关于利用DSC曲线计算煤的燃烧反应动力学的研究

摘 要：煤粉的燃烧特性对电站锅炉的设计、改造和燃烧调整有着重要的影响。文章利用差式扫描量热法（dsc）计算准东烟煤、彬县烟煤和新桥贫煤的反应动力学参数，其活化能依次为97.41kJ/mol，94kJ/mol，134.741kJ/mol，前二者活化能较低，燃烧特性好，主要原因为较高的挥发分含量。

P键词：DSC曲线；煤；反应动力学

引言

我国以煤炭资源为主的能源结构在短时间内不会改变。由于不同燃烧设备对煤种的要求极高，易造成热量利用率低、设备损坏、环境污染严重等问题，故研究煤粉燃烧动力学有着重要意义。常见研究动力学方法有热重分析、沉降炉实验和激光点燃法[1]。本文将利用差式扫描量热法研究煤种的燃烧特性及活化能等参数，从而为锅炉设计和改造提供动力学依据。

1 实验方法

首先将准东煤、彬县煤和新桥煤制成200目标准粉样，在110℃烘箱中干燥，进行工业分析及元素分析，结果见表1。

然后在德国耐驰STA449C的综合热分析仪测试DSC曲线，实验条件：样品质量约5mg，升温速率5℃/min，升温至1000℃，空气气氛，气体流量为100ml/min。DSC曲线见图1a。

2 结果与分析

DSC的反应动力学分析：

煤的反应速率可由转化率对时间微分得到，并引入微分形式的动力学机理函数f（α），则反应速率可以表示为：

其中α为转化率，k0为反应速率常数，它与温度之间的关系可用Arrhenius公式表示：

式中，A为指前因子，E为活化能，R为气体常数，8.314J・mol/K。

DSC曲线反映热量变化[2]，可求反应转化率：

（3）

H为反应热积累值，H0为反应的总热效应。对DSC曲线减去基线并积分得到对应温度点的H（即DSC曲线修积分曲线）。由H和H0可得到修正热量转化率，见图1b。n为反应级数，β为升温速率。

根据式（1）-（5），可得总反应方程：

常用处理恒定升温速率的Coats-Redfern积分法[3]对式（6）进行积分，化简得：

（7）

（8）

由于2RT/E

准东煤和彬县烟煤的活化能均为95kJ/mol左右，优于新桥贫煤，原因在于前二者具有较高挥发分，故燃烧性能较好。此外，准东煤由于高碱金属元素Na，增加了反应活性表面积，促进了脂肪烃类和芳烃烷基侧链的断裂、气体产物析出，从而促进着火[4]。而准东煤第一阶段活化能较高，原因是初始燃烧温度相较后二者较低。相较TGA计算活化能，DSC方法相关系数偏低，但趋势相同，能够反映煤燃烧特性。

3 结束语

准东煤、彬县煤和新桥煤的工业分析及元素分析分别被获得。经DSC曲线计算反应动力学参数，三者活化能分别为97.4kJ/mol、94kJ/mol、134.7kJ/mol，新桥煤燃烧特性最差，原因为较低的挥发分。

参考文献

[1]尧志辉，旷戈.煤燃烧反应动力学的研究方法综述[J].广西轻工业，2008，121（12）：23-25.

[2]M. Wagner，陆立明.热分析应用基础[M].上海：东华大学出版社，2011.

[3]孙庆雷，李文，等.DEAM和Coats-Redfern积分法研究煤办焦燃烧动力学的比较[J].化工学报，2003，54

（11）：1598-1602.

[4]刘生玉.中国典型动力煤及含氧模型化合物热解过程的化学基础研究[D].太原：太原理工大学，2004.