煤矸石与半焦富氧混烧特性及污染物排放特性研究

引用本文: 戴若薇, 赵瑞东, 王志奇, 秦建光, 陈天举, 吴晋沪. 煤矸石与半焦富氧混烧特性及污染物排放特性研究[J]. 燃料化学学报, 2022, 50(2): 152-159. doi: 10.1016/S1872-5813(21)60132-9 shu

Citation: Ruo-wei DAI, Rui-dong ZHAO, Zhi-qi WANG, Jian-guang QIN, Tian-ju CHEN, Jin-hu WU. Study on the oxy-fuel co-combustion of coal gangue and semicoke and the pollutants emission characteristics[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2022, 50(2): 152-159. doi: 10.1016/S1872-5813(21)60132-9 shu

煤矸石与半焦富氧混烧特性及污染物排放特性研究

戴若薇 ^{1, 2,} ,
赵瑞东 ^{1,
,} ,
王志奇 ^1, ,
秦建光 ^1, ,
陈天举 ^1, ,
吴晋沪 ^1,

1.
中国科学院青岛生物能源与过程研究所中国科学院生物燃料重点实验室，山东青岛 266101
2.
中国科学院大学，北京 100049

作者简介: dairw@qibebt.ac.cn;

通讯作者: Tel: 0532-80662763, E-mail: zhaord@qibebt.ac.cn

摘要: 利用热重分析仪和管式炉实验，研究了煤矸石与半焦的富氧混烧特性，考察了半焦混烧比例、O₂含量和反应温度对燃烧特性和污染物排放特性的影响。结果表明，混烧半焦和提高O₂含量均可显著改善混合燃料的燃烧性能，当半焦混烧比例为75%时，着火和燃尽指数最高。随半焦混烧比例增大，CO和SO₂转化率均逐渐降低。提高反应温度，CO转化率降低，SO₂转化率增大，NO转化率呈现先升高然后降低或缓慢增加趋势。反应温度为900 ℃时，混烧半焦可降低燃烧过程的NO排放量。其余反应温度下，混烧半焦会增大NO转化率。随O₂含量升高，混合燃料富氧燃烧过程的CO转化率降低，NO转化率升高，SO₂峰值释放量和转化率呈先降低后升高的趋势。当O₂体积分数为20%时，SO₂转化率最低。

关键词:

English

Study on the oxy-fuel co-combustion of coal gangue and semicoke and the pollutants emission characteristics

1.
Key Laboratory of Biofuels, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China
2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Corresponding author: Tel: 0532-80662763, Email: zhaord@qibebt.ac.cn

Received Date: 07 May 2021
Revised Date: 01 July 2021
Available Online: 10 February 2022

Abstract: The oxy-fuel co-combustion of coal gangue and semicoke and the pollutants emission characteristics were studied by thermogravimetric analyzer and tube furnace experiments. The effects of semicoke blending ratios, O₂ concentration and temperature were investigated. The results showed that the combustion performance of blended fuel could be improved with the addition of semicoke and the increase of O₂ concentration. The maximum ignition and burnout index were obtained when semicoke blending ratio was 75%. The x_COand

gradually decreased with the increase of semicoke blending ratios. As the increase of temperature, the x_COdecreased,

increased while x_NO firstly increased then decreased or slowly grew. The NO emission could be reduced with the addition of semicoke when the temperature was 900 ℃. However, it would aggravate NO emission at other temperatures. With the increase of O₂ concentration, the x_CO decreased, x_NO increased while

firstly decreased and then increased. The minimum

was obtained when O₂ concentration was 20%.

