一煤燃燒特性的熱重分析

1、實驗一燃燒特性的熱重分析一、 實驗目的1 . 了解熱重分析儀的基本結(jié)構(gòu)，掌握儀器操作；2 .學會應用熱重法分析煤/生物質(zhì)的燃燒特性。二、實驗內(nèi)容及要求1 .熟悉熱重分析工作原理；2 . 學會處理煤/生物質(zhì)燃燒熱失重曲線，求解典型燃燒特性參數(shù)，并分析 燃燒特性。三、實驗步驟1. 試樣、氣體準備，如預先干燥、磨制、篩分、稱量試樣等，罐裝所需濃度和純 度的保護氣體和反應氣體。檢查儀器放置平穩(wěn)、管路氣密性及電源連接完好等。2. 開啟系統(tǒng)：（1）打開恒溫水浴槽（溫度設定：22C） ; （2）接通氣體（氮氣流量：30ml/min ;空氣流量：100ml/min ） ; （ 3）待恒溫水浴槽達到設定溫度 和

2、氣流穩(wěn)定后，打開TGA主機；（4）打開計算機進入 Windows NT ,雙擊“ STARe” 圖標打開STARe軟件。3. 根據(jù)軟件建立試驗方法，設置升溫速率10c30C/min、最大溫度900C,完畢后按提示放置樣品，按提示開始、結(jié)束（重新開始）試驗。4. 根據(jù)隨機軟件進行數(shù)據(jù)處理。5. 關(guān)閉系統(tǒng)：（1）須在TGA主機的爐溫低于 300c后關(guān)閉恒溫水浴槽；（2）關(guān) 閉TGA主機；（3）關(guān)閉氣體；（4）關(guān)閉計算機。四、實驗報告1 .熱重燃燒特性指標的含義和求解方法；2 .熱重燃燒條件下各燃燒特性參數(shù)代表的意義；3 .求解煤/生物質(zhì)燃燒特性參數(shù)；4 .結(jié)合所得數(shù)據(jù)分析燃燒特性。瑞士 Mettl

3、er-Toledo公司的TGA/SDTA851 e熱分析系統(tǒng)圖1、圖2為熱分析系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)包括熱重/差熱同步分析儀，熱重大 平和高溫恒溫浴槽。具體參數(shù)如下：型號：TGA/SDTA851 e;溫度范圍：室溫1600C；大測試 爐：直徑12mm,容積900卻 溫度準確度：X.25C ；溫度重復性： 由15C；線 性升溫速率：0.01100c/min； SDTA 分辨率：0.005C。圖1中，天平和測試爐組成的測試單元是熱重/差熱同步分析的核心，采用 平行支架微量/超微量天平，稱量不受樣品支架長度變化（如熱脹冷縮效應）的 影響；內(nèi)置整碼全自動校準；稱量部件處于恒溫室內(nèi)（22.0z0.1C）,不

4、受環(huán)境因素的影響。其中的測試爐采用水平結(jié)構(gòu)，可最大限度地消除可能產(chǎn)生的氣體紊 流的影響，克服熱氣體對流上升容易產(chǎn)生的 煙囪效應該系統(tǒng)采用單培竭結(jié)構(gòu)， 使樣品處于測試爐的幾何對稱中心， 在升溫室得到均勻加熱。測量樣品的溫度傳 感器直接安裝于培竭底部，能準確測取樣品溫度。加熱爐內(nèi)可通入需要的各種反 應氣體，同時為了保護天平免受反應氣體的腐蝕，需要通入保護氣體。恒溫浴槽熱重天平加熱爐排氣二兇流量計熱重/差熱同步分析儀計算機反應氣保護氣圖1熱分析系統(tǒng)示意圖圖 2 TGA/SDTA851 e原理圖1一隔熱擋板；2反應性氣體毛細管；3石英護套；4一氣體排出閥門（偶聯(lián)接口）；5一樣品溫度傳感器；6加熱爐；7

