用热分析技术研究煤的热解特性

第41卷第3期应用化工Vol 41 No. 32012年3月Applied Chemical IndustryMar.2012用热分析技术研究煤的热解特性解凤霞,张欣欣,张丹(西安工程大学环境与化学工程学院陕西西安710048)摘要:用热分析技术研究了自洗蒙古煤和乌煤在氮气中的热解特性,探讨了升温速率和煤样粒径对热解过程的影响,根据煤热解产物释放特性指数r的大小来确定两种煤的热解性能。结果表明:同一升温速率下,自洗蒙古煤的热解特性要好于乌煤;同一种煤,升温速率越髙,r值越大,热解特性越好。应用不同升温速率下的热解曲线计算出两种煤热解过程的动力学参数。用等转化率法求得热解过程的活化能;用主曲线法确定失重过程的最可几机理函数。关键词:煤;热解特性;热分析法;动力学中图分类号:TQ531文献标识码:A文章编号:1671-3206(2012)03-0430-05Study on the pyrolysis characteristics of coal using thermalanalysis techniqueXIE Feng-xia. ZHANG Xin-xin, ZHANG DanCollege of Environment and Chemical Engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi an 710048, China)Abstract: The pyrolysis characteristics of Zixi Mongolia coal and Wu coal were investigated using thethermogravimetry(TG )technique in N, atmosphere. The influence of pyrolysis with different heating rateand different particle size was discussed. According to the release property index(r) of pyrolysis productsof two kinds of coal, the coal pyrolysis property was determined. Results showed that pyrolysis characteristics of Zixi Mongolia coal was better than that of Wu coal withheating rate. For thethe higher the heating rate was, the better the pyrolysis characteristics of the coal was. Pyrolysis kinetiparameters of two kinds of coal were obtained based on the pyrolysis curves. The iterative iso-conversionalmethods was applied to calculate the activation energy E, and the most probable mechaG(a) was determined by means of the master plots methodKey words: coal pyrolysis characteristics; thermal analysis; kinetic煤热解是指煤在惰性环境中受热脱去挥发分。论。由于煤的热解过程复杂,并且热解过程对煤的气化本文用热分析技术探讨了升温速率和粒径对自液化和焦化有着重大的影响,因此深入研究煤的洗蒙古煤和乌煤的热分解的影响。应用热解产物释热解过程对完善煤的燃烧技术具有重要的意义。本放特性指数r来确定煤的热解特性,值越大煤的热文运用热分析技术之一热重技术,即在程序控温下解特性越好9。根据非等温动力学模型,得出两种通过测量两种煤的质量随温度的变化关系来研究煤煤热解过程的动力学参数用转化率法计算活化能的热解情况。主曲线法确定最可几机理函数,最后根据活化能和目前以煤热解为基础的热、电、气多联产技术的机理函数确定速率方程中的指研究和开发已受到世界上许多国家的重视,国内外学者对煤热解过程的研究取得一定的成就,煤的热研究煤的热解机理未见文献报道。这些基本数据对加工是煤炭加工技术中最重要的工艺,故研究煤的于把握煤的热解特征和规律具有一定意义。热解具有一定的现实意义2,但由于煤本身的多1实验部分样性、复杂性及不均一性,煤热解的影响因素繁多,1.1原料与仪器热解产物的生成交叉重叠3,迄今没有形成统一理乌煤和自涉声悼由包斗铁集团有限公司提中国煤化工收稿日期:2011-1223修改稿日期:20120205CNMHG基金项目:西安工程大学校博士基金资助项目(BS090)作者简介:解凤霞(1973-),女,山西芮城人,西安工程大学副教授,主要从事应用化学方面的研究。