基于热重-红外联用方法的煤质热解特性分析

《节能技术》Vol.21, Sum.No.122第21卷,总第122期2003年11月,第6期ENERCY CONSERVATION TECHNOLOGYNov .2003 ,No.6基于热重一红外联用方法的煤质热解特性分析苏桂秋,卢洪波,崔畅林(东北电力学院动力工程系,吉林吉林132012)摘要;利用热重-红外联用分析仪，对煤的工业分析、热解过程进行实验研究，同时用傅立叶变换红外光谱仪对挥发分产物进行了实时分析,使煤的工业分析结果、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。关键词:热重;傅立叶变换红外光谱仪;工业分析;热解中圈分类号:TQ533文献标识码:A文章编号:1002- 6339 (2003) 06- 0028-03Analysis of Coal Pyrolysis Performance Base on TG - FTIR MethodSU Gui - qiu, LU Hong- bo,CUI Chang - lin(Depertment to Themal Power Engnering,Northest China lnte of Electie Power Enineing,Jitin 132012,Chin)Ahstract:The proximate analysis and the pyrolysis proces of coal are studied by means o the TG - FTR iteronetanalyzer. AI the samme time, the vltanmeters is analyed with the FTIR in the real tine. It showed that all these experi-mental results can be obtained at the same time in the proces of the experiment.Key wordsthemogravimetry ;fourier transform infared setroneterproxinte analysis;prolysis通过相应管道载出系统。1引言氲气」$氧气煤是我国现阶段的主要能源之一,也是电站锅炉与工业锅炉的主要燃料,如何有效利用煤这一不可再生能源,并且充分考i计算机"分析仪输送管气体池”一九外光清一甘舞机虑到对环境的影响,是人们普遍关注的问题。长期以来，人们一| 分析仪直在努力探索煤的反应机理及燃烧的内在规律，以期提高煤燃↑进样烧的经济性和稳定性"),同时在对煤燃烧产物的环保处理?)以及新的洁净燃烧技术的应用上也进行了大量的研究工作(),而打印机所有这些研究都是建立在对煤燃烧的基本特性充分了解的基础圈1热重-红外联用分析测试系统上的。可以利用热重分析法对煤的热解特性进行研究(4.51 ,但其2.2 实验条件热解产物需要用其它仪器再进行二次分析。目前比较新的分析方法一热重- 红外联用方法正引起人们的重视,热重分析法输送管温度200C;气体池温度220C;氮气流量80m/min; :(TC)是在程序温度控制下,测量物质质量与温度之间关系的方加热速率50C/min;氧气流量20ml/min; 煤样:粒度< 0.2mm,空法;傅立叶变换红外光谱仪(FIR)是- - 种时间响应快、灵敏度高气干燥基18土2mg;煤种:(1)团林子煤,(2)鸡西煤,(3)七台河的分析仪器。TC- FTR联用的分析方法具有准确、灵敏重现性煤,(4)弯沟煤,(5)舒兰煤，(6)东盛煤。好可实时监测等特点,它是当前煤质研究领城进行动态特性分2.3 实验步骤析的新工具。本文就是在一定的条件下对不同煤质进行了热重煤的工业分析项目包括:水分Mad、挥发分Vad.灰分Aad及一红外联机实验研究，表明该方法可以在一次实验过程中同时固定碳FCad四项。实验程序温度采用GB212《煤的工业分析方获得煤的工业分析、热觶特性参数、热解产物分析等结果。法)快速测定法的温度。煤样在氮气条件下,从室温升至150C2系统组成及实验步骤(褐煤升温至200%C)后恒温10rmin, 在IG曲线上(参见图2)得失重百分事WI,(W0- W1)为Mad;继续升温至900C恒温7min, 得2.1实验分析测试系统实验分析测试系统如图1所示,美国PE公司生产的热重分失重百分率W2,(W1 - W2)为Vad;将温度降至820C ,加入氧气，析仪通过气体输送管和气体池与红外光谱分析仪连成一体,并恒温40min或灼烧至恒重，测得剩余物质质量百分率R为Aed,分别与各自的控制、显示打印设备相连，样品的挥发分由氮气(W2- R)为FCad。实验过程中析出气体由氮气载入气体池,由红外光谱仪进行实时跟踪分析。收稿日期2003-09-16 修订稿日期 2003-10-163实验结果与讨论作者简介:苏桂秋(1967~ ).女,吉林永吉人,东北电力学院动力系能3.1工业分析与红外光谱跟踪分析源工程实验室工程师.