第20卷第5期熱能動(dòng)程Vol 20 No 52005年9月JOURNAL OF ENGINEERING FOR THERMAL ENERGY AND POWERSep.,2005文章編號(hào):001-206020-0521-06天然氣炭黑燃燒特性的熱天平研究謝廣錄范衛(wèi)東徐賓章明川上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200240)摘要利用熱重分析天平對(duì)天然氣擴(kuò)散火炬中直接取樣得尾氣中炭黑氧化的研究5-8。在這些研究中如何選到的炭黑的燃燒性能進(jìn)行了研究,并選用了蠟燭炭黑、4種擇炭黑試驗(yàn)樣品有兩種觀點(diǎn)一些研究者通過(guò)研究認(rèn)商業(yè)炭黑以及一種無(wú)煙煤焦炭作為對(duì)比?；谠囼?yàn)結(jié)果確為來(lái)自于不同燃料和燃燒狀況下生成的炭黑在微觀定了燃燒動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)并分析了它的燃燒特性。天然氣尺寸和組織上是相似的如文獻(xiàn)9對(duì)柴油機(jī)殘留于擴(kuò)散火焰中生成的炭黑具有著火相對(duì)容易、著火溫度較低〔與煤焦或揮發(fā)份較低的煤比)前期燃燒較弱、后期燃燒較機(jī)內(nèi)潤(rùn)滑油和尾氣中的兩種炭黑與一些商業(yè)爐法或緩慢、燃盡時(shí)間較長(zhǎng)等燃燒特性。這些結(jié)果為利用天然氣燃槽法歲炭黑的化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了對(duì)比研燒過(guò)程的炭黑生成強(qiáng)化火焰輻射特性并進(jìn)行有效控制提供究結(jié)果表明各種炭黑在化學(xué)組成和表面化學(xué)吸附組了依據(jù)。分上是不同的而它們的微觀結(jié)構(gòu)如在炭黑顆粒初關(guān)鍵詞天然氣漩黑燃燒特性熱分析反應(yīng)動(dòng)力學(xué)級(jí)結(jié)構(gòu)水平上兩種柴油機(jī)炭黑與商業(yè)炭黑具有高度中圖分類號(hào)TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼的相似性文獻(xiàn)由此假設(shè)它們有相同的生成過(guò)程,它們的化學(xué)差異在于后期的冷卻環(huán)境。這一點(diǎn)鼓勵(lì)許前言多研究者在簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室燃燒裝置中自產(chǎn)炭黑作為在通常的燃燒系統(tǒng)中火焰中產(chǎn)生炭黑會(huì)造成燃試驗(yàn)樣品或者使用商業(yè)炭黑作為代用品810-11,例燒效率的降低甚至損害工作設(shè)備(如燃?xì)廨啓C(jī))因如文獻(xiàn)8就選用了一種商業(yè)炭黑和一種柴油機(jī)炭此燃料燃燒過(guò)程中往往不希望生成炭黑。但是炭黑黑的燃燒特性在固定床中用程序升溫法進(jìn)行了研究在火焰中具有極強(qiáng)的熱輻射性利用炭黑這一特性研究表明商業(yè)炭黑和柴油機(jī)炭黑的燃燒速率和動(dòng)力燃燒室內(nèi)部產(chǎn)生炭黑可以促進(jìn)燃燒室內(nèi)部的熱傳導(dǎo)學(xué)特性很相似因此作者認(rèn)為可以用這種商業(yè)炭黑作和熱輻射。因此在鍋爐燃燒設(shè)備中輻射能力大為模擬的替代品。另一方面,一些研究者認(rèn)為不同炭大弱于相同爐膛容量的重油或燃煤火焰的天然氣火黑的組成是復(fù)雜的難以對(duì)比不同文獻(xiàn)的研究結(jié)果焰而言21,利用炭黑強(qiáng)化火焰輻射特性是很有意義應(yīng)采用實(shí)際裝置條件下的炭黑作為試驗(yàn)樣品7。本的即設(shè)法在燃燒初期生成適量的炭黑并能保證生文關(guān)心的是天然氣燃燒過(guò)程中生成的炭黑因此本文成的炭黑在離開(kāi)燃燒區(qū)域前燃燒掉。