煤质技术
80
《洁净煤技术》
2008年第
14卷第
2期采用热重法研究多煤种
配制型煤的热解特性
关多娇
(沈阳工程学院
,辽宁沈阳
110036)
摘要
:采用
Pyris-1TGA热重分析仪研究了型煤及其组分煤种的热分解过程
,通过对比
型煤的热分解曲线和燃烧过程曲线
,探讨了热解过程对型煤燃烧特性的影响
,并在实验研究的
基础上提出了型煤挥发份释放特性指数。
关键词
:热重分析
;型煤
;热解过程
中图分类号
:TE662 文献标识码
:A 文章编号
:10062
6772(
2008)
022
0080-04
收稿日期
:2007-12-05
作者简介
:关多娇(
1978-)
,女
,辽宁沈阳人
,硕士
,讲师。研究方向为循环硫化床锅炉生物质燃烧问题
,烟尘污染治理技术等。 型煤是多种煤按照一定比例混合受压形成的块
状燃料
,其热分解过程非常复杂
,会伴随许多物理化
学变化
,并不是各组分煤种的简单叠加。热分解过
程是型煤在燃烧、气化、液化、焦化转换过程中的初
级阶段
,对后续过程有着重大的影响。因此
,加强型
煤热分解特性的研究对改善其燃烧特性
,优化燃烧
过程至关重要。
1 实验部分
11
1 试验仪器和试样制备
试验在美国珀金埃尔默(
Perkin2
Elmer)公司的
Pyris-1TGA热重分析仪上完成的。该仪器系统包
括重量传感器、镍
-铬热电偶温度传感器、
WD100
温度控制仪、联想计算机和装在一不锈钢容器内的
2个<
40mm×
500mm硅碳管加热元件。试验所用
试样的各组分煤种的煤质分析见表
1。11
2 试验条件
(
1)升温速率
:50℃
/min;
(
2)工作温度
:从室温到
950℃
;
(
3)工作气氛
:高纯氮(
991
9999%)
;流量是
20mL/min;
(
4)煤粉细度
:01
74～
01
37mm。
工作初期为氮气
,后期为氧气
,随着测试的进
行
,炉子的温度会逐渐上升
,试样的重量不断减少
,
即可得到热失重曲线
TG,并由
TGA整理出试样的
失重率(Δ
G/Δ
t)随时间的变化曲线(微分热重曲
线)
DTG。
试验时
,先以
50℃
/min升温至
100℃
,在此温
度下恒温
3min(此时水分将会失去)
,
然后继续以
50℃
/min升温至
950℃
,恒温
7min,此时即得热解
特性曲线
,如图
1(
a～
h)所示。煤质技术
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采用热重法研究多煤种配制型煤的热解特性81 图
1 热解特性曲线
2 分析与讨论
21
1 热分解特性分析
煤是一种复杂的高分子化合物
,在惰性气氛下
,
加热至高温
,受热而发生一系列的物理变化和化学
反应。煤的热解曲线可判断煤中挥发分随温度升高
析出的情况
,图
1(
a～
h)给出了各种煤试样的
TG、
DTG热解曲线。从这些曲线可以看出
,其热解过程
大致可分为
3个阶段
,以鸡西煤的热解过程为例说
明
:从
50℃到
200℃左右为第
1阶段
,此阶段内主要
是吸附气体的脱除和脱羧基反应阶段
,失重量大约
占总失重的
1%左右
;此后有一段水平线
,表明这一
温度区间几乎没有质量损失。水平线可以持续到大
约
250℃
;第
2阶段在
250℃至大约
800℃之间
,发
生强烈分解
,TG曲线陡然下降
,相应的
DTG曲线则
直线上升
,达到最大值后
,又直线下降
,出现峰值的
位置在
4911
5℃
,总失重约为
23%,此阶段主要是煤
的解聚和分解反应
,放出大量气体和焦油
,煤变成半
焦
;进入热解的第
3阶段
,TG和
DTG曲线都呈缓慢下降趋势
,此时
,主要是半焦缩聚成焦碳
,析出以甲
烷和氢气为主的气体
,失重约为
31
5%。
1150℃以
后出现水平线
,表明失重已经结束
,TG和
DTG曲线
可以更加清晰地看出这种变化。
煤的挥发分与热解最终失重的关系如图
