煤粉热解特性实验研究

1、第卷第期中国电机工程学报，年月日文章编号：（）中图分类号：文献标识码：学科分类号：煤粉热解特性实验研究魏砾宏，李润东，李爱民，李延吉，姜秀民（沈阳航空工业学院清洁能源与环境工程研究所，辽宁省沈阳市；上海交通大学机械与动力工程学院，上海市闵行区），触一，（，；，）：解最大失重速率增大，达到最大失重速率的温度升高，煤粉（）（）的热解特性指数值增大。即升温速率的增加有利于细煤粉的热解。此外，在。加热条件下，对比了平均粒（，径基本相同的鹤岗煤和准噶尔煤的热解特性，发现挥发分含）量接近，而灰分含量较高的鹤岗煤的热解特性明显优于准噶尔煤。，（）关键词：煤粉；热解特性：颗粒粒度；热分析引言，煤的热解作为煤燃

2、烧过程中的一个重要的初，始过程，对煤粉着火有极大的影响，也影响到燃烧的稳定性及后期的燃尽问题。由于煤本身具有复杂性、多样性和不均一性，因此影响煤热解的因素繁，多，如煤阶、矿物成分和含量、粒径¨、升温。速率陋、温度、停留时间、压力舯、煤的显微组分、气氛等。超细煤粉燃烧技术是目前一种重要的有效控制排放的燃烧技术（在电站煤粉：；锅炉燃烧方面，将超细化煤粉定义为以下的；煤粉），美国年清洁煤技术项目中将超细煤摘要：利用热天平，以高纯氩气为气氛气体，研究了细化鹤粉再燃作为降低燃煤排放的主要技术之一。本岗煤和准噶尔煤的热解特性。实验结果表明，不同粒度的细文采用非等温热重分析方法，研究了粒度、升温速

3、化和超细煤粉的热失重过程可以分为个阶段，在率和煤种对细化和超细化煤粉的热解特性的影响，之前热失重微分曲线有个失重峰。室温，各样品的失重特性无明显区别。，粒度对煤粉失重速率由微分热重曲线计算热解反应动力学参数。间存在较好规律性。升温速率对鹤岗细煤粉热解特性的影响实验部分表现在，随着升温速率的提高，挥发分的初析温度降低；热样品的选取和制备基金项目：国家高技术研究发展计划基金项；（）；辽宁省教育厅类计划项（）。实验采用鹤岗（），准噶尔（）煤，经过碾磨，不进行筛分制成细化和超细化煤粉，原煤的煤（）（）质分析数据见表。万方数据中国电机工程学报第卷表鹤岗煤、准噶尔煤的工业分析与元素分析中大分子网络结构发生

4、断链（）和半焦缩聚成焦炭（以上）。由图和的热解曲线还可以看出，种粒径的鹤岗煤粉在之前的热解特性曲线无明显区别，在区间有一快速失重区间，相同温度下的失重速率随粒径的增大而增大，其顺序注：根据烈“）“）缸）烈）颤“）缸）（）计算得到。为：。在，热重分析区间，失重速率与粒径的关系与前者相反，本实验是在口本岛津公司的型热重差热相同温度下的失重速率随粒径的增大而减小，其顺同时分析仪卜进行。采用、升序为：岬。温速率，用氩气（）作为气氛气体，气体流量以后，、和岫粒径的煤样也较好规律：。试样用量约，用高纯氩（）在之间，同一温度下的失重速率随着气吹扫以除去炉体内的空气，再开始程序升温。粒径的增大而减小；在之问，

5、同一温度下的失重速率随着粒径的增大而增大。而在结果及讨论之间，粒径样品的与其他个热解特征参数的确定粒径样品有较大不同：在之间，呈现了在氩气气氛中进行的热解实验可以得到和比其他个粒径样品加速失重的状态，且在曲线，其特征参数有：挥发分初析温度瓦，时失重速率达到最大。总体上，在的热：指试样开始失重时的所对应的温度，是衡量煤解条件下，种粒径煤粉在之前的热失重有质挥发分析出难易的一个重要囚素，取曲线较好规律性，在主要热解温度区间，煤粉粒度的减上开始恒定出现负值的点；挥发分最大释放速度小，有利于热解反应的进行。因为随着粒径的减小，峰值（）。，：（耍）（对应的温度可以从煤粉的比表面积，热的传递速率、化学反应