Key words:

煤矸石作为煤炭开采和加工过程的副产物，是中国排放量最大的工业固体废弃物之一。据统计，目前，中国煤矸石堆积量已超过60亿吨，既对环境造成了严重危害，也是资源的极大浪费，亟待处理和解决。燃烧发电是实现煤矸石大规模利用和能源回收的有效途径之一，其发电装机容量也逐年递增^[1]。近年来，随着全球变暖问题不断加剧，加强煤燃烧过程的碳捕集成为燃煤发电行业应对全球气候变化和碳减排的重点发展方向。其中，富氧燃烧技术可大幅提高燃烧烟气中CO₂含量，有利于实现煤矸石燃烧过程CO₂的低成本、高效率捕集，受到了学者的广泛关注^[2-5]。Tan等^[6]和Maffei等^[7]的研究表明，由于CO₂的热容高于N₂，相同O₂含量下，空气气氛下煤燃烧时的火焰传播速率要大于O₂/CO₂气氛。Mureddu等^[8]和刘彦^[9]发现富氧燃烧可显著降低煤粉的着火和燃尽温度，提高煤粉的燃烧性能。Riaza等^[10]发现富氧燃烧过程中，当O₂体积分数为21%时，煤粉的着火和燃尽特性均不如空气燃烧。但当O₂含体积分数≥ 30%时，富氧燃烧时着火温度较低，燃尽率也高于空气燃烧。

相比普通动力煤，由于煤矸石灰分高、热值低，单独燃烧较为困难，实际生产应用中通常采用与高热值燃料混烧的方式来提高其燃烧稳定性^[11,12]。Bi等^[13]发现，花生壳的掺入可显著降低煤矸石的着火和燃尽温度，改善其燃烧性能。龚振等^[14]研究了煤矸石与玉米秸秆的循环流化床混烧特性，发现玉米秸秆含量越高，混烧时炉膛中下部温度越高，而中上部温度则越低。Gong等^[15]考察了O₂含量对煤矸石与生物质混烧特性的影响，发现燃烧初期的活化能随O₂含量升高而逐渐降低，但燃烧末期的活化能则呈升高趋势。

煤矸石中氮硫元素含量相对较高，燃烧过程中易产生较高含量的NO_x和SO₂，给其富氧燃烧过程的超低排放带来严峻挑战。Zhang等^[16]利用固定床反应器研究了低质煤、煤矸石及两者混合物富氧燃烧时的污染物排放特性。结果表明，煤矸石燃烧时SO₂排放量最高，NO排放量最低。随低质煤混烧比例增加，SO₂排放量逐渐降低，而NO的排放量则呈现先增大再减小最后再增大的趋势。Yang等^[17]分析了煤矸石与污泥富氧混烧过程中污染物的排放特性，发现混合样品的NO和SO₂排放特性与纯污泥基本一致。由于污泥中碱金属含量较高，混合样品在800 ℃时具有较强的自脱硫作用，导致此时SO₂的排放量大幅降低。混烧过程中NO的排放量相比理论值均有所下降。

近年来，随着中国低阶煤热解提质技术的迅速发展，其生产过程中的固体副产物即半焦的产量日趋增大，存在一定的利用难题^[18]。半焦具有较高的热值和较低的污染物元素含量^[19]，将其与煤矸石混烧不仅可有效改善煤矸石的燃烧特性，还有助于降低煤矸石燃烧过程的污染物排放，同时还实现了半焦的大规模处理，具有重要的研究意义。但目前关于两者富氧条件下混烧的研究相对较少，未见相关文献报道。

基于此，本研究采用热重分析仪和管式炉实验装置，开展了富氧条件下煤矸石与半焦混烧特性的研究，考察了半焦混烧比例、O₂含量和反应温度对混合燃料富氧燃烧特性和污染物排放特性的影响规律。研究可为煤矸石与半焦混烧工业应用提供理论和技术支持。

1. 实验部分

1.1 实验原料

实验原料采用山西省平朔煤矸石电厂的入炉煤矸石和陕西煤业化工集团的烟煤低温热解半焦，其元素分析、工业分析和热值见表1。两种原料均先经过烘干并破碎至粒径小于75 μm，然后按半焦混烧比例（质量分数）0、25%、50%、75%、100%均匀混合备用。

表 1

表 1 样品的元素分析、工业分析和热值

Table 1. Proximate, ultimate and heating value analyses of samples

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Sample	Proximate analysis w_ar/%				Ultimate analysis w_ar/%					LHV/(MJ·kg⁻¹)
Sample	M	V	A	FC^*	C	H	N	S	O^*	LHV/(MJ·kg⁻¹)
Coal gangue	1.52	22.90	52.25	23.33	40.67	2.22	0.61	1.50	1.23	14.73
Semicoke	8.55	8.11	10.05	73.29	73.81	1.32	0.88	0.39	5.00	23.18
note: M-moisture; V-volatile; A-ash; FC-fixed carbon; LHV-lower heating value, ar-received basis, ^*: by difference