主要从事能源与动力工程方面的用TG法对不同的煤样进行工业分析,其分析结果与常规国科研和实验教学工作。28标法的结果列于表1中。由表1可以看出,两者的测试值吻合较练,在3710cm-1. 2354em-1处有CO2 吸收峰，在2180om~ '、好,误差在实验室规定的允许范围内。同时通过对煤样的重复212em处有 ∞吸收蜂，在3575cm“处有H20吸收峰,在性实验，发现TC法测得的工业分析结果具有很好的重现性。1340em-' 1167m~'处有sO2吸收蜂,在1734em-' 1600m '处有表1 TC法与国标实验法工业分析结果对照表幾基吸收峰,在2985cm-' .115cem~1、1470cm~处有其它烷烃的煤MadVadAa吸收蜂。舒兰褐煤煤化程度低热解气体产物多,因此在图4上TC/常规TG/常规同时显示了多组分的红外吸收峰。0.85/0.8616.25/16.69 48.7648.41 33.97/34.040.0141.24/1.3124.69/24.3642. 10/42.4631 .67/31.870.0120.90/1.0217.61/17.1141.86/42.2639.62/39.610.0100.0083.32/3.328.37/8.5737.06/37.49 50.8750.620.00610.4/10.531.68/32.02 2786/27.788 29.26/29.700.0041.51/11.729.66/30.0751.98/51.946.06/6.250.002-0.000-.由图2的TC曲线、DnCG曲线、程序升温曲线,可得出煤的下0.0021列热解特性参数(如表2所示):40003500 3000.2500 20001500 1000(1)挥发分初析点(onset点)温度、时间;團4舒兰煤450C热解产生气体的红外光谱(2)挥发分最大释放速度即DTG曲线峰值(dW/dt)x;3.2 不同实验煤种的热解特性(3)对应于(dW/dt)m的温度Tma时间;由图5可见,不同煤种在相同的升温速率(50C/min)下热解(4)(dW/d)/(dW/dt)m = 1/3的温度区间OTlsi时,挥发分析出时间、析出温度、最大释放速度均不相同。(5)挥发分释放特性指数D。D= (aw/d)m/(Tm * OTis),其中(dW/dt)m越大,挥发分释放越强烈;Tm越低.ATs越小，挥发分的释放高峰出现得就越早、越集中,对着火也就越有利;反之则越不利于着火。D是0t一个综合判定指數, D值越高,煤的着火温度越低,煤的着火性王80能就越好。、J06TGDTG5VpTC2600区60、 W210152025 27400 401408351團5不同媒种50C/min升温速率下的热解TC、DTG曲线F 20表2列出了不同实验煤种的热解特性参数，其中褐煤挥发分析出快、温度低、D值较高,煤的着火温度较低;对于无烟煤，10 2030，40，5060 7075由于挥发分含量较低,很难析出，D值较低,煤的着火温度高,一般D >2E - 06时煤的着火性能较好,不存在著火困难,本实验圈2程序温度曲线及舒 兰煤的TC.DmG曲线得到舒兰煤的D值为2E-5。由F]1R实时跟踪实验获得的红外三维谱图如图3所示,可表2不同煤种的热解特性参数(升温速率为 50C/min)以验证实验的四个阶段:水分析出;挥发分析出,谱图上有明显煤种↓TmaTuaD的吸收峰出现，出峰最强点与DIG曲线峰值点相应,检测时间无487.6818.77 0.7621 5s4.18276.95 5E-06明显滞后;固定碳燃烧,加人氧气后2385 ~ 2296m~ '处存在C02、455.93 18.13 1.4611 514.33 150.20 2E-05co的强烈吸收峰;燃尽阶段,无吸收峰。446.0317.93 0.6310 515.63 246.45 5E -06由FTIR检测可知，煤在挥发分物质析出后，加入氧气使固433.2817.68 0.2306786.78 432.7 7E-07定碳燃烧的过程中产生的气体只有CO2,而对环境造成污染的其403.9317.09 1.4135 483.08 192.00 2E-05它气体在热解过程中基本释放完毕。因此实验着重分析煤在406.4317.14 0.7756 489.83 291.85 5E- 069009前的热解过程中气体的释放信息。105s冒80-10三升温速*60- 1.5C/min2. 50C/ain-20室3. 100C/mint -2510 十4.200/min00400600800 9008Tenoperature(C)圈6不同升温速率鸡西煤的TG、DIC曲线13500 300 200 2000 1590 10003.3升温速率对IG曲线的影响圈3舒兰煤实验过程的红外三维谌图实验研究了几种不同升温速率(5C/min、50C/min、100/舒兰褐煤的挥发分含量较高,在450C时热解产生的气体红min, 200/ min)对煤热解TG曲线的影响(图6)。