热解条件对煤的热解行为的影响

第24卷第6期实验室研究与探索Vol 24 No 62005年6月RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYJun. 200热解条件对煤的热解行为的影响徐朝芬,向军,胡松,孙学信(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,湖北武汉430074)摘要:采用TGA-rTIR联用分析仪,对不同煤样在不同条件下的热解过程进行实验研究,使煤样的热解特性参数、热解产物分析在一次实验测定过程中同时获得,为深入掌握煤的热解特性及合理利用煤炭资源提供基础依据。关键词:煤;热解;升温速率;热重-紅外联用分析中图分类号:TH81文献标识码:A文章编号: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热解过程的同时,对析出产物进行红外光谱分析,从而1引言及时得到煤反应的有关信息。本文就是在一定条件煤的热解是指将煤在隔绝空气的条件下加热到较下对不同煤质进行了 TGA-FTIR联用实验研究,得到了高温度而发生的一系列物理现象和化学反应的复杂过煤的热解特征参数、热解产物等分析结果。程。在此过程中将发生交连联键的断裂、生成产物的重组及再次反应最终生成气体(煤气)液体(焦油)及2实验部分固体(焦碳)等产物。2.1样品的工业分析及元素分析数据热重分析法( Thermogravimetic,TG)一般是指在程实验所用煤的工业分析及元素分析数据见表1所序控制温度下,测量物质的质量随温度变化关系的分示。析方法2。作为一种有效研究手段,近年来在煤的燃表1实验用煤的工业分析及元素分析烧和热解的研究中被广泛采用。虽然可以利用热重分煤种析法对煤的热解特性进行研究3,国外学者VanKrevelen36和后期的研究者也利用热天平研究了煤的3.2热解历程,但其热解产物则需另行分析。傅立叶变换工业分析25红外光谱仪(FTR)是一种响应时间快、灵敏度高的分,82析仪器。TGA-FTR联用方法进行实验,可以在了解煤中国煤化工收稿日期:20041230YHCNMHG1.4I基金项目:国家自然科学基金资助项目:煤燃烧过程中物理及化学2.26结构变化规律的研究。(项目编号:50176014作者简介:徐朝芬(1965-),女,重庆人,工程师第6期徐朝芬,等:热解条件对煤的热解行为的影响22试验仪器及条件速率等条件进行煤的热解,热解产物通过气体输送管实验仪器:德国 NETZSCH公司STA409型热综合进入气体池,再由红外光谱仪进行实时在线跟踪检测。分析仪,德国 BRUKER公司 EQUINOX55型傅立叶红外光谱仪。3实验结果及讨论动态气氛:高纯氮气及高纯氩气流量100mL/min,3.1热重分析气体输送管温度180℃,气体池温度162℃,加热速率3.1.1不同煤种的热解特性15℃/min;煤样:粒度小于100m,重量5.000ng。分别称取甲、乙、丙煤样5.000mg在相同的氮气流23实验过程量100mL/min、升温速率为15℃/min、从室温加热到终煤是一种由有机物和无机物组成的复杂混合物。温1450℃条件下得到的热重曲线如图1所示。图1中在情性气氛下,随着温度的升高将发生一系列的物理的特征数值如表2所示。和化学变化。实验以不同载气、不同试样及不同升温表2不同煤种在相同条件下热解特性参数的比较试样重升温速升温范氮气流量挥发分初析挥发分初析挥发分最大析出Vs对应温v对应时煤样量/mg率/℃·min1围/℃/mL.min时间/min温度/℃率Vs/%·m度/℃间/min室温-14501236.381.5室温-1450693.21293.05.000室温-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图1甲、乙、丙煤热解特性曲线的比较由图1可以看出,相同条件下,对于不同的煤种,(1))。对于丙煤样,由于挥发分含量较低,很难析出,其挥发分开始析出温度各不相同。如表1所示,挥发煤的着火温度高(见图中(3)。分的初析时间、初析温度随挥发分的减少而推迟、升3.1.2不同载气下同煤种的热解特性高;其最大析出率所对应的温度、时间也是随挥发分的分别称取甲煤样5.000mg在氮气和氩气流量100减少而推迟、升高。