采用热重法研究多煤种配制型煤的热解特性

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 -1TG A 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:100626772(2008)0220080-04

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

111　试验仪器和试样制备

试验在美国珀金埃尔默(Perkin 2El m er )公司的Pyris -1

TG A 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。

112　试验条件

(1)升温速率:50℃/m in;(2)工作温度:从室温到950℃;

(3)工作气氛:高纯氮(9919999%);流量是20mL /m in;

(4)煤粉细度:0174～0137mm 。

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TG A 整理出试样的

失重率(ΔG /

Δt )随时间的变化曲线(微分热重曲线)DTG 。

试验时,先以50℃/m in 升温至100℃,在此温度下恒温3m in (此时水分将会失去),然后继续以50℃/m in 升温至950℃,恒温7m in,此时即得热解特性曲线,如图1(a ～h )所示。

全国中文核心期刊　矿业类核心期刊　《CAJ-CD规范》执行优秀期刊图1　热解特性曲线

2　分析与讨论

211　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49115℃,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315%。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

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。212　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 /d

τ)max ,对应于(d G /d τ)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 /d

τ)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 /d

τ)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 /d

τ)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 /d

τ)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 /d τ)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