基于热重-红外联用方法的煤质热解特性分析

第2卷,总第122期《节能技术》Vol 21, Sum. No. I2003年1月,第6期ENERGY CONSERV ATION TECHNOLOGYNoy.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13202)摘要:利用热重-红外联用分析仪,对煤的工业分析、热解过程进行实骏研究,同时用傅立叶变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;热解中图分类号:TQ533文献标识码:A文算绵号:1002-6339(200)06-008-03Analysis of Coal Pyrolysis Performance Base on TG-FTIR MethodSU Gui-qiu, LU Hong-bo, CUI Chang-linDepartment to Thenmal Power Engineering, Northeast China Institute of Electric Power Engineering, Jilin 132012, China)Abstract The proximate analysis and the pyrolysis process of coal are studied by means of the TG-FTIR interconnectanalyzer. At the same time, the voltammeter is analyzed with the FtIR in the real time. It showed that all these experimental results can be obtained at the same time in the process of the experimentKey words: thermogravimetry; fourier transform infrared spectrometer; proximate analysis; pyrolysi1引曹通过相应管道载出系统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红外光谱虑到对环境的影响是人们普遍关注的问题。长期以来,人们分析仪直在努力探索煤的反应机理及燃烧的内在规律,以期提高煤燃烧的经济性和稳定性(,同时在对煤燃烧产物的环保处理2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(3),而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上的。可以利用热重分析法对煤的热解特性进行研究45,但其1热重-红外联用分析测试系统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22实验条件方法—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200℃;气体池温度220℃;氮气流量80m/minTC)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50℃/min;氧气流量20m/mn;煤样粒度<02m,空法;傅立叶变换红外光谱仪(FIR)是一种时间响应快、灵敏度高气干燥基18±2mg;煤种:(1)团林子煤,(2)鸡西煤,(3)七台河的分析仪器。TG-FIR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充领域进行动态特性分23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OaH四项。实验程序温度采用cB(煤的工业分析方获得煤的工业分析、热解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150℃2系统组成及实验步骤(褐煤升温至200℃)后恒温l0min,在TG曲线上(参见图2)得失2.!实验分析测试系统重百分率W1,(W-W)为Mad继续升温至900℃恒温7min,得实验分析测试系统如图1所示美国E公司生产的热重分失重百分率啊2,(W-W2)为Vad;将温度降至820℃,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Aad,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外为计由斯虫林由氨气载入气体池,由中国煤化工收稿日期2003-0-16修订确日期2008-10-163实验CNMHG作者简介:苏桂秋(197-)女吉林永青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科研和实验教学工作。用TG法对不同的煤样进行工业分析,其分析结果与常规国标法的结果列于表1中。由表1可以看出,两者的测试值吻合较峰,在3710m-1、235m-处有CO2吸收邮,在218m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212cm处有CO吸收峰,在3575cm-处有H0吸收峰,在性实验,发现TG法测得的工业分析结果具有很好的重现性。1340m1、167cm处有SOh吸收峰在1734cm-1、60km-处有表1TG法与国标实验法工业分析结果对照羰基吸收峰,在2985cm-1、211cm-1、1470m-处有其它烷烃的FCad吸收峰。舒兰褐煤煤化程度低热解气体产物多,因此在图4上T/常规TG/常规TG/常规TG/常规同时显示了多组分的红外吸收峰。085/0.861625/166948.76433.9734,0424.69/24.3642.10/42.463167/31.8730.90/1.01761/17.141.86/42.263962/39.643.32/3.328.37/8.5737.06/37.4950.87/50.620∞104/10.531.68/32.027.8/27.78292629.70由图2的T曲线、mG曲线程序升温曲线,可得出煤的下列热解特性参数(如表2所示)(1)挥发分初析点(onet点)温度、时间;图4舒兰煤450℃热解产生气体的红外光谱(2)挥发分最大释放速度即DrG曲线峰值(dw/dt)32不同实验煤种的热解特性(3)对应于(dW/dt)的温度Tm、时间;由图5可见,不同煤种在相同的升温速率(0℃/min)下热解(4)(dW/dt)/(dW/d)a=1/3的温度区间△T(5)挥发分释放特性指数D时挥发分析出时间析出温度最大释放速度均不相同D=(dW/d)=(T*△T13),其中(dW/dt)a越大挥发分释放越强烈;T越低、△T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是一个综合判定指数,D值越高,煤的着火温度越低,煤的着火性能就越好y wlRw amenDTGSVDTG?