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-升温速率下，自洗蒙古煤的热解特性要好于乌煤;同一种煤,升温速率越高,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:TQ 531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 Dan(College of Environment and Chemical Engineeing, Xi' an Polytechnic University ,Xi' an 710048 , China)Abstract :The pyrolysis characteristics of Zixi Mongolia coal and Wu coal were investigated using thethermogravimetry (TC) technique in N2 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 characteris-tics of Zixi Mongolia coal was better than that of Wu coal with the same heating rate. For the same coal,the higher the heating rate was ，the better the pyrolysis characteristics of the coal was. Pyrolysis kineticparameters 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 mechanism functionG(a) was determined by means of the master plots method.Key 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"，因此深人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,r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。目前以煤热解为基础的热、电、气多联产技术的主曲线法确定最可几机理函数,最后根据活化能和研究和开发已受到世界上许多国家的重视，国内外机理函数确定速率方程中的指前因子。该方法用于学者对煤热解过程的研究取得-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-理乌煤和自洗蒙古煤由包头钢铁集团有限公司提收稿日期:2011-12-23修改稿日期:2012-02-05基金项目:西安工程大学校博士基金资助项目( BS0902)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:029 -82330173 ,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 C恒温下烘干至析出以CO2为主的气体物质;第二阶段在380 C ~没有水份,冷却到室温取出后,用分样筛分别筛选出520 C,此过程TG曲线急速下滑，DTA曲线约粒径为0.2~0.3 mm,0. 15~0.2 mm,0. 15 mm以下460 C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 C以后,DTA曲线进TGA/SDTA851e型热重同步热分析仪。人平缓区，此过程主要是半焦缩聚成焦炭,释放出1.2实验方法H2和CO为主的气体。热分析实验使用开口的70 μL AL2O,坩埚盛放DTG0.000 0样品,样品质量大约为4 mg, 分别采用升温速率β为5,10,15,20 C/min线性升温,以高纯氮气为载-0.0006气,流速为20mL/min。热分析仪的温度采用标准金属In和Al进行标定。数据处理均用origin8. 0处理。-0.001 22结果与讨论300506002.1 两种煤的热解过程分析温度/C图1和图2分别为不同升温速率下粒径为0. 2TG~0.3 mm的乌煤和自洗蒙古煤的热分解(TG和100DTG)曲线。是子900.0000.。15C/min三-0.0006d.20 C/min70400500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 atdifferent heating rates表1两种煤失重过程的温 度范围00 tTable 1- The mass-loss temperature range of two kindsof coal。90样品升温速率起始温度 终 止温度峰值温度/( C min -1)/CC/980a.5 C/min乌煤393.62489.12442. 06b.10 C/minc.15 C/min400. 73503.33458.09413.20509. 36007002(414.27517. 86479.82自洗395. 51520.90441.22图1 乌煤在不同升温速率下的热重曲线蒙古10409. 8520.28444.96Fig.1 TG and DTG curves of Wu coal at differentheating rates煤400.28512. 48468.71由图1、图2可知，在不同的升温速率下,每种2396.7519. 46483. 88煤的热解过程基本--致,整个热解过程--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，热解速率的峰值增加，且向高温去移移动，在实验条件下,热解的温度范围为350 ~动;自洗蒙古煤的热解初始温度和挥发分释放完毕550 C。其热解过程可分为三个阶段，第一阶段在时的温度随着升温速率的增加未呈现规律性,其热200 ~ 380 C/ 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-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△Tn一称半峰宽 ,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,C;γ= (da/dr)x/(Tm OTi2T,)T,一初释温度[9],C。其中(du/dr)ax-- 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释放特性指数样品初释温度/C半峰寬/C/(心min~I)/(mg. min“)温度/CX 108乌煤393.620. 305441.22812. 16810，400.730.248444. 96341.656413. 200.218468.711.25120 .414.270.174483. 88240.700自洗395. 510.307442. 06702. 508蒙古409.820.257458. 091.900400.280.223466. 94771.5492(396. 710. 176479.82210.764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- -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 对热解过程的影响多-000实验筛选出粒径分别为0.2 ~0.3 mm,0. 15 ~0.2 mm, <0. 15 mm三种不同粒径的煤样,以升温.-0.0008速率为20 C/ 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300450600750径的两种煤TG和DTC曲线。温度C00 tTG95言-0.0004i 900.20< a≤0.30 mm85 0.15