煤粉热解特性实验研究
第28卷第26期中国电机工程学报V ol.28 No.26 Sep.15, 2008
2008年9月15日 Proceedings of the CSEE ?2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 53 文章编号：0258-8013 (2008) 26-0053-06 中图分类号：TQ 530文献标识码：A 学科分类号：470?10
煤粉热解特性实验研究
魏砾宏1，李润东1，李爱民1，李延吉1，姜秀民2
(1．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 110034；
2．上海交通大学机械与动力工程学院，上海市闵行区 200240)
Thermogravimetric Analysis on the Pyrolysis Characteristics of Pulverized Coal
WEI Li-hong1, LI Run-dong1, LI Ai-min1, LI Yan-ji1, JIANG Xiu-min2
(1. Institute of Clean energy and Environmental Engineering, Shenyang Institute of Aeronautical Engineering,
Shenyang 110034, Liaoning Province China; 2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University,
Minhang District, Shanghai 200240, China)
ABSTRACT: The pyrolysis characteristics of different particle size Hegang(HG) and Zhungaer(ZGE) coal were investigated by non-isothermal thermogravimetry in high purity argon. The results show that there are four stages (dehydration, holding, rapid weight-loss and slow weight-loss) during the non-isothermal weight loss process of different granularity coal powders, the differential thermo- gravimetry(DTG) curve has two weight loss peaks when temperatures lower than 1400℃. There was no differences in the weight-loss characteristics of various samples at the temperature below 400℃. For the pyrolysis characteristics of HG coal with rising heating-up rate , the initial release temperature decreases, the maximum weight loss rate and pyrolysis index D increase. Therefore the heating-up rate increase is favorable to improving pyrolysis characteristics of pulverized coal. In addition, comparison between similar particle size HG and ZGF coal at 10℃/min heating rate shows that the pyrolytic characteristics of HG coal with high ash and similar volatile is better than ZGE coal.
KEY WORDS: pulverized coal; pyrolysis characteristics; particle size; thermogravimetric analysis
摘要：利用热天平，以高纯氩气为气氛气体，研究了细化鹤岗煤和准噶尔煤的热解特性。实验结果表明，不同粒度的细化和超细煤粉的热失重过程可以分为4个阶段，在1400℃之前热失重微分曲线有2个失重峰。室温~400℃，各样品的失重特性无明显区别。400~980℃，粒度对煤粉失重速率间存在较好规律性。升温速率对鹤岗细煤粉热解特性的影响表现在，随着升温速率的提高，挥发分的初析温度降低；热
基金项目：国家高技术研究发展计划基金项目(2002AA527051)；辽宁省教育厅A类计划项目(2004D079)。
The National High Technology Research and Development of China (863 Programme)(2002AA527051)．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D值增大，即升温速率的增加有利于细煤粉的热解。此外，在10℃/min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
0 引言
煤的热解作为煤燃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[1]、矿物成分和含量[2]、粒径[3-4]、升温速率[5]、温度[6-7]、停留时间[5]、压力[8-9]、煤的显微组分[10]、气氛[11]等。超细煤粉燃烧技术是目前一种重要的有效控制NO x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20μm以下的煤粉[12])，美国2000年清洁煤技术项目中将超细煤粉再燃作为降低燃煤NO x排放的主要技术之一。本文采用非等温热重分析方法，研究了粒度、升温速率和煤种对细化和超细化煤粉的热解特性的影响，由微分热重曲线计算热解反应动力学参数。
1 实验部分
1.1 样品的选取和制备
实验采用鹤岗(HG)，准噶尔(ZGE)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1。
54 中 国 电 机 工 程 学 报
第28卷
表1 鹤岗煤、准噶尔煤的工业分析与元素分析 Tab. 1 Ultimate and proximate analysis of testing