在國(guó)外,一些研采集了天然氣燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的炭黑作為試驗(yàn)樣品究者已提岀設(shè)計(jì)鍋爐可考慮在燃燒室適當(dāng)位置生成同時(shí)還采集了蠟燭炭黑和選用了不同的商業(yè)炭黑及大量炭黑并保證其離開(kāi)爐膛前燃盡以此強(qiáng)化爐內(nèi)輻煤焦作對(duì)比。射傳熱的思路現(xiàn)已開(kāi)展了相應(yīng)的研究3-4對(duì)炭黑燃燒特性的研究可分為高溫>800℃和為實(shí)現(xiàn)上述目的炭黑生成及后期氧化必須在低溫(<800℃厘化后者關(guān)心的是它的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)參定技術(shù)措施下得到控制傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為炭黑是一種數(shù)、著火行為等采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常為熱天平或固定難燃物質(zhì)尤其要保證在爐內(nèi)1~2s的停留時(shí)間內(nèi)完床反應(yīng)器12例如文獻(xiàn)13~14琍用熱天平系統(tǒng)很好全氧化掉。因此究炭黑的燃燒特性(著火、燃盡特地研究了炭黑的燃燒特性并還探討了動(dòng)力學(xué)參數(shù)與性以及動(dòng)力學(xué)參數(shù)等)可為開(kāi)發(fā)該技術(shù)提供依據(jù)氧化中國(guó)煤化工因此本文將利用熱天實(shí)際上對(duì)炭黑催化或非催化燃燒特性的研究在最平系YHCNMHG進(jìn)行研究近二十年吸引了許多研究者的興趣尤其是對(duì)柴油機(jī)收稿日期2005-02-22;修訂日期2005-04-26基金項(xiàng)目圍家自學(xué)基金資助項(xiàng)目(50306015)作者筒介份-)男黑龍江龍江人上海交通大學(xué)博土研究生熱能動(dòng)力工程2005年2兩種油爐黑(高補(bǔ)強(qiáng)型爐法炭黑):N20和N330,2試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)樣品都是炭黑研究院生產(chǎn)的。由于炭黑的物理結(jié)構(gòu)與無(wú)煙煤、石墨相差不多山因此還選用了一種無(wú)煙煤本試驗(yàn)采用上海天平廠生產(chǎn)的WRT-2P型微粉焦炭作為參照樣品,它是在馬弗爐中按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量熱天平。工作氣氛為空氣總流量為120ml/min,制焦得到的原煤特性見(jiàn)表1。通常,自然生成初級(jí)升溫速率為30℃/min,溫度變化范圍為20~820炭黑粒子一般為近球形無(wú)規(guī)則多面體粒子間有強(qiáng)℃。每個(gè)試樣重量約為5.0mg試樣平鋪在淺槽鉑烈凝聚趨勢(shì)粒子間易形成項(xiàng)鏈串狀結(jié)合體。其金坩堝中反應(yīng)氣上進(jìn)下出能保證與試樣充分而均粒徑不一小的在30mm左右,大的在50m左右。勻接觸減小擴(kuò)散阻力對(duì)反應(yīng)的影響。炭黑粒子已團(tuán)聚成大粒子(次級(jí)粒子),其粒徑大的試驗(yàn)材料為在天然氣(甲烷含量94%)擴(kuò)散火在2~3m小的也在0.5m以上?？梢?jiàn)自然生成炬中直接取樣得到的炭黑文中取名為自制天然氣炭黑粒子一般以微米級(jí)的次級(jí)粒子存在,只有在分炭黑,為做對(duì)比自制了蠟燭炭黑,它代表分子結(jié)構(gòu)散條件下才呈現(xiàn)初級(jí)粒子912-15。商業(yè)炭黑經(jīng)過(guò)更高的有機(jī)物燃燒生成的炭黑,同時(shí)還選用了幾種了造粒處理粒徑在幾百微米左右,為便于對(duì)比商商業(yè)炭黑作為樣品包括兩種天然氣爐黑不完全燃業(yè)炭黑樣品試驗(yàn)前通常先要研磨并篩分8其粒徑燒工藝生產(chǎn)半補(bǔ)強(qiáng)):一種是炭黑研究院生產(chǎn)的取與無(wú)煙煤焦炭粉一樣平均徑為5m以下。