818,2019T120622)㊀㊀作者简介:裴㊀蓓(1982 ),女,河南汤阴人,副教授,博士㊂E -mail:smart128@126．com ㊀㊀通讯作者:余明高(1963 ),男,四川泸州人,教授,博士㊂E -mail:133****0808@126．com㊀㊀引用格式:裴蓓,张子阳,潘荣锟,等.不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性[J].煤炭学报,2021,46(2):498-506.PEI Bei,ZHANG Ziyang,PAN Rongkun,et al.Flame propagation characteristics of deposited coal dust explosion induced by shock waves of different intensities[J].Journal of China Coal Society,2021,46(2):498-506.Flame propagation characteristics of deposited coal dust explosion inducedby shock waves of different intensitiesPEI Bei 1,ZHANG Ziyang 1,PAN Rongkun 1,YU Minggao 2,CHEN Liwei 1,WEN Xiaoping 1(1.Henan Province Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production ,Henan Polytechnic University ,Jiaozuo ㊀454003,China ;2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics Control ,Chongqing University ,Chongqing ㊀400044,China )Abstract :In a fully transparent organic glass pipeline,the explosion characteristics and flame propagation characteris-tics of deposited coal dust explosion induced by gas explosion were studied from explosion over-pressure,flame propa-gation speed,flame temperature and the evolution law of compound flame structure,using synchronous control system,high-speed camera system and high-speed particle image velocimetry system (PIV).The results showed that under three working conditions,the explosion overpressure and pressure rise rate increased obviously with the increase of methane volume fraction,and the arrival time of pressure peak decreased gradually.When the methane volume fraction exceeded 8.5%,the pressure-time curve and pressure rise rate-time curve showed some obvious oscillation character-istics.The propagation speed of the compound flame was much greater than that under pure methane explosion condi-第2期裴㊀蓓等:不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性tion,and the velocity-position curve of compound flame showed the characteristics of fluctuation and rising.The closer the volume fraction of methane to the equivalence ratio,the higher the explosion overpressure,wave front velocity, flame front temperature and its temperature rising rate.When the volume fraction of methane was9.5%and8.5%, the compound flame was barb shaped ,after that,the flame accelerated rapidly.However,when the volume fraction of methane decreased to8.5%,the brightness of the compound flame was slightly lower,and the structure was broken and discontinuous.The results of PIV test showed that when the volume fraction of methane was9.5%,due to the high initial explosion intensity and wave front velocity,the coal powder moved rapidly with the shock wave,and the turbu-lence intensity in the winch area was high,which greatly accelerated the mixing speed of pulverized coal and air,and promoted the combustion of pulverized coal.Therefore,the combination of higher shock wave front velocity and flame surface temperature is the reason for the continuous acceleration of methane/coal dust composite flame.Key words:gas explosion;coal dust hoisting;coal dust explosion;flame