低温热解处理后煤的热重分析

第21卷　第4期煤　炭　转　化V o l.21　No.4 1998年10月COA L CON V ERSIO N Oct.1998

低温热解处理后煤的热重分析

郑昀辉1)　戴中蜀2)

摘　要　采用等温与非等温相结合的方法,对低温热解处理前后的兖州煤、大同煤的热解历程进行分析。发现处理后煤样的热解行为发生一定程度的改变,其动力学参数数值发生一些变化,并且在各个温度处的失重量变化明显。

关键词　热失重,煤,低温热解

中图分类号　TQ533

0　引　言

炼焦用煤经低温热解处理后,其结焦性会发生一定的变化。[1]根据结焦机理,这种变化必然会在与其有关的热解过程中反映。人们曾采用各种途径对煤的热解行为进行研究,其中很重要的一种方法是热重法。通过对煤的热重分析,可求出热解反应有关的动力学参数,进而了解其反应机理。通常对煤样的热重分析有两种途径,即等温失重和非等温失重。[2～5]等温热失重将热解温度恒定于某一温度点,通过热解失重求出反应动力学常数,以此来了解该温度下的热解反应情况;而非等温热失重则是按一定的升温程序进行连续升温的过程,在一定的假设前提下可以对整个温度范围内的热解行为有一个全面的了解,但不能准确描述某一温度时热解反应情况。

本文采用等温与非等温相结合的方法研究两种低煤化度煤的热解过程,并对经低温热处理后的煤样进行了同样的实验,以将其热解过程进行对比。

1　实验部分1.1　煤样的制备及分析

选定300℃,350℃为低温热解处理温度,分别对兖州煤和大同煤进行低温热解处理,其方法见参考文献[6].对处理前后的试样进行元素分析和工业分析,所得数据见表1.

表1　试样的工业分析与元素分析数据煤　样　

工业分析/%

M ad A d V da f

元素分析/%,daf

C H O N S

兖州原煤 3.299.0237.3682.96 5.239.72 1.570.52兖州300℃ 1.858.8435.9983.07 5.159.70 1.560.52大同原煤 2.628.2530.4583.15 4.8310.530.960.52大同350℃ 2.198.3829.1883.74 4.5610.270.950.48

1.2　热失重实验

实验采用北京光学仪器厂产CT—2差热天平进行。将待测煤样装入坩埚中,在N2气体的保护下,按一定的加热制度进行升温。即先以20℃/m in 升温速度快速升温至300℃,在300℃的条件下恒温至失重速率曲线为0,再以15℃/min的升温速率快速升温至350℃,保持恒温至失重速率曲线水平。按类似的操作每间隔50℃作一次等温失重,直至550℃.所得煤样的热失重曲线见图1.

国家自然科学基金资助项目(29376256).

　1)硕士,武钢技术中心产品所,430080武汉;2)教授,武汉冶金科技大学化工系,430081武汉　收稿日期:1998-05-17

图1　煤样热失重曲线

(a)兖州原煤;(b)兖州300℃;

(c)大同原煤;(d)大同350℃2　实验数据的处理

根据化学反应的动力学方程式

d c

d t

=-k c n

而c=

w i

w0

=

w0-G i

w0

=1-

G i

w0

其中:w0——煤样量;w i——某一时刻的煤样重量;

G i——至某一时刻煤样的累积失重量。

代入则

d(1-

G i

w0

)

d t

=-k(1-

G i

w0

)n

即

d(

G i

w0

)

d t

=k(1-

G i

w0

)n

ln

d(

G i

w0

)

d t

=ln k+n ln(1-

G i

w0

)

以ln(1-

G i

w0

)～ln

d(

G i

w0

)

d t

作图,得到截距a =ln k,斜率b=n,由a,b的值即可求得反应的有关动力学参数。根据实验所得数据,计算反应的速率常数k和反应级数n,结果见第50页表2.

根据图1中的失重曲线可得每一恒温段始末累积失重量,根据始末累积失重量即可求出该恒温段的失重量,其结果见第50页表3.

3　结果与讨论

由图1中热失重曲线可见,煤样的热分解反应在严格的温度控制下分阶段进行,在任何温度下均有一定的挥发物产生,脱离出体系,引起煤样失重。这说明在煤样的热解过程中,热解反应是一个多种反应复合进行的过程,且不同反应的发生受温度的控制。

表2中给出了4种煤样的热解动力学参数。从表2的数据可以看出,在各个温度处所发生反应的反应级数均小于1,这时的反应仍是一个复杂的过程,且对于不同的煤,其反应速率常数尽管在同一数量级,但仍有着一定的差别。通过兖州、大同两种煤样热处理前后的动力学数据的比较,可以看出,经低温热解处理后其反应级数、速率常数均发生了一定的变化,这可能预示着反应历程的某些改变。而两种煤热处理前后的这种变化没有表现出一致的规律。

第50页表3给出了煤样在各个恒温段失重量的情况,表中数据反映了各阶段煤中物质以气态形式脱离出体系的历程。在300℃以前所脱离出体系的部分主要是水分和吸附气体,而300℃以后的失

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