熱解條件對煤的熱解行為的影響

第24卷第6期實(shí)驗室研究與探索Vol 24 No 62005年6月RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYJun. 200熱解條件對煤的熱解行為的影響徐朝芬,向軍,胡松,孫學(xué)信(華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗室,湖北武漢430074)摘要:采用TGA-rTIR聯(lián)用分析儀,對不同煤樣在不同條件下的熱解過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗研究,使煤樣的熱解特性參數、熱解產(chǎn)物分析在一次實(shí)驗測定過(guò)程中同時(shí)獲得,為深入掌握煤的熱解特性及合理利用煤炭資源提供基礎依據。關(guān)鍵詞:煤;熱解;升溫速率;熱重-紅外聯(lián)用分析中圖分類(lèi)號:TH81文獻標識碼:A文章編號:1006-7167(2005)060018-04The Effect of Pyrolytic Condition on the Action of Coal PyrolyticXU Chao-fen, XIANG Jun, HU Song, SUN Xue-xin(State Key Lab. of Coal Combustion, Huazhong Univ. of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: The pyrolysis process of different coals in different condition were studied by means of the TG-FTIR interconnectanalyzer. At the same time, the voltammeter of the coal were measured with the FTIR in real time. It is showed that all theseexperimental results of the characteristics parameter and the volatiles of pyrolysis of the coal can be obtained at the same timein the process of the experiment. This provides the basis for grasping the pyrolysis reaction and making good use of the coalKey words: coal; pyrolysis; heating-rate; TGA-FTIR熱解過(guò)程的同時(shí),對析出產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析,從而1引言及時(shí)得到煤反應的有關(guān)信息。本文就是在一定條件煤的熱解是指將煤在隔絕空氣的條件下加熱到較下對不同煤質(zhì)進(jìn)行了 TGA-FTIR聯(lián)用實(shí)驗研究,得到了高溫度而發(fā)生的一系列物理現象和化學(xué)反應的復雜過(guò)煤的熱解特征參數、熱解產(chǎn)物等分析結果。程。在此過(guò)程中將發(fā)生交連聯(lián)鍵的斷裂、生成產(chǎn)物的重組及再次反應最終生成氣體(煤氣)液體(焦油)及2實(shí)驗部分固體(焦碳)等產(chǎn)物。2.1樣品的工業(yè)分析及元素分析數據熱重分析法( Thermogravimetic,TG)一般是指在程實(shí)驗所用煤的工業(yè)分析及元素分析數據見(jiàn)表1所序控制溫度下,測量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化關(guān)系的分示。析方法2。作為一種有效研究手段,近年來(lái)在煤的燃表1實(shí)驗用煤的工業(yè)分析及元素分析燒和熱解的研究中被廣泛采用。雖然可以利用熱重分煤種析法對煤的熱解特性進(jìn)行研究3,國外學(xué)者VanKrevelen36和后期的研究者也利用熱天平研究了煤的3.2熱解歷程,但其熱解產(chǎn)物則需另行分析。