acceleration;flame propagation characteristics㊀㊀瓦斯爆炸是影响煤矿安全生产的 头号杀手 ㊂煤矿中重大爆炸事故往往是由瓦斯㊁煤尘共同参与爆炸引起的,瓦斯爆炸产生的冲击波在传播过程中不断卷吸巷道四周沉积煤尘,形成分布不均匀的可燃性粉尘云,随之受到高温火焰面引燃,以不间断爆炸的形式传播[1],导致瓦斯/煤尘爆炸具有更高破坏性㊂近年来,国内外学者对瓦斯/煤尘爆炸特性及其影响因素展开了实验与数值模拟研究㊂司荣军[2]㊁李庆钊[3]㊁屈姣[4]㊁李润之[5]㊁HUÉSCAR MEDI-NA[6]㊁ZHAO Peng[7]㊁汤其建[8]㊁王博[9]㊁王育德[10]㊁王洪雨[11]㊁宫广东[12]㊁毕明树[13]等研究了甲烷含量㊁挥发分㊁煤尘粒度㊁分散度㊁质量浓度等对不同挥发分煤尘爆炸浓度下限㊁爆炸压力㊁点火能等影响,指出甲烷的存在使甲烷/煤尘混合物点火的下限降低,最大压力上升速率增大,爆炸持续时间明显缩短;煤尘爆炸下限随挥发分增大而减小;点火下限随点火能量的增加而降低,随煤尘挥发分的减小而上升,随煤尘粒度的减小而降低;煤尘粒径越小,分散度越大,爆炸下限降低且爆炸压力升高㊂陈东梁等[14-15]研究了燃料组分构成㊁煤尘粒径和煤尘种类对甲烷/煤尘复合体系燃烧反应特性和火焰结构的影响㊂LIU等[16]研究表明:煤尘和甲烷共存显著提高了火焰的传播速度和最大火焰温度,大大高于单一煤尘火焰的传播速度和最大火焰温度㊂陆守香等[17]研究发现气粉复合火焰是由气体火焰㊁粉尘火焰和反向传播的粉尘火焰构成瞬态的三波阵面结构㊂董呈杰[18]采用实验和数值模拟相结合的方法,对管道内的甲烷气相爆炸和甲烷/煤尘混合爆炸过程进行了研究㊂CAO等[19-20]通过实验和数值模拟研究了半封闭垂直燃烧管中煤尘爆炸过程中的火焰传播行为和热辐射效应,结果表明:随着管长的增加,火焰的最高传播速度和最大火焰温度均逐渐增加㊂李海涛等[21]构建了竖直管道内甲烷/煤尘预混扩散及爆炸物理数学模型,对管道内甲烷/煤尘的扩散特征和爆炸过程进行了数值模拟,分析了管道内甲烷/煤尘预混湍流特征及爆炸火焰传播过程㊂冲击波诱导煤尘爆炸方面,HOUIM等[22]研究了铺设煤尘层稀薄致度密对爆炸结构与火焰速度的影响㊂结果表明:松散的煤尘层比致密层更危险,冲击波和火焰波更强烈地耦合于松散的煤尘层,以更高的速度传播,并产生大的过压和脉冲㊂朱传杰㊁林柏泉等[23-24]研究了沉积粉尘密度㊁波前流速㊁粉尘粒径等对扬尘特征的影响,分析了不同位置处的最大爆炸压力和火焰出现时间,探讨了气流与沉积煤尘床相互作用的气体动力学机理及其诱导的化学反应历程㊂刘丹[25]㊁李润之[26-28]㊁胡双启[29]㊁尉存娟等[30]分析了瓦斯爆炸引起沉积煤尘卷扬爆炸的机理,并研究了煤尘上扬的原因和爆炸压力的变化规律㊂SONG等[31-32]为了研究局部瓦斯爆炸诱发积灰燃烧的规律,对粉尘喷射和参与瓦斯爆炸过程进行了数值模拟㊂综上所述,现有研究主要围绕瓦斯/煤尘共存时爆炸超压㊁火焰传播速度等爆炸特性展开㊂由于煤矿瓦斯/煤尘爆炸火焰是一个由冲击波引导的煤尘云火焰形成的复合体,冲击波强度对沉积煤尘的卷吸效果有重要影响,而目前对复合冲击火焰的形成与火焰加速方面的研究较少㊂为此,有必要进一步研究不同爆炸强度下的煤尘卷吸特征,以揭示其对瓦斯/煤尘爆炸火焰加速的影响㊂故此,笔者在前人研究的基础上,搭建了冲击波诱导沉积煤尘爆炸实验平台,以褐煤煤粉为研究对象,分析冲击波作用下煤尘云的卷吸特征,研究不同爆炸强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播规律及影响因素,探讨复合火焰的加速机理㊂994煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷1㊀实验装置及工况1．1㊀实验装置介绍实验平台由方形透明有机玻璃管道㊁配气系统㊁高压点火系统㊁高速摄像图像采集系统㊁高速粒子成像测速系统㊁同步控制以及数据采集系统等组成,如图1所示㊂爆炸管道由两根分别为150mm ˑ150mm ˑ400mm 的充气管道和150mm ˑ150mm ˑ1000mm 的煤尘铺设管道连接组成,管道一端固定封闭另一端活动封闭,两根管道中间安装一尺寸为150mm ˑ150mm ˑ2mm 的方形钢板,中心位置有一直径为100mm 的圆孔,实验时用PVC 薄膜对中间连接钢板处和管道末端进行密封㊂相比于其他形状的孔型,圆孔对火焰产生的影响最低[33],也可避免因破膜位置不同造成较大差异的卷扬效果㊂配气系统由2个Alicat 质量流量控制器(MFC)组成,用于控制甲烷㊁空气的流速并输送到充气管道中㊂高压点火系统由HEI19系列高能点火器㊁点火电极组成,点火电压为6kV㊂压力和火焰温度采集由USB -1608FS Plus 型数据采集卡㊁MD -HF 型高频压力传感器和自制R 型微细热电偶组成,压力传感器的量程为-0．1~0．1MPa,综合精度为0．25%㊂高速摄像图像采集系统由Speed Sense VEO 710型高速摄像机㊁图像控制器和图像处理系统组成,最大分辨率为1280像素ˑ800像素,拍摄速度为2000fps㊂图1㊀实验系统Fig．1㊀Experimental system diagram1．2㊀实验工况与方法实验选用褐煤煤粉为研究对象,煤样详细工业分析见表1㊂甲烷的体积分数分别为7．5%,8．5%和9．5%㊂实验前,在铺设煤尘管段底部均匀铺设煤尘层,其铺粉位置离圆孔处200mm,铺设长度为300mm,铺粉量为3．2g㊂实验前,用薄膜将管道密封后,采用4倍体积排气法向充气管段充入CH 4/Air 预混气[34],6min 后关闭进气和排气阀门并静置15s 后点火㊂同步控制器和高速摄像机处于等待触发状态,当点火装置启动后,同步开启高速摄像机和数据采集系统,记录温度和压力数据㊂每个测试至少重复3次,以确保重复性㊂表1㊀煤尘工业分析结果Table 1㊀Industry analysis results of coal dust%煤样挥发分水分灰分固定碳褐煤35．024．1511．7549．081．3㊀煤粉的形状特征与粒径分布实验选用经300目标准筛筛分的样品,分别采用NHT5200型激光粒度分析仪和FEI -FEG250场发射扫描电镜测量了实际褐煤煤样的粒径分布情况和SEM 图像,如图2所示㊂从图2中可以看出煤粉的微观形状为标准的块状,其平均特征直径D 50为20．75μm,表明煤尘的分散性良好㊂在每个实验开始前,将煤粉粉尘储存在25ħ的干燥器中24h,以消除水分㊂图2㊀褐煤煤粉的粒径分布及SEM 图像Fig．2㊀Particle size distribution and SEM image of lignite dust2㊀实验结果讨论2．