5、一爐溫傳感器；8電源接點；9真空和清潔氣體管；10一恒溫天平室；11一平行導向超微量天平；12一樣品室開啟裝置；13冷卻水管道；14 一保護氣體入口 ；15反應氣體入口 ；16真空連接和清潔氣體入口1）熱重測量法：在程序控制溫度下，測量物質(zhì)質(zhì)量隨溫度變化的一種技術(shù)。2）差熱分析：在程序控制溫度下，測量物質(zhì)與參比物之間的溫度差隨溫度變化的一種 技術(shù)。3）熱膨脹法：在程序控制溫度下，測量物質(zhì)在可忽略的負荷下的尺寸隨溫度變化的一 種技術(shù)。4）差示掃描量熱法：在程序控溫下，測量加入物質(zhì)在與參比物之間的能量差隨溫度變 化的一種技術(shù)TG （熱重）、DTG （微分熱重）、SDTA （同步差熱分析）Therm

6、o-gravimetricDifferential thermo-gravimetricsimultaneous differential thermal analysisDifferential Scanning Calorimeter （DSC）差示掃描量熱分析技術(shù)DTG曲線是TG曲線的微分，SDTA曲線記錄的是樣品溫度與程序溫度的溫度差。1煤的熱重燃燒實驗和結(jié)果取下列煤為實驗物料，試驗前將各種試樣磨細至74 m89 在120c條件下烘干，存入干燥器皿中待用。熱分析實驗條件：樣品質(zhì)量：10±0.1mg;升溫速率：10 C/min ;氮氣保護氣流量：40ml/min ;空氣流量：1

7、00ml/min ;工作溫度：室溫 900 c1.1煤的燃燒過程分析表1.1煤的工業(yè)分析、元素分析及硫形態(tài)分析煤種標識/%/%/%Qnet,ar-1MJ , kgMadAadVadFCadW(Cad)W(Had)W(Oad)W(Nad)StSsSpSo鄒縣ZX2.9819.5633.9343.5361.654.279.990.870.680.010.380.2922.54黃臺HT1.1432.3114.4152.1458.962.931.800.981.880.061.160.6620.70聊城OC1.1227.1112.7459.0364.182.813.211.200.370.010.22

8、0.1423.71圖1.1圖1.3為三種煤的熱重 TG、熱重微分DTG和差熱SDTA曲線。由于煤樣經(jīng)過干 燥，內(nèi)在水分較少，所以初始階段，煤中水分析出不明顯。300c以后，煤中揮發(fā)分和固定碳劇烈燃燒，TG曲線表現(xiàn)出劇烈下降；在500 c700 c的溫度區(qū)間內(nèi)，固定碳基本燃盡，TG曲線趨于平直，HT、LC和ZX煤的燃燒失重率分別為：66%、79%和79%。DTG 一般出現(xiàn)較明顯的兩個峰，一個水分析出峰，對應于 100 C左右；另一個為可燃質(zhì)劇烈燃燒峰， 該峰對應于300 c700C。HT、LC和ZX煤的燃燒失重速率分別為：5.5 X0-31/C、5.5 10-31/C 和5.7M0-31/C。Z

9、X燃燒峰出現(xiàn)在 502 C,明顯比HT （545C）、LC （528C）提前。由圖 2.3差熱曲線可看出，HT、LC和ZX煤的燃燒放熱峰分別為：5.29C、4.66C和4.54 C ,對應于溫度分別為：543C、528c和508Co 1.2煤的燃燒特性指標（1）著火特性溫度ti著火特性溫度ti定義如圖4.4所示，在DTG曲線上過燃燒峰值點 A,作垂線與TG曲 線的傾斜段交于一點 B ,過B點作TG曲線的初試水平段的延長線交于一點 C,則C點所對 應的溫度定義為著火特性溫度 ti。（2）最大燃燒平均速率（dW/d t ）80最大平均燃燒速率（dW/d ° ）80定義為DTG燃燒附近80

