實驗一燃燒特性的熱重分析

1、實驗一 燃燒特性的熱重分析實驗?zāi)康?了解熱重分析儀的基本結(jié)構(gòu)，掌握儀器操作；2學(xué)會應(yīng)用熱重法分析煤/生物質(zhì)的燃燒特性。實驗內(nèi)容及要求熟悉熱重分析工作原理；學(xué)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。實驗步驟試樣、氣體準(zhǔn)備，如預(yù)先干燥、磨制、篩分、稱量試樣等，罐裝所需濃度和純度的保護(hù)氣體和反應(yīng)氣體。檢查儀器放置平穩(wěn)、管路氣密性及電源連接完好等。開啟系統(tǒng)：（1）打開恒溫水浴槽（溫度設(shè)定：22）；（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(dá)到設(shè)定溫度和氣流穩(wěn)定后，打開TGA 主機(jī)；（4）打開計算機(jī)進(jìn)入Windows NT

2、，雙擊“STARe”圖標(biāo)打開STARe軟件。根據(jù)軟件建立試驗方法，設(shè)置升溫速率1030/min、最大溫度900，完畢后按提示放置樣品，按提示開始、結(jié)束（重新開始）試驗。根據(jù)隨機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。關(guān)閉系統(tǒng)：（1）須在TGA 主機(jī)的爐溫低于300 后關(guān)閉恒溫水浴槽；（2）關(guān)閉TGA 主機(jī)；（3）關(guān)閉氣體；（4）關(guān)閉計算機(jī)。實驗報告熱重燃燒特性指標(biāo)的含義和求解方法；熱重燃燒條件下各燃燒特性參數(shù)代表的意義；求解煤/生物質(zhì)燃燒特性參數(shù)；結(jié)合所得數(shù)據(jù)分析燃燒特性。瑞士Mettler-Toledo公司的TGA/SDTA851e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，熱重天平和

3、高溫恒溫浴槽。具體參數(shù)如下：型號：TGA/SDTA851e；溫度范圍：室溫1600；大測試爐：直徑12mm，容積900l；溫度準(zhǔn)確度：0.25；溫度重復(fù)性：0.15；線性升溫速率：0.01100/min；SDTA分辨率：0.005。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(yīng)）的影響；內(nèi)置砝碼全自動校準(zhǔn)；稱量部件處于恒溫室內(nèi)（22.00.1），不受環(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(yīng)”。該系統(tǒng)采用單坩堝結(jié)構(gòu)，使樣品處于測試

4、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坩堝底部，能準(zhǔn)確測取樣品溫度。加熱爐內(nèi)可通入需要的各種反應(yīng)氣體，同時為了保護(hù)天平免受反應(yīng)氣體的腐蝕，需要通入保護(hù)氣體。圖1 熱分析系統(tǒng)示意圖圖2 TGA/SDTA851e原理圖1隔熱擋板；2反應(yīng)性氣體毛細(xì)管；3石英護(hù)套；4氣體排出閥門（偶聯(lián)接口）；5樣品溫度傳感器；6加熱爐；7爐溫傳感器；8電源接點；9真空和清潔氣體管；10恒溫天平室；11平行導(dǎo)向超微量天平；12樣品室開啟裝置；13冷卻水管道；14保護(hù)氣體入口；15反應(yīng)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

5、）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(fù)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）Thermo-gravimetricDifferential thermo-gravimetricsimultaneous differential thermal analysisDifferential Scanning Calorimeter (DSC) 差示掃描量熱分析技術(shù)DTG

6、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(xì)至74 m89 m，在120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：100.1mg；升溫速率：10/min；氮氣保護(hù)氣流量：40ml/min；空氣流量：100ml/min；工作溫度：室溫9001.1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)分析煤種煤樣標(biāo)識工業(yè)分析/%元素分析/%硫組成/%Qnet,arMJkg-1MadAadVadFCadw(Cad)w(Had)w(Oad)w(Nad)StSsSpSo鄒縣ZX2.9819.563

7、3.9343.5361.654.279.990.870.680.010.380.2922.54黃臺HT1.1432.3114.4152.1458.962.931.800.981.880.061.160.6620.70聊城OC1.1227.1112.7459.0364.182.813.211.200.370.010.220.1423.71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。300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500700的溫度區(qū)間內(nèi)，固定碳基本燃盡，TG曲線趨于平直，

8、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(yīng)于100 左右；另一個為可燃質(zhì)劇烈燃燒峰，該峰對應(yīng)于300700。HT、LC和ZX煤的燃燒失重速率分別為：5.510-31/、5.510-31/和5.710-31/。ZX燃燒峰出現(xiàn)在502，明顯比HT（545）、LC（528）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：5.29、4.66和4.54，對應(yīng)于溫度分別為：543、528和508。1.2煤的燃燒特性指標(biāo)（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T