甲煤样开始析出挥发分的温度最mL/min、升温速率为15℃/min、从室温到终温1450℃低,煤的着火温度较低,说明该煤种最年青(见图中条件下所得特征数值如表3所示。表2甲煤种在氮气和氬气条件下热解特性参数的比较试样重升温速升温范载气流量挥发分初析挥发分初挥发分最大析Vs对应温vs对应时载气/nL .min时间/min析温度/℃出率v,/%·min-1度/氮气5.000窒温-145039.31236.3氩气5.00015宰温-145037,01362.3由表3可以看出,相同的煤种在不同载气下热解,31.3中国煤化工热解特性虽然其挥发分开始析出温度、最大析出率所对应的温CNMHG相同的氮气流量10度、时间有所不同,但其最大析出率相差不大,说明不ml/min、从室温到终温1450℃,升温速度分别为15℃/同的惰性气体作载气,对煤的热解过程中挥发分的最min、30℃/min,50/min条件下得到的热重曲线如图大析出率无太大影响。2所示。图2中的特征数值如表4所示。研究与探索第24卷表4甲煤种在不同升温速率下热解特性参数的比较试样试样重升温速度升温范气流挥发分初挥发分初析挥发分最大析出vs对应vs对应时编号量/mg/℃·min1围/℃量/ mL.min1析时间/min温度/℃率Vs%·min温度/℃[1]5.00039,3605,81.2581.5[2]5.000室温-1450[35,000室温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图2甲煤不同升温速率热解特性曲线的比较由图2和表4都可看出,随着加热速率的增加,挥在1343cm处有SO2吸收峰,在800cm-'处有HCN吸发分的析岀率也随之増加,挥发分的析岀也随之提前。收峰,在1734cmˉ'、1600cmˉ'处羰基吸收峰,在当加热速率由15℃/min增加到50℃/min时,挥发分3545cm1、3750cm-1处有羟基化合物的吸收峰,在最大析出率由1.25%/min增加到2.32%/min,增加了2985cm1、2115cm-1、1470cm处有其它烷烃的吸收近一倍。峰。甲煤种的煤化程度低、热解气体产物多,所以在图3.2红外光谱跟踪分析上同时显示了多组分的红外吸收峰。在上文2.1.3中[2]进行热重实验时,FTR同时实时跟踪实验获得的红外三维谱图如图3所示。从谱图上可以看出,挥发分析出,谱图上有明显的吸收峰出现,挥发分最大析出点即出峰最强点A所指线条位置与DTG曲线峰值点相应,检测时间无明显滞后。350030002500200015001000360℃热解产生气体的红外光谱4结论通过本文试验可见,挥发分的初析时间、初析温度随挥发分的减少而推迟、升高,其最大析出率所对应的TWavenumber em温度、时间也是随挥发分的减少而推迟、升高;不同的惰性气体作载气,对煤的热解过程挥发分的最大析出图3甲煤实验过程的红外三维谱图甲煤的挥发分含量较高,从本文2.1.1中甲煤实率无太大影响;随着升温速率的增大,挥发分最大析出验在1360℃时亦即其挥发分析出率最大时刻热解产案中国煤化工生的气体红外光谱图(如图4)上可以看出,3014cmCNMHG热重法热解实验过程1304cm1处有CH4吸收峰,在3710cm-1、2343cm1、中产生的气体进行红外光谱买时跟踪检测,没有滞后745m处有C02吸收峰,在285m1、219m处有和返混现象。所以TG:FR联用方法可以作为一种下转第24页)CO吸收峰,在3704cm-1、1639cm处有H2O吸收峰实验室研究与探索第24卷美国IFI公司生产的CMC4000,工作频段80GHz;最大输入功率4kW;工作频段内天线增益9dB1000MHz,输出功率4kW。±1dB,最大驻波比为1.5。在国内,虽然能够生产雷达等装备专用的kW级双对数周期天线STLP100~500:工作频段100功率放大器,但其工作频带很窄,频率不易调节,难以500MH;最大输入功率5kW;工作频段内天线增益在9Hz~1GHz的宽频范围内组成试验系统。因此,11.5dB±1.1dB,最大驻波比为1.5。建设射频强场电磁环境试验系统所需的RF宽带功率综合权衡上述4部天线,第1部S1204/5X在低频放大器只能依靠引进。