6、为矗。，；（）（）。对应的温速率、物质的挥发速率等多方面导致煤粉的热失重度区间，。，即半峰宽，；定义热解特性指数害塑等，加快【。而在之问，粒径煤为：粉的热失重与其他个粒径煤粉样品相比出现异（），各煤样常，这种现象需要大量的实验数据来进一步分析。的热解特性参数见表。由于本节所述实验条件下，不同粒度样品在高不同粒径煤样的热解特性分析温和低温区各有一个快速失重阶段，笔者计算了其图一是彳同粒径的鹤岗细化和超细煤粉在低温区间的热解特性参数，见表。热解特性参数的升温速率下的、和热解特性参与粒度的关系曲线见图。本实验条件下的瓦和数与粒径关系。由图和可知，各粒径鹤岗煤在（）。与粒度的关系不明显。而值随粒度的升

7、温速率下热解特性曲线分为个阶段，增大而增加，这与巧下的曲线表现分别对应于水分和吸附气体的脱附（初温到）、出的特性一致。但目前在低温区大粒度煤粉的热解煤中非共价键结合的分子发生解聚（）、煤特性反而优于小粒径样品的原因还不明确。表实验样品的热解特性参数万方数据第期魏砾宏等：煤粉热解特性实验研究、曝毒闷温度图粒度对鹤岗煤曲线的影响晦（）一温度图粒度对鹤岗煤曲线的影响（）言至誉。霉、蠢罨漫詈粒度图鹤岗煤热解特性参数与粒径关系曲线（）升温速率对热解特性的影晌图“是平均粒径为鹤岗煤在、升温速率下的热解特性曲线图及升温速率与热解特性参数的关系曲线。由图撕可知，升温速率在一定程度上改变了煤的分解历程，随着热解

8、速率的提高，挥发分的初母翟温度图升温速率对鹤岗煤曲线的影响（）万方数据。温度，图升温速率对鹤岗煤曲线的影响（）鲁曹毒专毒毛已升温速度（）图鹤岗煤热解特性参数与升温速率关系曲线（）析温度降低，在相同的温度下的分解程度越低；热解最大失重速率增大，达到最大失重速率的温度升高，曲线和曲线向高温方向移动，此结论与文献【】相同。说明升温速率对超细煤粉的热解颗粒达到热解所需温度的时间变短，有利于热解；但同时颗粒内外的温差变大，产生热滞后效应，影响内部热解的进行。如图还可看出，不同升温速率下的曲线，在。和范围内存在个快速失重过程，分别对应于侧链的断裂和芳香稠环的破裂。但总体来看，随着升温速率的增加，煤粉的热解

9、特性指数值增大，见表。说明升温速率的增加，促进了煤样挥发分的析出和热解的进行。许多研究表明，粒径是影响煤粉热解特性的重要因素。但由于制备条件的限制，目前还没有研究者做到在同一粒径条件下来比较不同煤种煤粉的热解特性。本文选取了平均粒径极为接近的煤粉样品进行比较。图、是平均粒径为的鹤岗煤和特性存在正反两个方面影响。升温速率增大，样品煤的种类对热解特性的影响“的准噶尔煤，在。升温速率下的热解特性曲线。由图、可知，鹤岗与准噶尔细煤的热解特性明显不同。热解温度在和中国电机工程学报第卷董温度，图煤种对煤热解曲线的影响言丢善：温度，图煤种对煤热解曲线的影响髂以上时，鹤岗煤的失重速率较准噶尔煤快；而在之间，准

10、噶尔煤的失重速率快于鹤岗煤。显然在整个热解过程中，控制热解反应速率的因素不同，在室温至的低温区，挥发分的析出速率取决于煤样中氧含量。根据文献】，氧的含量高，煤中含氧官能团增多，而含氧官能团的键能又较低，容易断裂分解。由表可知，准噶尔煤氧的含量高于鹤岗煤，因此，在以前，准噶尔煤的失重速率大于鹤岗煤，而在高温区取决于煤粉样品的比表面积，孔隙率和比表面积也是影响煤粉挥发分析的重要因素，煤样孔隙率和比表面积的减小【，导致挥发分的析受阻，煤样失重的减小。由于准噶尔远远高于鹤岗煤的比表面积，见表。温度在一之间时，随着热解的深入，孔隙和比表面积的作用增强，是导致准噶尔煤具有较大失重率的主要因素。由图可知，种

11、煤在升温速率下的曲线存在个最大失重峰。鹤岗煤粉在低温（）和高温（一）个快速失重阶段的最大失重速率均大于准噶尔细煤，且达到最大失重速率的温度低于准噶尔细煤粉，见表。说明准噶尔煤分子结构紧密，分子的热解反应活性较鹤岗煤低，在热解过程中煤分子的网络结构不容易破坏，热解反应表观活化能高（与表的计算结果一致）。综上所述，在本实验条件下鹤岗煤的综合热解特性优于准噶尔煤。万方数据表煤样的热解动力学参数表工况编号高温段低温段活化“（）相关系数活化毙（）相关系数对于固体的分解反应，反应的动力学方程式为：妒（口）坩“，（鳓（）式中反应转化率羽由曲线求得：口（一屹）（）式中屹和分别为试样的最终与初始度量：为时刻的未