1㊀不同爆炸强度下压力分析图3为3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸压力-时间曲线㊂由图3可以看出,甲烷被引爆后冲破管道中间的PVC 薄膜,爆炸压力曲线出现了第1个小峰值;之后由于冲击波将煤尘扬起能量损耗和加热煤尘,致使压力下降;当有足够的煤尘热解挥发后,甲烷/煤尘复合体系的爆炸超压骤升,由于出口端PVC 薄膜破裂泄压,达到压力平衡后出现压力最大值;此后由于负压作用,火焰冲出管道后负压回吸新鲜空气,继续卷扬剩余的煤粉燃烧,如此反复,致使压力曲线出现了衰减性振荡㊂结合图4中3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸压升速率-时间曲线可以看出,压升速率曲线也呈振荡态势,且最大压力上升速率出现05第2期裴㊀蓓等:不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性在第2个燃烧波,说明对于气粉两相爆炸体系,爆炸泄压后因新鲜空气回吸且管道内留存较多煤粉,后续还可发生多次爆炸㊂为了利用PIV获得清晰的煤尘粒子分布图像,煤粉铺粉量仅为3．2g,如果铺粉量增加,强爆炸时将会形成足够质量浓度的煤尘云,二次爆炸超压则有可能超过首次爆炸㊂该现象值得今后在瓦斯/煤尘爆炸等气粉两相爆炸事故预防中注意㊂图3㊀3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸压力-时间曲线Fig．3㊀Pressure-time curves of coal dust explosion induced bythree kinds of shock waves图4㊀3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸压升速率-时间曲线Fig．4㊀Pressure rise rate-time curves of coal dust explosioninduced by three kinds of shock waves另一方面,爆炸冲击波对沉积煤尘的卷扬效果主要由波前气体流速控制[23]㊂然而,通常波前流速的测量在实验条件下很难获得㊂笔者主要通过控制甲烷体积分数获得不同的初始爆炸强度,冲击波进入铺粉管段后可产生不同水平的波前流速㊂结合图3,4,当甲烷体积分数为7．5%时,压力曲线只有1个破膜峰值,且峰值来临时间显著延迟,这是由于波前流速过低,火焰传播到铺粉管段时仅有很少量煤尘被轻微扬起,致使煤粉热解产生的可燃挥发性气体不足,甚至消耗了冲击波能量,火焰传播则不能继续㊂然而,当甲烷的体积分数为9．5%时,爆炸超压峰值增至32．9kPa,是甲烷体积分数为8．5%时的2．3倍,最大峰值来临时刻提前了76．7%;压升速率峰值为7．1kPa/ms,是甲烷体积分数为8．5%时的2．7倍㊂可见,3种工况下当甲烷的体积分数接近当量比时,波前流速越大,越有利于更多煤尘被卷扬,形成足够质量浓度的煤尘云参与热解,导致强爆炸产生㊂2．2㊀不同爆炸强度下火焰温度分析图5,6分别为3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰温度-时间曲线和火焰温度峰值及来临时刻随冲击波强度变化曲线㊂由图5,6可以看出,火焰温度曲线出现骤升现象;在3种工况下,最大火焰温度随着甲烷体积分数接近当量比线性上升,分别为699,922和1219ħ,而火焰温度峰值来临时刻则线性下降,且结合图4火焰温度峰值来临时刻与爆炸超压峰值来临时刻保持一致,说明当甲烷的体积分数接近当量比时,煤粉燃烧产生的热量远大于煤粉热解需要的热量,导致火焰温度急剧升高,支持了强爆炸的传播㊂图5㊀3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰温度-时间曲线Fig．5㊀Temperature-time curves of coal dust explosion flame induced by three kinds of shock waves图6㊀火焰温度峰值及来临时刻随冲击波强度变化曲线Fig．6㊀Curves of temperature peak and its arrival time withshock waves intensity利用Savitzky-Golay方法[35]对爆炸温度的演化进行了过滤与计算,得到了3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸温升速率-时间变化曲线,如图7所示㊂可以看出:甲烷体积分数对复合火焰温升速率有重要影响㊂最明显影响是在温升速率的半峰时间宽度上,体积分数为9．5%甲烷诱导煤尘爆炸火焰温升速率曲线的半峰时间宽度分别是8．5%和7．5%时的22．4%和56．7%,说明随着甲烷体积分数接近当量比,初始105煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷爆炸强度增加,有更多的煤粉参与到爆炸的过程中,从而导致煤尘的燃烧速度加快㊂图8为复合火焰最大温升速率及其来临时刻随甲烷体积分数变化曲线㊂可以看出,3种工况下最大温升速率随着甲烷体积分数的增加而增加,且在8．5%~9．5%增长更显著;而温升速率峰值来临时间随着甲烷体积分数的增加线性降低,也说明了当甲烷体积分数接近当量比时,更多的煤尘热解促使火焰温度快速上升㊂图7㊀3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰温升速率-时间曲线Fig．7㊀Temperature rise rate-time curves of coal dust explosionflame induced by three kinds of shock waves图8㊀复合火焰最大温升速率及其来临时刻随甲烷体积分数变化曲线Fig．8㊀Curves of the maximum temperature rise rate and itsarrival time of complex flame with methane volume fraction2．3㊀不同爆炸强度下火焰传播速度分析火传播速度是根据火焰前沿位置随时间变化而获得,其计算式为v =(L t 2-L t 1)/(t 2-t 1)(1)式中,L t 1和L t 2分别为t 1时刻和t 2时刻的火焰前沿位置;t 1和t 2为时间㊂图9,10分别为3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰速度-时间曲线和火焰速度-传播距离曲线㊂由图9,10可以看出,首先,在无煤粉时,体积分数为8．5%和9．5%的甲烷爆炸火焰在通过圆孔障碍物时出现了明显的首次加速,在400mm 处的火焰速度分别为20．3m /s 和14．0m /s,产生的首次火焰加速最大值分别为117．4m /s 和89．9m /s,说明本文中的障图9㊀3种强度冲击波诱导煤尘爆炸火焰传播速度-时间曲线Fig．9㊀Flame velocity-time curves of coal dust explosioninduced by three kinds of shockwaves图10㊀3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播速度-传播距离曲线Fig．