电话:02982330173,E-mail:xiefengxia2010@126.com第3期解凤霞等用热分析技术研究煤的热解特性431供,使用前经电热鼓风干燥箱在90℃恒温下烘干至析出以CO2为主的气体物质;第二阶段在380℃~没有水份,冷却到室温取出后,用分样筛分别筛选出520℃,此过程TG曲线急速下滑,DTA曲线约粒径为0.2-0.3mm,0.15~0.2mm,0.15mm以下460℃出现峰值,可燃的烃类气体释放完毕,TA曲三种不同粒径的样品。线缓慢下降;第三阶段是520℃以后,DTA曲线进TGA/SDTA851e型热重同步热分析仪。入平缓区,此过程主要是半焦缩聚成焦炭,释放出12实验方法H2和CO为主的气体。热分析实验使用开口的70μAl2O3坩埚盛放样品,样品质量大约为4mg,分别采用升温速率B为5,10,15,20℃/min线性升温以高纯氮气为载-006气,流速为20mL/min。热分析仪的温度采用标准金属In和A进行标定。数据处理均用 origin8.0处理。0.00122结果与讨论2.1两种煤的热解过程分析300500600温度心℃图1和图2分别为不同升温速率下粒径为0.20.3mm的乌煤和自洗蒙古煤的热分解(TG和DTG)曲线。0.0000a5℃/min-0.0006cl5℃/mind 20 C/min3000012温度/℃图2自洗蒙古煤在不同升温速率下的热重曲线Fig 2 TG and DTG curves of Zixi Mongolia coal at300温度/x°00different heating rates表1两种煤失重过程的温度范围Table I- The mass-loss temperature range of two kinds褥升温速率起始温度终止温度峰值温度样品/(℃min-1)/℃5 C/min乌煤593.6289.12442b】0℃/minc I5 C/min503.33458.09d20℃/mi70413.2009.36700517.86479.82温度r自洗5图1乌煤在不同升温速率下的热重曲线Fig. I TG and dtG curves of Wu coal at different蒙古409,82520.28444.96heating rates由图1、图2可知,在不同的升温速率下,每种396.71483.88煤的热解过程基本一致,整个热解过程一步完成。由表1可知,升温速率对两种煤的热分解过程TG曲线和DTA曲线数据(表1)表明:热解的外推有影响,升温速率增加,乌煤的热解产物挥发分的初起始温度和峰值温度随着升温速率的升高而向高温始温度增加执解声率的峰增加,且向高温去移移动,在实验条件下,热解的温度范围为350动;自洗蒙中国煤化工发分释放完毕550℃。其热解过程可分为三个阶段,第一阶段在时的温度随CNMHG现规律性,其热200~380℃/min(热解的初始阶段)此过程只发生解速率的峰值却随升温速率的增加而增加,且向高微量失重,煤中弱键首先发生解聚,生成小分子链,温去移动。432应用化工第41卷在研究混煤的热解特性过程中,经过大量的实Tm最大释放速度所对应的温度,℃C;验研究,发现煤热解产物释放特性指数r能很好的△T称半峰宽,即释放速率为最大释放反应煤的热解特性,r值越大,煤的热解特性越好。速率一半时对应的温度区间,℃;y=( da/dt)max/(Tmar ATinTs)T,一初释温度,℃。其中(da/dr)m最大热解速度,mg/min两种煤的热解特性参数见表2。表2不同升温速率下两种煤的热解特性参数Table 2 Pyrolysis characteristic parameters of two kinds of coal at different heating rates升温速率最大热解速度最大释放速度对应的样品(℃min-2)温度℃ mg'min-3)温度/℃半峰宽/释放特性指数乌煤393.620.305441.22400.730.248444.961.656413468.71414.27483.88自洗395.52.508蒙古27396.710.176479.821210.764由表2可知,升温速率越低,r值越大,热解产0.0000DTG物释放剧烈;乌煤的半峰宽较大,同一升温速率下两种煤的r值相比较,自洗蒙古煤的热解特性好于乌煤。2.2煤的粒径对热解过程的影响豆-0.04实验筛选出粒径分别为0.2~0.3mm,0.150.2mm,<0.15mm三种不同粒径的煤样,以升温0.0008速率为20℃/min为例探讨了粒径对乌煤和自洗蒙古煤热分解的影响。图3和图4给出了三种不同粒300径的两种煤TG和DTG曲线。温度饣℃0.0000-0.00040.000885}020