1.2 实验装置及方法

煤矸石与半焦富氧混烧特性实验在热重分析仪（德国耐驰STA 449 F3）上进行。每次实验时取10 mg样品置于热重坩埚中，然后以10 ℃/min的升温速率从室温升至1000 ℃。实验采用O₂/CO₂气氛（O₂体积分数分别为10%、20%、30%和40%），流量为50 mL/min。

煤矸石与半焦富氧混烧过程中污染物排放特性实验在如图1所示的管式炉实验装置上进行。实验过程中，首先称取0.2 g的样品，均匀铺在样品管中。然后，根据实验工况，利用质量流量计配比不同的载气并通过两路管道通入管式炉（两路气体流量均为1 L/min），以确保样品燃烧完全。最后，待管式炉温度达到设定温度时，将样品管迅速推入管式炉中心，进行富氧燃烧实验。燃烧产生的CO、NO和SO₂气体采用意大利Seitron C600烟气分析仪检测，采样间隔为2 s。载气采用O₂/CO₂气氛，其中，O₂的体积分数分别为10%、20%、30%、40%，反应温度分别为800、850、900和950 ℃。

图 1

图 1. 管式炉实验装置示意图

Figure 1. Schematic diagram of the tube furnace experimental device

1: O₂; 2: CO₂; 3, 4, 5, 6: mass flow controller; 7, 8: gas mixer; 9: inner quartz tube; 10: outer quartz tube; 11: sample tube; 12: furnace; 13: exhaust system; 14: flue gas analyzer

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1.3 数据分析方法

煤矸石与半焦的混烧特性主要采用燃烧特征温度和特征指数来评价。燃烧特征温度主要包括着火温度(t_i)、最大失重速率温度(t_m)和燃尽温度(t_f)。其中，t_i为 DTG曲线上最大失重速率对应温度在TG曲线上对应点的切线与TG曲线样品脱水阶段结束后平滑曲线的交点所对应的温度^[20]。t_f为TG曲线上煤矸石失重质量达到总失重量的98%时的温度^[21,22]。燃烧特征指数包括着火指数(D_i)、燃尽指数(D_f)和综合燃烧特性指数(S)，其计算方法分别如式（1）−（3）所示^[23]。

${D_{\rm{i}}} = \frac{{{\rm{DTG}}_{{{\rm{max}}}}}}{{{t_1}{t_{\rm{2}}}}}$

(1)

${D_{\rm{f}}}= \frac{{{\rm{DTG}}_{{{\rm{max}}}}}}{{\Delta {t_{{1 / 2}}}{t_{\rm{2}}}{t_{\rm{3}}}}}$

(2)

$S = \frac{{{\rm{DTG}}_{{{\rm{max}}}}{\rm{DTG}}_{{{\rm{mean}}}}}}{{t_{{\rm{i}}}^2{t_{\rm{f}}}}}$

(3)

式中，DTG_max为最大失重速率，DTG_mean为着火温度至燃尽温度区间的平均失重速率，单位均为%/min。t₁、t₂和t₃为着火、最大失重和燃尽温度所对应的时间，单位为min。Δt_1/2为DTG/DTG_max比值为1/2时所对应的时间区间。

样品管式炉富氧燃烧实验中污染物气体的转化率通过式（4）计算：

$x{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\rm{ = }}{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \frac{{\displaystyle\int_0^{\rm{t}} C \cdot {{10}^{ - 6}}{\rm{d}}t \cdot Q \cdot M}}{{m \cdot 60 \cdot 22.4}} \times 100\%$

(4)

式中，x为样品中碳、氮和硫元素向CO、NO和SO₂的转化率(%)，C为富氧过程污染物气体的排放含量(10⁻⁶)，Q为实验过程中气体的体积流量(L/min)，m为原料中碳、氮和硫元素的含量(g)，M为其摩尔质量(g/mol)。