据调研,BONN电子公司的功段(20~100MHz)最大输人功率为10kW,第3部率放大器质量好,价格高。AR公司的产品相对价格较SL128+工作频带宽、增益高、功率能够满足要求低,国内的电磁兼容实验室一般都釆用该公司的功率必须配置;第二部天线vUIP18H+增益低不必配置;放大器。从产品性价比、系统配套性和效应试验的需第四部天线STLP00~500虽然工作频段被S12014/5X要综合考虑,拟选用AR公司生产的10000和和STP128+覆盖,但其增益最高,可视经费情况决4000W1000。定是否配置。4辐射天线选型5结论射频功率放大器确定后,选择配套的辐射天线时综上所述,采用宽带功率放大器、电磁场传输室应把握如下3点辐射天线和混响室等仪器设备在实验室内和野外电磁①天线的最大输入功率应不低于对应频段射频环境试验场建设射频强场电磁环境试验系统具有指标功率放大器的最大输出功率;②天线的工作频带要先进性、技术可行性和经济合理性,能够满足武器装备宽、驻波比SWR要小;③天线增益尽量高,以获得高预研、设计、生产、使用和现役武器装备技术改造对电的辐射电磁场强。磁环境效应试验的需求,将为开展装备电磁环境效应尽管天线生产厂家很多,但能够完全满足上述条试验、生存能力评估、作用规律和防护技术研究提供先件①并与射频功率放大器10000和4000W1000配套进的实验条件,为提高我军武器装备的电磁防护水平的商品化天线屈指可数。经广泛调研,发现只有德国奠定基础,对我军武器装备建设具有重大的推动作用。Schwanebeck电子公司生产的几款天线能够满足要求。参考文献对数周期天线S12014/5X:工作频段20~220MHz20-100MHz频段最大输入功率10kW,100~20MHzt]刘尚合,等电磁脉冲与电磁环境效应[).防雷20,17)915频段最大输入功率5kW;20~60MHz频段天线增益3~2]陈淑风,马蔚宇,马晓庆.电磁兼容试验技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.37-755dB,60~20MHz频段天线增益5~6dB;30~220MHz[3]韦锦松,汤恒正,陈世钢等,CJB51A97军用设备和分系统电磁频段的最大驻波比为2.5。发射和敏感度要求[S].北京国防科工委军标出版发行部,1997对数周期天线VULP118H+:工作频段30MHz[4]魏光辉,孙永卫,田明宏雷电电磁场理论计算与模拟技术研究门].安全与电磁兼容,2003,(3):36-381.3GHz;30~50MH频段最大输入功率5kW,500MHz[s]要槐,邵斌杰,施浚人,cBns8环境电磁被卫生标准[s].北1GHz频段最大输入功率4kW,1~1.3GHz频段最大京:中国标准出版社,1988.1-5输入功率3.5kW;工作频段内天线增益6.2dB[6]张林昌.混响室及其进展(上)[].安全与电磁兼容,2001,(4)±1.2dB,最大驻波比为2.5。[7]张林昌.混响室及其进展(下)[J].安全与电磁兼容,2002,(1):双对数周期天线STLP128+:工作频段200MHz(上接第20页)[3]朱学栋,朱之彬,等煤化程度和升温速率对热分解影响的研究准确、方便、快捷的研究煤质动态特性分析方法为研究[J]煤炭转化,1999,22(2):4347者们广泛使用。[4]聂其红,孙绍增,等.褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究[J].燃烧科学与技术,2001,7(1):7276煤的热解过程是煤燃烧、气化、液化的初级阶段,[5] Van D W, Krevelen, Unties F J,eal. Chemical structure and研究煤的热解特性可对煤在锅炉内有效燃烧以及煤的properties of coal XV l-Plastie behavior on heating[ J].Fuel,1956,36(4):462-475热加工等提供可靠的依据。中国煤化工s[J.Fuel,1951,3(11):参考文献CNMHG[1]朱之培,高晋升,煤化学[M].上海:上海科学技术出版社,1984[7]示1八而解特性影响的分析[J]能源[2]孙学信燃煤锅炉燃烧实验技术与方法[M].北京:中国电力出版技术,2004,25(1):2426社