一種確定煤熱解生成物成分含量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱能工程領(lǐng)域，具體涉及一種確定煤熱解生成物成分含量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤粉燃燒要經(jīng)歷有機質(zhì)熱解、揮發(fā)分燃燒和煤焦異相反應(yīng)等階段，熱解是煤粉燃 燒的第一步，該過程析出的揮發(fā)分質(zhì)量約占原煤質(zhì)量的10%~50% ;揮發(fā)分與焦炭的燃燒 過程相互耦合，由于揮發(fā)分火焰的影響，煤焦顆粒可以在低于它的著火溫度的情況下被點 燃，揮發(fā)分對焦炭同時存在促燃和"搶氧"作用；揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的氮氧化物與反應(yīng)溫度、煤 質(zhì)特性和氣體成分等因素有關(guān)；熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量和成分對燃燒過程中有重要影響， 為了模擬和優(yōu)化燃燒過程，要對煤進(jìn)行熱解試驗，通過熱解實驗對鍋爐CFD軟件中的熱解 成分和動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行配置；因此，煤熱解生成物成分的確定在工程上有重要意義。
[0003] 為確定揮發(fā)分的析出數(shù)量和速率，通常采用熱重分析技術(shù)測試煤在不同升溫 速率和熱解溫度下的失重量和失重速率；熱解成分的測量則更為復(fù)雜，且成本較高；熱 解模型與實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，是更為有效的研究方法；為預(yù)測煤熱解產(chǎn)物的構(gòu)成，文獻(xiàn)[A predictive multi-step kinetic model of coal devolatilization[J]· Fuel，2010， 89(2) :318-328]認(rèn)為煤是由混合官能團(tuán)組成，這些官能團(tuán)以不同的動力學(xué)參數(shù)產(chǎn)生特 定種類的氣體，并提出在熱解過程中，采用多步動力學(xué)方法確定煤的熱解產(chǎn)物的構(gòu)成；文 南犬[Emission of volatile organic compounds from coal combustion[J]· Fuel，2009， 78(13) :1527-1538]采用動力學(xué)和熱力學(xué)分析方法，得到煤燃燒及煙氣冷卻過程中，揮發(fā) 性有機物 VOCs (Volatile Organic Compounds)和多環(huán)芳經(jīng) PAHs (Polynuclear Aromatic Hydrocarbons)等微量大氣污染物的形成和排放數(shù)據(jù)；在這些方法中，各成分反應(yīng)動力學(xué) 參數(shù)作為已知數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不是實際生產(chǎn)中經(jīng)常測定和使用的數(shù)據(jù)，并且這些參數(shù)的實 驗測定成本較高，煤熱解產(chǎn)物成分的確定受這些參數(shù)精度的影響很大，因此，熱動力學(xué)方法 有一定的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，本發(fā)明具體公開了一種確定煤熱解生成物成分含量 的方法，這種方法通過測元素成分和工業(yè)分析確定其熱解生成物的成分。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] -種確定煤熱解生成物成分含量的方法，包括以下步驟：
[0007] (1)采用元素分析方法測量煤的干燥無灰基成分，得到100克干燥無灰基煤中C、 H、0、N和S元素的質(zhì)量分別為me、mH、m。、mN、ms克，采用煤的工業(yè)分析方法，測得干燥無灰基 煤中可燃物質(zhì)的發(fā)熱量(L tidaf，測得熱解后生成的煤焦和揮發(fā)分的質(zhì)量分別為mFjP m v克；
[0008] (2)根據(jù)燃燒化學(xué)公式，100克干燥無灰基煤燃燒需要的空氣量為mA g，
[0009] mA= 11. 51mc+34. 30mH+4. 31ms-4. 32m〇 (11)