图5不同煤种50/min升温速率下的热解TG、mG曲线表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,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,本实验图2程序温度曲线及舒兰煤的TGDG曲线得到舒兰煤的D值为2E-5。由FTR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50℃/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D的吸收峰出现,出峰最强点与⑩G曲线峰值点相应检测时间无554,18276.9明显滞后;固定碳燃烧加入氧气后2385~296m处存在CO224559318.131.46l1514.33150.202E-05CO的强烈吸收峰;燃尽阶段,无吸收峰34460317.930631051563246.455E-06由FTR检测可知,煤在挥发分物质析出后,加入氧气使17.68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5403.9317091.4135483.08192.002E-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06431.140.7756489.83291.855E900℃前的热解过程中气体的释放信息。2525图6不同升温速率鸡西煤的TG、DG曲线0015003000250020001900100谏率对T曲的影3舒兰煤实验过程的红外三维谱图中国煤化工mi,90/m,00℃舒兰褐煤的挥发分含量较高,在450℃时热解产生的气体红CNMHG图6)。由图6可以看外光谱(图4)上可以看出,在305cm-1、1304m-1有cH吸收出随升温速率时增大DmG田线嵊值加大,反应的起始温度和终止温度均增高,T℃G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一定的时间。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妒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升温速率成正比增长,当升温速率过快时,TG曲线的起始温度1)李晗,黄恰民,于洪彬等炉温度对扁球状型煤着火时间影响和终止温度增高反而不明显。升温速率过快D℃曲线出现明显实验研究(J.节能技术,20121(0):32-3的双峰,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(刀).节能技术,2003,21重量开始增加(4):35-373)宋行强杨冬,马振兴,锅炉洁净燃煤新方案—分离燃烧(J结论节能技术,2003,21(3):6采用T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.媒炭特化1992(2):40-47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〔5]聂其红,孙绍增等.褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究U.燃热重-红外联用方法可以对TG法热解实验过程中产生烧科学与技术,2001,7(1):72-76气体进行FTR实时跟踪分析没有滞后和返混现象因此T[6)孙学信,燃煤锅炉燃烧实验技术与方法[M).北京:中国电力出FIR联用方法可以作为一种更准确、方便、快速的研究煤质动态版社,2001〔7朱之培高晋生,媒化学[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会会央会会会会会会会会会公会公公会会会会会会会会负会会会会会会会会六会会六六会六六典典会类典会会会会会会会央(上接第25页)表33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礙土<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,哈三电厂粉煤灰烧失量极低,活性SO2和AL2O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15-5m之间,m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>粉煤灰烧结砖>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种粉煤灰综合利用项目从以下5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;而后逐一排表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,其氽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→粉煤灰硅酸盐豪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单位制品投资排序灰投费排序4/m3单位用制品排序元如m2晶排序元/m3排序粉煤灰加气混凝土490514.75粉煤灰硅酸盐水泥120719565.8560.623粉煤灰地面砖45.7165.6]524.62粉煤灰免烧砖27.89粉煤灰砌筑水泥衰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日产150的分选装项目名称综合排序粉煤灰加气混凝土置配套一台日产200t的超细磨,生产I级灰,可以给电厂带来可观的效益。粉煤灰硅酸盐水泥粉煤灰烧结砖(3)上一条年产30万立方米的陶粒生产线配套一条年产粉煤灰地面砖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20万吨干灰可以作为水泥厂的混合材粉煤灰免烧砖3.6粉煤灰砌筑水泥〔1)何风山必须重视粉煤灰的綜合利用[]粉煤灰综合利用,2001,5结论2粲天仁粉煤灰中各类颗粒的分选方法概述[J硅酸盐学报(1)哈三电厂粉煤灰烧失量极低活性SQ2和AL2含高(4):13达832%,粒径大部分集中在15-75m之间,1m左右的超细〔3中国煤化工门.硅酸盐建筑制品,1982,(6微粒很少,属优质低钙灰。YHaCNMHG