2. 结果与讨论

2.1 燃烧特性

2.1.1 半焦混烧比例影响

图2所示为不同半焦混烧比例下煤矸石与半焦混烧过程的TG和DTG曲线，对应的燃烧特征参数见表2（燃烧过程中O₂含量保持30%不变）。由图2(a)可知，由于半焦中灰分含量较低，混合燃料燃烧后残余物的质量随半焦混烧比例的增加而逐渐降低。由图2(b)可知，混合燃料燃烧过程主要存在三个失重阶段。第一个失重阶段（< 100 ℃）为脱水过程；第二个失重阶段（300−700 ℃）为混合燃料的主要燃烧区间，包括挥发分析出和固定碳燃烧过程。随半焦混烧比例增加，此阶段的最大失重速率呈先升高后降低的趋势。当半焦混烧比例为75%时，最大失重速率达到最高值，约为8.63%/min。这说明适当的半焦混烧比例不仅可以促进煤矸石的燃烧，也可提高半焦的燃烧强度。这一方面是因为半焦的加入提高了混合燃料的碳含量和热值，促进了煤矸石的燃烧；另一方面，煤矸石中挥发分含量高于半焦，可有效促进半焦中固定碳的燃烧^[24]。第三个失重阶段（> 850 ℃）主要对应混合燃料中矿物质的分解过程^[25]。

图 2

图 2. 不同半焦混烧比例下TG(a)和DTG(b)曲线

Figure 2. TG (a) and DTG (b) curves of co-combustion at different semicoke blending ratios (O₂ concentration is 30%)

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表 2

表 2 不同半焦混烧比例下混合燃料的燃烧特征参数

Table 2. Combustion characteristic parameters at different semicoke blending ratios (O₂ concentration is 30%)

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Semicoke blending ratios/%	t/℃			D_i × 10⁻³ /min⁻³	D_f × 10⁻⁴ /min⁻³	S × 10⁻⁸ /(min⁻²·℃⁻³)
Semicoke blending ratios/%	t_i	t_m	t_f	D_i × 10⁻³ /min⁻³	D_f × 10⁻⁴ /min⁻³	S × 10⁻⁸ /(min⁻²·℃⁻³)
0	433	493	668	1.97	1.57	4.07
25	433	493	657	2.04	1.77	5.23
50	469	515	858	3.52	2.36	5.63
75	469	515	858	3.87	2.59	7.45
100	474	534	858	3.44	1.87	8.23

由表2可知，随半焦混烧比例增加，混合燃料的着火和燃尽温度均逐渐升高。但耦合燃烧失重速率影响后，混合燃料对应的着火指数和燃尽指数则呈现先升高后降低的趋势。当半焦混烧比例为75%时，着火和燃尽指数达到最高值，分别为3.87 × 10⁻³和2.59 × 10⁻⁴ min⁻³。这也进一步证实了添加适当比例的半焦不仅可以提高煤矸石的燃烧特性，也在一定程度上改善了半焦的着火和燃尽特性，这对于两者混烧非常有利。此外，由表2可知，随半焦混烧比例增加，混合燃料的综合燃烧特性指数呈现逐渐增大的趋势，这说明加入半焦可有效提升混合燃料的综合燃烧性能。

2.1.2 O₂含量影响

图3所示为不同O₂含量下煤矸石与半焦混烧过程的TG和DTG曲线，对应的燃烧特征参数见表3（半焦混烧比例50%）。由图3可知，与半焦混烧比例的影响类似，不同O₂含量下混合燃料的燃烧过程也可分为三个阶段。随O₂含量升高，混合燃料的热失重曲线逐渐向低温区移动，最大失重速率逐渐增大，这说明提高O₂含量有利于提升混合燃料的燃烧速率。此外，值得注意的是，当O₂含量较低时，第二个失重阶段表现出单峰特性，而高O₂含量下其呈现双峰特征。这可能是因为低O₂含量下混合燃烧的燃烧过程较为缓慢，煤矸石与半焦之间以及挥发分与固定碳之间的燃烧界限并不明显。而在高O₂含量下，燃料燃烧速率加快，上述界限区别相对明显。

图 3

图 3. 不同O₂体积分数下TG (a)和DTG (b)曲线

Figure 3. TG (a) and DTG (b) curves at different O₂ concentrations (semicoke blending ratio is 50%)

