第24卷第6期實(shí)驗(yàn)室研究與探索Vol 24 No 62005年6月RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYJun. 200熱解條件對(duì)煤的熱解行為的影響徐朝芬,向軍,胡松,孫學(xué)信(華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074)摘要:采用TGA-rTIR聯(lián)用分析儀,對(duì)不同煤樣在不同條件下的熱解過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,使煤樣的熱解特性參數(shù)、熱解產(chǎn)物分析在一次實(shí)驗(yàn)測(cè)定過程中同時(shí)獲得,為深入掌握煤的熱解特性及合理利用煤炭資源提供基礎(chǔ)依據(jù)。關(guān)鍵詞:煤;熱解;升溫速率;熱重-紅外聯(lián)用分析中圖分類號(hào):TH81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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熱解過程的同時(shí),對(duì)析出產(chǎn)物進(jìn)行紅外光譜分析,從而1引言及時(shí)得到煤反應(yīng)的有關(guān)信息。本文就是在一定條件煤的熱解是指將煤在隔絕空氣的條件下加熱到較下對(duì)不同煤質(zhì)進(jìn)行了 TGA-FTIR聯(lián)用實(shí)驗(yàn)研究,得到了高溫度而發(fā)生的一系列物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過煤的熱解特征參數(shù)、熱解產(chǎn)物等分析結(jié)果。程。在此過程中將發(fā)生交連聯(lián)鍵的斷裂、生成產(chǎn)物的重組及再次反應(yīng)最終生成氣體(煤氣)液體(焦油)及2實(shí)驗(yàn)部分固體(焦碳)等產(chǎn)物。2.1樣品的工業(yè)分析及元素分析數(shù)據(jù)熱重分析法( Thermogravimetic,TG)一般是指在程實(shí)驗(yàn)所用煤的工業(yè)分析及元素分析數(shù)據(jù)見表1所序控制溫度下,測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度變化關(guān)系的分示。析方法2。作為一種有效研究手段,近年來在煤的燃表1實(shí)驗(yàn)用煤的工業(yè)分析及元素分析燒和熱解的研究中被廣泛采用。雖然可以利用熱重分煤種析法對(duì)煤的熱解特性進(jìn)行研究3,國(guó)外學(xué)者VanKrevelen36和后期的研究者也利用熱天平研究了煤的3.2熱解歷程,但其熱解產(chǎn)物則需另行分析。傅立葉變換工業(yè)分析25紅外光譜儀(FTR)是一種響應(yīng)時(shí)間快、靈敏度高的分,82析儀器。TGA-FTR聯(lián)用方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以在了解煤中國(guó)煤化工收稿日期:20041230YHCNMHG1.4I基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目:煤燃燒過程中物理及化學(xué)2.26結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的研究。(項(xiàng)目編號(hào):50176014作者簡(jiǎn)介:徐朝芬(1965-),女,重慶人,工程師第6期徐朝芬,等:熱解條件對(duì)煤的熱解行為的影響22試驗(yàn)儀器及條件速率等條件進(jìn)行煤的熱解,熱解產(chǎn)物通過氣體輸送管實(shí)驗(yàn)儀器:德國(guó) NETZSCH公司STA409型熱綜合進(jìn)入氣體池,再由紅外光譜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)在線跟蹤檢測(cè)。分析儀,德國(guó) BRUKER公司 EQUINOX55型傅立葉紅外光譜儀。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論動(dòng)態(tài)氣氛:高純氮?dú)饧案呒儦鍤饬髁?00mL/min,3.1熱重分析氣體輸送管溫度180℃,氣體池溫度162℃,加熱速率3.1.1不同煤種的熱解特性15℃/min;煤樣:粒度小于100m,重量5.000ng。