由图6可以看外光谱(图4)上可以看出,在3015cm-'、1304cm- '处有CH吸收出,随升温速率的增大，DTC曲线峰值加大，反应的起始温度和29终止温度均增高,TG曲线向高温侧移动,产生热滞后现象。因煤的热解过程是煤燃烧、气化、液化的初级阶段,煤的热解为煤的热解是吸热反应,同时煤的导热性能差,故反应的进行和特性如挥发分析出时间、析出温度、析出过程等都是与锅炉设计挥发分的析出需要- -定的时间。当升温速率增加时，由于部分和运行密切相关的特性指标，研究煤的热解特性可以对煤在锅样品来不及挥发部分结构来不及分解,需要在更高的温度下挥炉内有效燃烧以及煤的热加工等提供依据。发和分解,而产生热滞后现象。实验还发现热滞后现象并不与参考文献升温速率成正比增长，当升温速率过快时,TC曲线的起始温度[1)李晗，黄怡民,于洪彬等.炉膣濫度对肩球状型媒着火时间影响和终止温度增高反而不明显。升温速率过快DTG曲线出现明显实验研究[J].节能技术2003,21(1);32 33.的双蜂，析出物质开始发生变化。随升温速度的增加煤样总失[2)安晶.李振华.工业锅炉的烟气脱硫技术(J].节能技术2003.21重量开始增加。(4):35- 37.[3)宋行强,杨冬,马振兴.锅炉洁净燃煤新方案- -分离燃烧[J].4结论节能技术,2003,21(3):6-7.采用IG法对煤进行的工业分析结果与国标法测定值相符,[4]朱学栋朱子彬等.煤化程度和升温速率对热分解影响的研究并且具有很好的重现性。实验可以与热解过程同步完成，分析[J].煤炭转化，19922(2):40-470[5]聂其红,朴绍增等.禍煤混煤燃烧特性的热重分析法研究[J].燃方法比国标测定过程简单、省时高效,并能获得多项热解参数。烧科学与技术,2001.7<1):72-76.热重-红外联用方法,可以对IG法热解实验过程中产生的[6)孙学信.燃煤锅炉燃蛲实验技术与方法[M].北京:中国电力出气体进行FTR实时跟踪分析,没有滯后和返混现象，因此TC-版社,2001.FTIR联用方法可以作为一种更准确方便、快速的研究煤质动态(7)朱之培.高晋生.煤化学[M].上海:上海科学技术出版社, 1984.特性分析方法为研究者使用。(上楼第25页)表3。3哈三电厂粉煤灰品质评定从表3可以看出;从每立方米产品投资额看,排序为:加气混从粉煤灰的物理.化学性能分析和粉煤灰的各项性能指标凝土<砌筑水泥<粉煤灰烧结砖<粉煤灰免烧砖<硅酸盐密实中不难看出哈三电粉煤灰烧失量极低,活性siO2和AI20含砌块<粉煤灰地面砖<粉煤灰硅酸盐水泥。每立方米产品用灰量排序为:粉煤灰地面砖>粉煤灰免烧量高达83.25% ,粒径大部分集中在15 ~ 75uan之间，lym左右的砖>粉煤灰砌筑水泥>硅酸盐密实砌块>粉煤灰加气混凝土>超细微粒很少。由此可见,哈三电厂的粉煤灰属于优质低钙灰。粉煤灰烧结砖>粉煤灰硅酸盐水泥。4哈三电厂 粉煤灰综合利用方案的优化每立方米产品利税排序为:粉煤灰加气混凝上>粉煤灰地粉煤灰利用的项目很多，如何选择技术领先的、符合北方特面砖>粉堞灰烧绪砖>粉煤灰硅酸盐水泥>粉煤灰硅酸盐密实点和电厂要求的项目是至关重要的，在选择项目前，首先对项目砌块>粉煤灰砌筑水泥。进行综合评价。综合比较的方法是,将7种项目的5种指标排序相加除以5本文对常用的7种粉媒灰综合利用项目,从以下s个方面进后得到综合排序,如表4所示。行评价:投资额、用灰量节灰场费节土地费、利税;而后逐- -排表4的综合排序为:粉煤灰砌筑水泥.粉煤灰地面砖+粉煤序,其中,投资额按从小到大，其余4项均为从大到小,结果详见灰加气混凝土+粉煤灰免烧砖+粉煤灰烧结砖◆粉煤灰硅酸盐衰3几种利用途径逐项评价结果密实砌块+粉煤灰硅酸盐水泥。投资额用灰量节灰场费节土地费利税名称单位制排序单位用kg灰/m2元/m2品投资灰投资制晶制品粉煤灰加气混凝土9014.705粉煤灰硅酸盐水泥1208504.S.1粉煤灰烧结砖10952粉煤灰地面砖45.7218765.6124.6粉煤灰砌块97.515.30粉煤灰免烧砖68.557372.112.43粉煤灰砌筑水泥62.8400018.0裹4各利用途径的总体评价(2)煤灰的应用应以分选灰为主，上两套产150的分选装项目名称分综合排序置，配套-台日产20的超细磨.生产I级灰，可以给电厂带来3.可观的效益。6(3)上-条年产30万立方米的陶粒生产线,配套- -条年产30万立方米的砌块生产线,一年将可消耗掉近40万吨粉煤灰;粉煤灰硅酸盐密实砌块520万吨千灰可以作为水泥厂的混合材。([1]何凤山.必须重视粉煤灰的综合利用[J].粉煤灰综合利用200(1):47-48.5结论(2)梁天仁.粉煤灰中各类颗粒的分选方法 概述(J].硅酸盐学报.1984.(4):13- 15.(1)哈三电厂粉煤灰烧失量极低,活性SIO2和AI2O3含量高[3)袁润章.粉煤灰的组分、结构及其特性(J]硅酸盐建筑制品，达83.25% ,粒径大部分集中在15 ~ 75ym之间，lum左右的超细1982,(6):24- 28.微粒很少,属优质低钙灰。30●