用熱分析技術(shù)研究煤的熱解特性

第41卷第3期應用化工Vol 41 No. 32012年3月Applied Chemical IndustryMar.2012用熱分析技術(shù)研究煤的熱解特性解鳳霞,張欣欣,張丹(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院陜西西安710048)摘要:用熱分析技術(shù)研究了自洗蒙古煤和烏煤在氮氣中的熱解特性,探討了升溫速率和煤樣粒徑對熱解過(guò)程的影響,根據煤熱解產(chǎn)物釋放特性指數r的大小來(lái)確定兩種煤的熱解性能。結果表明:同一升溫速率下,自洗蒙古煤的熱解特性要好于烏煤;同一種煤,升溫速率越髙,r值越大,熱解特性越好。應用不同升溫速率下的熱解曲線(xiàn)計算出兩種煤熱解過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數。用等轉化率法求得熱解過(guò)程的活化能;用主曲線(xiàn)法確定失重過(guò)程的最可幾機理函數。關(guān)鍵詞:煤;熱解特性;熱分析法;動(dòng)力學(xué)中圖分類(lèi)號:TQ531文獻標識碼:A文章編號:1671-3206(2012)03-0430-05Study on the pyrolysis characteristics of coal using thermalanalysis techniqueXIE Feng-xia. ZHANG Xin-xin, ZHANG DanCollege of Environment and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi an 710048, China)Abstract: The pyrolysis characteristics of Zixi Mongolia coal and Wu coal were investigated using thethermogravimetry(TG )technique in N, atmosphere. The influence of pyrolysis with different heating rateand different particle size was discussed. According to the release property index(r) of pyrolysis productsof two kinds of coal, the coal pyrolysis property was determined. Results showed that pyrolysis characteristics of Zixi Mongolia coal was better than that of Wu coal withheating rate. For thethe higher the heating rate was, the better the pyrolysis characteristics of the coal was. Pyrolysis kinetiparameters of two kinds of coal were obtained based on the pyrolysis curves. The iterative iso-conversionalmethods was applied to calculate the activation energy E, and the most probable mechaG(a) was determined by means of the master plots methodKey words: coal pyrolysis characteristics; thermal analysis; kinetic煤熱解是指煤在惰性環(huán)境中受熱脫去揮發(fā)分。論。由于煤的熱解過(guò)程復雜,并且熱解過(guò)程對煤的氣化本文用熱分析技術(shù)探討了升溫速率和粒徑對自液化和焦化有著(zhù)重大的影響,因此深入研究煤的洗蒙古煤和烏煤的熱分解的影響。應用熱解產(chǎn)物釋熱解過(guò)程對完善煤的燃燒技術(shù)具有重要的意義。本放特性指數r來(lái)確定煤的熱解特性,值越大煤的熱文運用熱分析技術(shù)之一熱重技術(shù),即在程序控溫下解特性越好9。根據非等溫動(dòng)力學(xué)模型,得出兩種通過(guò)測量?jì)煞N煤的質(zhì)量隨溫度的變化關(guān)系來(lái)研究煤煤熱解過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數用轉化率法計算活化能的熱解情況。主曲線(xiàn)法確定最可幾機理函數,最后根據活化能和目前以煤熱解為基礎的熱、電、氣多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的機理函數確定速率方程中的指研究和開(kāi)發(fā)已受到世界上許多國家的重視,國內外學(xué)者對煤熱解過(guò)程的研究取得一定的成就,煤的熱研究煤的熱解機理未見(jiàn)文獻報道。這些基本數據對加工是煤炭加工技術(shù)中最重要的工藝,故研究煤的于把握煤的熱解特征和規律具有一定意義。