coal samples
元素分析/ % 工业分析/ % 煤种
C H N S O
A
V FC
M
HG 68.25 4.678 0.826 0.487 3.104 20.85 32.53 44.8151.805ZGE 72.54 3.336 1.218 1.016 4.390 13.86 33.33 49.17 3.64注：根据ω(C ad )+ω(H ad )+ω(N ad )+ω(O ad )+ω(S ad )+ω(A ad )+ω(M ad )=100%计算得到。
1.2 热重分析
本实验是在日本岛津公司的60–H 型热重差热同时分析仪上进行。采用5、10、20、30 /min ℃升温速率，用氩气(99.999%)作为气氛气体，气体流量50 mL/min 。试样用量约8 mg ，用高纯氩(99.999%)气吹扫0.5 h 以除去炉体内的空气，
再开始程序升温。 2 结果及讨论
2.1 热解特征参数的确定
在氩气气氛中进行的热解实验可以得到TG 和DTG 曲线，其特征参数有：①挥发分初析温度T s ，℃：指试样开始失重时的所对应的温度，是衡量煤质挥发分析出难易的一个重要因素，取DTG 曲线上开始恒定出现负值的点；②挥发分最大释放速度峰值(d w/d τ)max ，mg/min ；③(d w/d τ)max 对应的温度 为T max ，℃；④max (d /d )/(d /d )1/2w w ττ=对应的温度区间1/2T Δ，即半峰宽，℃；⑤定义热解特性指数
D 为：max
max 1/2(d /d )s w D T T T τ=??Δ，3mg /(min )?℃，各煤样
的热解特性参数见表2。
2.2 不同粒径煤样的热解特性分析
图1~3是不同粒径的鹤岗细化和超细煤粉在
10 ℃/min 的升温速率下的TG 、DTG 和热解特性参数与粒径关系。由图1和2可知，各粒径鹤岗煤在
10 ℃/min 升温速率下热解特性曲线分为4个阶段，分别对应于水分和吸附气体的脱附(初温到150 ℃)、煤中非共价键结合的分子发生解聚(150~350 ℃)、煤
中大分子网络结构发生断链(350~1 150 ℃)和半焦缩聚成焦炭(1 150 ℃以上)。
由图1和2的热解曲线还可以看出，4种粒径的鹤岗煤粉在400 ℃之前的热解特性曲线无明显区别，在400~500 ℃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，其顺序为：56.2 μm >23.3 μm >35.9 μm >7.0 μm 。在500~ 980 ℃区间，失重速率与粒径的关系与前者相反，相同温度下的失重速率随粒径的增大而减小，其顺序为：7.0 μm >35.9 μm >23.3 μm >56.2 μm 。980 ℃以后，7.0、35.9和56.2 μm 粒径的煤样也较好规律：在980~1200 ℃之间，同一温度下的失重速率随着粒径的增大而减小；在1 200~1 400 ℃之间，同一温度下的失重速率随着粒径的增大而增大。而在
980~1 400 ℃之间，23.3 μm 粒径样品的与其他3个粒径样品有较大不同：在980~1 270 ℃之间，呈现了比其他3个粒径样品加速失重的状态，且在1 120 ℃时失重速率达到最大。总体上，在10 ℃/min 的热解条件下，4种粒径煤粉在980 ℃之前的热失重有较好规律性，在主要热解温度区间，煤粉粒度的减小，有利于热解反应的进行。因为随着粒径的减小，可以从煤粉的比表面积，热的传递速率、化学反应速率、物质的挥发速率等多方面导致煤粉的热失重加快[13]。而在980~1 400 ℃之间，23.3 μm 粒径煤粉的热失重与其他3个粒径煤粉样品相比出现异常，这种现象需要大量的实验数据来进一步分析。 由于本节所述实验条件下，不同粒度样品在高
温和低温区各有一个快速失重阶段，笔者计算了其低温区间的热解特性参数，见表2。热解特性参数与粒度的关系曲线见图3。本实验条件下的T s 和(d w/d τ)max 与粒度的关系不明显。而D 值随粒度的增大而增加，这与400~500 ℃下的DTG 曲线表现出的特性一致。但目前在低温区大粒度煤粉的热解特性反而优于小粒径样品的原因还不明确。
表2 实验样品的热解特性参数
Tab. 2 Pyrolysis characteristic parameter of micro-pulverized coals
工况编号 煤种
粒径/μm
比表面积/(m 2/g)
升温速率/(/min ℃)
T s /℃(d w /d τ)max /(mg/min)
T max /℃ΔT 1/2/℃
D /(10?9mg/(min·℃3))
1 HG 7.0 4.39 10 254.550.08 472.36435.76 1.53
2 HG 23.
3 3.00 10 257.420.11 457.91258.47 2.075 3 HG 35.9 1.59 10 247.000.08 466.40354.4
4 1.96 4 HG 56.2 1.11 10 280.830.13 458.87101.18 9.97
5 HG 23.3 3.00 5 261.670.08 1084.0207.79 1.3
6 6 HG 23.3 3.00 20 229.080.18 495.83273.4 5.79
7 HG 23.3 3.00 30 218.550.22 494.58278.05 7.32
8 ZGE 23.0
10.08
10
233.38
0.07
475.86
371.82
1.695
第26期 魏砾宏等： 煤粉热解特性实验研究 55
100 23.3 μm
ηT G /%
温度/℃
56.2 μm
7.0 μm
35.9 μm
400 800 1 200 80
60 40 20 0
10 ℃/min
图1 粒度对鹤岗煤TG 曲线的影响
Fig. 1 Effects of particle size on TG pyrolysis curves(HG)
23.3 μm
m D T G /(m g /m i n )
温度/℃
56.2 μm 7.0 μm 35.9 μm
10 ℃/min
0.00 ?0.04 ?0.08 ?0.12
?0.16
图2 粒度对鹤岗煤DTG 曲线的影响
Fig. 2 Effects of particle size on DTG pyrolysis
curves(HG)
8 6 4 2 0
D /(10?9(m g /m i n ℃3))
粒度/μm
T m a x /℃
图3 鹤岗煤热解特性参数与粒径关系曲线
Fig. 3 Pyrolysis characteristic parameter vs. diameter
fractal demention(HG)
2.3 升温速率对热解特性的影响