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由表3可知，随O₂含量升高，混合燃料的着火温度整体呈降低趋势，对应的着火指数逐渐增大，说明提高O₂含量可改善混合燃料的着火特性，促进其提前燃烧。与之不同的是，混合燃料的燃尽温度呈波动状，无明显变化规律。但由于高氧气含量下燃烧速率增大，燃烧时间缩短，促使混合燃料的燃尽指数显著增大。此外，随O₂含量提高，混合燃料的综合燃烧特性指数由5.21 × 10⁻⁸ min⁻²·℃^–³大幅升高至14.93 × 10⁻⁸ min⁻²·℃^–³。这说明提高O₂含量可显著改善混合燃料的综合燃烧性能。

表 3

表 3 不同O₂体积分数下混合燃料的燃烧特征参数

Table 3. Combustion characteristic parameters at different O₂concentrations (semicoke blending ratio is 50%)

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O₂ concentration/%	t_i/℃	t_m/℃	t_f/℃	D_i × 10⁻³/min⁻³	D_f × 10⁻⁴/min⁻³	S × 10⁻⁸/(min⁻²·℃⁻³)
10	478	613	702	1.26	0.46	5.21
20	468	563	692	1.98	1.06	7.71
30	469	515	858	3.52	2.36	5.63
40	464	524	667	4.14	6.30	14.93

2.2 气体污染物排放特性

2.2.1 半焦混烧比例和反应温度影响

图4所示为不同半焦混烧比例和反应温度下，煤矸石与半焦富氧混烧时CO转化率的变化曲线（O₂体积分数为30%）。由图4可知，当反应温度为800 ℃时，煤矸石燃烧过程CO的转化率较高，不完全燃烧损失较大。随半焦混烧比例增加，混烧过程CO的转化率显著降低。当进一步提高反应温度时，不同混合燃料燃烧过程的CO转化率均迅速降低。此时煤矸石与半焦单独燃烧时CO的转化率基本一致。因此，混烧半焦对降低CO转化率的作用不明显。

图 4

图 4. CO转化率随半焦混烧比例和反应温度的变化

Figure 4. x_CO at different temperatures and semicoke blending ratios

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图5所示为不同半焦混烧比例和反应温度下，煤矸石与半焦富氧混烧时NO转化率的变化曲线（O₂体积分数为30%）。由图5可知，当半焦混烧比例为50%时，随反应温度升高，NO转化率单调递增。但当反应温度超过850 ℃时，其增长幅度有所减缓。其余半焦混烧比例下，随反应温度升高，NO转化率均呈现先上升后下降的趋势。其中，当半焦混烧比例为25%时，NO转化率在850 ℃时达到最高值。而对于纯半焦、纯煤矸石以及半焦混烧比例为75%时，NO转化率在900 ℃时最大。这一方面是因为随反应温度升高，煤矸石燃烧更加剧烈，加快了燃料氮的析出和氧化，导致NO转化率增大；但另一方面，高温同样也有利于增强焦炭和CO对NO的还原反应^{[26, 27]}，从而导致高温下NO转化率增长变缓甚至降低。总体来看，当反应温度为900 ℃时，混合燃料的NO转化率明显低于纯半焦和纯煤矸石，说明此时混烧半焦有利于降低燃烧过程的NO排放量。但其余反应温度下，混烧半焦会增大煤矸石燃烧时NO的转化率。

图 5

图 5. NO转化率随半焦混烧比例和反应温度的变化

Figure 5. x_NO curves at different temperatures and semicoke blending ratios

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图6所示为不同半焦混烧比例和反应温度下，煤矸石与半焦富氧混烧时SO₂转化率的变化曲线（O₂含量为30%）。由图6可知，不同半焦混烧比例下，混烧过程SO₂转化率随反应温度升高均呈现逐渐增大的趋势，说明高温会促进燃烧过程硫的释放。由于半焦中硫含量和转化率明显低于煤矸石，相同反应温度下，随半焦混烧比例的增加，SO₂转化率逐渐下降，这说明加入半焦可显著降低混烧过程的SO₂排放。

图 6

图 6. SO₂转化率随半焦混烧比例和反应温度的变化

Figure 6.

