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。 ，实验内容及要求 熟采热重分析工作原理 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 试样、气体准备，如预先干燥、磨制、筛分、称量试样等，能装所需浓度和纯 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（氨气 流量：30 ml/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 图标打开TARe教件 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主机的护温低于300℃后关闭恒温水浴槽：(2)关 闭TA主机：(3)关闭气体：(4)关闭计算机。 四、 实验报告 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
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“STARe” 图标打开 STARe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/SDTA851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;温度范围：室温-1600℃：大测试 炉：直径12mm,容积900ul:温度准确度：±0.25℃：温度重复性：±0.15℃：线 性升温速率：001100Cmin:SDTA分辨率：0005℃ 图1中，天平和测试炉组成的测试单元是热重/嗟热同步分析的核心，采用 平行支架微量虑 微量天平 称量 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。 恒湿浴槽 加热炉 热重天平 排气 ■ 向蜜 热重/差热门 同步分析仪 计算机 反应气 保护气 图1热分析系统示意图 图2TGA/SDTA851e原理图 1一隔热挡板：2一反应性气体毛细管：3一石英护套：4一气体排出阀门（偶联接口） 5一样品温度传感器：6一加热炉：7一炉温传感器：8一电源接点：9一真空和清洁气体管： 10一恒温天平室：11一平行导向超微量天平：12一样品室开启装置：13一冷却水管道：14 一保护气体入口：15一反应气体入口：16一真空连接和清洁气体入口
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 种技术。 )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-gravimetric Differential thermo-gravimetric thermal analysis 酒出酒纸的，安记的是度与和序度的度爱 rimeter (DSC 差示扫描量热分析技术 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74um~89um,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： +0 :升温速率：10℃/mim 气保护气流量 40ml/min:空气流量： :室温-900℃ 1.1煤的燃烧过程分析 表11煤的工业分析、元素分析及硫形态分析 煤样 工业分析% 元素分析% 硫组成% w(Cad)w(Ha)w(Oa)w(Na)S S.SS MJ.kg 第县ZX2.9819.5633.9343.5361.65427999 0.870.680.010.380.2922.54 h台T114323114.415214589629318009818800611606620.70 聊城001.227.1112.7459.0364.182813211200370010220.1423.71 图1.~图13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曲线表现出刷列下降：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 个水分析出峰 F100℃左 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：5.5×1031/℃、5.5×1031/0 和5.7×1031/℃。ZX燃烧蜂出现在502℃，明显比HT(545℃)LC(528C)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：529℃、466℃和454℃，对 应于温度分别为：543℃、528℃和508℃. 1.2煤的燃烧特性指标 (1)者火特性温度t 若火特性温度t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 应的温度定义为若火特性温度。 dWdt)o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
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-gravimetric Differential thermo-gravimetric simultaneous differential thermal analysis Differential 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/% Qnet,ar MJ·kg-1 Mad Aad Vad FCad w(Cad) w(Had) w(Oad) w(Nad) St Ss Sp So 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 ti 着火特性温度 ti 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 ti。 （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dwt)ms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(Wdt)o比较合理，更能准确表达煤 质燃烧特性75 可燃性指数可表示为： C=(dw/dr) 其中T>500 (4.1) 率B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MA=MA1,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： Be(Mre-Mrs)Ma(FC+)-MFC+h-M./M (4.2 _FC,+4-100+(TG) FC。 式中：M、M分别为原煤样在燃烧前后的质量(mg,mg: M和MG分别为原煤样在燃烧前后的固定碳含量(mg,mg): FC和A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)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）(%)。 炉温/ 图11煤的燃烧失重曲线 0.0 -0.00 0.00 图1.2煤的燃烧失重微分曲线
则强调了着火性能。因为(dW/dτ)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/dτ)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： 80 273 (2 ) 1000 ( / ) Ti i dW d C T − + = 其中 Ti>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 M0A0=M1A1，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： 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 max 0 ( ) ( ) / 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：M0、M1 分别为原煤样在燃烧前后的质量（mg，mg）； MPC0 和 MPC1 分别为原煤样在燃烧前后的固定碳含量（mg，mg）； FC0 和 A0 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）（%）。 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 煤样燃烧失 重率/% 炉温 /℃ HT LC ZX 图 1.1 煤的燃烧失重曲线 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -0.006 -0.005 -0.004 -0.003 -0.002 -0.001 0.000 0.001 煤样燃烧失 重速率 DTG /%· ℃ -1 炉温 /℃ HT LC ZX 图 1.2 煤的燃烧失重微分曲线
2 10020300 图13煤的燃烧差热曲线 01 TG -0e 图1.4者火特性温度定义示意图 煤的燃烧特征参数列于表12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TG燃烧失重结DIG蜂值温SDTA蜂值 (TG)m DTG峰值DTA峰值 开始温度 度 温度 10r3.1/ (C HT 361 661 545 545 66 5.5 529 355 652 528 530 79 5.5 4.66 ZX 325 622 502 508 70 87 4.54 从表13可以看出随着煤阶增加，者火特性温度增大，最大平均燃烧速率减小，可燃性 指数也相应减小。 表13煤的燃烧特性指材 最大平均憾烧速率 可燃性指数C 固定碳燃尽率 煤样着火特性温度（℃） dwr)w(mgmm mg/(min Be(%) HT 481 0.488 3.5×10 97.13 LC 452 0501 48×10 93.80 ZX 427 0.535 6.6×10r 97.66
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -2 0 2 4 6 8 10 煤样与参考样之间的差热 SDTA/℃ 炉温 T/℃ HT LC ZX 图 1.3 煤的燃烧差热曲线 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 C B A DTG TG 质量百 分 率/% 炉温 /℃ -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 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 ZX 325 622 502 508 79 5.7 4.54 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 ti（℃） 最大平均燃烧速率 （dW/dτ）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 ZX 427 0.535 6.6×10-8 97.66