图4~6是平均粒径为23.3 μm 鹤岗煤在5、10、20、30 /min ℃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4~6可知，升温速率在一定程度上改变了煤的分解历程，随着热解速率的提高，挥发分的初
0 100
23.3 μm
ηT G /%
温度/℃
400 800 1 200 80
60 40 20 0
30 ℃/min
20 ℃/min
10 ℃/min
5 ℃/min
图4 升温速率对鹤岗煤TG 曲线的影响
Fig. 4 Effects of temperature rising rate on TG pyrolysis
curves(HG)
0.08m D T G /(m g /m i n )
温度/℃
23.3 μm
400 800 1 200 5 ℃/min
0.00?0.08?0.16?0.24
10 ℃/min
20 ℃/min
30 ℃/min
图5 升温速率对鹤岗煤DTG 曲线的影响
Fig. 5 Effects of temperature rising rate on DTG pyrolysis
curves(HG)
D /(10?9(m g /m i n ℃3))
升温速度/(℃/min)
T s /℃
图6 鹤岗煤热解特性参数与升温速率关系曲线
Fig. 6 Pyrolysis characteristic parameter vs. temperature
rising rate fractal demention(HG)
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，TG 曲线和DTG 曲线向高温方向移动，此结论与文献[14]相同。说明升温速率对超细煤粉的热解特性存在正反两个方面影响。升温速率增大，样品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5还可看出，不同升温速率下的TG 曲线，在400~750℃和1 000~1 300 ℃范围内存在2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，煤粉的热解特性指数D 值增大，见表2。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。 2.4 煤的种类对热解特性的影响
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7、8是平均粒径为23.0 μm 的鹤岗煤和
23.3 μm 的准噶尔煤，
在10 /min ℃升温速率下的热解特性曲线。由图7、8可知，鹤岗与准噶尔细煤的热解特性明显不同。热解温度在350~500 ℃和1 000 ℃
56 中 国 电 机 工 程 学 报 第28卷
ηT G /%
温度/℃
400 800 1 200
10 ℃/min 100 80 60 40 20 0 ZGE,23.0 μm
HC,23.3 μm
图7 煤种对煤热解TG 曲线的影响
Fig. 7 Effects of coal kind on TG pyrolysis curves
0.04 m D T G /(m g /m i n )
温度/℃ HG,23.3 μm
10 ℃/min 0.00 ?0.04 ?0.08 ?0.12 ?0.16
ZGH,23.0 μm
图8 煤种对煤热解DTG 曲线的影响
Fig. 8 Effects of coal kind on DTG pyrolysis curves
以上时，鹤岗煤的失重速率较准噶尔煤快；而在
500~1 000 ℃之间，准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350 ℃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[15]，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1可知，准噶尔煤氧的含量高于鹤岗煤，因此，在350 ℃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出的重要因素，煤样孔隙率和比表面积的减小[16]，导致挥发分的析出受阻，煤样失重的减小。由于23.0 μm 准噶尔远远高于23.3 μm 鹤岗煤的比表面积，见表2。温度在500~1 000 ℃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8可知，2种煤在10 /min ℃升温速率下的DTG 曲线存在2个最大失重峰。鹤岗煤粉在低温(200~800 ℃)和高温(800~1 400 ℃)2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2。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3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。
表3 煤样的热解动力学参数表
Tab. 3 Kinetic data calculated for coals pyrolysis in high
temperature and low temperature
高温段
低温段
工况编号
活化能/(kJ/mol)相关系数
活化能/(kJ/mol)相关系数
1 51.04 0.955 10.86 0.988
2 55.36 0.882 11.9
3 0.990
3 53.66 0.926 10.47 0.990
4 62.74 0.826 13.37 0.963
5 37.125 0.998 10.795 0.987
6 69.31 0.846 11.86 0.994
7 47.7
8 0.963 12.4
9 0.996 8 67.57 0.859 12.58 0.986
2.5 热解反应动力学分析
对于固体的分解反应， 反应的动力学方程式为：
/()d ()e ()d E RT kf A f t
α
αα?== (1) 式中反应转化率α可由TG 曲线求得：
0()/()w w w w α∞∞=?? (2) 式中∞w 和0w 分别为试样的最终与初始度量；w 为
t 时刻的未反应的试样质量；E 为活化能；k 为速度
常数；A 为频率因子；R =8.314 kJ/kmol 通用气体常
数；f (α)为未分解的固体反应物与反应速率的函数关系。式(1)的积分方程式为
2/()
2()(1)E RT ART RT g e
E E
αβ?=? (3) 根据文献[5, 17]，以机理函数1/32()[(1)1]g αα=+? 对不同粒径的鹤岗和23.0 μm 准噶尔煤进行热解动
力学计算。本文将的热失重曲线分为2个阶段，低温段为50~350 ℃，高温段为350~1 300 ℃。实验样品在各温度段的动力学参数见表3。
