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煤的热重分析技术及其应用赵凤杰，刘剑(辽宁工程技术大学资源与环境工程学院，辽宁阜新123000)摘要：为了使热重分析技术在煤炭研究领域里发挥更大的作用，介绍了以TG—DTG、TG—DTA、TG—DSC法为核心的热重分析技术原理，并且利用研究实例叙述了该技术在煤的工业分析、热解特性研究、燃烧特性研究中的应用情况。
这种以实验为基础的热分析方法科学有效且能降低实验室的工作量，提高了工作效率，因此值得深入探索和应用推广。
关键词：热重分析；工业分析；热解特性；燃烧特性中图分类号：TQ531 文献标识码：A1 热重分析技术原理[1]热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA)是在程序控制温度下测量物质的质量与温度关系的一种技术。
用于热重法的仪器是热天平，它能连续记录质量与温度的函数关系（TG曲线），将质量对时间求导则得出微商热重曲线（Derivative Thermogravimetric，DTG)。
热重分析通常与差热分析DTA或差示扫描量热DSC结合在一起使用，在同一次测量中可同步得到热重与差热信息。
差热分析(Differential Thermal Analysis，DTA)是在程序控制温度下，试样与参比物（一种在测量温度范围内不发生任何热效应的物质）之间的温度差与温度关系的一种技术。
在实验过程中，可将试样与参比样之间的温差作为温度或时间的函数关系连续记录下来，温差为纵坐标，温度为横坐标的差热曲线（DTA 曲线）向上或向下的峰反映了试样放热和吸热过程，峰的形状、位置与相应的温度可用来定性的鉴定研究对象峰的面积比例于热量变化，可用来半定量或某些情况下定量的测定反应热。
差示扫描量热[2](Differential Scanning Calorimetry，DSC)，试样和参比样于同一加热炉中在相同的条件下被加热，当试样有热量变化时，示差热电偶就会接受到一个温差，然后被放大反馈到电路单元，调整输入到试样这边的内加热器的能量，以便使试样和参比样的温差为零，反应热与DSC峰下的面积成正比。
准东煤粉燃烧特性研究摘要：由于准东煤中含有大量的碱金属，使其灰烬的熔化温度较低，在燃烧时极易产生污垢和焦炭，在恒温热重仪上对准东煤燃烧特性进行了研究，并探讨了温度和煤种比例对其燃烧特性的影响。
试验结果显示：在单煤的燃烧过程中，不同的煤种燃尽时间和燃烧速率存在着明显的差异，其中路茂通坎乡、永华金泰两个煤种之间的差别最大，路茂通坎乡的煤种更容易发生火灾，快速燃烧，快速燃尽；随着温度的上升，单煤的燃烧失重曲线向左偏移，且燃尽时间变短，燃烧速率上升，结果显示，温度的上升会加快煤粉的燃烧速度，并且在1000℃之后，增加温度对焦炭燃尽的促进效果更为明显；在混合燃烧时，加入高挥发性的煤，能够有效地提高煤粉在燃烧初期的着火特性，而高固定碳煤的掺烧会延长燃尽时间，因此会降低燃尽率；在准东煤中掺入混合煤，可以使其灰熔点升高，并对其熔化性能进行了明显的改善，这样就能减少或避免在煤的来源上，炉内受热表面的污染和结渣，保证锅炉安全、经济的运转。
关键词：准东煤；燃烧；特性分析引言准东煤田是中国已知最大全煤储量最大的一块。
准东梅粉在燃烧过程中具有燃点低以及燃烧率高等特点，与此同时还不会产生较高的污染排放物。
属于我国硫分低的煤种，具有高挥发性、低灰分和高热值，是一种很好的发电用煤。
但同时，准东煤灰的熔化温度很低，煤中的碱金属如钙、钠、钾的含量也很高，特别是Na2O的含量，大多都超过了5%，远远超出了当前我国典型烟煤乃至褐煤的含钠水平，在燃烧时易引起碱金属污染，结焦等问题。