10㊀Flame velocity-position curves of coal dust explosioninduced by three kinds of shock waves205第2期裴㊀蓓等:不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性碍物对火焰波有明显的激励作用㊂此后,由于后半部分管道没有可燃物补充和高速环境中空气的黏性及管壁的摩擦作用,火焰速度急速衰减;之后由于管道末端封闭膜破裂新鲜空气补充,火焰波在管壁约束作用下再次加速㊂对于体积分数为7．5%的甲烷爆炸火焰,在400mm 处的火焰速度仅为6．8m /s,火焰穿过中间圆孔后很快熄灭,结合图3,4可以看出,这是由于点火后产生的爆炸超压低且没有明显负压,说明没有足够的新鲜空气补充,燃烧不能维持㊂其次,当铺设煤尘管道中铺设3．2g 煤粉时,3种甲烷体积分数下400mm 处的火焰速度分别为21．2,14．5和7．1m /s,进入铺设煤尘管道的时间缩减至51．5,71．0和100．0ms,产生的首次火焰加速最大值突增至158．3,134．8和19．6m /s㊂这是因为由于初始爆炸后,在火焰进入铺设煤尘管道之前沉积煤尘就被冲击波卷扬,煤尘粒子悬浮在圆孔周围且在火焰面的高温下热解并释放可燃性气体,当火焰面到达圆孔时,可燃气体被点燃形成甲烷/煤尘复合火焰㊂因此,初始爆炸威力越大,波前流速和火焰锋面温度更高,卷扬煤尘云的浓度和热解程度也越高,导致复合火焰传播速度快速提高㊂最后,通过障碍物后复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征,体现出煤尘颗粒不断被卷扬且参与热解燃烧㊂其中,9．5%甲烷时复合火焰传播曲线可分为波动上升和加速上升2个阶段,由于此时卷扬煤尘体积分数和火焰锋面温度高,较多煤粉快速热解致使复合火焰传播很快出现加速;8．5%甲烷时由于卷扬煤尘体积分数和火焰锋面温度较低,复合火焰传播速度曲线呈振荡形态向前传播;而7．5%甲烷时由于初始爆炸威力低,少量煤粉扬起后,火焰只是原地缓慢燃烧,并未引起加速㊂2．4㊀不同爆炸强度下火焰结构分析图11为3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播过程㊂由图11可以看出,在甲烷火焰进入煤尘铺设管道前的早期阶段,甲烷被点燃后火焰呈半球形向前传播;对比图3压力曲线第1个小峰值,3种体积分数甲烷火焰破膜时间依次为30．4,40．0和59．3ms;在中间薄膜破裂后,火焰呈指形继续传播㊂随着甲烷体积分数降低,火焰突破薄膜后传播至铺设煤粉段的时间从52．5ms 推迟到72．0ms 和106．0ms,不仅在时间上有所延迟,火焰的亮度也依次变暗㊂图11㊀3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰结构图像Fig．11㊀Flame structure of coal dust explosion induced by three kindy of shock waves㊀㊀火焰进入铺设煤尘管道后,引燃悬浮煤粉形成甲烷/煤尘复合火焰㊂可以看出,甲烷体积分数的不同所形成的火焰结构大有差异㊂其中甲烷体积分数为9．5%时,复合火焰在54．5ms 形成 倒钩形火焰 ,钩形结构在下端㊂ 倒钩形火焰 的形成原因应是煤粉沉降和燃烧产生膨胀拉伸效应共同造成的,使得火焰在传播时不断卷扬更多的煤尘;此后火焰宽度逐渐增加且明亮,并在56．5ms 时接触管道上壁面,形成 郁金香 结构,2ms 后火焰快速传播至管道出口㊂甲烷体积分数为8．5%时,复合火焰亮度有所降低,且火焰结构呈现破碎和不连续的形态传播,直至传播到80ms 时才出现连续的火焰结构㊂结合2．2和2．3节火焰温度和火焰传播速度分析,体积分数为8．5%的甲烷爆炸后产生的火焰温度和波前流速相对于9．5%时小,当火焰通过圆孔时不能产生高强度湍流,使得沉积煤尘卷吸形成的煤尘云浓度较低,最终导致悬浮煤粉热解的速度和颗粒数都相对减少㊂而甲烷体积分数为7．5%时,复合火焰在传播过程中基本呈 蛇形 ,表明上部火焰温度和速度高于下部,且火焰面积最小,说明此时甲烷火焰在通过障碍物时大部分能量被消耗,火焰锋面温度低,只有少许煤尘被扬起㊁热解程度太低不足以维持火焰传播㊂从火焰图片中可以明显的观察到,悬浮和沉积的煤尘只在原地燃烧,复合火焰并未向前传播㊂2．5㊀不同爆炸强度下流场湍流特征分析为了研究不同强度冲击波诱导沉积煤尘卷扬情305煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷况,本节采用PIV 系统,以煤粉作为示踪粒子,对不同爆炸强度诱导沉积煤尘爆炸瞬间流场的湍流特征进行了分析㊂PIV 实验系统如图12所示㊂图12㊀PIV 实验系统示意Fig．12㊀Schematic diagram of PIV experimental system图13为3种强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸瞬间的煤尘粒子分布图㊁速度场和涡量场㊂由图13可以看出当甲烷体积分数为9．5%时,从煤尘分布来看,冲击波将沉积煤尘卷扬形成煤尘云,大部分煤尘跟随冲击波向前流动,只有小部分煤尘粒子呈旋涡状向斜上方流动,这说明体积分数为9．5%的甲烷爆炸产生的波前流速很高,致使煤粉随冲击波整体快速运动,煤粉分布范围广;而涡量图粉红色分布均匀,说明此时卷扬区整体湍流强度较高,大大加快了煤粉与空气的混合速度,促进了悬浮煤粉的热解与燃烧,致使火焰快速传播㊂当甲烷的体积分数为8．5%时,从煤尘分布来看,冲击波卷扬的煤尘一部分随冲击波向管道前方流动,但煤尘分布范围较少,另小部分呈旋涡状向斜后方下降,说明由于冲击波强度较低,只有一部分煤尘跟随粒子冲击波快速流动;涡量场可以看出仅仅在扬起煤尘周围湍流较强,说明部分煤尘粒子在火焰浮力作用下上升扬起,因管壁约束又向后方下降,滞留在火焰后方,因此不能支持火焰快速传播㊂当甲烷的体积分数为7．5%时,从煤尘分布来看,大部分煤尘粒子被扬起后呈旋涡状原地流动,仅一小部分粒子在管壁约束下向前方短暂运动,但之后因重力作用下沉;涡量场可以看出仅仅在扬起煤尘处湍流较强,说明当初始爆炸强度很低时,因波前流速很低,不足以支撑足够的沉积煤尘扬起形成煤尘云,因此大部分煤粉没有参与火焰传播㊂综上,可以得出较高的冲击波波前流速和火焰面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因㊂甲烷的体积分数接近当量比时,初始爆炸强度高,波前流速和火焰温度增高,致使更多煤尘在更广的区域内预先卷扬并热解,而卷扬区湍流强度整体较高则显著加快了可燃性气体和空气的混合,为之后来临的火焰前锋不断提供燃料,导致复合火焰持续加速㊂由此可以得到甲烷/煤尘爆炸复合火焰的加速模式,如图14所示㊂图13㊀3种强度冲击波诱导煤尘爆炸瞬间速度场和涡量场Fig．13㊀Velocity and vorticity fields of coal dust explosionmoment induced by three kindy of shock waves图14㊀甲烷/煤尘爆炸复合火焰加速模式Fig．14㊀Methane /coal dust explosion combined flameacceleration mode405。