由表3可知，实验样品在高温段和低温段，活化能的数值范围不同，高温段的活化能远高于低温段的活化能。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，随着热解的进行，剩余物的分子式逐渐增大，难以热解和析出，活化能增大。
如表3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[18]对82.5 μm 准噶尔烟煤、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，
第26期魏砾宏等：煤粉热解特性实验研究57
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，从而增加了颗粒的浓度、反应速率和停留时间，使二次反应深度增加[19]。而低温段的热解反应主要是水分和挥发分的析出阶段(50~350℃)，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3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。
3 结论
1）本文4种粒径的鹤岗煤在10℃/min升温速率下热解特性曲线分为4个阶段，分别对应于水分和吸附气体的脱附(初温到150℃)、煤中非共价键结合的分子发生解聚(150~350℃)、煤中大分子网络结构发生断链(350~1150℃)和半焦缩聚成焦炭(1150℃以上)。各粒度样品在400℃前的失重特性接近，而400~1400℃间的失重特性有较大不同。在400~500℃区间有一快速失重区间，同一温度的失重速率随粒径的增大而增大；在500~980℃区间，同一温度的失重速率随粒径的增大而减小。
2）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D值增大，改善了煤样的综合热解特性。
3）在10℃/min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5.79×10?9 mg/(min·℃3)，大于准噶尔煤的1.695×10?9 mg/(min·℃3)，鹤岗煤的综合热解特性优于准噶尔煤。
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收稿日期：2008-03-20。
作者简介：
魏砾宏(1975—)，女，博士，副教授。主要研
究超细煤粉清洁高效燃烧理论与技术，
weicheng@https://www.sodocs.net/doc/5d4646640.html,；
李润东(1973—)，男，博士，教授。主要从事
固体废物资源化研究；
李爱民(1968—)，男，博士，教授，博士生导
师，主要研究固体废物处理及煤的清洁燃烧理论与
技术；
李延吉(1974—)，男，硕士，讲师，主要研究
固体废弃物资源化处理；
姜秀民(1956—)，男，博士，教授，博士生导
师。从事化石燃料的清洁高效燃烧的理论与技术及
其生物质能热化学转换的理论与技术的研究。
(责任编辑王庆霞)魏砾宏
干馏热解气化
煤的干馏热解气化 1.干馏 以往都是人们利用煤炭资源时都是采用的直接燃烧方式来获取所需的热能量，这种方式获取的可利用能量少，而且还污染环境，因此再次基础上人们对煤进行干馏获取它的产物再利用，不仅可以充分利用其中的热能量，更加比之前环保。 1.1煤干馏的定义 煤干馏是指煤是指煤在隔绝空气条件下加热，使煤中的有机物受热逐渐分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种：900～1100℃为高温干馏，即焦化；700～900℃为中温干馏；500～600℃为低温干馏（见煤低温干馏）。 1.2煤干馏的过程[1] 煤干馏过程主要经历如下变化；当煤料的温度高于100度时，煤中水分蒸发出来；温度升高到200度以上时，煤中结合水释放出来；高达350度以上时，粘结性煤开始软化，并进一步形成粘稠的胶质体（泥煤、褐煤等不发生此现象）；至400~500度大部分煤气和焦油都析出，称一次分解产物，在450~550度，热分解继续进行，残留物之间变稠并固化形成半焦；高于550度，半焦继续分解，析出体积缩小变硬形成多孔焦炭。当干馏在室式干馏炉内进行时，一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接
触，发生二次热分解，形成二次热分解产物（焦炉煤气和其他炼焦化学产品）。 1.3煤干馏的产物、产率及分类[1] 煤干馏的产物是煤炭、煤焦油和煤气。煤干馏产物的产率和组成取决于原料煤质、炉结构和加工条件（主要是温度和时间）。随着干馏终温的不同，煤干馏产品也不同。低温干馏固体产物为结构疏松的黑色半焦，煤气产率低，焦油产率高；高温干馏固体产物则为结构致密的银灰色焦炭，煤气产率高而焦油产率低。中温干馏产物的收率，则介于低温干馏和高温干馏之间。按加热终温的不同,可分为三种：900～1100℃为高温干馏，即焦化；700～900℃为中温干馏；500～600℃为低温干馏。 1.4煤干馏的应用[1] 低温干馏主要用褐煤和部分年轻烟煤，也可用泥炭。低温干馏煤焦油比高温焦油含有较多烷烃，是人造石油重要来源之一。高温干馏主要用烟煤，因此干馏使煤粉和劣质煤得到了合理利用，创造了可贵的经济效益。高温干馏主要用于生产冶金焦炭，所得的焦油为芳烃、杂环化合物的混合物，是工业上获得芳烃的重要来源。工业上应用最广、产品最多的是高温干馏。工业上炼焦的原理是将煤粉放在隔绝空气的炼焦炉中加热，煤粉分解得到焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水、和粗苯等。这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等。焦炭主要用于冶金工业，其中又以炼铁为主，它在生铁成本中约占
煤粉热解特性实验研究