1实验部分1.1样品实验选用准东煤田开采的文新佳业（WX）以及永华金泰（YH）等多个煤种。
通过对煤样进行研磨和过筛，筛选出100-120目的煤粉作为试验材料。
1.2实验系统及过程所述主要装置包括：用于提供精确恒温环境的智能化温度控制管式炉，其恒温区在管式炉的炉膛中部，长度为200毫米，最低温度为8000℃，最高温度为1700℃, 在对温度进行控制时，控制范围为5℃左右；采用烟气分析仪、微机等构成了数据采集与分析系统；耐高温支架，钢制船体，钢制轨道等。
煤燃烧试验中着火点确定方法分析煤燃烧试验一般是为了了解煤的燃烧特性和评估其燃烧性能。
着火点的确定在煤燃烧试验中是一个重要的过程，其结果将对后续的煤燃烧试验产生重要影响。
本文将详细分析煤燃烧试验中着火点的确定方法。
着火点的定义是指煤在空气或氧气中开始自燃的最低温度，又称自燃温度或自点火温度。
煤的着火点是其燃烧特性的重要指标之一，也是评估煤的燃烧性能的重要参数之一。
在煤燃烧试验中，通常采用以下两种方法来测定煤的着火点。
1. DTA-TG法测定着火点DTA-TG法是一种常用的煤燃烧试验法，其基本原理是利用差热分析(DTA)和热重分析(TG)技术对煤的燃烧特性进行测定。
在该方法中，煤样被加热到一定温度，并用氧气曝气，然后利用差热分析仪(DTA)和热重分析仪(TG)对煤的燃烧特性进行测定，其中着火点是通过差热分析仪测定得出的。
该方法的优点是操作简单，可同时测定多种热分析参数，但也存在一些缺点，比如由于温度升高速率较慢，在高温下煤样可能发生结焦，影响实验结果的可靠性。
2. 等温恒压法测定着火点等温恒压法是一种常用的测定煤着火点的方法。
该方法通过煤在空气或氧气中加热，利用恒定压力和温度的条件，观察煤样的变化，从而确定其着火点。
在该方法中，煤样被置于等温恒压实验器中，将炉温升高到一定温度，然后持续观测煤的变化，直到煤发生燃烧反应的温度即为其着火点。
综上所述，在煤燃烧试验中，着火点的测定是研究煤的燃烧特性和评估其燃烧性能的重要环节。
目前，DTA-TG法和等温恒压法是比较常用的测定煤着火点的方法，可根据实验需求选择适合的方法进行着火点测定。
当然，为了保证实验结果的可靠性，还需注意操作规范，并在实验过程中进行重复实验和数据分析，以提高实验结果的可靠性。
煤燃烧特性的综合指标同济大学缪岩摘要利用煤燃烧分析仪对我国电站用煤进行燃烧特性的研究, 指出利用热分析得到的各参数对于表示煤的综合燃烧特性的作用是不同的, 并依据各参数对煤燃烧综合特性的权数提出了一个反映煤综合燃烧特性的指标M , 利用该参数可以判别和比较不同煤的燃烧性能。
关键词: 热分析燃烧特性中国图书资料分类法分类号: TK224111燃烧特性是煤的重要性质。
了解和掌握煤的燃烧特性对于燃烧方式的选择以及燃烧过程的布置都是极其重要的。
迄今为止, 国内外对于煤燃烧特性的研究已经开展多年, 科研人员提出了多种比较不同煤种燃烧特性的判据 1 ～8 ; 但是, 在实际应用中却存在着许多争议, 譬如, 有的认为煤的燃烧特性应当用着火温度或着火延迟时间表示, 有的认为燃烧特性应该用燃烧过程中的失重速率或煤粒温度来表达, 有的认为燃烧特性应该用煤在加热过程中的热性质来表示, 还有的认为煤的燃烧特性应该与化学动力学参数( 如燃烧反应的活化能等) 相联系。
面对如此众多的实验方法和指标, 往往使人无所适从, 而且采用不同的标准, 通常会得到完全不同的结果。
但是, 对于煤燃烧过程的研究, 上述方法或指标通常是有用的, 不同的方法是针对于煤燃烧过程中的某一个方面, 如热解、燃烧、燃烧速率等燃烧性质, 不能一概否定。
为了合理采用各种不同方法所得到的参数或判据, 本文经过详细研究, 认为利用不同方法得到的各个参数对于体现煤的燃烧特性的作用是不同的, 并依据实验提出了一个体现煤综合燃烧特性的指标, 实验得到的各参数对表现燃烧特性体现在其权数的大小, 对这些参数指标加以合理运用可以对煤燃烧的全过程进行研究, 并可得出整个燃烧过程中不同煤种燃烧特性的次序。
