粉煤焦燃烧SCT模型的热重实验研究及其比热容的DSC测定

论文摘要

目前,大型电站锅炉普遍使用粉煤悬浮燃烧系统,粉煤的燃尽度不仅反映了悬浮燃煤系统重要的运行特性,而且严重影响锅炉效率。如何运用简单有效的模型预报煤的燃尽度,对锅炉燃烧的优化调整与控制及锅炉设计均具有重要意义。煤粉燃烧以煤焦的燃烧为主,煤焦燃烧过程中的活性比表面积,是煤焦与氧气本征反应动力学模型的重要参数,对从物理本质上探讨和解释煤焦的反应性具有重要的意义。研究煤焦的热物性,如比热在燃烧各个阶段的变化,对于准确预测煤的着火等燃烧特性有积极的意义。本文选取了三个煤样,在滴管炉（DTF）和热重分析仪（TGA）上制备了9种煤焦,分别测定了其孔径及比表面积分布,用场发射扫描电子显微镜（FESEM）对其表观形貌进行了观察。分别以三种气氛、三个升温速率对所制得的焦样进行了热重分析,运用SCT反应动力学理论,得到了活性表面积Ae、临界活化能Ec和频率因子k0随燃尽度的分布;并应用差示扫描量热（DSC）对5种煤焦在（70500）℃范围内的比热容进行了测定。研究结果表明:实验煤焦燃烧过程中,活性表面积Ae随燃尽度α增大而增大,燃烧反应速率达到最大时,活性表面积的变化速率也达到最大;活性比表面积的变化率随着燃尽度α的增大,呈现先增大后减小的趋势,与燃烧速率成正比,大部分曲线在燃尽度90%附近出现峰值,而后迅速降低。同种煤焦在高升温速率（30℃/min,50℃/min）下的活性比表面积变化率要明显高于低升温速率（10℃/min）下的值。应用SCT模型计算得到的不同实验煤焦的活化能Ec都表现出在反应开始和结束时较高,反应中期较低且分布较为平缓的特征。反应后期（α>85%）,煤焦活化能快速上升,从（100200）kJ/mol增大到300kJ/mol。频率因子k0与活化能Ec的变化趋势相同,变化范围与焦样的种类有关,大致在（10-61011）kg/（m2sPa）之间。500℃以前,实验煤焦比热容的测定值与模型预测值变化趋势一致,都随温度升高单调增加,从70℃的0.9 J/g℃左右增大到500℃时的（1.41.7）J/g℃左右,一般实验值要略大于理论值。1100℃下的焦样,比热容均比1300℃下的焦样要大,且原煤中挥发份含量Vdaf越高,对应的两个热解温度水平下的焦样的比热值相差越大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 本文的主要内容
• 2 国内外研究进展
• 2.1 煤粉燃烧过程及其化学变化
• 2.2 煤粉燃烧反应动力学研究
• 2.2.1 煤粉热解反应动力学模型
• 2.2.2 煤焦燃烧反应动力学模型
• 2.3 煤的化学、物理结构
• 2.3.1 煤的化学结构
• 2.3.2 煤的岩相结构
• 2.4 煤焦燃烧过程中孔结构与活性表面积的变化
• 2.5 煤焦的比热容及其实验测定方法
• 2.6 本章小结
• 3 煤焦样品制备及孔隙结构分析
• 3.1 煤焦样品制备
• 3.1.1 实验煤样
• 3.1.2 焦样制备
• 3.1.3 试验台架及仪器
• 3.1.3.1 管式沉降炉（DTF）
• 3.1.3.2 激光粒度分析仪
• 3.1.3.3 比表面积与孔径测定仪
• 3.1.3.4 场发射扫描电子显微镜（FESEM）
• 3.2 煤焦孔隙结构及微观表面形貌
• 3.2.1 孔径分布
• 3.2.2 煤焦微观表面形貌
• 3.3 本章小结
• 4 煤焦燃烧SCT 反应动力学模型的热重实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 SCT 理论建模
• 4.3 TGA 实验传质特性分析
• 4.4 实验
• 4.4.1 三种不同气氛煤焦燃烧实验
• 4.4.2 三个升温速率下煤焦燃烧实验
• 4.5 TG 实验结果
• 4.6 活性表面积 Ae
• c 和频率因子 k₀'>4.7 临界活化能 E_c 和频率因子 k₀
• 4.8 本章小结
• 5 煤焦比热容的DSC 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 实验仪器
• 5.2.2 实验方法
• 5.2.3 实验结果
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 煤焦比热容的理论模型及计算
• 5.3.2 煤焦比热容理论值与实测值的比较
• 5.3.3 煤焦比热容与热解温度的关系
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结与建议
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献