煤粉燃烧sct模型氧气可达比表面积的实验研究

中困T 程热物理学会 2 0 0 6 年学术会议论支 燃烧学 煤粉燃烧S C T 模型氧气可达比表面积 的实验研究木 余娜傅培舫周怀春 ( 。i 二中l ： 找人! 学煤燃烧圈家蕈点炙娩室，武汉，4 3 0 0 7 ，1 ) ( T E L ：0 2 7 8 7 5 4 2 4 1 7 8 5 0 6 E _ m a ii ：f p f m a i1 h u s t e d u c a ) 摘要：煤粉燃烧过程中孔的结构和比表面积l ；i 反应进程的变化I n j 变化。但足，足f i 足所, f i 的孔的比表 面积枉反应中都能发挥作用足人们所关注的焦点。本文针对煤粉燃烧S C T 模掣中的镟气町达比表面积， 进行丫不I 司煤种的T G 实验和N 2 B E T 比表面积的测试，彬i 究J ，煤粉燃烧过程中小H 温度下比表血积和i 小l 司孔径下与燃尽度和燃烧速率的相关性，研究表I 射：煤粉拍i 燃烧过程中的卜均f L 径人于3 1 l n m 时， 该孔径以 ：的累积比表囱积j 燃熔度自很好的相关件：高阶煤的铤气口r 达比表嘶积n j 反膨过程中逐渐 增加，而低阶煤的能气町达比表面积n ：反m 过程中的变化卜足很 1 2 薯；通过人量的实验说I J t 并小足 所有的比表面积白：反心过程中都发挥作用，I 佰钒气町达比表白积则町以很好的反映燃烧速j 棼的变化。 关键字：S c T 模型：钒气町达比表面积：分了卜均自由程 1 引言 煤具有丰富的孔隙结构，煤的燃烧过程是一个受煤表面结构影响的复杂的气同多相 反应。对丁燃烧过程中孔的结构和比表面积的变化规律国内外学者做了人鬣的研究I ， 通常是数个纳米以上的孔的累计比表面积随反应进程的变化而变化，并且表现出一定的 正相关性l 到。但是，是不是所有的孔的比表面积在反麻中都能发挥作用，而这些能发挥 作用的比表面积的变化规律义是怎么样的一直足人f f j 所天注的焦点。 国外的研究表明，微孔在煤焦颗粒反应中起着非常重要的作瑚，中孔和人孔提供了 反应气体运输所需要的通道，全面的化学反应主要取决了：气体反应物所能剑达的内在表 面积【习；挥发份高的煤比其它煤有更多的人孔和较少的微孔【4 1 ；煤焦的氧化反应受反应 中可利用活性比表面积的人小的影响pJ 。 煤的反应表面在燃烧过程中的变化是很复杂的1 6 7 引，在低温时，是外表面羽I 孔隙表 面；在高温时，是外表面；冈为在反戍过程中氧气分子能输运剑达的最小孔径是受氧分 子平均自由栏控制的，是温度的函数p J ；煤粉颗粒住燃烧过程中，体积可能膨胀好儿倍， 有的变化不人，有的收缩，有的分裂为儿块共至几十块碎片l l o I l l l ，口前完全由理论计算 确定是很凼难的。由丁缺乏相应的理论指导，冈此，尽管有很多的C O ，B E T 比表面积 实验结果，但大丁彳效反麻比农面积的系统的实验研究成果报道很少见。 文献【1 2 ，1 3 ，1 4 】提出的粉煤焦燃烧的S C ，r 动力学彼7 弘认为，氧气通过扩散运动剑达 孔隙颗粒的表面后，不断与颗粒表断的碳原予碰撞，多 仃超过临界活化能的碳原f 和氧 原子才能发生反成。这u 弋反应数l j jB ( ) lt z m a n n 冈f 确：芷。J - 反f 嘲苴稚： ，的温度不同， 氧气分子所具订的i r 均( J 由行程不同，颗粒表面孔径人小4 ：同，| = k l 而士0 达颗粒表面所经 历的扩散运动可能怂分f 扩敞、过变扩段手l l 努淼扩敞r | 1 的+ 种或儿种：加卜不同温度卜 困家 然堆金资I l J J 顺【I ( N o 5 0 5 7 6 0 2 5 ) 1 9 8 的耗氧速度不同，这样就矗：倾粒孔隙空f J 形成了氧气输返0 消耗的动态平衡面。氧气可 达表面。