${x_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} $

curves at different temperatures and semicoke blending ratios

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2.2.2 O₂含量影响

图7所示为不同O₂含量下煤矸石与半焦混烧时CO排放特性和转化率的变化（半焦混烧比例50%，反应温度850 ℃）。由图7可知，不同O₂含量下混烧过程CO的排放曲线均呈现双峰特征，但第一个释放峰较小，第二个释放峰占主导地位，这主要是由于混合燃料中固定碳的比例相对较高导致。随O₂含量升高，混烧过程的CO峰值释放含量和转化率均逐渐降低，释放时间也显著缩短。这说明提高O₂含量可增大混合燃料的燃烧速率，降低混烧过程的不完全燃烧损失。

图 7

图 7. CO排放特性(a)和转化率(b)随O₂体积分数的变化

Figure 7. CO emission characteristic (a) and x_CO (b) curves at different O₂ concentrations

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图8所示为不同O₂含量下煤矸石与半焦混烧时NO排放特性和转化率的变化（半焦混烧比例50%，反应温度850 ℃）。由图8可知，不同O₂含量下NO的排放曲线均为单释放峰。随O₂含量增大，NO峰值释放含量和转化率均逐渐升高，但整体释放时间显著缩短。这主要是因为O₂含量越高，一方面，燃料的燃烧反应越剧烈，促进了燃料氮的析出和氧化；另一方面，高O₂含量加快了混合燃料中固定碳的消耗，降低了CO释放，从而削弱了NO的还原反应。这意味着富氧燃烧过程中提高O₂含量不利于NO污染物的控制。

图 8

图 8. NO排放特性(a)和转化率(b)随O₂体积分数的变化

Figure 8. NO emission characteristic (a) and x_NO (b) curves at different O₂ concentrations

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图9所示为不同O₂含量下煤矸石与半焦混烧时SO₂排放特性和转化率的变化（半焦混烧比例50%，反应温度850 ℃）。由图9可知，混烧过程中SO₂的排放曲线仅存在一个释放峰。但与NO排放相比，其释放过程更加集中。仅当O₂含量为40%时，由于高O₂含量促进了混合燃料中较难分解的噻吩硫等含硫化合物的分解和释放，导致燃烧后期出现一个平缓的SO₂释放阶段。随O₂含量升高，SO₂峰值释放量和转化率均呈先降低后升高的趋势。O₂体积分数为20%时，SO₂峰值释放量和转化率最低，分别为2.86×10⁻⁴和25%。

图 9

图 9. SO₂排放特性(a)和转化率(b)随O₂体积分数的变化

Figure 9. SO₂ emission characteristic (a) and

${x_{{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}}}} $

(b) curves at different O₂ concentrations

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这主要是由于混合燃料中硫释放与自固硫效应间的相互作用导致。O₂含量升高，一方面煤矸石的自固硫效应增强，降低了SO₂的释放^[28]；但另一方面，高O₂含量也会强化煤矸石的燃烧过程，促进其中S的析出和转化。当O₂体积分数低于20%时，自固硫效应起主导作用，因此，SO₂转化率逐渐降低。而当O₂体积分数高于20%时，后者作用更大，导致SO₂转化率升高。

3. 结　论

随半焦混烧比例增加，混合燃料的着火和燃尽指数呈现先增大后减少的趋势，而综合燃烧特性指数则单调递增。当半焦混烧比例为75%时，着火和燃尽指数最高，分别为3.87 × 10⁻³ 和2.59 × 10⁻⁴ min⁻³。高O₂含量可显著改善混合燃料的燃烧特性，提高其着火、燃尽和综合燃烧特性指数。

随半焦混烧比例增大，CO和SO₂转化率均逐渐降低。提高反应温度，CO转化率降低，SO₂转化率增大，NO转化率呈现先升高然后降低或缓慢增加趋势。低反应温度下，混烧半焦对降低CO转化率的促进作用明显。反应温度为900 ℃时，混烧半焦可降低燃烧过程的NO排放量。但其余反应温度下，混烧半焦会增大NO转化率。

提高O₂含量可显著降低混合燃料富氧燃烧过程CO的释放，但也会增大NO排放。随O₂含量升高，燃烧过程的SO₂峰值释放量和转化率呈先降低后升高的趋势。当O₂体积分数为20%时，SO₂转化率最低，约为25%。

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图 FIG. 1261. FIG. 1261.