分別稱取甲、乙、丙煤樣5.000mg在相同的氮?dú)饬?3實(shí)驗(yàn)過程量100mL/min、升溫速率為15℃/min、從室溫加熱到終煤是一種由有機(jī)物和無機(jī)物組成的復(fù)雜混合物。溫1450℃條件下得到的熱重曲線如圖1所示。圖1中在情性氣氛下,隨著溫度的升高將發(fā)生一系列的物理的特征數(shù)值如表2所示。和化學(xué)變化。實(shí)驗(yàn)以不同載氣、不同試樣及不同升溫表2不同煤種在相同條件下熱解特性參數(shù)的比較試樣重升溫速升溫范氮?dú)饬髁繐]發(fā)分初析揮發(fā)分初析揮發(fā)分最大析出Vs對(duì)應(yīng)溫v對(duì)應(yīng)時(shí)煤樣量/mg率/℃·min1圍/℃/mL.min時(shí)間/min溫度/℃率Vs/%·m度/℃間/min室溫-14501236.381.5室溫-1450693.21293.05.000室溫-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圖1甲、乙、丙煤熱解特性曲線的比較由圖1可以看出,相同條件下,對(duì)于不同的煤種,(1))。對(duì)于丙煤樣,由于揮發(fā)分含量較低,很難析出,其揮發(fā)分開始析出溫度各不相同。如表1所示,揮發(fā)煤的著火溫度高(見圖中(3)。分的初析時(shí)間、初析溫度隨揮發(fā)分的減少而推遲、升3.1.2不同載氣下同煤種的熱解特性高;其最大析出率所對(duì)應(yīng)的溫度、時(shí)間也是隨揮發(fā)分的分別稱取甲煤樣5.000mg在氮?dú)夂蜌鍤饬髁?00減少而推遲、升高。甲煤樣開始析出揮發(fā)分的溫度最mL/min、升溫速率為15℃/min、從室溫到終溫1450℃低,煤的著火溫度較低,說明該煤種最年青(見圖中條件下所得特征數(shù)值如表3所示。表2甲煤種在氮?dú)夂蜌鍤鈼l件下熱解特性參數(shù)的比較試樣重升溫速升溫范載氣流量揮發(fā)分初析揮發(fā)分初揮發(fā)分最大析Vs對(duì)應(yīng)溫vs對(duì)應(yīng)時(shí)載氣/nL .min時(shí)間/min析溫度/℃出率v,/%·min-1度/氮?dú)?.000窒溫-145039.31236.3氬氣5.00015宰溫-145037,01362.3由表3可以看出,相同的煤種在不同載氣下熱解,31.3中國(guó)煤化工熱解特性雖然其揮發(fā)分開始析出溫度、最大析出率所對(duì)應(yīng)的溫CNMHG相同的氮?dú)饬髁?0度、時(shí)間有所不同,但其最大析出率相差不大,說明不ml/min、從室溫到終溫1450℃,升溫速度分別為15℃/同的惰性氣體作載氣,對(duì)煤的熱解過程中揮發(fā)分的最min、30℃/min,50/min條件下得到的熱重曲線如圖大析出率無太大影響。2所示。圖2中的特征數(shù)值如表4所示。研究與探索第24卷表4甲煤種在不同升溫速率下熱解特性參數(shù)的比較試樣試樣重升溫速度升溫范氣流揮發(fā)分初揮發(fā)分初析揮發(fā)分最大析出vs對(duì)應(yīng)vs對(duì)應(yīng)時(shí)編號(hào)量/mg/℃·min1圍/℃量/ mL.min1析時(shí)間/min溫度/℃率Vs%·min溫度/℃[1]5.00039,3605,81.2581.5[2]5.000室溫-1450[35,000室溫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圖2甲煤不同升溫速率熱解特性曲線的比較由圖2和表4都可看出,隨著加熱速率的增加,揮在1343cm處有SO2吸收峰,在800cm-'處有HCN吸發(fā)分的析岀率也隨之増加,揮發(fā)分的析岀也隨之提前。收峰,在1734cmˉ'、1600cmˉ'處羰基吸收峰,在當(dāng)加熱速率由15℃/min增加到50℃/min時(shí),揮發(fā)分3545cm1、3750cm-1處有羥基化合物的吸收峰,在最大析出率由1.25%/min增加到2.32%/min,增加了2985cm1、2115cm-1、1470cm處有其它烷烴的吸收近一倍。峰。甲煤種的煤化程度低、熱解氣體產(chǎn)物多,所以在圖3.2紅外光譜跟蹤分析上同時(shí)顯示了多組分的紅外吸收峰。在上文2.1.3中[2]進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)時(shí),FTR同時(shí)實(shí)時(shí)跟蹤實(shí)驗(yàn)獲得的紅外三維譜圖如圖3所示。