名爐黑1,種是上海立事化工廠生產(chǎn)的取名爐黑表1無(wú)煙煤原煤特性工業(yè)分析/%元素分析/%(應(yīng)用基)應(yīng)用基全分析基可燃基揮應(yīng)用基低位發(fā)碳成份氫成份氧成份氮成份硫成份水份Wn水份W發(fā)份Va灰份熱值Qna829.323.52317062.22.531.930.83試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1燃燒失重曲線21%氧濃度圖1和圖2分別給出了4種商業(yè)炭黑、自制天天然氣爐黑天然氣爐黑然氣和蠟燭炭黑以及無(wú)煙煤焦炭燃燒過(guò)程中的TG9-0.6N330和DTG曲線。08→蠟燭炭黑自制天然氣炭黑300400500600700800900溫度T/℃602%氧濃度天然氣爐黑圖2各試樣燃燒過(guò)程的DTG曲線蠟燭炭黑和失重終止并且只有一個(gè)失重階梯而不象煤樣會(huì)自制天然氣炭黑有多個(gè)燃燒階梯。從燃燒失重的先后順序來(lái)看,自制天然氣炭黑明顯要早于其它樣品在近500℃左500溫度T/℃明V凵中國(guó)煤化工火燃燒。天然氣爐黑1開(kāi)CNMHG試樣開(kāi)始失重點(diǎn)較為圖1各試樣燃燒過(guò)程的TG曲線接近。在升到最高溫度之前失重都會(huì)終止此時(shí)各炭黑樣品質(zhì)量接近零表明炭黑能完全燃盡同時(shí)也從圖1中可見(jiàn)渚試樣的燃燒失重曲線有相似說(shuō)明各種炭黑中基本不含灰份為無(wú)灰炭黑。無(wú)煙的特點(diǎn)就排線有較明顯的分界點(diǎn)即開(kāi)始失重第5期謝廣錄等天然氣炭黑燃燒特性的熱天平研究523煤焦炭由于有灰份存在終態(tài)質(zhì)量還有近24%(比DrG線上定工業(yè)分析低)另外炭黑實(shí)際上會(huì)不同程度地含有義失重率達(dá)揮發(fā)性物質(zhì)因此在燃燒失重之前炭黑樣品也有到0些輕微失重失重率在10%以內(nèi)。文獻(xiàn)16]對(duì)7種min時(shí)的點(diǎn)為商業(yè)炭黑在950℃下熱解表明,其揮發(fā)份含量在著火點(diǎn)或定0.4%~3.2%之間,同時(shí)測(cè)量了其灰份在0%義兩點(diǎn)間失0.3%。文獻(xiàn)9利用熱天平對(duì)幾種內(nèi)燃機(jī)中采集的重率差滿足炭黑、一種商業(yè)爐黑、一種商業(yè)槽黑進(jìn)行了工業(yè)分大于0.1mgT: T析表明內(nèi)燃機(jī)炭黑含有較多揮發(fā)性物質(zhì),在15.min時(shí)的點(diǎn)為2%~22.2%之間灰份在1.8%~2.2%之間而商著火點(diǎn)。(2)圖3著火點(diǎn)示意圖業(yè)爐黑揮發(fā)份只有0.3%,灰份0.9%,商業(yè)槽黑揮溫度曲線突發(fā)份含5%灰份0.02%?？梢?商業(yè)炭黑揮發(fā)份要變法。在著火點(diǎn)由于試樣燃燒放熱試樣溫度會(huì)偏比實(shí)際火焰中采集的炭黑揮發(fā)份低得多而灰份很離程序線性升溫在溫度曲線T上存在一突變點(diǎn)少本文結(jié)果與此是一致的。實(shí)際上炭黑除了含有此點(diǎn)可定義為著火點(diǎn)。但在氧濃度較低,試樣量較不揮發(fā)碳以外,一部分碳與氧、氬、氮等元素尤其是少時(shí),C點(diǎn)很難確定。(3)G曲線分界點(diǎn)法18。定氫元素組成官能團(tuán),燃燒時(shí),先期以揮發(fā)份形式釋義燃燒曲線與熱解曲線在TG曲線上的分界點(diǎn)為著放這些揮發(fā)性物質(zhì)往往對(duì)燃燒有促進(jìn)作用。文獻(xiàn)火點(diǎn)。當(dāng)試樣量較少時(shí)分界點(diǎn)不明顯,可再結(jié)合[7阱究認(rèn)為炭黑燃燒可以分為兩步即揮發(fā)份燃燒DTG曲線上的分界點(diǎn)溫度二者平均即為著火溫度和石墨化炭燃燒,因此揮發(fā)份成份及含量對(duì)炭黑著(4)rG-DrG切線法。