第28卷第26期中国电机工程学报V ol.28 No.26 Sep.15, 2008 2008年9月15日 Proceedings of the CSEE ?2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 53 文章编号：0258-8013 (2008) 26-0053-06 中图分类号：TQ 530文献标识码：A 学科分类号：470?10 煤粉热解特性实验研究 魏砾宏1，李润东1，李爱民1，李延吉1，姜秀民2 (1．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 110034； 2．上海交通大学机械与动力工程学院，上海市闵行区 200240) Thermogravimetric Analysis on the Pyrolysis Characteristics of Pulverized Coal WEI Li-hong1, LI Run-dong1, LI Ai-min1, LI Yan-ji1, JIANG Xiu-min2 (1. Institute of Clean energy and Environmental Engineering, Shenyang Institute of Aeronautical Engineering, Shenyang 110034, Liaoning Province China; 2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Minhang District, Shanghai 200240, China) ABSTRACT: The pyrolysis characteristics of different particle size Hegang(HG) and Zhungaer(ZGE) coal were investigated by non-isothermal thermogravimetry in high purity argon. The results show that there are four stages (dehydration, holding, rapid weight-loss and slow weight-loss) during the non-isothermal weight loss process of different granularity coal powders, the differential thermo- gravimetry(DTG) curve has two weight loss peaks when temperatures lower than 1400℃. There was no differences in the weight-loss characteristics of various samples at the temperature below 400℃. For the pyrolysis characteristics of HG coal with rising heating-up rate , the initial release temperature decreases, the maximum weight loss rate and pyrolysis index D increase. Therefore the heating-up rate increase is favorable to improving pyrolysis characteristics of pulverized coal. In addition, comparison between similar particle size HG and ZGF coal at 10℃/min heating rate shows that the pyrolytic characteristics of HG coal with high ash and similar volatile is better than ZGE coal. KEY WORDS: pulverized coal; pyrolysis characteristics; particle size; thermogravimetric analysis 摘要：利用热天平，以高纯氩气为气氛气体，研究了细化鹤岗煤和准噶尔煤的热解特性。实验结果表明，不同粒度的细化和超细煤粉的热失重过程可以分为4个阶段，在1400℃之前热失重微分曲线有2个失重峰。室温~400℃，各样品的失重特性无明显区别。400~980℃，粒度对煤粉失重速率间存在较好规律性。升温速率对鹤岗细煤粉热解特性的影响表现在，随着升温速率的提高，挥发分的初析温度降低；热 基金项目：国家高技术研究发展计划基金项目(2002AA527051)；辽宁省教育厅A类计划项目(2004D079)。 The National High Technology Research and Development of China (863 Programme)(2002AA527051)．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D值增大，即升温速率的增加有利于细煤粉的热解。此外，在10℃/min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 0 引言 煤的热解作为煤燃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[1]、矿物成分和含量[2]、粒径[3-4]、升温速率[5]、温度[6-7]、停留时间[5]、压力[8-9]、煤的显微组分[10]、气氛[11]等。超细煤粉燃烧技术是目前一种重要的有效控制NO x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20μm以下的煤粉[12])，美国2000年清洁煤技术项目中将超细煤粉再燃作为降低燃煤NO x排放的主要技术之一。本文采用非等温热重分析方法，研究了粒度、升温速率和煤种对细化和超细化煤粉的热解特性的影响，由微分热重曲线计算热解反应动力学参数。 1 实验部分 1.1 样品的选取和制备 实验采用鹤岗(HG)，准噶尔(ZGE)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1。
生物质与煤共热解特性研究
生物质与煤共热解特性研究 摘要：选取一种典型生物质样品（棉秆），并将生物质样品与煤分别以1:9、3:7、5:5的质量比混合。采用热重分析法，在相同升温速率下，对各样品进行热解实验，探讨了生物质与煤热解特性的差异以及它们共热解时生物质对煤热解过程的影响。研究表明，生物质与煤的热解特性差异很大：生物质热解温度低，热解速度快，而煤相对热解速度慢，热解温度高；在生物质与煤混合热解时，总体热解特性分阶段呈现生物质和煤的热解特征；随混煤中生物质比例的增加，热解温度降低，热解速度变快。 关键词：热重分析生物质煤热解共热解 随着人们越来越关注化石能源的使用对生态环境的不利影响，生物质能源的利用份额逐年上升[1]。但是，由于生物质分布分散、能量密度低、收集运输和预处理费用高、热值低、水分大、转化利用需要外热源等缺点[2]，使得单独利用生物质燃料的设备容量较小、投资费用较高、系统独立性差和效率低。为了使生物质在较短期内实现大规模有效利用，并具有商业竞争力，生物质与煤混合燃烧和转化技术在现阶段是一种低成本、大规模利用生物质能源的可选方案。 1 生物质能的转化 生物质的利用转化方式主要有直接燃烧、热化学转化和生物转化[3]。