实验方法及燃烧综合性指标热天平是研究煤燃烧特性的一种有效手段 1 ～4 。
由于煤在燃烧时发生剧烈的化学和物理反应, 有可能使煤的重量发生变化, 热天平可以根据试样质量的变化来判断煤的燃烧行为。
GBT2122024煤的工业分析方法2024年，煤仍然是全球最重要和最广泛使用的化石燃料之一，尤其在工业领域使用广泛。
煤的工业分析方法可以帮助确定煤的质量特性和燃烧特性，为工业应用提供基础数据和技术指导。
下面是2024年煤的工业分析方法的一些主要内容。
首先是煤的质量特性分析方法。
煤的质量特性是指煤的组分、结构、物理性质和化学性质等方面的特征。
这些特性对于确定煤的适用性和燃烧特性非常重要。
在2024年，常用的煤的质量特性分析方法包括：元素分析：通过对煤中主要元素（如碳、氢、氧、氮、硫等）的测定，确定煤的组分和热值等特性；元素周期表：通过对煤的化学组成进行分析，确定煤的化学特性和燃烧特性；红外光谱法：通过对煤样进行红外光谱测定，确定煤的结构特性和功能性特性；X射线衍射法：通过对煤样进行X射线衍射分析，确定煤的结晶特性和晶体结构等。
其次是煤的燃烧特性分析方法。
煤的燃烧特性包括煤的可燃性、燃烧速度、燃烧特性等方面的特性，对于确定煤的燃烧效率和排放物特性非常重要。
在2024年，常用的煤的燃烧特性分析方法包括：热重分析法：通过对煤样进行热重分析，测定煤的热重变化曲线和热分解特性；差热分析法：通过对煤样进行差热分析，测定煤的燃烧热功和反应动力学参数；燃烧实验法：通过对煤样进行燃烧实验，测定煤的燃烧特性和排放物特性；煤粉爆炸试验：通过对煤粉进行爆炸试验，测定煤粉的爆炸特性和安全性。
最后是煤的工业应用分析方法。
2024年，煤在工业领域的应用非常广泛，涵盖了发电、制造、化学工业等多个行业。
煤的工业应用分析方法可以帮助确定煤在特定工业过程中的适用性和效果。
常用的煤的工业应用分析方法包括：煤质分级法：根据煤的质量特性，对煤进行分级，确定煤的适用范围和品质等级；煤气化实验法：通过对煤样进行气化实验，测定煤的气化特性和产物组成等；煤燃烧实验法：通过对煤样进行燃烧实验，测定煤在不同燃烧设备中的燃烧特性和效果；煤化学加工实验法：通过对煤样进行化学加工实验，研究煤在化学生产中的应用潜力和可行性等。
实验一燃烧特性的热重分析实验目的1．了解热重分析仪的基本结构，掌握仪器操作；2．学会应用热重法分析煤/生物质的燃烧特性。
实验内容及要求1．熟悉热重分析工作原理；2．学会处理煤/生物质燃烧热失重曲线，求解典型燃烧特性参数，并分析燃烧特性。
三、实验步骤1．试样、气体准备，如预先干燥、磨制、筛分、称量试样等，罐装所需浓度和纯度的保护气体和反应气体。
检查仪器放置平稳、管路气密性及电源连接完好等。
2 . 开启系统：（1）打开恒温水浴槽（温度设定：22C）;（2）接通气体（氮气流量：30ml/min ；空气流量：100ml/min ）；（3）待恒温水浴槽达到设定温度和气流稳定后，打开TGA 主机; （4）打开计算机进入Windows NT ，双击“ STAR e” 图标打开STAR e软件。
3. 根据软件建立试验方法，设置升温速率10C ~30C/min、最大温度900C,完毕后按提示放置样品，按提示开始、结束（重新开始）试验。
4．根据随机软件进行数据处理。
5. 关闭系统：（1）须在TGA主机的炉温低于300C后关闭恒温水浴槽；（2）关闭TGA 主机;（3）关闭气体;（4）关闭计算机。
四、实验报告1 ．热重燃烧特性指标的含义和求解方法；2 ．热重燃烧条件下各燃烧特性参数代表的意义；3．求解煤/ 生物质燃烧特性参数；4 ．结合所得数据分析燃烧特性。