如圖3所示在DTG曲線上火有很大影響這與不同揮發(fā)份含量的煤著火燃燒過(guò)峰值點(diǎn)A作垂線與TG曲線交于一點(diǎn)B過(guò)B點(diǎn)規(guī)律是一致的。文獻(xiàn)17]印證這一推論,它用柴油作TG曲線的切線,該切線與失重開(kāi)始平行線的交機(jī)中燃料燃燒產(chǎn)生的炭黑進(jìn)行空氣氣氛下熱天平試點(diǎn)C所對(duì)應(yīng)的溫度定義為著火溫度T。這種方法驗(yàn)因其含有近20%的較多揮發(fā)性物質(zhì)A00℃左右較適合燃燒曲線規(guī)整的煤焦試驗(yàn)。就開(kāi)始著火燃燒。本文中自制天然氣炭黑揮發(fā)性物實(shí)際上,由于具體試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)條件的較大質(zhì)含量最大(可能與其熱裂解生成過(guò)程有關(guān)),大量差異很難規(guī)定統(tǒng)一的求法所以至今對(duì)于這個(gè)問(wèn)題揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)促使其更快著火。仍有很大的爭(zhēng)議。本文采用方法4來(lái)計(jì)算著火溫度圖2中試樣燃燒過(guò)程中DrG曲線表示燃燒速T。各試樣著火溫度見(jiàn)表2所示表中同時(shí)給出了率隨溫升的變化關(guān)系自制天然氣炭黑的DTG曲線各試樣著火后最大燃燒速率(dG/dt)及相應(yīng)溫度峰值明顯小于其它樣品說(shuō)眀它的燃燒過(guò)程較緩慢,η以此對(duì)比它們的燃燒初期的特性。燃盡過(guò)程必然較長(zhǎng),其次是蠟燭炭黑。天然氣爐黑從表中可知各試樣的著火溫度都要比通常的煤和N20曲線接近天然氣爐黑2和焦炭的曲線也粉著火溫度高除了天然氣爐黑1和自制天然氣炭黑比較接近N33曲線峰值最大,表明其燃燒過(guò)程較外其它試樣著火溫度相差不大在600℃左右。天快。圖中曲線也顯示出在各樣品著火之前的失重情然氣爐黑1的著火溫度最高達(dá)到了659.7℃至于況焦炭的DTG線接近零表明其揮發(fā)份基本沒(méi)有,各種商業(yè)炭黑著火溫度的差異源自于它們的生產(chǎn)工而炭黑都表現(xiàn)出一定的揮發(fā)分析出,尤其是自制的藝不同包括造粒等工序破壞了它們的微觀結(jié)構(gòu)廂和天然氣炭黑。其含有的可燃性揮發(fā)性物質(zhì)量9文獻(xiàn)19給出了3.2著火特性分析些爐法炭黑的熱天平著火溫度為350~380℃揮發(fā)將TG曲線求一次導(dǎo)數(shù),可得另一燃燒特性曲份含最越低的旋里著火溫度越高這些溫度都比本文線D℃。關(guān)于在熱天平試驗(yàn)中只利用TC和DG曲分機(jī)中國(guó)煤化工術(shù)原因。自制天然氣炭線求著火點(diǎn)的方法觀點(diǎn)不一。這些方法主要有(1)黑著CNMH(,為483.0℃比焦炭DTG突變點(diǎn)法。煤粒在著火前反應(yīng)速度較低試樣低近14℃比蠟燭炭黑低近127.8℃。雖然兩種自失重比較緩慢當(dāng)達(dá)到著火溫度開(kāi)始燃燒后反應(yīng)速然生成的炭黑著火溫度差別較大但它們最大燃燒速率迅速增加此時(shí)在DG曲線上存在一突變點(diǎn)。在率基本相等說(shuō)明它們著火后燃燒過(guò)程比較一致其524熱能動(dòng)力工程2005年它試樣的最大燃燒速率都要大于它們。