傅立葉變換工業(yè)分析25紅外光譜儀(FTR)是一種響應時(shí)間快、靈敏度高的分,82析儀器。TGA-FTR聯(lián)用方法進(jìn)行實(shí)驗,可以在了解煤中國煤化工收稿日期:20041230YHCNMHG1.4I基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目:煤燃燒過(guò)程中物理及化學(xué)2.26結構變化規律的研究。(項目編號:50176014作者簡(jiǎn)介:徐朝芬(1965-),女,重慶人,工程師第6期徐朝芬,等:熱解條件對煤的熱解行為的影響22試驗儀器及條件速率等條件進(jìn)行煤的熱解,熱解產(chǎn)物通過(guò)氣體輸送管實(shí)驗儀器:德國 NETZSCH公司STA409型熱綜合進(jìn)入氣體池,再由紅外光譜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)跟蹤檢測。分析儀,德國 BRUKER公司 EQUINOX55型傅立葉紅外光譜儀。3實(shí)驗結果及討論動(dòng)態(tài)氣氛:高純氮氣及高純氬氣流量100mL/min,3.1熱重分析氣體輸送管溫度180℃,氣體池溫度162℃,加熱速率3.1.1不同煤種的熱解特性15℃/min;煤樣:粒度小于100m,重量5.000ng。分別稱(chēng)取甲、乙、丙煤樣5.000mg在相同的氮氣流23實(shí)驗過(guò)程量100mL/min、升溫速率為15℃/min、從室溫加熱到終煤是一種由有機物和無(wú)機物組成的復雜混合物。溫1450℃條件下得到的熱重曲線(xiàn)如圖1所示。圖1中在情性氣氛下,隨著(zhù)溫度的升高將發(fā)生一系列的物理的特征數值如表2所示。和化學(xué)變化。實(shí)驗以不同載氣、不同試樣及不同升溫表2不同煤種在相同條件下熱解特性參數的比較試樣重升溫速升溫范氮氣流量揮發(fā)分初析揮發(fā)分初析揮發(fā)分最大析出Vs對應溫v對應時(shí)煤樣量/mg率/℃·min1圍/℃/mL.min時(shí)間/min溫度/℃率Vs/%·m度/℃間/min室溫-14501236.381.5室溫-1450693.21293.05.000室溫-14501001,431426.1(1)6057℃(2)6932℃(2)(3)7685℃(1)DrG:1236.3'℃,-1.25%min1(2)DTG:1293.0°C,-1.07%min1101606o(3)DrG:1426!℃,-143%mi200圖1甲、乙、丙煤熱解特性曲線(xiàn)的比較由圖1可以看出,相同條件下,對于不同的煤種,(1))。對于丙煤樣,由于揮發(fā)分含量較低,很難析出,其揮發(fā)分開(kāi)始析出溫度各不相同。如表1所示,揮發(fā)煤的著(zhù)火溫度高(見(jiàn)圖中(3)。分的初析時(shí)間、初析溫度隨揮發(fā)分的減少而推遲、升3.1.2不同載氣下同煤種的熱解特性高;其最大析出率所對應的溫度、時(shí)間也是隨揮發(fā)分的分別稱(chēng)取甲煤樣5.000mg在氮氣和氬氣流量100減少而推遲、升高。甲煤樣開(kāi)始析出揮發(fā)分的溫度最mL/min、升溫速率為15℃/min、從室溫到終溫1450℃低,煤的著(zhù)火溫度較低,說(shuō)明該煤種最年青(見(jiàn)圖中條件下所得特征數值如表3所示。表2甲煤種在氮氣和氬氣條件下熱解特性參數的比較試樣重升溫速升溫范載氣流量揮發(fā)分初析揮發(fā)分初揮發(fā)分最大析Vs對應溫vs對應時(shí)載氣/nL .min時(shí)間/min析溫度/℃出率v,/%·min-1度/氮氣5.000窒溫-145039.31236.3氬氣5.00015宰溫-145037,01362.3由表3可以看出,相同的煤種在不同載氣下熱解,31.3中國煤化工熱解特性雖然其揮發(fā)分開(kāi)始析出溫度、最大析出率所對應的溫CNMHG相同的氮氣流量10度、時(shí)間有所不同,但其最大析出率相差不大,說(shuō)明不ml/min、從室溫到終溫1450℃,升溫速度分別為15℃/同的惰性氣體作載氣,對煤的熱解過(guò)程中揮發(fā)分的最min、30℃/min,50/min條件下得到的熱重曲線(xiàn)如圖大析出率無(wú)太大影響。2所示。圖2中的特征數值如表4所示。