瑞士 Mettler-Toledo 公司的TGA/SDTA851 e 热分析系统图1、图2为热分析系统原理图。
该系统包括热重/差热同步分析仪，热重天 平和高温恒温浴槽。
具体参数如下：型号：TGA/SDTA851 e ；温度范围：室温~1600°C ;大测试 炉：直径12mm ,容积900卩；温度准确度：±).25C ；温度重复性：±).15C ；线 性升温速率：0.01~100C /min ; SDTA 分辨率：0.005C 。
图1中，天平和测试炉组成的测试单元是热重/差热同步分析的核心，采用 平行支架微量/超微量天平，称量不受样品支架长度变化(如热胀冷缩效应)的 影响；内置砝码全自动校准；称量部件处于恒温室内( 22.0 ±.1C)，不受环境 因素的影响。
实验一燃烧特性的热重分析一、实验目的1．了解热重分析仪的基本结构，掌握仪器操作；2．学会应用热重法分析煤/生物质的燃烧特性。
二、实验内容及要求1．熟悉热重分析工作原理；2．学会处理煤/生物质燃烧热失重曲线，求解典型燃烧特性参数，并分析燃烧特性。
三、实验步骤1．试样、气体准备，如预先干燥、磨制、筛分、称量试样等，罐装所需浓度和纯度的保护气体和反应气体。
检查仪器放置平稳、管路气密性及电源连接完好等。
2．开启系统：（1）打开恒温水浴槽（温度设定：22℃）；（2）接通气体（氮气流量：30ml/min；空气流量：100ml/min）；（3）待恒温水浴槽达到设定温度和气流稳定后，打开TGA 主机；（4）打开计算机进入Windows NT，双击“STAR e”图标打开STAR e软件。
3．根据软件建立试验方法，设置升温速率10℃~30℃/min、最大温度900℃，完毕后按提示放置样品，按提示开始、结束（重新开始）试验。
4．根据随机软件进行数据处理。
5．关闭系统：（1）须在TGA 主机的炉温低于300℃后关闭恒温水浴槽；（2）关闭TGA 主机；（3）关闭气体；（4）关闭计算机。
四、实验报告1．热重燃烧特性指标的含义和求解方法；2．热重燃烧条件下各燃烧特性参数代表的意义；3．求解煤/生物质燃烧特性参数；4．结合所得数据分析燃烧特性。
瑞士Mettler-Toledo公司的TGA/SDTA851e热分析系统图1、图2为热分析系统原理图。
该系统包括热重/差热同步分析仪，热重天平和高温恒温浴槽。
具体参数如下：型号：TGA/SDTA851e；温度范围：室温~1600℃；大测试炉：直径12mm，容积900μl；温度准确度：±0.25℃；温度重复性：±0.15℃；线性升温速率：0.01~100℃/min；SDTA分辨率：0.005℃。
图1中，天平和测试炉组成的测试单元是热重/差热同步分析的核心，采用平行支架微量/超微量天平，称量不受样品支架长度变化（如热胀冷缩效应）的影响；内置砝码全自动校准；称量部件处于恒温室内（22.0±0.1℃），不受环境因素的影响。
其中的测试炉采用水平结构，可最大限度地消除可能产生的气体紊流的影响，克服热气体对流上升容易产生的“烟囱效应”。
该系统采用单坩埚结构，使样品处于测试炉的几何对称中心，在升温室得到均匀加热。
测量样品的温度传感器直接安装于坩埚底部，能准确测取样品温度。
加热炉内可通入需要的各种反应气体，同时为了保护天平免受反应气体的腐蚀，需要通入保护气体。
图1 热分析系统示意图图2 TGA/SDTA851e原理图1—隔热挡板；2—反应性气体毛细管；3—石英护套；4—气体排出阀门（偶联接口）；5—样品温度传感器；6—加热炉；7—炉温传感器；8—电源接点；9—真空和清洁气体管；10—恒温天平室；11—平行导向超微量天平；12—样品室开启装置；13—冷却水管道；14—保护气体入口；15—反应气体入口；16—真空连接和清洁气体入口1）热重测量法：在程序控制温度下，测量物质质量随温度变化的一种技术。