10、c溫度區(qū)內(nèi)煤樣最大燃燒速率的 平均值。其對褐煤和煙煤強調(diào)了燃燒反應強度，同時又考慮了水分和灰分的影響，對無煙煤則強調(diào)了著火性能。因為(dW/d T)max除與煤質(zhì)特性有關(guān)外，易受到取樣均勻性和燃燒空氣 動力特性等因素的影響。所以采用最大燃燒平均速率(dW/d。)80比較合理，更能準確表達煤質(zhì)燃燒特性37' K可燃性指數(shù)可表示為：(dW/d.)80下守其中Ti>500(4.1)(3)固定碳燃盡率固定碳燃盡率Bc反映了原煤中固定碳的燃盡程度，其值與水分、揮發(fā)分和灰分含量無關(guān)。根據(jù)常規(guī)灰分示蹤法，認為煤樣在燃燒過程前后灰分質(zhì)量守恒，即M0A0=MiAi,則原煤的固定碳燃盡率即實際燒掉的

11、固定碳占原煤所含全部固定碳的百分數(shù)：(MPC0 - M PC1)Mo(FCoA)-MiFC。Ao -M1/M0bc 二-二 一二-M PC0M 0FC 0FC 00(4.2)_ FC0Ao -100 (TG)max一FC。式中：M。、Mi分別為原煤樣在燃燒前后的質(zhì)量( mg, mg);M PCo和M PCi分別為原煤樣在燃燒前后的固定碳含量( mg, mg)；FC0和A0分別為原煤樣在燃燒前所含固定碳和灰分的工業(yè)分析值(, %);(TG)max為原煤樣的最大燃燒失重率(包括水分、揮發(fā)分和已燃盡的固定碳)()。0少率重失燒燃樣煤-10 -20 -30-40 -50 -60 -70 -80 -90

12、0100200300400500600700800900爐溫/ C圖1.1煤的燃燒失重曲線Ca月率速重失燒燃樣煤圖1.2煤的燃燒失重微分曲線.CAMID5熱差的間之樣考參與樣煤0-10% -20率-30分-40I -50里質(zhì)-60-70-80-90圖1.3煤的燃燒差熱曲線 L I -0.7100200300400500600700800900爐溫/ C圖1.4著火特性溫度定義示意圖煤的燃燒特征參數(shù)列于表 1.2中，可以看出，隨揮發(fā)分增加，煤的TG失重開始溫度降低，而失重結(jié)束溫度也降低，對應 DTG、SDTA峰值溫度也降低。表1.2煤的燃燒特征參數(shù)煤樣TG燃燒失重 開始溫度TG燃燒失重結(jié)束溫度D

13、TG峰值溫度SDTA峰值溫度(TG max(%)DTG峰值 (10-31/C)DTA峰值(C)HT361661545545665.55.29LC355652528530795.54.66ZX325622502508795.74.54從表1.3可以看出隨著煤階增加，著火特性溫度增大，最大平均燃燒速率減小，可燃性 指數(shù)也相應減小。表1.3煤的燃燒特性指標煤樣著火特性溫度ti (C)最大平均燃燒速率(dW/d t ) 80 ( mg/min )Cmg/(min - K)Bc (%)HT4810.488-83.5 X0897.13LC4520.5014-84.8 X0893.80ZX4270.5354

14、-86.6 X0897.661.3混煤的燃燒特性混煤熱重分析TG、熱重微分DTG和差熱SDTA曲線分別見圖1.5、圖1.6和圖1.7。從 圖中直觀地看出，隨著混煤配比的變化，曲線變化呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。即隨著LC煤配比增加，混煤的燃燒特性逐漸凸現(xiàn) LC煤的燃燒特性，ZX煤的燃燒特性逐漸減弱。0100200300400500600700800900爐溫/cO 必 儂-) 冷率重失燒燃樣煤圖4.5混煤的燃燒失重曲線.C率速重失燒燃樣煤0.000-0.001-0.002-0.003-0.004-0.005-0.006-0.0070100 200 300 400500 600 700800 900 1