研究與探索第24卷表4甲煤種在不同升溫速率下熱解特性參數的比較試樣試樣重升溫速度升溫范氣流揮發(fā)分初揮發(fā)分初析揮發(fā)分最大析出vs對應vs對應時(shí)編號量/mg/℃·min1圍/℃量/ mL.min1析時(shí)間/min溫度/℃率Vs%·min溫度/℃[1]5.00039,3605,81.2581.5[2]5.000室溫-1450[35,000室溫430.1(1)605.8℃2)5620℃B3)5300℃0.51)DTG:1236.5℃,-1.25%min-1580a)Dro:14015℃,1.94%min(3)DTG:1430.1C,-2.32%min14001000圖2甲煤不同升溫速率熱解特性曲線(xiàn)的比較由圖2和表4都可看出,隨著(zhù)加熱速率的增加,揮在1343cm處有SO2吸收峰,在800cm-'處有HCN吸發(fā)分的析岀率也隨之増加,揮發(fā)分的析岀也隨之提前。收峰,在1734cmˉ'、1600cmˉ'處羰基吸收峰,在當加熱速率由15℃/min增加到50℃/min時(shí),揮發(fā)分3545cm1、3750cm-1處有羥基化合物的吸收峰,在最大析出率由1.25%/min增加到2.32%/min,增加了2985cm1、2115cm-1、1470cm處有其它烷烴的吸收近一倍。峰。甲煤種的煤化程度低、熱解氣體產(chǎn)物多,所以在圖3.2紅外光譜跟蹤分析上同時(shí)顯示了多組分的紅外吸收峰。在上文2.1.3中[2]進(jìn)行熱重實(shí)驗時(shí),FTR同時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤實(shí)驗獲得的紅外三維譜圖如圖3所示。從譜圖上可以看出,揮發(fā)分析出,譜圖上有明顯的吸收峰出現,揮發(fā)分最大析出點(diǎn)即出峰最強點(diǎn)A所指線(xiàn)條位置與DTG曲線(xiàn)峰值點(diǎn)相應,檢測時(shí)間無(wú)明顯滯后。350030002500200015001000360℃熱解產(chǎn)生氣體的紅外光譜4結論通過(guò)本文試驗可見(jiàn),揮發(fā)分的初析時(shí)間、初析溫度隨揮發(fā)分的減少而推遲、升高,其最大析出率所對應的TWavenumber em溫度、時(shí)間也是隨揮發(fā)分的減少而推遲、升高;不同的惰性氣體作載氣,對煤的熱解過(guò)程揮發(fā)分的最大析出圖3甲煤實(shí)驗過(guò)程的紅外三維譜圖甲煤的揮發(fā)分含量較高,從本文2.1.1中甲煤實(shí)率無(wú)太大影響;隨著(zhù)升溫速率的增大,揮發(fā)分最大析出驗在1360℃時(shí)亦即其揮發(fā)分析出率最大時(shí)刻熱解產(chǎn)案中國煤化工生的氣體紅外光譜圖(如圖4)上可以看出,3014cmCNMHG熱重法熱解實(shí)驗過(guò)程1304cm1處有CH4吸收峰,在3710cm-1、2343cm1、中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行紅外光譜買(mǎi)時(shí)跟蹤檢測,沒(méi)有滯后745m處有C02吸收峰,在285m1、219m處有和返混現象。所以TG:FR聯(lián)用方法可以作為一種下轉第24頁(yè))CO吸收峰,在3704cm-1、1639cm處有H2O吸收峰實(shí)驗室研究與探索第24卷美國IFI公司生產(chǎn)的CMC4000,工作頻段80GHz;最大輸入功率4kW;工作頻段內天線(xiàn)增益9dB1000MHz,輸出功率4kW?！?dB,最大駐波比為1.5。在國內,雖然能夠生產(chǎn)雷達等裝備專(zhuān)用的kW級雙對數周期天線(xiàn)STLP100~500:工作頻段100功率放大器,但其工作頻帶很窄,頻率不易調節,難以500MH;最大輸入功率5kW;工作頻段內天線(xiàn)增益在9Hz~1GHz的寬頻范圍內組成試驗系統。因此,11.5dB±1.1dB,最大駐波比為1.5。建設射頻強場(chǎng)電磁環(huán)境試驗系統所需的RF寬帶功率綜合權衡上述4部天線(xiàn),第1部S1204/5X在低頻放大器只能依靠引進(jìn)。據調研,BONN電子公司的功段(20~100MHz)最大輸人功率為10kW,第3部率放大器質(zhì)量好,價(jià)格高。