最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度與著火溫度規(guī)律一樣表2試樣初期燃燒特性著火溫度T/℃(dG/dt )m/mg mT-、℃可燃性指數(shù)/mgK-min-天然氣爐黑1659.78.081E-07天然氣爐黑2578.8669,616E-06N220620.78.8E-07607.5680.1蠟燭炭黑焦炭597,313E-06自制天然氣炭黑483.0584.99.78E-07當(dāng)然一些學(xué)者認(rèn)為熱天平對(duì)著火的研究與爐內(nèi)周圍釋熱速率更大顆粒留住自身燃燒熱的份額更少情況可能有差異原因在于熱天平中試樣處于堆積導(dǎo)致其燃燒溫度不及大顆粒高故其燃燒速度也不及狀態(tài)無(wú)法體現(xiàn)岀某些因素對(duì)著火的影響如試樣粒大顆粒因此粒徑小的顆粒燃燒過(guò)程長(zhǎng)。而商業(yè)炭黑徑。本文試驗(yàn)中兩種自然生成的炭黑粒徑應(yīng)在微米粒徑與焦炭差別不大由于還有其它因素影響如顆以下其它試樣平均粒徑在45m左右。按通常的?？紫督Y(jié)構(gòu))故商業(yè)炭黑燃盡更短。觀點(diǎn)顆粒粒徑越小越難著火(自身越難積聚熱量),■一天然氣爐黑1一天然氣爐黑2而本文試驗(yàn)卻未反映這一觀點(diǎn)原因不在熱天平試N330一蠟燭炭黑一焦炭驗(yàn)本身因?yàn)橐环矫姹驹囼?yàn)用的是淺槽坩堝和較少一自制天然氣炭黑試樣減小了熱量堆積對(duì)著火影響,另一方面也有人通過(guò)試驗(yàn)認(rèn)為該觀點(diǎn)是針對(duì)垂直沉降爐中單顆粒的控4.03.5煤粒試驗(yàn)而言對(duì)于顆粒群而言隨著粒徑的減小著火更加容易∞。因此本文的研究比較接近爐內(nèi)情況同時(shí)本文認(rèn)為粒徑對(duì)顆粒著火影響不大而對(duì)燃155060708090100盡過(guò)程可能有較大影響燃盡率/%一些文獻(xiàn)還用(dG/dt)/T來(lái)反映燃燒曲線從T;到T這一段的變化趨勢(shì)亦即燃料在著火后圖4各試樣不同燃盡率下相對(duì)燃盡時(shí)間的反應(yīng)能力2它是根據(jù) Arrhenius速率方程(見(jiàn)式一天然氣爐黑1一天然氣爐黑2(2))簡(jiǎn)單推導(dǎo)得來(lái)的被認(rèn)為是一個(gè)放大了的反應(yīng)性780-N330能指數(shù)。它主要反應(yīng)燃料在燃燒前期的反應(yīng)能力稱一蠟燭炭黑一+一焦炭60-×-自制天然氣炭為可燃性指數(shù)。當(dāng)指數(shù)越小時(shí),說(shuō)明可燃性越差。表2中給出的計(jì)算結(jié)果表明自制天然氣炭黑可燃指數(shù)700較焦炭低一些反映其前期燃燒反應(yīng)能力較弱。6403.3燃盡特性分析620熱分析相對(duì)燃盡時(shí)間是指熱分析曲線(TG或DrG)從著火到燃盡的時(shí)間,該時(shí)間可以相對(duì)比較相同量試樣在相同試驗(yàn)條件下的燃盡特性。由圖4可燃盡率/%見(jiàn)自制天然氣炭黑在不同燃盡率下的相對(duì)燃盡時(shí)間圖5各試樣不同燃盡率下的溫度最長(zhǎng)完全燃盡時(shí)間為6.03min其次是蠟燭炭黑而中國(guó)煤化工燃燒最快的是商業(yè)炭黑N30完全燃盡時(shí)間為2.77CNMHG燃盡時(shí)間比焦炭長(zhǎng)min其它3種商業(yè)炭黑燃盡時(shí)間比較接近但都比焦21.3%應(yīng)該說(shuō)燃盡特性與焦炭差別不是很大在爐炭短焦炭的完全燃盡時(shí)間為4.97min。兩種自制炭?jī)?nèi)條件下無(wú)煙煤焦炭在1~2s爐內(nèi)停留時(shí)間下燃黑燃盡過(guò)程長(zhǎng)的有多種原因但其粒徑影響不可忽盡率是很高的(一般飛灰含碳量在10%左右)因視正如前勞顆粒著火以后粒徑小的顆粒對(duì)此天然氣火炬初期產(chǎn)生的炭黑在溫度很高的爐內(nèi)第5期謝廣錄等天然氣炭黑燃燒特性的熱天平研究525條件下組織好助燃空氣的后期混合單個(gè)顆粒比焦pp=dT/d炭更小的炭黑燃盡應(yīng)該不成問(wèn)題。