热化学转化是指高温下将生物质转化为其它形式能量的转化技术，包括气化(在气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下对生物质进行部分氧化而转化成气体燃料的过程)、热解(在没有气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下，单纯利用热使生物质中的有机物质等发生热分解从而脱除挥发性物质，常温下为液态或气态，并形成固态的半焦或焦炭的过程)和直接液化(在高温高压和催化剂作用下从生物质中提取液化石油等)；生物转化法是指生物质在微生物的发酵作用下产生沼气、酒精等能源产品。 固体生物质的热解及其进一步转化是开发利用生物质能的有效途径之一。在生物质热化学转化过程中，热解是一个重要的环节。生物质形态各异，组成多为木质素、纤维素等难降解有机物，与矿物燃料不同，因此生物质热解过程是一个复杂的过程，影响生物质热解的运行参数有终端温度、加热速率、压力和滞留时间等[4]。生物质的组成、结构等对热解也都有影响。研究生物质与煤共同作为燃料所具有的特性可为更广泛的利用生物质能提供参考依据。 2 试验 2.1 试验仪器及性能指标 采用美国Perkin-Elmer公司生产的热重－差热联用仪（TG/DTA），其性能指标如下：
科林粉煤气化技术
科林粉煤气化技术(CCG)简介 德国科林工业集团 二零一零年七月 1. 公司简介 德国科林工业集团是全球著名的煤气化、煤干燥和生物质气化技术提供商。该集团是前东德燃料研究所 (DBI)和黑水泵工业联合体（Gaskombinat Schwarze Pumpe，简称GSP）气化厂最大的后裔公司。 科林（CHOREN）名称的由来是：“C-Carbon-碳H-Hydrogen-氢O-Oxygen- 氧REN-RENewable-可再生”。 科林集团总部位于德国弗莱贝格市，原东德燃料研究所旧址，著名的黑水泵气化厂就在附近。戴姆勒奔驰汽车公司、德国大众汽车公司为科林的战略投资者。
目前集团拥有近300名研发及工程技术人员，其中主要技术骨干为前徳燃所和黑水泵厂的员工。科林公司的发起人Wolf博士即为前东徳燃料研究所研发部部长，煤气化运行总监贡瓦先生是前黑水泵气化厂厂运行主任。 科林集团拥有40多年气流床气化技术研发、设计、设备制造、建设以及运行的经验，可以为客户提供粉煤气化技术（CCG）和生物质气化技术（Carbo-V®）从工艺包设计到关键设备制造和开车运行等一系列综合性服务。 此外，科林集团也是蒸汽流化床煤干燥技术的创始人和专利持有人，在全世界煤干燥领域，特别是褐煤干燥领域具有多年成功运行经验。 科林能化技术（北京）有限公司是科林集团的全资子公司，负责集团在亚太地区的业务。 2. 技术来源及技术开发背景 科林高压干粉煤气化炉简称为CCG炉(Choren Coal Gasifier),该技术起源于前东德黑水泵工业联合体（Gaskombinat Schwarze Pumpe，简称GSP）下属的燃料研究所，于上世纪70年代石油危机时期开始开发，目的是利用当地褐煤提供城市燃气。1979年在弗莱贝格市建立了一套3MW中试装置，完成了一系列的基础研究和工艺验证工作。试验煤种来至于德国、中国、前苏联、南非、西班牙、保加利亚、澳大利亚、捷克等国家。1984年在黑水泵市（SCHWARZ PUMPE）建立了一套130MW（日投煤量为720吨）的水冷壁煤气化炉工业化装置，气化当地褐煤用作城市燃气，有运行8年的工业化生产经验。之后改用工业废液废油作为进料，继续运行至今。燃料研究所和黑水泵工厂的技术骨干后来发起成立了科林的前身公司，继续致力于煤气化技术的研发,并把运行中出的问题进行了设计更改和完善，推出了一套完整优化的新气化技术 - CCG。 3. CCG技术介绍 （A）气化工艺 CCG气化工艺过程主要是由给料、气化与激冷系统组成。原料煤被碾磨为100%<200μ，90%<65μ的粒度后, 经过干燥, 通过浓相气流输入系统送至烧嘴，在 反应室内与工业氧气（年老煤种还需添加少量水蒸气）在高温高压的条件下反应，产生以一氧化碳和氢气为主的合成气。
(完整版)花生壳生物质热解特性研究毕业设计
毕业论文 学院：材料科学与工程学院 专业年级：08级高分子二班 题目：花生壳生物质热解特征研究 指导教师：杨素文博士 评阅教师： 2012年5月
摘要 生物质能是重要的可再生资源之一，而热解是未来最有前景的生物质利用方式之一。通过对生物质的热解动力学研究，可以获得热解反应动力学参数，对于判断热解反应机理和影响因素以及优化反应条件具有重要意义。利用热分析仪，在氮气气氛下，采用不同升温速率对花生壳热解行为进行了研究。通过热重分析实验了解生物质受热过程中的基本变化规律及其影响因素，结果表明，随升温速率的增大，达到最高热解速率时所对应的温度也越高，且升温速率越高热解越快，达到相同热解程度所需的时间越短。通过热重曲线研究花生壳的热解动力学，求出动力学参数。 关键词：生物质, 热解、热重分析，动力学 ABSTRACT Biomass energy is one of most important renewable energies. Paralysis is one of most promising methods of biomass utilization in the future. Study on biomass paralysis kinetics which can obtain paralysis kinetic parameters is of great important significance toward judging paralysis mechanism and influence factors and optimizing reaction
医疗废物典型组分的热解特性研究
硕士学位论文 论文题目 医疗废物典型组分的热解特性研究 作者姓名苏鹏宇 指导教师岑可法教授 马增益副教授 学科(专业) 工程热物理 所在学院机械与能源工程学院 提交日期 2005年1月
Study on Pyrolysis Characteristics of Typical Components in Medical Waste Candidate: Su Pengyu Supervisor: Professor Cen Kefa Associate Professor Ma Zengyi Thermal Physics Engineering Clean Energy and Environmental Engineering Key Laboratory of Ministry of Education Institute of Thermal Power Engineering Zhejiang University, Hangzhou, China Jan.2005