15、000爐溫/cLC15ZX85- - - -LC50ZX50LC70ZX30LC85ZX15,rrATDS熱差的間之樣考參與樣煤100200300400500600700800900爐溫/C圖4.6混煤的燃燒失重微分曲線LC15ZX85-LC50ZX50LC70ZX30LC85ZX15圖4.7混煤的燃燒差熱曲線從表1.4列出燃燒特征參數(shù)可以清晰地看出，混煤配比對燃燒特性的影響。隨 LC煤增 加，TG燃燒失重溫度逐漸升高，其結(jié)束溫度也隨之升高，且在單煤燃燒特性參數(shù)范圍內(nèi)。說明配比與混煤燃燒特征參數(shù)間存在著密切關(guān)系。SDTA峰值變化卻與配比無明顯規(guī)律。表1.4煤的燃燒特征參數(shù)混煤煤樣TG燃燒失重開

16、始溫度TG燃燒失重結(jié)束溫度DTG峰值溫度SDTA峰值溫度(TG max(%)DTG峰值 (10-31/C)SDTA(C)LC15ZX85327635508511775.34.77LC50ZX50340640520516775.64.95LC70ZX30345643522520785.74.68LC85ZX15357647526527826.04.86混煤的燃燒特性指標呈現(xiàn)出與特征參數(shù)類似的規(guī)律性，燃燒特性指標介于組分煤的變化范圍內(nèi)，且隨LC煤配比增加，指標靠近 LC煤各項指標。說明混煤燃燒特性與組分煤燃燒 特性存在一定的加和性。由于試驗沒有對混煤進行工業(yè)分析，使得無法計算固定碳燃盡率， 所以無

17、法看出摻混過程對煤的燃盡特性的影響。程軍51在研究中得到混煤燃盡率與摻配比沒有明顯的規(guī)律性，但沒有給出機理性解釋，這還需在以后的研究工作中進行試驗證實和機 理探討。表1.5煤的燃燒特性指標混煤煤樣著火特性溫度t（c）(dW/d t ) 80 (mg/min )Cmg/(min - K)LC15ZX854290.490一 一 4-85.97 10 8LC50ZX504380.5074-85.70 10 8LC70ZX304450.5074-85.30 10 8LC85ZX154510.5264-85.20 10 82、生物質(zhì)熱重燃燒實驗與結(jié)果試驗樣品選擇玉米秸、麥秸、楊木屑、花生殼為實驗物料。試

18、驗前將各種試樣磨細至74m89 在120c條件下烘干，存入干燥器皿中待用。實驗具體方案：稱取 10 mg生物質(zhì)樣品放人氧化鋁增期內(nèi)，將堪竭置于熱重分析儀的分析室內(nèi)。熱分析儀通入燃燒氧氣流量：20 mL/min ,高純氮氣保護氣流量：80 mL/min 。程序升溫速率分別 30 C/min,溫度范圍為：25C1000C。表2.1生物質(zhì)分析試樣標識/%/%Qnet,ar-1MJ kgM adAadVadFCadCadHadOadNadSad木屑poplar2.710.9284.0412.3347.286.2941.41.40.0117.106玉米秸cornstalk5.9517.6162.6213

19、.8241.384.9228.741.400.0015.055麥秸straw7.567.3667.9617.1241.205.1037.271.390.1216.582花生殼peanut shell2.384.1473.7419.7447.266.1038.71.370.0518.9654種生物質(zhì)的熱重-同步差熱分析曲線見圖2.1?？梢钥闯?種生物質(zhì)在著火 溫度、燃燒速率和燃燒放熱量等存在較大差異。根據(jù)文獻生物質(zhì)燃燒模式及燃燒特性的研究分析 方法所得燃燒特性參數(shù)列于表2。其中著火溫度Ti采用外推法求得。Tv、Tc分別 為生物質(zhì)揮發(fā)分和固定碳燃燒速率最大時對應的溫度。To為燃盡溫度，對應于TG （熱重）和DTG （微分熱重）曲線不再有質(zhì)量變化。 Vv、Vc分別為生物質(zhì)揮 發(fā)分和固定碳最大燃燒速率，分別對應于 DTG曲線上各自峰頂值。ATv、/c分