Figure FIG. 1261. FIG. 1261.

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图 1 管式炉实验装置示意图

Figure 1 Schematic diagram of the tube furnace experimental device

1: O₂; 2: CO₂; 3, 4, 5, 6: mass flow controller; 7, 8: gas mixer; 9: inner quartz tube; 10: outer quartz tube; 11: sample tube; 12: furnace; 13: exhaust system; 14: flue gas analyzer

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图 2 不同半焦混烧比例下TG(a)和DTG(b)曲线

Figure 2 TG (a) and DTG (b) curves of co-combustion at different semicoke blending ratios (O₂ concentration is 30%)

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图 3 不同O₂体积分数下TG (a)和DTG (b)曲线

Figure 3 TG (a) and DTG (b) curves at different O₂ concentrations (semicoke blending ratio is 50%)

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图 4 CO转化率随半焦混烧比例和反应温度的变化

Figure 4 x_CO at different temperatures and semicoke blending ratios

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图 5 NO转化率随半焦混烧比例和反应温度的变化

Figure 5 x_NO curves at different temperatures and semicoke blending ratios

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图 6 SO₂转化率随半焦混烧比例和反应温度的变化

Figure 6 curves at different temperatures and semicoke blending ratios

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图 7 CO排放特性(a)和转化率(b)随O₂体积分数的变化

Figure 7 CO emission characteristic (a) and x_CO (b) curves at different O₂ concentrations

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图 8 NO排放特性(a)和转化率(b)随O₂体积分数的变化

Figure 8 NO emission characteristic (a) and x_NO (b) curves at different O₂ concentrations

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图 9 SO₂排放特性(a)和转化率(b)随O₂体积分数的变化

Figure 9 SO₂ emission characteristic (a) and (b) curves at different O₂ concentrations

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表 1 样品的元素分析、工业分析和热值

Table 1. Proximate, ultimate and heating value analyses of samples

Sample	Proximate analysis w_ar/%				Ultimate analysis w_ar/%					LHV/(MJ·kg⁻¹)
Sample	M	V	A	FC^*	C	H	N	S	O^*	LHV/(MJ·kg⁻¹)
Coal gangue	1.52	22.90	52.25	23.33	40.67	2.22	0.61	1.50	1.23	14.73
Semicoke	8.55	8.11	10.05	73.29	73.81	1.32	0.88	0.39	5.00	23.18
note: M-moisture; V-volatile; A-ash; FC-fixed carbon; LHV-lower heating value, ar-received basis, ^*: by difference

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表 2 不同半焦混烧比例下混合燃料的燃烧特征参数

Table 2. Combustion characteristic parameters at different semicoke blending ratios (O₂ concentration is 30%)

Semicoke blending ratios/%	t/℃			D_i × 10⁻³ /min⁻³	D_f × 10⁻⁴ /min⁻³	S × 10⁻⁸ /(min⁻²·℃⁻³)
Semicoke blending ratios/%	t_i	t_m	t_f	D_i × 10⁻³ /min⁻³	D_f × 10⁻⁴ /min⁻³	S × 10⁻⁸ /(min⁻²·℃⁻³)
0	433	493	668	1.97	1.57	4.07
25	433	493	657	2.04	1.77	5.23
50	469	515	858	3.52	2.36	5.63
75	469	515	858	3.87	2.59	7.45
100	474	534	858	3.44	1.87	8.23

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表 3 不同O₂体积分数下混合燃料的燃烧特征参数

Table 3. Combustion characteristic parameters at different O₂concentrations (semicoke blending ratio is 50%)

O₂ concentration/%	t_i/℃	t_m/℃	t_f/℃	D_i × 10⁻³/min⁻³	D_f × 10⁻⁴/min⁻³	S × 10⁻⁸/(min⁻²·℃⁻³)
10	478	613	702	1.26	0.46	5.21
20	468	563	692	1.98	1.06	7.71
30	469	515	858	3.52	2.36	5.63
40	464	524	667	4.14	6.30	14.93

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

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沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142