圖5表示各試樣不同研究者對(duì)炭黑低溫燃燒特性試驗(yàn)研究表不同燃盡率對(duì)應(yīng)的溫度,它們的大小關(guān)系與著火溫明反應(yīng)級(jí)數(shù)n是很接近1的可以按1處理8n2度規(guī)律一樣自制天然氣炭黑能在較低溫度下燃盡,因此本文取為1則式(2)可寫作但隨燃盡率增大所對(duì)應(yīng)溫度的增大程度更大da aH-EM RT)II-a)(5)34動(dòng)力學(xué)參數(shù)確定對(duì)式(5)積分整理得到如下近似解在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的處理上不同的研究者采用的模型及方法都不盡相同。 Gumming等人認(rèn)為即使對(duì)=l((1-2)-于同一煤粉在不同的燃燒階段其反應(yīng)機(jī)理不同在式(6)中,令I(lǐng)r( 1各階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)亦不同22本文認(rèn)為若對(duì)于炭黑或煤焦其燃燒就是碳與氧的反應(yīng)過(guò)程且在動(dòng)2 RTE,x=1,在本試驗(yàn)條件力學(xué)控制區(qū)域反應(yīng)機(jī)理不變反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)不下溫度較低時(shí)a可視為常數(shù)則上式可簡(jiǎn)化為y=變?nèi)紵乃俾手蝗Q于燃燒的溫度、顆粒表面積變a+bx的直線形式。在TG曲線上取一系列點(diǎn),根化及周圍的氧濃度等因素。由于熱天平溫度水平較低且加熱緩慢,燃燒反應(yīng)初期,主要以化學(xué)動(dòng)力控?fù)?jù)每一點(diǎn)的參數(shù)即可求出一組yx的值按線性回制燃燒速率主要隨溫度變化,因此根據(jù)質(zhì)量作用歸分析法即可作出斜率為b,截距為a的直線同時(shí)可求出活化能E和頻率因子A。圖6為各試樣按式定律,反應(yīng)速率常數(shù)k與溫度T的關(guān)系遵循Arhe式中:A—頻率因子mn1;E-活化能Mw/、(1)合直線得到的結(jié)果呀中直線為擬合直線。擬nius公式即k= Aexp- EA RT)IR天然氣爐黑1-·-天然氣爐黑2-12.0y-N330蠟燭炭黑氣體常數(shù),R=8.314×10-3kJ/(mohK)則在燃燒過(guò)自制天然氣炭黑程中試樣重量變化率對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)可表示為da/dt= Aexdl-EA RT)I1-a)"-14.0式中a一試樣重量變化率,可由TG曲線求得:(3)-155式中:w-試樣的初始重量mg;w一最大失重的殘余重量mg;-時(shí)間t時(shí)的重量,mng;t-時(shí)間,min16.595100n一反應(yīng)級(jí)數(shù)。試驗(yàn)升溫速率恒定,升溫速率φ可1/(×103)表示為本試驗(yàn)中g(shù)=30K/min)圖6各試樣 Arrhenius圖及擬合曲線表3各試樣的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)溫度溫度/℃相關(guān)系數(shù)頻率因子/min表觀活化能/ k mol天然氣爐黑1663.4-774.40.99873天然氣爐黑584-719.60.99379N3309.8E+14燭炭自制天然氣炭黑焦炭91.1-724.90.9989中國(guó)煤化工14.95CNMHG表中給出的是各試樣在著火到燃盡旺盛反應(yīng)的溫度所需能量較小因此著火溫度低,易于著火。當(dāng)然范圍內(nèi)活化能比較自制天然氣炭黑的活化能最小,這是在盡量相同條件下的相對(duì)比較,熱天平試驗(yàn)中說(shuō)明它的反應(yīng)活性比較大,由初始狀態(tài)到活化狀態(tài)活化能還與試樣重量、加熱速率和顆粒尺寸、結(jié)構(gòu)等526熱能動(dòng)力工程2005年有關(guān)對(duì)這些含碳物質(zhì)真實(shí)"活化能并不存在通常[1]岑可法高等燃燒學(xué)M]第一版杭州浙江大學(xué)出版社200含碳物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)越有序其活化能會(huì)越大如活化[2】布洛赫AF,鍋爐內(nèi)換熱M]賈鴻祥種立論譯第一版西能從小到大排序有炭黑、活性炭、焦炭、石墨化炭或安西安交通大學(xué)出版社1988[3] SALAH-ADDIN B AL-OMARI, KAZUHIKO KAWAJIRI, TAKASHI焦炭、石墨。