熱解具有一定的現實(shí)意義2,但由于煤本身的多1實(shí)驗部分樣性、復雜性及不均一性,煤熱解的影響因素繁多,1.1原料與儀器熱解產(chǎn)物的生成交叉重疊3,迄今沒(méi)有形成統一理烏煤和自涉聲悼由包斗鐵集團有限公司提中國煤化工收稿日期:2011-1223修改稿日期:20120205CNMHG基金項目:西安工程大學(xué)校博士基金資助項目(BS090)作者簡(jiǎn)介:解鳳霞(1973-),女,山西芮城人,西安工程大學(xué)副教授,主要從事應用化學(xué)方面的研究。電話(huà):02982330173,E-mail:xiefengxia2010@126.com第3期解鳳霞等用熱分析技術(shù)研究煤的熱解特性431供,使用前經(jīng)電熱鼓風(fēng)干燥箱在90℃恒溫下烘干至析出以CO2為主的氣體物質(zhì);第二階段在380℃~沒(méi)有水份,冷卻到室溫取出后,用分樣篩分別篩選出520℃,此過(guò)程TG曲線(xiàn)急速下滑,DTA曲線(xiàn)約粒徑為0.2-0.3mm,0.15~0.2mm,0.15mm以下460℃出現峰值,可燃的烴類(lèi)氣體釋放完畢,TA曲三種不同粒徑的樣品。線(xiàn)緩慢下降;第三階段是520℃以后,DTA曲線(xiàn)進(jìn)TGA/SDTA851e型熱重同步熱分析儀。入平緩區,此過(guò)程主要是半焦縮聚成焦炭,釋放出12實(shí)驗方法H2和CO為主的氣體。熱分析實(shí)驗使用開(kāi)口的70μAl2O3坩堝盛放樣品,樣品質(zhì)量大約為4mg,分別采用升溫速率B為5,10,15,20℃/min線(xiàn)性升溫以高純氮氣為載-006氣,流速為20mL/min。熱分析儀的溫度采用標準金屬I(mǎi)n和A進(jìn)行標定。數據處理均用 origin8.0處理。0.00122結果與討論2.1兩種煤的熱解過(guò)程分析300500600溫度心℃圖1和圖2分別為不同升溫速率下粒徑為0.20.3mm的烏煤和自洗蒙古煤的熱分解(TG和DTG)曲線(xiàn)。0.0000a5℃/min-0.0006cl5℃/mind 20 C/min3000012溫度/℃圖2自洗蒙古煤在不同升溫速率下的熱重曲線(xiàn)Fig 2 TG and DTG curves of Zixi Mongolia coal at300溫度/x°00different heating rates表1兩種煤失重過(guò)程的溫度范圍Table I- The mass-loss temperature range of two kinds褥升溫速率起始溫度終止溫度峰值溫度樣品/(℃min-1)/℃5 C/min烏煤593.6289.12442b】0℃/minc I5 C/min503.33458.09d20℃/mi70413.2009.36700517.86479.82溫度r自洗5圖1烏煤在不同升溫速率下的熱重曲線(xiàn)Fig. I TG and dtG curves of Wu coal at different蒙古409,82520.28444.96heating rates由圖1、圖2可知,在不同的升溫速率下,每種396.71483.88煤的熱解過(guò)程基本一致,整個(gè)熱解過(guò)程一步完成。由表1可知,升溫速率對兩種煤的熱分解過(guò)程TG曲線(xiàn)和DTA曲線(xiàn)數據(表1)表明:熱解的外推有影響,升溫速率增加,烏煤的熱解產(chǎn)物揮發(fā)分的初起始溫度和峰值溫度隨著(zhù)升溫速率的升高而向高溫始溫度增加執解聲率的峰增加,且向高溫去移移動(dòng),在實(shí)驗條件下,熱解的溫度范圍為350動(dòng);自洗蒙中國煤化工發(fā)分釋放完畢550℃。其熱解過(guò)程可分為三個(gè)階段,第一階段在時(shí)的溫度隨CNMHG現規律性,其熱200~380℃/min(熱解的初始階段)此過(guò)程只發(fā)生解速率的峰值卻隨升溫速率的增加而增加,且向高微量失重,煤中弱鍵首先發(fā)生解聚,生成小分子鏈,溫去移動(dòng)。432應用化工第41卷在研究混煤的熱解特性過(guò)程中,經(jīng)過(guò)大量的實(shí)Tm最大釋放速度所對應的溫度,℃C;驗研究,發(fā)現煤熱解產(chǎn)物釋放特性指數r能很好的△T稱(chēng)半峰寬,即釋放速率為最大釋放反應煤的熱解特性,r值越大,煤的熱解特性越好。速率一半時(shí)對應的溫度區間,℃;y=( da/dt)max/(Tmar ATinTs)T,一初釋溫度,℃。其中(da/dr)m最大熱解速度,mg/min兩種煤的熱解特性參數見(jiàn)表2。表2不同升溫速率下兩種煤的熱解特性參數Table 2 Pyrolysis characteristic parameters of two kinds of coal at different heating rates升溫速率最大熱解速度最大釋放速度對應的樣品(℃min-2)溫度℃ mg'min-3)溫度/℃半峰寬/釋放特性指數烏煤393.620.305441.22400.730.248444.961.656413468.71414.27483.88自洗395.52.508蒙古27396.710.176479.821210.764由表2可知,升溫速率越低,r值越大,熱解產(chǎn)0.0000DTG物釋放劇烈;烏煤的半峰寬較大,同一升溫速率下兩種煤的r值相比較,自洗蒙古煤的熱解特性好于烏煤。2.2煤的粒徑對熱解過(guò)程的影響豆-0.04實(shí)驗篩選出粒徑分別為0.2~0.3mm,0.150.2mm,<0.15mm三種不同粒徑的煤樣,以升溫0.0008速率為20℃/min為例探討了粒徑對烏煤和自洗蒙古煤熱分解的影響。圖3和圖4給出了三種不同粒300徑的兩種煤TG和DTG曲線(xiàn)。溫度饣℃0.0000-0.00040.000885}020