2）差热分析：在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差随温度变化的一种技术。
3）热膨胀法：在程序控制温度下，测量物质在可忽略的负荷下的尺寸随温度变化的一种技术。
4）差示扫描量热法：在程序控温下，测量加入物质在与参比物之间的能量差随温度变化的一种技术TG（热重）、DTG（微分热重）、SDTA（同步差热分析）Thermo-gravimetricDifferential thermo-gravimetricsimultaneous differential thermal analysisDifferential Scanning Calorimeter (DSC) 差示扫描量热分析技术DTG 曲线是TG曲线的微分，SDTA曲线记录的是样品温度与程序温度的温度差。
1煤的热重燃烧实验和结果取下列煤为实验物料，试验前将各种试样磨细至74 μm~89 μm，在120℃条件下烘干，存入干燥器皿中待用。
热分析实验条件：样品质量：10±0.1mg；升温速率：10℃/min；氮气保护气流量：40ml/min；空气流量：100ml/min；工作温度：室温~900℃1.1煤的燃烧过程分析表1.1 煤的工业分析、元素分析及硫形态分析煤种煤样标识工业分析/% 元素分析/% 硫组成/% Q net,arMJ·kg-1 M ad A ad V ad FC ad w(C ad)w(H ad)w(O ad)w(N ad)S t S s S p S o邹县ZX 2.98 19.56 33.93 43.53 61.65 4.27 9.99 0.87 0.68 0.01 0.38 0.29 22.54 黄台HT 1.14 32.31 14.41 52.14 58.96 2.93 1.80 0.98 1.88 0.06 1.16 0.66 20.70 聊城OC 1.12 27.11 12.74 59.03 64.18 2.81 3.21 1.20 0.37 0.01 0.22 0.14 23.71图1.1~图1.3为三种煤的热重TG、热重微分DTG和差热SDTA曲线。
由于煤样经过干燥，内在水分较少，所以初始阶段，煤中水分析出不明显。
300℃以后，煤中挥发分和固定碳剧烈燃烧，TG曲线表现出剧烈下降；在500℃~700℃的温度区间内，固定碳基本燃尽，TG曲线趋于平直，HT、LC和ZX煤的燃烧失重率分别为：66%、79%和79%。
DTG一般出现较明显的两个峰，一个水分析出峰，对应于100 ℃左右；另一个为可燃质剧烈燃烧峰，该峰对应于300℃~700℃。
HT、LC和ZX煤的燃烧失重速率分别为：5.5×10-31/℃、5.5×10-31/℃和5.7×10-31/℃。
ZX燃烧峰出现在502℃，明显比HT（545℃）、LC（528℃）提前。
由图2.3差热曲线可看出，HT、LC和ZX煤的燃烧放热峰分别为：5.29℃、4.66℃和4.54℃，对应于温度分别为：543℃、528℃和508℃。
1.2煤的燃烧特性指标（1）着火特性温度t i着火特性温度t i定义如图4.4所示，在DTG曲线上过燃烧峰值点A，作垂线与TG曲线的倾斜段交于一点B，过B点作TG曲线的初试水平段的延长线交于一点C，则C点所对应的温度定义为着火特性温度t i。
（2）最大燃烧平均速率(dW/dτ)80最大平均燃烧速率(dW/dτ)80定义为DTG燃烧附近80℃温度区内煤样最大燃烧速率的平均值。
其对褐煤和烟煤强调了燃烧反应强度，同时又考虑了水分和灰分的影响，对无烟煤则强调了着火性能。
因为(dW/d τ)max 除与煤质特性有关外，易受到取样均匀性和燃烧空气动力特性等因素的影响。