氧气可达比表面积是单位质蛩的粉煤焦燃烧过程中氧气分子扩散所能抵达的总 的表面面积，是粉煤焦燃烧动力学S C T 模讹中的尚须试验确定的天键1 人| f ，这一概念虽 然。国外的文献3 1 5 不谍而合，但其意义和确定力法印彳r 微人的芹刖。 由颗粒表面存在1 卜活陀面，人l 此，有效反戍比表面积麻比氧 e 可达比表面积小。 贝0S C T 模墨! 如卜： rj。pE = 导= 品( 1 一吼M ( 1 一翻一 e x p ( - 剖 ( 1 ) a f、 式中，五为氧气可达比表面积与初始比表而积的比值，是燃尽度的函数；初步的热 重实验表明，受煤种和升温速率的影响，其人小i 努森扩散孔径以 ：的比表面积与初始 比表面积的比值较一致，更多的影响冈素和影响规律还需要人鼍的实验研究。( 1 ) 式具有 明确的物理意义，没有需要确定的反应阶数，为通过实验的手段揭示煤焦燃烧的本质， 确定气同反应的动力! 学参数奠定了理沦基础。 本文针对煤粉燃烧S C T 模型中的氧气可达比表面积，进行了不同煤种的T G 实验雨J N 2 B E T 比表面积的测试，研究了煤粉燃烧过稗中不同温度卜比表面积往不I N 孔径卜与燃 尽度和燃烧速率的相关性。 2 实验 2 1 实验仪器 T G 实验所采崩的实验仪器足荚困T h e r r r a lC L h n 公；刁生产的T h e r M a x5 0 0 热重分析 仪。仪器的土要技术指标如卜：测量范嗣：l O O g ：测鼙精度：1 ug ；温度范同：1 1 0 0 ；压力范同：1 3 3 X1 0 也P a 1 0 3 1 0 P a 。 样品的比表面积和孔结构参数是在美国M i c r o m e r i t i c s 公n - A S A P 2 0 2 0 自动吸附仪 上测定的，该仪器在液氮饱和温度F 7 7 4 K ，以氮( 9 9 9 9 ) 为吸附介质，在相对压力 P A ( 尸，尸。分别为氮低温吸附的平衡压力及饱和压力) 为0 O l o 9 9 5 之间，进行等温 吸附和脱附的测鼙，获得吸附、脱附等温线。通过对吸附等温线形态的分析可以获得煤 焦孔隙结构的信息。 煤焦的比表面积根据低压F P P o = O 0 6 8 - 0 2 之间8 个压力点测得的吸附餐，根据标 准B E T 方法计算，煤焦的孔径分布( 孔容积按孑L J , Z 寸人小的分布) ( 1 7 3 0 0 n m 范围) E 白M i c r o m e r i t i c s 公司计算软什根据氮吸附等温线脱附分支数据采心B J H 方法计算获 得。 2 2T G 实验条件 实验采蚪j 了鲁风凰、金阳矿、张村女f 煤手庇t l t 女f - 煤四个煤种，住事漏卜由压缩气瓶 供给的气体流颦为i L m i n ，通入空气以不同的升温速率剑达不同的终温。 衷l1 j 业分析：、，t 煤种 M 。r ( ) ； A 。f f J V a 。“)F C 。r ( ) 张村好煤 7 3 1 8 2 2 9 0 62 4 8 95 2 4 I 庇山好煤 6 5 2 4 1 9 6 22 3 8 j ；3 9 2 1 6 会眄矿煤 1 3 4 2 6 8 61 6 0 2 4 6 1 4 2 鲁凤凰煤 I 1 8 1 8 I ) 66 7 6 7 5 3 1 9 9 3 实验结果及分析 3 1T G 实验结果 O2 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 T e m p ( ) 图3 I 1 鲁风煅煤n i 歹1 温速牢为5 m i n 、 6 种小川终温下的T G 曲线 0 5 1 0 0 S 9 0 0 5 8 0 7 S 7 0 e 5 5 5 4 5 4 0 3 0 2 J S 1 7 0 O S O 4 0 O2 0 04 0 06 0 08 1 0 T e m p ( ) 图3 I 3 张村好煤铂l i J t 。