学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话： 通讯地址：邮编：
粉煤气化机理
粉煤气化机理 一、气化反应热力学粉煤加压气化炉是气流床反应器，也称之为自热式反应器，在加压 无催化剂条件下，煤和氧气发生部分氧化反应，生成以CO和H2为有效组分的粗合成气，部分氧化反应一词是相对完全氧化而言的。整个部分氧化反应是一个复杂的多种化学反应过程。此反应的机理目前尚不能完全作以分析。我们只可以大致把它分为三步进行。 第一步：裂解及挥发分燃烧。当粉煤和氧气喷入气化炉内后，迅速被加热到高温，粉煤发生干馏及热裂解，释放出焦油、酚、甲醇、树脂、甲烷等挥发分，水分变成水蒸气，粉煤变成煤焦。由于这一区域氧气浓度高，在高温下挥发分完全燃烧，同时放出大量热量。因此，煤气中不含有焦油、酚、高级烃等可凝聚物。 第二步：燃烧及气化。在这一步，煤焦一方面与剩余的氧气发生燃烧反应，生成CO2和CO等气体，放出热量。另一方面，煤焦和水蒸气和CO2发生气化反应，生成H2和CO。在气相中，H2和CO又与残余的氧气发生燃烧反应，放出更多的热量。 第三步：气化。此时，反应物中几乎不含有O2。主要是煤焦、甲烷等和水蒸气、CO2发生气化反应，生成H2和CO。 其总反应可写为： C n H m + (n/2)O2 →nCO + (m/2)H2 + Q 气化炉中发生的主要反应可分为： ①非均相水煤气反应 C + 2H2O →2H2 + CO2 - Q ②变换反应CO + H2O →CO2 + H2 + Q ③甲烷化反应CO +3 H2 →H2O + CO2 + Q ④加氢反应 C + 2 H2 →CH4 +Q ⑤部分氧化反应 C + 1/2O2 →CO + Q ⑥氧化反应 C + O2 →CO2 + Q ⑦CO2还原反应 C + CO2 →2CO – Q ⑧热裂解反应C n H m →(n/4)CH4 + [(4m-n)/4]C - Q 气化炉内的反应相当复杂，既有气相反应，又有气-固双相反应，对于复杂 物系的平衡，我们引入独立反应数的概念，只要讨论独立反应即可。因为其他反应可通过独立反应的组合而替代。 所谓独立反应数，就是构成物系的物质数与构成物质的元素种数之差。假定煤气化反应在气化炉出口组成达到平衡，气体中含有CO2、CO、H2、O2、H2S、CH4、COS和C等八中物质，而这些物质是由C、H、O和S等四种元素构成，因此，气化反应只有四个独立反应，也就是说，在上述的反应中，我们只要讨论其中任意四个反应就够了。 另外，对于煤气化来说，S含量很低，基本上是一确定值（对于生成H2S、COS的比值），这样独立反应数就只有三个了。由于碳转化率在98%以上，于是独立反应数就只有两个了。所以，对于煤气化反应，只着重讨论变换反应和甲烷化反应两个反应。 煤气化反应的化学平衡： ①变换反应的化学平衡 CO + H2O →CO2 + H2 + 9838Kcal/Kmol 平衡常数计算式如下： K P=PCO2*PH2/PCO*PH2O 式中：K P为该反应平衡常数。PCO2、PH2、PCO、 PH2O分别表示CO2、H2、CO、H2O的平衡分压。LgK P=2182/T – 0.0936LgT +0.000632T – 1.0806×10-7T2-2.2967 式中：T 为平衡温度。从平衡上讲，变换反应为放热反应，降低温度对平衡有利。 但在高温条件 下，CO 变换反应接近平衡。
生物质组分热解气化特性研究现状
生物质组分热解气化特性研究现状 摘要：为了提升生物质气化气热值，减少焦油产率，越来越多的研究者开始试图从生物质组分的角度对热解气化 特性进行探索.概述了碱金属、温度、压力、升温速率在热解气化过程中对生物质组分造成的影响，以及纤维素、半纤维素、木质素、萃取物和组分间相互作用对生物质热解气化过程造成的影响.提出了在二组分相互作用研究的基础上，应继续开展三组分相互作用的实验研究，以及生物质模化物和生物质原料化学结构差异对生物质原料热解气化特性的影响.此外，提出了采用单变量对照实验方法研究单变量的作用大小. 关键词：三组分；萃取物；相互作用 中图分类号：TK 6 文献标志码： A Abstract：In order to improve the heating value of the gaseous product and decrease the yield of tar from the pyrolysis and gasification of biomass，the pyrolysis and gasification characteristics of biomass components are investigated widely.The effects of the alkali，temperature，pressure，and heating rate on the pyrolysis and gasification are summarized.The effects of cellulose，hemicellulose，lignin and
the interactions between them on the gasification and pyrolysis are also discussed.Besides those，the effects of the interactions among three components，the difference among the biomass model compounds，and the chemical structure of the biomass on the gasification characteristics require some further investigations on the foundation of the two components experiments.At last，the single variable controlled experiments are proposed to study the effect of the single factor. Key words：three component；extract；interaction 生物质气化和热解是将生物质能源转换为高品位气体 燃料时使用的一种有效利用生物质能源的方式之一[1].但其 也存在着诸多问题，以生物质气化为例，主要有气化气低热值以及焦油等问题.气化气热值过低导致气化气成本上升，阻碍了气化技术的推广.提高热值的传统方法包括提高气化温 度和当量比（ER）、加入催化剂、改变物料特性[2].焦油对气化过程以及相关的设备和实验人员造成很大危害.去除焦油 的传统方法包括催化裂解、烘培、低温慢速热解处理等.催化裂解主要是在气化过程中加入镍基催化剂、白云石等，催化剂抑制焦油生成或使已生成的焦油再分解[3].此外，提高温度、改变ER也可促进焦油的分解. 近年来越来越多的研究者试图从生物质原料角度找出 提高气化气热值和去除焦油的方法，主要是从纤维素、半纤