[0010] (3)由煤熱解方程（I)，根據(jù)步驟⑴的數(shù)據(jù)和氮、硫元素的摩爾數(shù)平衡分別得到 碳的摩爾量a、氮氣的摩爾量b和硫的摩爾量c ;
[0011]
[0012] 其中，Xl，x2, x3, x4, X6表示煤熱解后待測的揮發(fā)分的摩爾量，X 5表示揮發(fā)分中CH4、 乙烷（C2H6)、丙烷（C 3H8)和乙烯（C2H4)等碳?xì)浠衔锏幕旌衔锏奶己蜌涞暮勘龋?br>[0013] (4)根據(jù)方程（14)，在x2、x3、x4、x 5、義6的約束條件下，采用求函數(shù)的最小值方 法計算得到X1, x2, X；?，x4, Xy Xe值，從而確定H 2〇、⑶、CO2、碳?xì)浠衔锏幕旌衔锖虷2含量；
[0014]
[0015] 其中，m'。熱解后碳的質(zhì)量計算代數(shù)式，m' H表示熱解后氫的質(zhì)量計算代數(shù)式， 。表示熱解后氧的質(zhì)量計算代數(shù)式，v表示熱解產(chǎn)生揮發(fā)分的質(zhì)量計算代數(shù)式，A 表示熱解產(chǎn)物燃燒需要的空氣量的計算代數(shù)式，Q' n&daf表示熱解生成的可燃物質(zhì)的發(fā)熱 量的計算代數(shù)式，11^是100克干燥無灰基煤燃燒需要的空氣量；σ ε、σ Η、〇。、σ ν、σ Α、〇 Q分 力|J表/J、ΓΠη、m。、ΓΠν、Qnet, daf測里豐不準(zhǔn)差。
[0016] 步驟（3)中，由熱解方程式（1)，根據(jù)氮和硫元素的摩爾數(shù)平衡可得到碳的摩爾量 a、氮氣的摩爾量b和硫的摩爾量c :
[0017]
?2) (3) Π )
[0020] 步驟⑷中，由熱解方程式（1)，熱解后的所有熱解成分中碳、氫和氧的質(zhì)量分別 為
[0021]
[0022]
[0023]
[0024] 步驟（4)中，100克干燥無灰基煤熱解后產(chǎn)生的揮發(fā)分m' v按下式計算：
[0025] m' V= 18x 1+2x6+28x2+44x3+(12+x 5) x4 (8)
[0026] 步驟（4)中，根據(jù)方程式（I)，右邊所有可燃物燃燒需要的空氣量
[0027] CN 105158107 A 仇叱卞> 3/7 頁
(13)
[0028] 其中，熱解產(chǎn)生煤焦中的碳完全燃燒所需要的空氣量m' g，
[0029] m' =11. 51 X 12a (12)
[0030] 步驟（4)中，熱解方程式（1)右側(cè)可燃物質(zhì)的發(fā)熱量按下式得到：
[0031] Q' net,daf= 3933. 96a+2830. 46x 2+2890. 55c+10q〇x4+2418. 75x6+441. Ox1 (9)
[0032] 式中，q。為ImolCHx5的發(fā)熱量，q。= 448. 941+88. 346x5Jb方程式為經(jīng)過大量試 驗與分析得到最準(zhǔn)確的發(fā)熱量方程式。
[0033] 步驟⑷中，Xi (i = 1，6)的上、下限約束可根據(jù)煤的元素組成設(shè)定，x2、x3、x4、 x5、X6的約束條件為：
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 根據(jù)煤質(zhì)檢測不確定度分析，方程（14)中Oc= σ η= 〇。= σ ν= σ a = 0· 000577g，σ (j= 71kJ/kg。
[0041 ] 當(dāng)干燥無灰基揮發(fā)分mv彡12時，k = 0· 55 ;當(dāng)mv< 12時，k = 0· 05。
[0042] 本發(fā)明中采用100克干燥無灰基煤為例，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，可以 對干燥無灰基煤的質(zhì)量作任意擴(kuò)展。
[0043] 本發(fā)明的有益效果是：
[0044] (1)本發(fā)明提供一種根據(jù)煤的元素成分和工業(yè)分析等常規(guī)檢測數(shù)據(jù)，確定煤熱解 產(chǎn)生的揮發(fā)分中各種氣體成分含量的方法，測定含量的氣體包括水蒸汽、一氧化碳、二氧化 碳、氫氣以及甲烷、乙烷、丙烷和乙烯的混合物。
[0045] (2)與現(xiàn)有技術(shù)相比，克服了熱動力學(xué)方法的缺陷，本發(fā)明只需根據(jù)實際生產(chǎn)中經(jīng) 常測定和使用的參數(shù)，不需要為了分析煤熱解產(chǎn)物成分而測定其它的不常用的參數(shù)，因而， 本發(fā)明的實驗成本較低，可推廣使用，并且煤熱解產(chǎn)物成分的確定不受其它參數(shù)精度影響。