文獻(xiàn)8所究的一種商業(yè)炭黑非催化燃YONESAWA Soot processes in a methane-fueled furnace and their im-燒表觀活化能為142kJ/mol,并給岀煤、焦炭、活性pact on radiation heat transfer to furnace walls[ J ]. Heat and Mass炭、石墨化炭的活化能范圍為116~459kJ/mol文獻(xiàn)Transfer2001A10)2567-2581[23]給出對(duì)煤粒其平均值在62.7~167.3kJ/mol[4 BELTRAME A. Soot and NO formation in methane-oxygen enriched dif的范圍內(nèi)本文的結(jié)果從量上還是比較接近的且自fusion flamed J ] Combustion and Flame 2001 1242)295-310制天然氣炭黑偏向于揮發(fā)份較高的煤的反應(yīng)性。[5] DU Z SAROFIM A F Kinetic measurement and modeling of carbonidation[ J]. Energy and Fuels, 1991 <1)214-2214結(jié)論[6] GILOT P BONNEFOY F, Determination of kinetic data for soot oxidation modeling of ceygen diffusion and reaction利用熱天平試驗(yàn)從著火和燃盡兩方面研究了天during thermogravimetric analysi J ]. Combustion and Flame, 1993然氣炭黑的燃燒特性并選用了蠟燭炭黑、4種商業(yè)951-2)37-100炭黑以及一種無(wú)煙煤焦炭作為對(duì)比。[7] GIOVANNI NERI. Catalytic combustion of diesel soot over metal oxide catalyst J ]. Applied Catalysis B Environmental ,997 11 217-231(1厭天然氣擴(kuò)散火炬中直接取樣得到的炭黑明[8 NEEFT JOHN P A Kinetics of the oxidation of diesel soo[ J ].Fuel顯要早于其它試樣著火燃燒,著火溫度在所有試樣99776(12):129-1136中最低為483.0℃,比焦炭低近114℃,比蠟燭炭[9]C1 AGUE A D I, A comparison of diesel engine soot with carbon black黑低近127.8℃。這是由于其含有的揮發(fā)性物質(zhì)較[J]. Carbon』999371553-1565多以及微觀結(jié)構(gòu)上的差異。動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算也表[10] LAHAYE J. Influence of cerium oxide on the formation and oxidationof soo[ J ]. Combustion and Flame 1996, 104: 199-207明其表觀活化能最小,為889kJ/md,其反應(yīng)活[n1 MARCUCILLI H. Experimental and theoretical study of diesel soot react性比較大由初始狀態(tài)到活化狀態(tài)所需能量較小因it[ A ] Twenty-fifth International Symposium on Combustion[ C 1.