AR公司的產(chǎn)品相對價(jià)格較SL128+工作頻帶寬、增益高、功率能夠滿(mǎn)足要求低,國內的電磁兼容實(shí)驗室一般都釆用該公司的功率必須配置;第二部天線(xiàn)vUIP18H+增益低不必配置;放大器。從產(chǎn)品性?xún)r(jià)比、系統配套性和效應試驗的需第四部天線(xiàn)STLP00~500雖然工作頻段被S12014/5X要綜合考慮,擬選用AR公司生產(chǎn)的10000和和STP128+覆蓋,但其增益最高,可視經(jīng)費情況決4000W1000。定是否配置。4輻射天線(xiàn)選型5結論射頻功率放大器確定后,選擇配套的輻射天線(xiàn)時(shí)綜上所述,采用寬帶功率放大器、電磁場(chǎng)傳輸室應把握如下3點(diǎn)輻射天線(xiàn)和混響室等儀器設備在實(shí)驗室內和野外電磁①天線(xiàn)的最大輸入功率應不低于對應頻段射頻環(huán)境試驗場(chǎng)建設射頻強場(chǎng)電磁環(huán)境試驗系統具有指標功率放大器的最大輸出功率;②天線(xiàn)的工作頻帶要先進(jìn)性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性,能夠滿(mǎn)足武器裝備寬、駐波比SWR要小;③天線(xiàn)增益盡量高,以獲得高預研、設計、生產(chǎn)、使用和現役武器裝備技術(shù)改造對電的輻射電磁場(chǎng)強。磁環(huán)境效應試驗的需求,將為開(kāi)展裝備電磁環(huán)境效應盡管天線(xiàn)生產(chǎn)廠(chǎng)家很多,但能夠完全滿(mǎn)足上述條試驗、生存能力評估、作用規律和防護技術(shù)研究提供先件①并與射頻功率放大器10000和4000W1000配套進(jìn)的實(shí)驗條件,為提高我軍武器裝備的電磁防護水平的商品化天線(xiàn)屈指可數。經(jīng)廣泛調研,發(fā)現只有德國奠定基礎,對我軍武器裝備建設具有重大的推動(dòng)作用。Schwanebeck電子公司生產(chǎn)的幾款天線(xiàn)能夠滿(mǎn)足要求。參考文獻對數周期天線(xiàn)S12014/5X:工作頻段20~220MHz20-100MHz頻段最大輸入功率10kW,100~20MHzt]劉尚合,等電磁脈沖與電磁環(huán)境效應[).防雷20,17)915頻段最大輸入功率5kW;20~60MHz頻段天線(xiàn)增益3~2]陳淑風(fēng),馬蔚宇,馬曉慶.電磁兼容試驗技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001.37-755dB,60~20MHz頻段天線(xiàn)增益5~6dB;30~220MHz[3]韋錦松,湯恒正,陳世鋼等,CJB51A97軍用設備和分系統電磁頻段的最大駐波比為2.5。發(fā)射和敏感度要求[S].北京國防科工委軍標出版發(fā)行部,1997對數周期天線(xiàn)VULP118H+:工作頻段30MHz[4]魏光輝,孫永衛,田明宏雷電電磁場(chǎng)理論計算與模擬技術(shù)研究門(mén)].安全與電磁兼容,2003,(3):36-381.3GHz;30~50MH頻段最大輸入功率5kW,500MHz[s]要槐,邵斌杰,施浚人,cBns8環(huán)境電磁被衛生標準[s].北1GHz頻段最大輸入功率4kW,1~1.3GHz頻段最大京:中國標準出版社,1988.1-5輸入功率3.5kW;工作頻段內天線(xiàn)增益6.2dB[6]張林昌.混響室及其進(jìn)展(上)[].安全與電磁兼容,2001,(4)±1.2dB,最大駐波比為2.5。[7]張林昌.混響室及其進(jìn)展(下)[J].安全與電磁兼容,2002,(1):雙對數周期天線(xiàn)STLP128+:工作頻段200MHz(上接第20頁(yè))[3]朱學(xué)棟,朱之彬,等煤化程度和升溫速率對熱分解影響的研究準確、方便、快捷的研究煤質(zhì)動(dòng)態(tài)特性分析方法為研究[J]煤炭轉化,1999,22(2):4347者們廣泛使用。[4]聶其紅,孫紹增,等.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2001,7(1):7276煤的熱解過(guò)程是煤燃燒、氣化、液化的初級階段,[5] 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