[0046] (3)使用本發(fā)明提供的方法，對62個火力發(fā)電廠的設(shè)計煤、校核煤和實際燃用煤， 共128個樣品進(jìn)行了計算，上述方程左右兩邊偏差百分?jǐn)?shù)的計算結(jié)果見圖1~圖6,方程左 右兩邊偏差較小，說明計算結(jié)果合理準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0047] 圖1方程（5)兩邊偏差百分?jǐn)?shù)；
[0048] 圖2方程（6)兩邊偏差百分?jǐn)?shù)；
[0049] 圖3方程（7)兩邊偏差百分?jǐn)?shù)；
[0050] 圖4方程（8)兩邊偏差百分?jǐn)?shù)；
[0051] 圖5方程（9)兩邊偏差百分?jǐn)?shù)；
[0052] 圖6方程（13)兩邊偏差百分?jǐn)?shù)。
【具體實施方式】 [0053] 實施例1
[0054] 煤熱解產(chǎn)生的氣體主要有CH4、C2H6、C0、C0 2、H20、H2，以及一些微量的多環(huán)芳烴 PAHs (Polynuclear Aromatic Hydrocarbons)和氮的有機化合物NH3、HCN等，煤中氮和硫元 素含量較低，例如氮元素含量在1%左右，這里簡化認(rèn)為氮和硫元素全部留在煤焦中，并忽 略熱解氣體中微量的PAHs ;因此，以100g干燥無灰基煤為基準(zhǔn)，采用工業(yè)分析法測定揮發(fā) 分時，熱解方程式表不：
[0056] 干燥無灰基含量用下標(biāo)"daf"表示。
[0057] 方程式⑴右邊的系數(shù)表示摩爾數(shù)；CHx^示甲烷CH 4、乙烷C2H6、丙烷C3H8和乙烯 C2H4等小分子碳?xì)浠衔锏幕旌衔?，CH x5僅用于表示揮發(fā)分中碳和氫含量比，而不是某個特 定氣體。
[0058] 通過元素成分測定，可得到100克干燥無灰基煤中，C、H、0、N和S元素的質(zhì)量分別 為m e、mH、m。、mN、11%克；通過工業(yè)分析，可測定熱解后生成的煤焦和揮發(fā)分質(zhì)量分別為m "；和 mv〇
[0059] 由熱解方程式（1)，根據(jù)氮和硫元素的摩爾數(shù)平衡可得到
p) (3)
[0062] 熱解方程式（1)中的煤焦是工業(yè)分析測定的固定碳，其質(zhì)量為mFe，據(jù)此可得到系 數(shù)a為
(4)
[0064] 由熱解方程式（1)，根據(jù)熱解前后碳、氫和氧的質(zhì)量平衡，得到
[0065]
[0066]
[0067]
[0068] 100克干燥無灰基煤，熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分m' v按下式計算
[0069] m' V= 18x 1+2x6+28x2+44x3+(12+x 5) x4 (8)
[0070] 忽略煤熱解吸收的熱量，熱解方程式（I)右側(cè)可燃物質(zhì)的發(fā)熱量等于左側(cè)100g煤 的發(fā)熱量，右側(cè)可燃物質(zhì)的發(fā)熱量為
[0071] Q' net,daf= 3933. 96a+2830. 46x 2+2890. 55c+10q〇x4+2418. 75x6+441. Ox1 (9)
[0072] 式中q。為ImolCH x5的發(fā)熱量。
[0073] 本發(fā)明研究CH4、C2H6、C3H8和C2H4等低分子碳?xì)浠衔锏陌l(fā)熱量，發(fā)現(xiàn)Imol CxHy的發(fā)熱量可用X、y值來計算，得到Imol 0^5的發(fā)熱量q。表示為
[0074] q〇= 448. 941+88. 346x 5 (10)
[0075] 100克干燥無灰基煤燃燒需要的空氣量SmAg，熱解產(chǎn)生煤焦中的碳完全燃燒所需 要的空氣量m' g，根據(jù)燃燒化學(xué)計算得到
[0076] mA= 11. 51mc+34. 30mH+4. 31ms-4. 32m〇 (11)
[0077] m' =11. 51 X 12a (12)
[0078] 根據(jù)方程式（I)，x6mol H2燃燒需要 x 6/2mol 02;x 2mol CO 燃燒需要 x2/2mol 02;x4mol 燒需要（l+x5/4)x4mol 02;c mol S燃燒需要 c mol O2，反應(yīng)方程 式⑴右邊的可燃?xì)怏w總共需要[x6/2+x2/2+(l+x5/4)x 4+c]mol O2，這些氧氣質(zhì)量為 32[X6/2+X2/2+(l+X5/4)x4+ C]克，方程式⑴右邊燃燒需要的空氣量m'肩于左邊所需空 氣量叫，即m' A=m