此著火溫度低,易于著火。但自制天然氣炭黑可燃Philadelphia Combustion Inst Pittsburg PA 994.619-626指數(shù)較焦炭低一些其著火后前期燃燒反應(yīng)能力較[12] STANMORE B R. The oxidation of soot: a review of experimentsmechanisms and model![ J]. Carbon 2001 39 2247-22613] GILOT P Determination of kinetic data for soot(2)比較各試樣的燃盡特性可知自制天然氣炭ing of competition between oxygen diffusion and reaction during黑在不同燃盡率下的相對(duì)燃盡時(shí)間最長(zhǎng),完全燃盡gravimetric analysi[ J ] Combustion and Flame, 1993 87-100時(shí)間為6.03min比焦炭長(zhǎng)21.3%燃盡特性與焦炭[14] GILOT P. Geometric effects on mass transfer during thermogravimetric差別不是很大。其次蠟燭炭黑相對(duì)燃盡時(shí)間也較analysis: application to the reactivity of diesel soot[ J ]. Combustion長(zhǎng)這可能由于自然生成的炭黑粒徑較小的綠故。and Flame995,102471-480[15]季君暉,炭黑表面性能的表征J]炭素199×4)8-12(3)綜合分析表明天然氣擴(kuò)散火焰中生成的炭黑[16張雄偉,聚丙烯炭黑復(fù)合導(dǎo)電材料的結(jié)構(gòu)與性能及相關(guān)的物具有著火相對(duì)容易、著火溫度較低與煤焦或揮發(fā)份較理和化學(xué)問(wèn)題的研究D]成都四川大學(xué)2000低的煤比前期燃燒較弱、后期燃燒較緩慢、燃盡時(shí)間「劉光輝黃震,上文峰等.同時(shí)催化去除柴油機(jī)微粒和較長(zhǎng)等燃燒特性。因此在燃燒室內(nèi)利用燃燒初期生NOx的試驗(yàn)研究(1IJ.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)20032X(1):-5成適量炭黑強(qiáng)化輻射傳熱要注意組織足夠的燃燒空18朱群益煤燃燒特征點(diǎn)變化規(guī)律的研究J熱能動(dòng)力工程間與助燃空氣的后期混合和保證一定的停留時(shí)間。由997X5)332-334于其與焦炭的燃盡特性差別不很大采用這些措施后1李炳炎,炭黑生產(chǎn)與應(yīng)用手刪M]第一版北京北化學(xué)工業(yè)出版社2000能保證其在離開(kāi)燃燒區(qū)前完全燃燒掉[20]姜秀民李巨斌,邱健榮超細(xì)化煤粉燃燒特性的研究J].中燃燒特性差別是較大的這與一些文獻(xiàn)研究觀點(diǎn)不[2/電機(jī)工程學(xué)報(bào)200671(4)本文研究說(shuō)明不同炭黑(包括商業(yè)炭黑)的中國(guó)煤化工頁(yè)巖燃燒性能的熱分析研究同不能用商業(yè)炭黑作為研究替代品。另外即使是CNMHG8)55-59采集的自制天然氣炭黑如果在不同溫度氣氛條件下[22]"cJw. Reactivity assessment of coals via a weigactivation energ[J ] Fuel 1984 610): 1436-1440生成它們的化學(xué)及微觀結(jié)構(gòu)特性是有區(qū)別的必然[23]孫學(xué)信陳建原煤粉燃燒物理化學(xué)基礎(chǔ)M]武漢華中理工使其燃燒特性也有差異這將作為下一步研究工作。大學(xué)出版社1參考文威方數(shù)據(jù)