荷电后煤粉的堆放燃烧机理与试验研究

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1、中国工程热物理学会学科类别：燃烧学学术会议论文编号：094013荷电后煤粉的堆放燃烧机理与试验研究刘伟军1，张书华2(1.上海工程技术大学机械工程学院，上海201620；2.上海工程技术大学化学化工学院，上海201620)(Tel:13601854436,Email:lwj_1119@yahoo.com.cn)摘要：从化学键理论出发，分析了荷电后煤粉化学结构的变化，提出荷电后煤粉的堆放着火与燃烧机理，正极荷电煤粉可以强化着火和燃烧，负极荷电煤粉弱化多相着火和燃烧，荷电煤粉能强化均相着火，荷电高灰分煤粉是不利于其

2、燃尽的。利用热分析和马弗炉燃烧试验，从着火点（或着火延迟时间）、反应速度最快时达到的温度、50%有机质燃尽时的温度、燃尽温度和燃烧特性指数等方面试验结果，综合评价荷电后煤粉与未荷电煤粉的着火与燃烧特性规律，与荷电后煤粉的堆放燃烧理论分析相符。对于高硫烟煤和无烟煤，正极荷电煤粉的燃烧特性指数增大范围为10.5%～39.7%，负极荷电煤粉的燃烧特性指数减小范围为27.6%～45.2%。关键词：煤粉；燃烧机理；电场荷电；热分析0前言中国是世界上少数几个能源以煤为主的国家之一，也是世界上最大的煤炭生产国和消费国。中国2

3、006年煤炭年产量约为24亿吨，煤炭年消耗量约为23亿吨，发电用煤约占50%，因此，在我国研发煤粉高效燃烧新技术尤其重要。尽管目前采用了各种新型的燃烧方式，包括热回流技术、高浓度煤粉燃烧、有限空间内初期燃烧强化等，但仍未令人满意[1]。人们还在不断寻找高效燃烧方案，如高温燃烧、脉动燃烧、催化燃烧、超细煤粉燃烧等。而荷电后煤粉燃烧是本文提出的一种煤粉高效燃烧新方案。煤粉颗粒荷电是指煤粉通过高压非均匀静电场的荷电作用，使颗粒表面带有一定量的电荷[2]。电场荷电导致煤粉颗粒处于不稳定的高能状态，增强了其表面反应活性，

4、最终强化煤粉着火并加快了其燃烧反应速度。本文在煤粉颗粒荷电成功的基础上，进行了荷电后煤粉的堆放着火、燃烧理论分析与试验研究。1荷电后煤粉的堆放着火和燃烧机理分析级本文中煤粉试样是由电动高速粉碎机磨成的不规则的细小煤粉颗粒，其颗粒粒度分布范围在20～200μm之间，煤粉是以电场荷电为主实现荷电的。1.1荷电后煤粉化学结构的变化Haenel[3]认为煤结构的主体是三维交联大分子网络，网络间由氢键、范德华力等次价键力结合，小分子通过次价键力镶嵌在大分子网络中，在其结构中还含有部分无机物，如图1所示基金项目：国家自然科

5、学基金资助（项目编号50476077）。图1煤的两相模型示意图构成主体三维交联大分子网络是缩合芳香环。煤的主体结构有两个特点：首先，在其结构中有大量的氢化芳环，在煤液化初期具有供氢活性，缩合芳香环结构单元之间交联键的主要形式是邻位CH2，还含有部分CH3。根据煤粉化学反应机理，这些官能团是煤粉燃烧反应活性基团；其次，在其结构中含有C=O、—OH、N及S等电负性强，并含有孤对电子的官能团，在煤分子内和分子间存在着氢键、范德华力等次价键力。当正极荷电煤粉时，空气电离产生的的活性粒子中，存在大量的N+、N+2正离子、

6、氧自由基O·和O3等。部分N+、N+2和O·会与煤粉主体结构中的—OH以氢键的形式缔合，部分N+、N+2会与分子中的电负性强的C=O以范德华力结合，裸露的—OH和C=O与N+、N+2及O·结合的机会大，空间位阻大的基团则仍以原来的形式存在于荷电后的煤分子结构中，从而导致煤分子间的次价键力有所降低。高能电子和活性粒子的碰撞作用，使缩合芳香环的CH2、CH3基团活化，煤分子的化学反应活性增强。当负极荷电煤粉时，负氧离子O2-一方面会与煤分子结构中的—OH形成氢键，还可能与CH2、CH3之间以范德华力结合，减少了煤分

7、子结构中的活性基团，使煤分子的化学反应活性减弱。低分子物包括低分子量的氢化芳香环、脂环和杂环，以及低分子烃和长链脂肪酸、醇、酮和甾醇等。无论是正极荷电还是负极荷电产生的活性粒子及高能电子对低分子物都有活化作用，使它们成为激发态的分子、原子、自由基等活性粒子。电离所产生的活性粒子对煤结构中的无机物等矿物质有吸附作用，即电离产生的活性粒子部分吸附在煤粉中的无机物表面或孔隙中。1.2荷电后煤粉的堆放着火机理分析着火可以被说成是：当一个可燃物容积中热产生的速率超过热损失速率时，则着火便发生；燃料与氧化剂达到一个连续反应

8、的过程。煤的着火是一个特别复杂的问题，控制着火过程的各种变量强烈地取决于煤粒的形态，着火温度和着火时间的范围[4]。影响煤的着火温度和着火时间的重要参数包括：化学动力学参数和流体力学参数，即煤种（燃烧热及活化能）、煤中挥发分和矿物质及水分含量、煤粒尺寸及分布、煤的浓度或质量、系统压力和气体成分、温度（煤粒表面温度及着火环境温度）、气流速度、着火空间尺寸等。Zhang[5]给出了煤粒着火