燃烧科学与技术Journal of Combustion Science and Technology 2018，24(3)：270-274DOI 10.11715/rskxjs.R201711023收稿日期：2017-11-30．基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228501)；国家科技支撑计划资助项目(2015BAA04B03). 作者简介：杜晓杰（1995— ），男，硕士研究生，dxj-monky.d.luffy@. 通讯作者：李水清，男，博士，教授，lishuiqing@.内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究杜晓杰，李水清，高 琦，姚 强(清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)摘 要：本文采用数学建模方法研究煤粉内在矿物质析出对其燃烧的动力学影响．在MIT Graham 研究工作的基础上，借鉴内在矿物质群平衡演化析出模型，建立包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型．理论分析表明，在焦炭燃烧过程中，表面矿物质层内的气体传质过程会经历由分子扩散到努森扩散的转变．与已有的焦炭燃烧灰壳模型进行对比分析，结果表明，已有灰壳模型在焦炭燃烧初期较高地估计了表面矿物质对气体传质的抑制作用．当内在矿物含量低于10%(质量分数)时，焦炭燃烧全过程中内部矿物质对气体传质的抑制作用不明显．关键词：内在矿物质；分子扩散；努森扩散；焦炭燃烧表面温度中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1006-8740(2018)03-0270-05Influence of Included Minerals Release on Dynamic Behaviorof Pulverized Coal CombustionDu Xiaojie ，Li Shuiqing ，Gao Qi ，Yao Qiang(Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education ， Department of Energy and Power Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China )Abstract ：The influence of included minerals release on the coal combustion process is studied using mathemati-cal modeling method ．First ，a reduced combustion model of char particles under conventional condition is estab-lished based on the research of Graham from MIT ．Then ，w ith a further introducion of the population-balance model ，a dynamic coal combustion model with mineral evolutions on the char particle surface is built ．Theoretical analysis shows that the gas transfer through surface minerals undergoes the conversion from molecular diffusion to Knudsen diffusion during pulverized coal combustion ．Compared with the ash film model ，results suggest that the existing ash film model overestimates the restraint of surface minerals on diffusion in the early stage of combustion ．Furthermore ，the restraint of minerals on diffusion during the whole combustion process is insignifi-cant when the included minerals proportion is less than 10%.Keywords ：included mineral ；molecular diffusion ；Knudsen diffusion ；char surface temperature化石燃料燃烧排放出的一次颗粒物和二次颗粒物是空气中可吸入颗粒物(PM 10)的主要来源之一[1]，PM 10对自然环境和人体健康有很大危害．研究表明，焦炭表面燃烧温度是影响煤粉燃烧过程中细颗粒物生成的重要因素，因此得到煤粉颗粒燃烧的表面温度是进行燃烧诊断、控制的重要依据．传统的计算煤粉杜晓杰等：内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究 燃烧科学与技术— 271 —燃烧温度的模型是将煤粉燃烧近似看成纯碳颗粒的燃烧．而实际上煤粉中存在着矿物质，包括外在矿物质和内在矿物质[2]，其中内在矿物质会随着燃烧过程的推进逐步演化到煤粉表面，进而对煤粉颗粒的燃烧产生影响．因此煤粉的燃烧行为与纯碳的燃烧行为存在差异，应用传统的纯碳颗粒燃烧模型来预测煤粉颗粒的燃烧将会带来一定程度的偏差．因此，本文的目标是在前人工作的基础上，研究内在矿物质对煤粉燃烧过程的影响，建立包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型，并与传统模型进行比较．1 焦炭燃烧模型常见的焦炭颗粒燃烧模型为单膜模型和双膜模型[3]，这两种模型均对焦炭燃烧过程进行了较大程度的简化，因此在实际应用中会带来较大的偏差．为了更好地描述焦炭燃烧过程，本文在Graham 等[4]研究的基础上，提出了如下焦炭表面燃烧温度计算模型. 模型有以下基本假设：(1) 燃烧是准静态过程；(2) 质量传递和能量传递连续； (3) 焦炭颗粒之间没有相互作用； (4) 颗粒绝热． 表面反应用式(1)表示： ()()(s)22C O 21CO 21/2CO ψψψ+=−+−(1)此模型本质上属于单膜模型，ψ表示每摩尔焦炭消耗的氧气物质的量，反映CO 的氧化程度，计算中通常取ψ＝0.511．与简单单膜模型不同的是该模型采用比表面积的计算方法，能够更加准确地计算碳表面的反应情况．模型包括以下3个方程． 能量方程：2O rxn,0J H ψΔ=()()()244p p g p p p w 44r k T T r T T σεπ−+π− (2)表面反应及内部扩散方程：()2O CO i,max p i,max p p p xJJ R A R S V ηρηψ−===(3)()()ap2/i,max O ,s e n E RT i R A cX −= (4)外部扩散方程：22O,sO ,b 1exp ln 11X X ψ⎛⎛⎛⎞⎜⎛⎞⎜=+−+⎜⎟⎜⎜⎟⎜⎝⎠⎝⎠⎜⎜⎝⎝22O p O 111114J r cD ψψ⎞⎞⎛⎞−⎟⎟⎜⎟⎛⎞⎝⎠⎟⎟−−⎜⎟⎟⎟π⎝⎠⎠⎠ (5)式中：i J 是i 物质的质量流量；r p 为焦炭颗粒半径；T p 为焦炭表面燃烧温度；T g 为主流气体温度；w T 为壁面温度；,s i X 指焦炭表面i 物质的摩尔分数；,b i X 指环境中i 物质的摩尔分数，i,max R 指焦炭表面反应速率；η是有效因子；k 为传热系数；p ε为焦炭发射率；A p 为反应表面积；A i 为指前因子；S p 、r p 和V p 为煤粉颗粒的比表面积、密度和体积． 20.5(1)p p O s p cor ,330.5ln(1)n i k S c X r D φηρ−⎧⎫⎡⎤⎪⎪⎣⎦⎨+⎬⎪⎪⎭=⎩=(6)内部扩散是努森扩散，其分子动力学表达式为K 23D rv =式中：K D 为努森扩散系数；r 为微孔平均半径；v 为气体分子的均方根速度，考虑到气体分子在多孔固体介质中实际扩散截面积的减少和扩散路径的增大，需要对努森扩散系数进行修正，即P cor K PD D θτ= (7)式中：P θ为颗粒的孔隙率；P τ为曲折度．最终可以得到修正扩散系数表达式为20.5p p cor pore O p 243RT D r M θτ⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠π (8)式中：pore r 为孔隙平均半径．计算中参数的选取如下：煤样表面几何性质和传热系数采用文献[4-5]中的数据；根据文献[6]和文献[7]的研究，发射率p ε取为0.8；借鉴文献[8-9]中提出的反应模型，将反应级数取为0.3，并对Graham 提出的反应指前因子A i 进行修正．最后联立方程(2)、(3)和(5)迭代求解焦炭燃烧表面温度．2 内在矿物对燃烧影响的模型2.1 忽略灰分影响的模型传统的单膜模型和双膜模型都未考虑内在矿物对燃烧的影响，而是直接将煤粉燃烧看作纯炭颗粒的燃烧，这样虽然可以简化计算，但是会带来与实际燃烧过程较大的偏差．因此，要想较为准确地预测煤粉颗粒的燃烧，内在矿物质的影响不可忽略．燃烧科学与技术第24卷 第3期— 272 —2.2 形成连续灰层的模型在考虑灰分影响的燃烧模型中，大部分模型采用了形成连续灰层的假设，即假定在燃烧过程中释放出来的灰分在焦炭颗粒表面形成连续灰层，随燃烧过程进行，灰层不断变厚，从而影响气体扩散行为，进而影响整个燃烧过程[6]．考虑到灰分并不总能铺满焦炭颗粒表面，一些更精确的研究[7]采用如下计算方法，假定临界灰层厚度m δ，若灰层厚度m δδ＞，则有效扩散系数为 2.5eff af θ=D D (9)式中：af θ为灰层的孔隙率；D 为分子扩散系数．若m δδ＜，则等效的孔隙率为3m a 00p 3m a,n a,n p a af 21211δρρδρρθ⎛⎞−−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎛⎞−−⎜⎟⎜⎡⎤⎢⎥⎢⎥=−⎢⎥⎢⎥⎢⎟⎝⎥⎢⎥⎣⎦⎠X d X d (10)式中：ρ为焦炭颗粒整体密度；X a 为灰分质量分数；d p 为焦炭颗粒直径；下标带有0的表示初始值．再将式(10)带入式(9)计算有效扩散系数．2.3 析出灰颗粒的模型虽然连续灰层模型的假设充分考虑了灰分对燃烧过程的影响，但是大量研究表明，燃烧过程中灰分是以灰颗粒的形式析出的[10]，如图1所示．