煤粉热分解特性及添加助燃剂的影响
第34卷 第6期1999年6月 钢 铁 I RON AND ST EEL V o l.34,N o.6 June1999煤粉热分解特性及添加助燃剂的影响 徐万仁 杜鹤桂 (上海宝钢集团公司)(东北大学) 摘 要 研究了煤粉在氮气氛和空气气流中的热分解特性及添加助燃剂的影响。结果表明,煤粉在燃烧条件下挥发分的析出量超过在氮气氛下的产率,煤粉燃烧过程中挥发分的析出燃烧碳与残碳的燃烧并存。助燃剂的种类和加入量对煤粉热分解的催化作用有很大影响,浸渍6%左右的Fe(NO3)3可使双鸭山烟煤和阳泉无烟煤的挥发分产率分别增加1017%和512%。 关键词 高炉喷煤 热分解 挥发分产率 助燃剂 催化机理① PY ROLY ST I C CHARACTER IST I CS OF PUL VER IZED COAL AND EFFECT OF ADD IT I ONAL COM BUST I ON-SUPPORT ING AGENTS XU W an ren DU H egu i (Shanghai B ao steel Group Co rp1)(N o rtheastern U n iversity) ABSTRACT T he p yro lysis of pu lverized coal(PC)in n itrogen atm o sp here and ho t air flow and effect of additi onal chem ical com bu sti on2suppo rting agen ts w as investigated1T he resu lts show ed that the vo latile m atter yield of PC in com bu sti on is h igher than that in n itrogen,the devo latilizati on and char com bu sti on are p rocessed si m u ltaneou sly1T he effect of vari ou s ad2 diti on s on p yro lystic characteristics of PC is rem arkab le1T he additi on of Fe(NO3)3in6% increases vo latile m atter yield of b itum inou s by1017%and an th racite by512%1 KEY WOR D S pu lverized coal(PC)in jecti on in to B F,pyro lysis,vo latile m atter yield,com2 bu sti on2suppo rting agen ts,catalysis m echan is m 1 前言 尽管在喷煤过程中不要求煤粉在风口回旋区完全燃烧,未燃尽部分可在高炉内被消耗利用,但强化燃烧仍然是增大喷煤比的一个关键步骤。随喷煤量提高,必须采取强化燃烧的措施,才能保持风口前煤粉燃烧率不变或下降不多,炉芯区未燃尽煤粉不至严重恶化高炉死料柱的透气性和透液性,使炉缸活跃、煤气流分布合理(具有较强的中心气流)、高炉透气性良好、炉况稳定顺行。强化煤粉燃烧的手段应是促进煤粉热分解、着火和燃烧各过程措施的总和。 煤粉热分解对煤粉在高炉风口区着火及燃烧过程有重要影响,挥发分析出燃烧相对于煤粉在回旋区极短的停留时间(10～20m s)不可忽略。煤的挥发分越高,着火点越低,燃烧性越好。因此选择较高挥发分煤种或者通过物理和化学的预处理方法增强煤的反应活性,促进煤的热分解过程,将对提高煤粉燃烧率,增大高炉喷煤量起重要作用。 本文从煤的热分解与煤的大分子结构和煤岩组成的关系出发,研究不同变质程度煤的热分解特性,及外加化学添加剂对煤粉热分解的影响,以期为强化喷煤燃烧提供一种新的有效的工艺方法。 2 实验方法 取阳泉洗精无烟煤和双鸭山烟煤为实验用煤,原煤的化学成分、岩相组成分别见表1、2。煤粉热分解过程在煤枪喷入点开始,煤粉气流与高炉热风交叉混合后受热升温,发生热分解、着火及燃烧,因此热分解实际是在有氧条件下进行的,为研究空气环境(燃烧过程中)下煤粉的热分解特性,向立式空管炉内通热风(空气),风量为56m3 h,煤粉从炉顶喷入,实验时燃烧炉初始温度1320℃。为与在惰性气 ①联系人:徐万仁,工程师,上海(200941)宝山钢铁(集团)公司炼铁部
采用热重法研究多煤种配制型煤的热解特性
采用热重法研究多煤种配制型煤的热解特性 关多娇 (沈阳工程学院,辽宁沈阳110036) 摘要:采用Pyris -1TG A 热重分析仪研究了型煤及其组分煤种的热分解过程,通过对比型煤的热分解曲线和燃烧过程曲线,探讨了热解过程对型煤燃烧特性的影响,并在实验研究的基础上提出了型煤挥发份释放特性指数。 关键词:热重分析;型煤;热解过程 中图分类号:TE662 文献标识码:A 文章编号:100626772(2008)0220080-04 收稿日期:2007-12-05 作者简介:关多娇(1978-),女,辽宁沈阳人,硕士,讲师。研究方向为循环硫化床锅炉生物质燃烧问题,烟尘污染治理技术等。 型煤是多种煤按照一定比例混合受压形成的块 状燃料,其热分解过程非常复杂,会伴随许多物理化学变化,并不是各组分煤种的简单叠加。热分解过程是型煤在燃烧、气化、液化、焦化转换过程中的初级阶段,对后续过程有着重大的影响。因此,加强型煤热分解特性的研究对改善其燃烧特性,优化燃烧过程至关重要。 1 实验部分 111 试验仪器和试样制备 试验在美国珀金埃尔默(Perkin 2El m er )公司的Pyris -1 TG A 热重分析仪上完成的。该仪器系统包括重量传感器、镍-铬热电偶温度传感器、WD100温度控制仪、联想计算机和装在一不锈钢容器内的2个<40mm ×500mm 硅碳管加热元件。试验所用试样的各组分煤种的煤质分析见表1。 112 试验条件 (1)升温速率:50℃/m in;(2)工作温度:从室温到950℃; (3)工作气氛:高纯氮(9919999%);流量是20mL /m in; (4)煤粉细度:0174～0137mm 。 工作初期为氮气,后期为氧气,随着测试的进行,炉子的温度会逐渐上升,试样的重量不断减少,即可得到热失重曲线TG,并由TG A 整理出试样的 失重率(ΔG / Δt )随时间的变化曲线(微分热重曲线)DTG 。 试验时,先以50℃/m in 升温至100℃,在此温度下恒温3m in (此时水分将会失去),然后继续以50℃/m in 升温至950℃,恒温7m in,此时即得热解特性曲线,如图1(a ～h )所示。