2所
示
,由图中可知
,煤的挥发分与热解最终失重几乎成
对角线关系
,数值一一对应
,说明可以直接用煤的碳
化程度来预测热解的结果。煤的最终失重与煤的挥
发分有良好的相关性
,这反映了煤的碳化程度对热
解的影响。
图
2 最终失重与煤中挥发分含量的关系
另外
,从图
1的(
g)和(
h)中可看出
,
焦碳粉的煤质技术
82
《洁净煤技术》
2008年第
14卷第
2期挥发分随温度升高而析出很缓慢
,无挥发分集中释
放区域
,挥发分是伴随整个升温过程而不断释放出
来的
,温度升至
950℃
,挥发分还未释放完毕
,说明
这种煤的着火和燃尽都比较困难。对于其它煤样
,
在热解的第
3阶段
,其
TG曲线在
950℃时仍有下降
趋势
,说明试验所用煤样的挥发分释放过程可以一
直持续到热解结束
,这对型煤着火和燃烧均有利。
为进一步了解型煤在热解和燃烧时挥发分的析
出情况
,笔者对比研究了型煤的热分解曲线和燃烧
曲线
,如图
3所示。
图
3 型煤的热分解和燃烧过程曲线
在反应的初始阶段
,热分解曲线与燃烧失重曲
线的初始时间和温度基本相同
,燃烧的型煤质量减
少速度稍快于热分解。这是由于燃烧实验中由于挥
发分的燃烧
,造成型煤周围气体温度升高
,通过环境
气体的热辐射
,使型煤表面温度升高速度大于热分
解。根据热分解和燃烧曲线容易看出
,挥发分析出
到燃烧结束时已基本完成
,并且在煤焦燃尽前挥发
分完全析出。热分解过程中挥发分完全析出时间大
于燃烧过程挥发分析出及燃烧结束时间
,是由于试
煤内的热量传递主要通过热传导进行且挥发分析出
需要消耗能量
,型煤中心温度升至炉温需要的时间
较长。因此挥发分完全析出时间与挥发分燃烧结束
时间的差值取决于型煤的物理特性。不同的研究者
所使用的试样的性质不同
,所以对燃烧过程的结论
存在差异。研究的实验结果表明
:煤焦着火时挥发
分并未完全析出
,但煤焦燃烧开始后挥发分很快就析出完全。
21
2 挥发分释放特性指数
从图
1中可以看出最明显的特征参数有
:挥发
分初析温度
T
s,挥发分最大释放速度峰值(
d
G/
dτ
)
max,对应于(
d
G/dτ
)
max的温度
T
max,燃料的原始
质量
G,燃料的剩余质量
G′。在燃料燃烧的过程中
,
上述几个参数中前
3个参数均是影响挥发分析出的
主要特性参数
:显然
,(
d
G/dτ
)
max越大
,挥发分释放
得越强烈
;
T
s越小
,挥发分越易析出
,表明燃料的着
火性能越佳
;
T
max越低
,则表明挥发分释放高峰出现
得越早
,此时燃烧就容易在较低的温度下进行
;释
放峰越窄
,表明释放越快、越集中
,对着火越有利
;
反之
,则不利于着火。
对于单一煤种
,一般来说
,灰分含量相差不多
时
,随着挥发分含量的增加
,挥发分释放较早
,初析
温度
T
s低
,释放最大速率(
d
G/dτ
)
max较高
,其对应
的温度
T
max较低
,释放较为集中
,峰宽较窄。
组分煤种在型煤燃烧过程中基本保持各自的挥
发分析出特性。型煤的挥发分最大释放速率(
d
G/
dτ
)
max及其对应的温度
T
max,受多种组合煤各自的品
质及其相对含量的影响较大
,随着较优煤的含量增
大
,(
d
G/dτ
)
max相应增大
,
T
max降低。
笔者综合以上参数对挥发分析出的影响
,提出
挥发分释放特性指数
D,其值可定义为
:
D=
abs[(d
G/dτ
)
max/(
T
max×
T
s)
]
D值越大
,则煤样的挥发析出特性越好
,煤的着
火性能较佳
,着火温度较低
,热解反应越易进行。各
煤样的热解特性参数见表
2。由表
2可以看出
,在
4
种单煤中
,鸡西煤的挥发分析出特性最好
,团林子煤
次之
,焦碳粉最差。
3 结 论
(
1)热重分析试验结果表明
,热分解的速率与
型煤粒度、组分煤种性质(如挥发份的析出速度)及
含量等因素都有关系。
(
2)根据热分解和燃烧曲线容易看出
,
在反应