從譜圖上可以看出,揮發(fā)分析出,譜圖上有明顯的吸收峰出現(xiàn),揮發(fā)分最大析出點(diǎn)即出峰最強(qiáng)點(diǎn)A所指線條位置與DTG曲線峰值點(diǎn)相應(yīng),檢測(cè)時(shí)間無明顯滯后。350030002500200015001000360℃熱解產(chǎn)生氣體的紅外光譜4結(jié)論通過本文試驗(yàn)可見,揮發(fā)分的初析時(shí)間、初析溫度隨揮發(fā)分的減少而推遲、升高,其最大析出率所對(duì)應(yīng)的TWavenumber em溫度、時(shí)間也是隨揮發(fā)分的減少而推遲、升高;不同的惰性氣體作載氣,對(duì)煤的熱解過程揮發(fā)分的最大析出圖3甲煤實(shí)驗(yàn)過程的紅外三維譜圖甲煤的揮發(fā)分含量較高,從本文2.1.1中甲煤實(shí)率無太大影響;隨著升溫速率的增大,揮發(fā)分最大析出驗(yàn)在1360℃時(shí)亦即其揮發(fā)分析出率最大時(shí)刻熱解產(chǎn)案中國(guó)煤化工生的氣體紅外光譜圖(如圖4)上可以看出,3014cmCNMHG熱重法熱解實(shí)驗(yàn)過程1304cm1處有CH4吸收峰,在3710cm-1、2343cm1、中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行紅外光譜買時(shí)跟蹤檢測(cè),沒有滯后745m處有C02吸收峰,在285m1、219m處有和返混現(xiàn)象。所以TG:FR聯(lián)用方法可以作為一種下轉(zhuǎn)第24頁(yè))CO吸收峰,在3704cm-1、1639cm處有H2O吸收峰實(shí)驗(yàn)室研究與探索第24卷美國(guó)IFI公司生產(chǎn)的CMC4000,工作頻段80GHz;最大輸入功率4kW;工作頻段內(nèi)天線增益9dB1000MHz,輸出功率4kW。±1dB,最大駐波比為1.5。在國(guó)內(nèi),雖然能夠生產(chǎn)雷達(dá)等裝備專用的kW級(jí)雙對(duì)數(shù)周期天線STLP100~500:工作頻段100功率放大器,但其工作頻帶很窄,頻率不易調(diào)節(jié),難以500MH;最大輸入功率5kW;工作頻段內(nèi)天線增益在9Hz~1GHz的寬頻范圍內(nèi)組成試驗(yàn)系統(tǒng)。因此,11.5dB±1.1dB,最大駐波比為1.5。建設(shè)射頻強(qiáng)場(chǎng)電磁環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)所需的RF寬帶功率綜合權(quán)衡上述4部天線,第1部S1204/5X在低頻放大器只能依靠引進(jìn)。據(jù)調(diào)研,BONN電子公司的功段(20~100MHz)最大輸人功率為10kW,第3部率放大器質(zhì)量好,價(jià)格高。AR公司的產(chǎn)品相對(duì)價(jià)格較SL128+工作頻帶寬、增益高、功率能夠滿足要求低,國(guó)內(nèi)的電磁兼容實(shí)驗(yàn)室一般都釆用該公司的功率必須配置;第二部天線vUIP18H+增益低不必配置;放大器。從產(chǎn)品性價(jià)比、系統(tǒng)配套性和效應(yīng)試驗(yàn)的需第四部天線STLP00~500雖然工作頻段被S12014/5X要綜合考慮,擬選用AR公司生產(chǎn)的10000和和STP128+覆蓋,但其增益最高,可視經(jīng)費(fèi)情況決4000W1000。定是否配置。4輻射天線選型5結(jié)論射頻功率放大器確定后,選擇配套的輻射天線時(shí)綜上所述,采用寬帶功率放大器、電磁場(chǎng)傳輸室應(yīng)把握如下3點(diǎn)輻射天線和混響室等儀器設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和野外電磁①天線的最大輸入功率應(yīng)不低于對(duì)應(yīng)頻段射頻環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)射頻強(qiáng)場(chǎng)電磁環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)具有指標(biāo)功率放大器的最大輸出功率;②天線的工作頻帶要先進(jìn)性、技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性,能夠滿足武器裝備寬、駐波比SWR要小;③天線增益盡量高,以獲得高預(yù)研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和現(xiàn)役武器裝備技術(shù)改造對(duì)電的輻射電磁場(chǎng)強(qiáng)。