9、G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(yīng)的溫度定義為著火特性溫度ti。（2）最大燃燒平均速率(dW/d)80最大平均燃燒速率(dW/d)80定義為DTG燃燒附近80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(qiáng)調(diào)了燃燒反應(yīng)強(qiáng)度，同時又考慮了水分和灰分的影響，對無煙煤則強(qiáng)調(diào)了著火性能。因為(dW/d)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(zhǔn)確表達(dá)煤質(zhì)燃燒特性37、51?？扇夹灾笖?shù)可表示為： 其中Ti500 （4.1）（3）固定碳燃盡率固定碳燃盡率Bc反映了原

10、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(rèn)為煤樣在燃燒過程前后灰分質(zhì)量守恒，即M0A0=M1A1，則原煤的固定碳燃盡率即實際燒掉的固定碳占原煤所含全部固定碳的百分?jǐn)?shù)： （4.2）式中：M0、M1分別為原煤樣在燃燒前后的質(zhì)量（mg，mg）；和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）（%）。圖1.1 煤的燃燒失重曲線圖1.2煤的燃燒失重微分曲線圖1.3 煤的燃燒差熱曲線圖1.4著火特性溫度定義示意圖煤的燃燒特

11、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(yīng)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DTG峰值溫度SDTA峰值溫度（TG）max(%)DTG峰值（10-31/）DTA峰值（）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(yīng)減小。表1.3 煤的燃燒特性指標(biāo)煤樣著火特性溫度ti（）最大平均燃燒速率（dW/d）8

12、0（mg/min）可燃性指數(shù)Cmg/(minK)固定碳燃盡率Bc（%）HT4810.4883.510-897.13LC4520.5014.810-893.80ZX4270.5356.610-897.661.3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。圖4.5 混煤的燃燒失重曲線圖4.6混煤的燃燒失重微分曲線圖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

13、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/）SDTA峰值（）LC15ZX85327635508511775.34.77LC50ZX50340640520516775.64.95LC70ZX30345643522520785.74.68LC85ZX15357647526527826.04.86混煤的燃燒特性指標(biāo)

14、呈現(xiàn)出與特征參數(shù)類似的規(guī)律性，燃燒特性指標(biāo)介于組分煤的變化范圍內(nèi)，且隨LC煤配比增加，指標(biāo)靠近LC煤各項指標(biāo)。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(jìn)行工業(yè)分析，使得無法計算固定碳燃盡率，所以無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(jī)理性解釋，這還需在以后的研究工作中進(jìn)行試驗證實和機(jī)理探討。表1.5 煤的燃燒特性指標(biāo)混煤煤樣著火特性溫度ti（）最大平均燃燒速率（dW/d）80（mg/min）可燃性指數(shù)Cmg/(minK)LC15ZX854290.4905.9710-8LC50ZX504380.5075

15、.7010-8LC70ZX304450.5075.3010-8LC85ZX154510.5265.2010-82、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。試驗前將各種試樣磨細(xì)至74 m89 m，在120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)樣品放人氧化鋁坩堝內(nèi)，將坩堝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(hù)氣流量：80 mL/min。程序升溫速率分別30 /min，溫度范圍為：251000。表2.1 生物質(zhì)分析試樣標(biāo)識工業(yè)分析/%元素分析/%Qnet,arMJkg-1MadAadVadF

16、CadCadHadOadNadSad木屑poplar2.710.9284.0412.3347.286.2941.41.40.0117.106玉米秸cornstalk5.9517.6162.6213.8241.384.9228.741.400.0015.055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)

17、文獻(xiàn)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(yīng)的溫度。To為燃盡溫度，對應(yīng)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(yīng)于DTG曲線上各自峰頂值。Tv、Tc分別為生物質(zhì)揮發(fā)分和固定碳燃燒放熱時與參比物間的最大溫度差，對應(yīng)于生物質(zhì)燃燒SDTA（同步差熱分析）曲線峰頂值，它反映了燃燒反應(yīng)放熱量的大小和劇烈程度。（a） （b）圖2.1 生物質(zhì)燃燒TG、DTG和SDTA曲線根據(jù)燃燒特性參數(shù)可看出玉米秸和麥秸的著火溫度較低，揮發(fā)分燃燒速率大，燃燒溫度低，揮發(fā)分燃燒放熱大，而花生殼著火溫度稍高，對應(yīng)揮發(fā)分燃燒速率較小，放熱較大。楊木著火溫度最高，雖然揮發(fā)分燃燒速率較大，但對應(yīng)燃燒溫度較高，放熱小。楊木和花生殼固定碳含量相對較高，兩者對應(yīng)固定碳燃燒放熱較大，而玉米秸和麥秸的固定碳燃燒放熱較小。表1.2 生物質(zhì)燃燒特性參數(shù)Table 1.2 Combustion characte