图1 灰颗粒模型示意Fig.1 Schematic diagram of ash particle model而由析出的灰颗粒到形成连续的灰层则需要较长时间的演化．因此，该模型假设在燃烧过程中，灰颗粒不断形成，随着燃烧的进行，灰颗粒之间的空隙逐渐缩小，直至最终形成连续灰层．在未形成连续灰层阶段，外部有效扩散系数综合考虑了分子扩散以及努森扩散，采用公式(11)表示：A 1eff BK 11 D D D −⎛⎞=+⎜⎟⎝⎠(11)式中：AB D 为分子扩散系数，采用文献[4]中的数据；当形成连续灰膜之后，扩散系数则采用努森扩散进行计算．3 计算结果与分析3.1 灰颗粒析出模型合理性分析为了分析所提出的灰颗粒析出模型的合理性，根据实验得到的准东煤和神华烟煤内在矿物含量的结果[11-12]，带入灰颗粒析出模型进行计算．假设形成的灰颗粒在焦炭颗粒表面均匀分布，平均粒径为2µm ，计算结果如图2所示．已知在2000K 左右的气体分子平均自由程约为λ=0.01µm ．当/2λr ＜0.01时，可近似为分子扩散．当/2λr ＞0.1时，可看作努森扩散．在实际计算中，为使结果准确，使用的是分子扩散和努森扩散耦合的等效扩散系数，在分析时则可以用以上判据判断主要扩散方式．在孔隙直径大于1µm 时，主要是分子扩散．孔隙直径小于0.1µm 时，主要是努森扩散．处于中间范围时两者作用相当，都不能忽略．图2 表面孔隙尺寸与燃尽率的关系Fig.2Average pore radius as a function of carbon con -version rate计算结果表明，在燃烧的大部分时间都处于分子扩散的控制下，而连续灰层是在燃烧末期才会出现的．对于灰分低的煤种这一现象更加明显．这表明灰颗粒析出模型考虑到了占据大部分燃烧过程的分子扩散阶段，这一假设是合理的．而传统的灰层模型直接转换到努森扩散，计算结果可能会放大灰颗粒对扩散的抑制作用． 3.2 不同模型计算结果对比图3是当内在矿物质含量X a 为5%(质量分数)时颗粒温度与燃尽率的关系．从计算结果可以看出，当内在矿物质含量为5%时，灰颗粒模型与忽略灰分影响时计算结果非常接近，这与前述分析是吻合的．不考虑灰分模型计算过程中全部采用分子扩散系数，而低灰分焦炭颗粒绝大部分燃烧过程都是分子扩散占主导的，所以这两种模型计算结果十分接杜晓杰等：内在矿物质对煤粉燃烧过程影响的动力学研究 燃烧科学与技术— 273 —近．连续灰层模型计算得到的表面温度偏低，是因为这一假设将最后阶段才会出现的连续灰层假设应用到整个燃烧阶段，放大了灰分对扩散的抑制作用．图3 不同模型下表面温度与燃尽率关系(X a ＝5%) Fig.3 Calculated particle surface temperature as a func -tion of carbon conversion rate using different models (X a ＝5%)图4显示了内在矿物质含量X a 为20%时的颗粒温度与燃尽率关系．在燃尽率为0.7之前，不考虑灰分模型和灰颗粒模型计算结果接近，而灰层模型结果偏低，这与前面的分析是一致的．而燃尽率为0.75之后，灰颗粒模型和灰层模型计算结果十分接近，并且都低于不考虑灰分的情况．这是因为燃尽率为0.75时，单独的灰颗粒逐步形成连续灰膜，对扩散的抑制较为明显，且两种考虑灰分的模型对扩散系数的修正是很接近的．图4 不同模型下表面温度与燃尽率关系(X a ＝20%)Fig.4 Calculated particle surface temperature as a func -tion of carbon conversion rate using different model (X a ＝20%)3.3 灰颗粒模型不同灰分计算分析取内在矿物含量X a 分别为0、5%、10%、15%和20%，在灰颗粒模型下计算表面温度，结果如图5所示．计算结果表明，在燃烧前期，处于分子扩散控制阶段，灰分含量对扩散影响较小，表面温度几乎不受灰分含量的影响．而在从分子扩散转变成努森扩散阶段，即形成连续灰膜的节点附近，颗粒表面温度会有明显降低，而且当灰分含量越低，这一变化出现的越迟．另外，值得注意的是，当内在矿物含量小于10%时，表面温度计算结果都十分接近，表明此时灰分对颗粒表面温度的影响不显著，而当内在矿物质含量大于10%时，内在矿物质的含量则会对燃烧过程中颗粒表面温度产生较大的影响．因此，内在矿物含量为10%可作为选择不同模型的分界标准．图5 不同矿物质含量下表面温度与燃尽率关系Fig.5Calculated particle surface temperature as a func -tion of carbon conversion rate with different ash contents4 结 语本文建立了包含表面矿物质结构演化的焦炭燃烧动力学模型，并与已有的焦炭燃烧灰壳模型进行对比研究．结果表明：焦炭燃烧过程表面矿物质层内的气体传质过程会经历由分子扩散到努森扩散的转变，当内在矿物质含量低于10%时，内在矿物质析出对焦炭燃烧全过程表面气体传质的抑制作用不显著，因而对焦炭燃烧表面温度无明显影响． 参考文献：［1］ 吕建燚，李定凯. 温度对煤粉燃烧生成的一次颗粒物特性的影响[J ]. 中国电机工程学报，2007，27(20)：24-29.Lü Jianyi ，Li Dingkai. Study on primary PM features in-fluenced by pulverized coal combustion at different burn-ing temperature [J ]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering ，2007，27(20)：24-29(in Chinese ).［2］ Wu H ，Bryant G ，Wall T. Mechanisms of ash liberationfrom included mineral matter during pulverized coal combustion [C ]// Chemeca 99：Chemical Engineering ：Solutions in a Changing Environment . Institution of En-gineers ，Australia ，1999.［3］ Turns S R. An Introduction to Combustion [M ]. 2nd Edi-tion. New York ：McGraw-Hill ，1996.［4］ Graham K A. Submicron Ash Formation and Interaction燃烧科学与技术第24卷 第3期— 274 —with Sulfur Oxides During Pulverized Coal Combus-tion [D ]. Cambridge ，MA ，USA ：Department of Chemical Engineering ，Massachusetts Institute of Tech-nology ，1991.［5］ 张盛诚，何 榕. 热解时加热速率对煤粉孔隙结构变化的影响[J ]. 燃烧科学与技术，2017，23(1)：1-9. Zhang Shengcheng ，He Rong. Effect of heating rate of pyrolysis on coal particle pore structure [J ]. Journal of Combustion Science and Technology ，2017，23(1)：1-9(in Chinese ).［6］ Niu Y ，Shaddix C R. A sophisticated model to predictash inhibition during combustion of pulverized char par-ticles [J ]. Proceedings of the Combustion Institute ，2015，35(1)：561-569.［7］ Hurt R ，Sun J K ，Lunden M. A kinetic model of carbonburnout in pulverized coal combustion [J ]. Combustion & Flame ，1998，113(1/2)：181-197.［8］ Hurt R H ，Calo J M. Semi-global intrinsic kinetics forchar combustion modeling [J ]. Combustion & Flame ，2001，125(3)：1138-1149.［9］ 刘若晨，安恩科，刘泽庆，等. 全氧煤粉燃烧烟气的辐射特性[J ]. 燃烧科学与技术，2016，22(1)：84-90. Liu Ruochen ，An Enke ，Liu Zeqing ，et al. Radiation characteristics of oxy-fuel combustion flue gas [J ]. Jour-nal of Combustion Science and Technology ，2016，22(1)：84-90(in Chinese ).［10］ Kerstein A R. Population-balance model of physicaltransformations of ash during char oxidation [J ]. Com-bustion & Flame ，1989，77(2)：187-199.［11］李庚达. 煤粉燃烧细颗粒物生成、演化与沉积特性实验研究[D ]. 北京：清华大学机械工程学院，2014. Li Gengda. Investigations on Fine Particulates Formation ，Transformation and Deposition Properties during Pulverized Coal Combustion [D ]. Beijing ：School of Mechanical Engineering ，Tsinghua University ，2014(in Chinese ).［12］ 齐晓宾，宋国良，宋维健，等. 准东煤循环流化床气化过程中的矿物质转化行为特性[J ]. 燃烧科学与技术，2017，23(1)：29-35.Q i Xiaobin ，Song Guoliang ，Song Weijian ，et al. Mineral transformation behavior of Zhundong coal dur-ing circulating fludized bed gasification [J ]. Journal of Combustion Science and Technology ，2017，23(1)：29-35(in Chinese ).。