磁環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)的需求,將為開展裝備電磁環(huán)境效應(yīng)盡管天線生產(chǎn)廠家很多,但能夠完全滿足上述條試驗(yàn)、生存能力評(píng)估、作用規(guī)律和防護(hù)技術(shù)研究提供先件①并與射頻功率放大器10000和4000W1000配套進(jìn)的實(shí)驗(yàn)條件,為提高我軍武器裝備的電磁防護(hù)水平的商品化天線屈指可數(shù)。經(jīng)廣泛調(diào)研,發(fā)現(xiàn)只有德國(guó)奠定基礎(chǔ),對(duì)我軍武器裝備建設(shè)具有重大的推動(dòng)作用。Schwanebeck電子公司生產(chǎn)的幾款天線能夠滿足要求。參考文獻(xiàn)對(duì)數(shù)周期天線S12014/5X:工作頻段20~220MHz20-100MHz頻段最大輸入功率10kW,100~20MHzt]劉尚合,等電磁脈沖與電磁環(huán)境效應(yīng)[).防雷20,17)915頻段最大輸入功率5kW;20~60MHz頻段天線增益3~2]陳淑風(fēng),馬蔚宇,馬曉慶.電磁兼容試驗(yàn)技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001.37-755dB,60~20MHz頻段天線增益5~6dB;30~220MHz[3]韋錦松,湯恒正,陳世鋼等,CJB51A97軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁頻段的最大駐波比為2.5。發(fā)射和敏感度要求[S].北京國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部,1997對(duì)數(shù)周期天線VULP118H+:工作頻段30MHz[4]魏光輝,孫永衛(wèi),田明宏雷電電磁場(chǎng)理論計(jì)算與模擬技術(shù)研究門].安全與電磁兼容,2003,(3):36-381.3GHz;30~50MH頻段最大輸入功率5kW,500MHz[s]要槐,邵斌杰,施浚人,cBns8環(huán)境電磁被衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[s].北1GHz頻段最大輸入功率4kW,1~1.3GHz頻段最大京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1988.1-5輸入功率3.5kW;工作頻段內(nèi)天線增益6.2dB[6]張林昌.混響室及其進(jìn)展(上)[].安全與電磁兼容,2001,(4)±1.2dB,最大駐波比為2.5。[7]張林昌.混響室及其進(jìn)展(下)[J].安全與電磁兼容,2002,(1):雙對(duì)數(shù)周期天線STLP128+:工作頻段200MHz(上接第20頁(yè))[3]朱學(xué)棟,朱之彬,等煤化程度和升溫速率對(duì)熱分解影響的研究準(zhǔn)確、方便、快捷的研究煤質(zhì)動(dòng)態(tài)特性分析方法為研究[J]煤炭轉(zhuǎn)化,1999,22(2):4347者們廣泛使用。[4]聶其紅,孫紹增,等.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2001,7(1):7276煤的熱解過程是煤燃燒、氣化、液化的初級(jí)階段,[5] Van D W, Krevelen, Unties F J,eal. Chemical structure and研究煤的熱解特性可對(duì)煤在鍋爐內(nèi)有效燃燒以及煤的properties of coal XV l-Plastie behavior on heating[ J].Fuel,1956,36(4):462-475熱加工等提供可靠的依據(jù)。中國(guó)煤化工s[J.Fuel,1951,3(11):參考文獻(xiàn)CNMHG[1]朱之培,高晉升,煤化學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1984[7]示1八而解特性影響的分析[J]能源[2]孫學(xué)信燃煤鍋爐燃燒實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法[M].北京:中國(guó)電力出版技術(shù),2004,25(1):2426社