温速率为5 。C m i n 5 种小f r d 终温下的T Gf f l 线 O2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 T e m p ( ) 图3 1 5 庇山好煤相! 升温速率为1 0 m i n 5 种小l 一终温下的T Gf l 钉线 1 1 0 1 0 0 " 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 加 1 0 1 1 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 0 1 啊1 0 0 T | m p 求 浏3 1 2 会弧矿煤以i 丁I 温速率为5 m i n 5 种小川终湓下的T G 曲线 j j O2 0 0枷6 0 08 0 01 0 0 0 T e m p ( ) 圈3 1 4 张村好煤和：歼温速率为1 0 m i n 、 6 种1 i I 叫终温下的T G 曲线 以上5 组实验结果是煤样在同一升温速率不剧终温卜所获得的T G 曲线，它说明同 一种煤在不同的终温卜的T G 曲线订很女f 的一敛性。图中每个侧点代表一个终温，并保 留此终温T 卜的灰样川米测试比农面积。 ， 3 2N 2 B E T 数据分析 一一协*-暑 竹加 ：窖”弘”如鲇：；暑；拈拈筋 一苞譬。王 一。旨-王 一墨l I - - 童 一芝t - 3 2 1 孔比表面积与孔径的关系 分别对以上T G 实验中得到的煤粉样煞测试比表面积，测得的孔比表面积与孔径在 不同燃尽度下的芙系如卜： 柚 3 S 墨孔 萎 丑1 5 耳 O 警 5 O f O O 平均孑L 径( H ) l 玺f3 2 1 1 I 鲁凤腿煤曲! J 1 温速术为5 m i n 时 不J 司燃尽度下孔比表面积j 礼平均直径的关系 2 0 1 0 0 专t 4 i1 2 暑 O 耳0 茎B 整4 2 O 1 01 0 0 平均孑L 径( n n ) 幽3 2 3 张村好煤4 ：升温速率为5 ，r a i n 时 小州燃尽度下孔比表由积1 j 孔、r 均直径的关系 。一9 7 “一 ： - 摹i I 善，s ! 纠 ：奠皇耋bk 二， 幽3 2 1 2 会两矿煤，f I ：Y l 温速率为5 " C r a i n 时一 4 q - J 燃) g 度下孔比表脚积扎、P 均直径的关系 _ 一。H 。_ 。_ 一 平均孔径( n 1 ) 幽3 2 4 庇山好煤在丁卜温适警为l O C m i n 时 小川燃塔度一F 4 L L t 表面积t - H L ，均直径的关系 从以上关系曲线_ f J 丁以看出，对丁舟风凰煤、金蝎矿煤、张村好煤和庇山好煤，当平 均孔径大1 - - 4 n m 、1l n m 、5 r i m 和3 n m 时，累积比表面积的大小随着燃尽度的增加而增 加，说明该孔径以上的比表面积与燃尽度有很好的相关性。 3 2 2 氧气可达比表面积与燃尽度的关系 随着煤粉燃烧反麻过程中温度的不同，氧气分子所具有的平均臼由行程不同，那么 氧气在扩散过张中所能到达的孔的孔铎也不列，妇氧气分f 往不厨澡皮卜的平均自由 科为1 1 4 l ： ( 2 ) 扩散临界孔径必须满足， d 2 3 6 6 x 1 0 川T 。文献【14 】I j 将K n u d s e n 扩散孔径以j ：的比表面积定义为氧气可达比 丧晒移：。由N ：B E T 比表嘶积结合E 述的T G 实验结果就可以得剑煤粉燃烧过稗中氧气 可达比表而积及总比表酊积( B E T 累积比农衙积) 随燃尽度的变化规律。 2 0 1 ne