《煤自燃动力学机制及阻化优选研究》篇一一、引言煤自燃是一种常见的煤炭自燃现象，它不仅对煤炭资源造成极大的浪费，还会对环境和人类健康造成危害。

因此，研究煤自燃的动力学机制及阻化优选具有重要的理论和实践意义。

本文旨在探讨煤自燃的动力学机制，并就如何选择和利用阻化剂进行优化研究。

二、煤自燃动力学机制煤自燃是一个复杂的物理化学过程，涉及到煤的化学组成、物理性质、环境条件等多方面因素。

其动力学机制主要包括热解、氧化和燃烧等过程。

1. 热解过程煤在受热过程中，首先发生热解反应。

热解过程中，煤中的有机质分解为气体、液体和固体等产物。

这些产物的性质和数量与煤的化学组成和温度密切相关。

2. 氧化过程当煤处于一定的温度范围内时，其表面会与空气中的氧气发生氧化反应。

这一过程会释放出大量的热量，使煤的温度进一步升高。

随着温度的升高，氧化反应速率加快，形成了一个正反馈机制，使煤自燃的可能性增大。

3. 燃烧过程当煤的氧化反应达到一定程度时，会引发燃烧反应。

燃烧过程中，煤中的可燃物质与氧气发生剧烈的化学反应，释放出大量的热能和气体。

这一过程是煤自燃的主要阶段，也是造成资源浪费和环境危害的主要原因。

三、阻化优选研究为了防止煤自燃，需要采取有效的阻化措施。

阻化剂是一种能够减缓或阻止煤自燃的物质。

选择合适的阻化剂对于预防煤自燃具有重要意义。

1. 阻化剂种类及作用机理目前，常用的阻化剂主要包括无机盐、有机化合物和复合型阻化剂等。

这些阻化剂主要通过抑制煤的氧化反应、降低煤的表面活性、吸收热量等作用来达到阻止煤自燃的目的。

2. 阻化剂优选原则在选择阻化剂时，应遵循以下原则：一是高效性，即能够有效减缓或阻止煤自燃；二是环保性，即对环境和人类健康无害；三是经济性，即成本较低，易于推广应用。

此外，还应考虑煤的化学组成、物理性质、环境条件等因素，选择适合的阻化剂。

3. 阻化剂优选方法为了优选阻化剂，可以采用实验研究和数值模拟等方法。

实验研究可以通过对比不同阻化剂在相同条件下的阻化效果，以及阻化剂对煤的化学组成、物理性质和环境条件的影响等因素来评估其优劣。

第42卷第10期2013年10月热力发电T H E R M A L P O W ER G E N E R A T l0NV01．42N o．100ct．2013[摘生物质焦促也大萎糟煺娩动力学弓’析焦克新，张建良，邢相栋，胡正文北京科技大学高效钢铁冶金国家重点实验室，北京100083要]采用热重分析仪系统研究了不同生物质焦配加量(o％、20％、40％、60％、80％、[关键词] [中图分类号] [D O I编号]100％)对煤粉燃烧特性的影响，并分别采用非等温Fl ynn—W a l l—O za w a(FW O)和K i s s i nger—A kahi r a—Sunos e(K A S)模型对燃烧过程活化能进行了计算。

结果表明：煤粉中配加生物质焦有助于改善煤粉的燃烧特性，随生物质焦配加量的增加，煤粉的着火点和燃尽温度均降低，综合燃烧特性指数提高；生物质焦配加量为0％、20％、40％、60％、80％、100％时的活化能分别为164．24、146．57、136．90、119．91、95．79、62．37kJ／m01，活化能随生物质焦配加量的增加而降低。