所以采用最大燃烧平均速率(dW/d τ)80比较合理，更能准确表达煤质燃烧特性[37、51]。
可燃性指数可表示为：80273(2)1000(/)i T idW d C T τ-+=其中T i >500 （4.1）（3）固定碳燃尽率固定碳燃尽率Bc 反映了原煤中固定碳的燃尽程度，其值与水分、挥发分和灰分含量无关。
根据常规灰分示踪法，认为煤样在燃烧过程前后灰分质量守恒，即M 0A 0=M 1A 1，则原煤的固定碳燃尽率即实际烧掉的固定碳占原煤所含全部固定碳的百分数：0100001001000000max()()/100()PC PC C PC M M M FC A M FC A M M B M M FC FC FC A TG FC -+-+-===+-+=（4.2）式中：M 0、M 1分别为原煤样在燃烧前后的质量（mg ，mg ）；0PC M 和1PC M 分别为原煤样在燃烧前后的固定碳含量（mg ，mg ）；FC 0和A 0分别为原煤样在燃烧前所含固定碳和灰分的工业分析值（%，%）；(TG)max 为原煤样的最大燃烧失重率（包括水分、挥发分和已燃尽的固定碳）（%）。
100200300400500600700800900-90-80-70-60-50-40-30-20-100煤样燃烧失重率/%炉温 /℃HTLC ZX图1.1 煤的燃烧失重曲线0100200300400500600700800900-0.006-0.005-0.004-0.003-0.002-0.0010.0000.001煤样燃烧失重速率 D T G /%·℃ -1炉温 /℃HTLC ZX图1.2煤的燃烧失重微分曲线0100200300400500600700800900-20246810煤样与参考样之间的差热 S D T A /℃炉温 T/℃HT LC ZX图1.3 煤的燃烧差热曲线质量百分率/%炉温 /℃煤样燃烧失重速率图1.4着火特性温度定义示意图煤的燃烧特征参数列于表1.2中，可以看出，随挥发分增加，煤的TG 失重开始温度降低，而失重结束温度也降低，对应DTG 、SDTA 峰值温度也降低。
表1.2煤的燃烧特征参数煤样 TG 燃烧失重开始温度 TG 燃烧失重结束温度 DTG 峰值温度 SDTA 峰值温度 （TG ）max (%) DTG 峰值（10-3·1/℃）DTA 峰值（℃） HT 361 661 545 545 66 5.5 5.29 LC 355 652 528 530 79 5.5 4.66 ZX325622502508795.74.54从表1.3可以看出随着煤阶增加，着火特性温度增大，最大平均燃烧速率减小，可燃性指数也相应减小。
表1.3 煤的燃烧特性指标煤样 着火特性温度t i （℃）最大平均燃烧速率 （dW/d τ）80（mg/min ）可燃性指数C mg/(min ·K) 固定碳燃尽率 Bc （%） HT 481 0.488 3.5×10-8 97.13 LC 452 0.501 4.8×10-8 93.80 ZX4270.5356.6×10-897.661.3混煤的燃烧特性混煤热重分析TG 、热重微分DTG 和差热SDTA 曲线分别见图1.5、图1.6和图1.7。
从图中直观地看出，随着混煤配比的变化，曲线变化呈现出明显的规律性。
即随着LC 煤配比增加，混煤的燃烧特性逐渐凸现LC 煤的燃烧特性，ZX 煤的燃烧特性逐渐减弱。
煤样燃烧失重率/%炉温/℃图4.5 混煤的燃烧失重曲线煤样燃烧失重速率D T G /%·℃ -1炉温/℃图4.6混煤的燃烧失重微分曲线-2024681012煤样与参考样之间的差热S D T A /℃炉温/℃图4.7 混煤的燃烧差热曲线从表1.4列出燃烧特征参数可以清晰地看出，混煤配比对燃烧特性的影响。