12、反应的试样质量；为活化能；七为速度常数；为频率因子；尺通用气体常（功：（一孚）（盯（）根据文献【，以机理函数（功【（国“对不同粒径的鹤岗和准噶尔煤进行热解动力学计算。本文将的热失重曲线分为个阶段，低温段为，高温段为。实验样品在各温度段的动力学参数见表。由表可知，实验样品在高温段和低温段，活段的活化能。说明在煤中小分子活性组分在低温段热解挥发析出所需的活化能较小，随着热解的进活化能增大。如表所示，升温速率与热解表观活化能之间的关系不明确，可能原因是慢速加热延缓了反应组分从颗粒逸出，从而增加了颗粒的浓度、反应速率和停留时间，使二次反应深度增加，从而对活化能的变化产生影响。何佳佳等【】对准噶尔烟煤、

13、大同烟煤何晋东南贫煤的热解实验得到随着升温速率的提高，煤样的平均热解活化能提高的结论。粒径对各样品热解的活化能也有一定的影响，热解反应动力学分析数；，【功为未分解的固体反应物与反应速率的函数关系。式（）的积分方程式为化能的数值范围不同，高温段的活化能远高于低温行，剩余物的分子式逐渐增大，难以热解和析出，第期魏砾宏等：煤粉热解特性实验研究总体表现为随着粒径的增大，活化能增加：各实验样品在低温段活化能随粒径和升温速率增加而增大的规律性比高温段好，这可能与样品在高温段的化学反应更复杂，除粒径、升温速率等影响因素外，二次反应的影响不能忽略。因为慢速加热和大颗粒延缓了反应组分从颗粒逸出，从而增加了颗粒的

14、浓度、反应速率和停留时问，使二次反应深度增加【。而低温段的热解反应主要是水分和挥发分的析出阶段（），受热解条件的控制，因而在固定其他热解条件时，活化能与变化条件之间表现出较好的规律性。从表还可知，在相同工况条件下，鹤岗煤在高温和低温段的活化能均明显低于准噶尔煤，这也从另外一个方面证明了上文中关于鹤岗煤的热解特性优于准噶尔煤结论的正确性。结论）本文种粒径的鹤岗煤在升温速率下热解特性曲线分为个阶段，分别对应于水分和吸附气体的脱附（初温到）、煤中非共价键结合的分子发生解聚（）、煤中大分子网络结构发生断链（）和半焦缩聚成焦炭（以上）。各粒度样品在前的失重特性接近，而间的失重特性有较大不同。在区间有一快

15、速失重区间，同一温度的失重速率随粒径的增大而增大；在区间，同一温度的失重速率随粒径的增大而减小。）升温速率在一定程度上改变了鹤岗煤粉的分解历程，随着升温速率的提高，挥发分的初析温度降低；热解最大失重速率增大，达到最大失重速率的温度升高。即随着升温速率的增加，煤粉的热解特性指数值增大，改善了煤样的综合热解特性。）在条件下，粒径基本相同的鹤岗和准噶尔细煤粉在高温和低温段各存在一个快速失重峰，鹤岗细煤粉在高温和低温段的最大失重速率、表观活化能均大于准噶尔细煤粉，且达到最大失重速率的温度低于准噶尔细煤粉。鹤岗煤热解特性指数为（），大于准噶尔煤的一（），鹤岗煤的综合热解特性优于准噶尔煤。参考文献【】，万

16、方数据，（）：【，（）：【】，】，（）：【】魏砾宏，姜秀民，张超群，等超细化煤粉在热解条件下氮的迁移特性试验研究【】中国电机程学报，（）：，）（，（）：（）【】，）（，（培）：【】周俊虎，平传娟，杨卫娟，等用热重红外光谱联用技术研究混煤热解特性】燃料化学学报，（）：，【】，（）：（）【】王俊珙，方梦祥，骆仲泱，等煤的快速热解动力学研究【中国电机工程学报，（）：，】，（）：（）】，（：【】杨海平，陈汉平，鞠付栋，等典型煤种加压热解与气化实验研究【】中国电机丁程学报，（）：，【】，（）：（）【，（）：【】朱子彬，王欣荣，马智华，等烟煤快速加氢热解的研究气氛影响的考察【燃料化学学报，（）：，】，（）

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