热重法；生物质焦；FW O模型；K A S模型；煤粉燃烧；活化能TK l6[文献标识码]A[文章编号]1002—3364(2013)10—0070—0810．3969／j．i ssn．1002—3364．2013．10．070St udy on com bust i on ki ne t i cs of c oal pr om ot ed by bi om as s char J I A O K exi n，Z H A N G Ji anl i ang，X I N G X i angdong，H U Z hengw e n S t at e K e y Labo r a t or y of A dvanced M e t a l l ur gy，U ni ver s i t y of S c i e nce and T e chnol o gy of B ei j i ng，B ei j i ng100083，C hi naA bst r a ct：N on—i sot her m al com bus t i on experi m ent s of di f f er ent addi t i ve am ount s of bi om as s cha r (0％，20％，40％，60％，80％，100％，m ass f r act i on)w er e cond uct ed by s ynt he si ze d t he r m ogr a vi m—et r y a na l yz er(STA409P C)f r om r oom t em per at ur e t o900℃i n ai r at m os pher e．T he changes of com bus t i on char act er i s t i c param et er s of pul ver i ze d coal i n di f f er ent condi t i ons w er e a na l yz e d．T he r es ul t s s how e d t hat，bur ni ng coal bl ended w i t h bi om as s cha r w a s benef i ci al t o enhanci ng t he cor n—bus t i on c har a ct e r i st i cs．D T G cu r v es of coal com bus t i on m ove d t o l ow t em per at ur e z on e s w hen t he am ount of bi om as s cha r i nc r ease d．I t i ndi ca t ed t ha t bot h i gni t i on and bur nout t em per at ur e de—cr e ase d，t he bur nout t i m e shor t e ned，t he com bus t i on char act er i s t i c i ndex i ncr e ase d，and t he cor n—bus t i on per f or m ance of bl e ndi ng coal w er e enhanced．T he i so—conve r si onal m e t hod i nvol vi ng Fl y—nn—W a l l—O zaw a(FW0)a nd K i s s i nger—A kahi r a—Sunos e(K A S)m odel w er e adopt ed f or t he ki net i c ana l ys i s of t he m ai n com bus t i on pr oce s s．The r es ul t s i ndi cat ed t ha t，w hen t he addi t i ve am ount of bi om as s cha r va r i e d f r om0％t o100％，t he act i vat i on ener gy decr eas ed，w hi ch w a s156．74 kJ／m01，153．59kJ／m ol，149．61kJ／m ol，143．26kJ／m ol，129．26kJ／m ol，65．16kJ／m ol，r espect i ve一1y．K ey w or ds：T G A；bi om as s char；FW0；K A S；coal com bus t i on；a ct i vat i on e ne r gy我国生物质资源丰富，作为可再生碳源，生物质(废木料、秸秆等)与传统化石能源相比有明显的经济、环保优势，具有广阔的发展前景‘1’2|。

基于化学反应动力学的锅炉混煤燃烧数值模拟研究随着绿色能源的发展,能源消费结构转型。

风电、水电、核电和太阳能等绿色电源的稳健增长,电源结构转型是能源消费结构转型必经之路。

但技术、地理和天气条件等问题的限制,绿色电源无法稳定的供应且发电成本偏高,转型过渡期内主力电源仍为火电。

电厂在已确保锅炉安全运行后主要研究任务是提高锅炉的燃烧特性和经济性。

本文以某电厂350MW四墙切圆超临界锅炉为研究对象,采用热重分析法研究该锅炉掺烧煤种的燃烧性能,建立燃烧反应动力学模型,分析混煤燃烧的动力学参数与煤质、着火温度的关系,建立锅炉燃烧一维反应网络模型和化学动力学模型,从化学动力学角度分析锅炉排放特性,建立掺混比优化数学模型,通过优化混煤掺混比提高电厂运行的经济性。

采用HS-TGA-101型热重分析仪对内蒙古煤、贺斯格乌拉煤、汽车煤、火车煤及其混煤的燃烧特征参数分析。

研究表明,火车煤掺混贺斯格乌拉煤的着火温度低于火车煤掺混内蒙古煤和火车煤掺混汽车煤,混煤的着火温度和燃尽温度介于组分煤种之间,掺烧可以改善燃烧性能。

建立煤粉燃烧反应动力学模型,分析动力学参数与煤质、着火温度的关系。

研究表明,火车煤的活化能和频率因子高于三种褐煤,贺斯格乌拉煤的活化能和频率因子最低;烟煤掺混褐煤时,褐煤的掺混比例越大,混煤的活化能越低;混煤活化能介于组分单煤之间,且略大于组分煤种活化能加权平均值;着火温度与活化能成正比,活化能越高,燃烧反应所需要的能量越大,其着火温度越高。

基于化学动力学软件CHEMKIN建立锅炉燃烧一维反应网络模型和化学动力学模型,分析促进和抑制NO_X、SO₂生成的主要基元反应,研究煤质和CO₂体积浓度对锅炉排放特性的影响。

研究表明,在氧化性气氛中,NH和NH₂促进NO的生成,反之抑制NO的生成,SO是SO₂生成过程中的重要中间产物,改变燃烧气氛,增大CO的含量可减少SO₂的生成量;NO的生成量随含氮量的增大而增大,混煤NO的生成量基本等于组分煤线性相加值,SO₂的生成量随含硫量的增大而增大,混煤SO₂的生成量略高于两种单煤线性相加值,掺烧可以改善锅炉排放特性;随着入口CO₂体积浓度的增大,CO的生成量增大,NO和SO₂的生成量减少。

第27卷第3期燃　料　化　学　学　报V ol127　N o13 1999年6　月JOURNA L OF FUE L CHE MISTRY AND TECH NO LOGY Jun1 1999煤-焦炉气共热解半焦燃烧动力学特性研究Ξ燃烧模型的建立及其表观活化能动态描述廖洪强　李保庆　孙成功(中国科学院山西煤炭化学研究所　煤转化国家重点实验室　太原　030001)摘　要　采用热重分析方法(TG A)对煤-焦炉气共热解半焦燃烧动力学特性进行研究,建立了半焦燃烧动力学模型,采用新的数学处理方法,实现了表观活化能在半焦燃烧过程中的动态描述及平均表观活化能的求取。

分析结果表明,表观活化能在半焦燃烧过程中呈“两头高、中间低”的“钟”型动态分布,其变化范围为:47～95k JΠm ol,其中主要燃烧失重阶段(转化率为20%～80%)的表观活化能较低且变化幅度较小,约为47～60k JΠm ol,在燃烧转化率为40%左右出现最低活化能约47k JΠm ol。

同一半焦燃烧过程中,表观活化能与燃烧速率动态分布具有良好的对应关系,即较大燃烧速率对应着较低表观活化能,这说明表观活化能的大小直接体现了半焦燃烧反应活性的高低。

关键词　煤,焦炉气,半焦燃烧,动力学研究煤和半焦的燃烧机理及其动力学分析,目前采用较多的是TG A法,该方法能动态描述煤和半焦燃烧全过程的失重情况,从而动态描述其燃烧特征参数的变化规律。

有关用TG A 法研究煤和半焦燃烧反应性及其燃烧动力学特性的报道很多[1～4]。

Smith[5]用TG A法研究了煤燃烧动力学,指出煤燃烧可以认为是一级动力学反应过程,表示为:-d W/d t=k′W其中K=A exp(-E/RT),W为可燃物重量,作log K-1ΠT图采用分段线性回归求斜率的办法来获得半焦燃烧阶段活化能。

G umming[6]等人利用一级动力学方程,在进样量少、薄层分布和空气过剩的前提下研究了煤焦燃烧动力学特性。