Coats-Redfern积分法研究生物质与煤单独热解和共热解动力学特性

采用Coats-Redfern积分法对生物质与煤单独热解和共热解过程进行动力学特性分析,考察了升温速率与反应级数在生物质与煤单独热解和共热解过程中对活化能的影响。结果表明,原料失重率在5%~80%的温度区间内,反应级数越高,反应温度越低,升温速率对热解积分曲线的影响越大,且随着升温速率的增加,热解积分曲线逐渐向高温区平移;在相同的温度段内选择不同的反应级数时,生物质热解积分曲线都可以呈现较好的线性关系,尤其是稻壳,选用的反应级数对拟合的结果影响不大;煤单独热解及煤与生物质共热解过程中,反应级数对拟合的结果影响比较明显,在较高反应级数时数据拟合程度都比较高,在较低反应级数时,拟合结果偏离直线形式,而且随着煤化程度的增加,拟合结果偏离直线形式越严重;生物质与煤共热解的拟合程度介于生物质与煤单独热解之间。通过分析动力学参数,发现生物质与煤在较低温度下协同反应效应较为明显,促进了共热解反应的进程。

亚麻纤维热解动力学的“model free”法和Coats-Redfern模型拟合法研究

亚麻纤维是一种潜在的气化原料,本文对亚麻纤维的热解行为进行了热重分析研究。10mg粒径为0.60~0.85mm的亚麻纤维颗粒在高纯氮气的保护下分别以10、20、30、50K.min-1的升温速率线性升温到550℃。使用＂model free＂方法和Coats-Redfern模型拟合方法分析亚麻纤维的热解过程,并估算出热解反应的表观活化能。本文中＂model free＂方法包括Friedman、Flynn-wall-Ozawa、Vyazovkin and Wight三种等转化率方法及Kissinger法。三种等转化率方法均得到活化能随着转化率的升高而升高的规律。四种＂model free＂方法显示亚麻纤维的活化能主要在155~175kJ·mol-1之间,使用模型拟合方法所获得亚麻纤维热解反应的活化能值在175kJ·mol-1左右,使用模型拟合方法和＂model free＂方法所得的活化能值接近。这些活化能值可以为亚麻纤维高效的热化学利用提供基础数据。

Coats-Redfern积分法研究炼焦常用煤的热解特性

文章采用常用炼焦用煤福城气肥煤、福泉高灰瘦煤Ⅱ、富泉高灰瘦煤Ⅰ为样品,对其进行了热重分析,并采用Coats-Redfern积分模型计算了各单种煤在200~400℃、400~600℃、600~900℃3个阶段的热解活化能和指前因子(n=1)。结果表明,3种煤样热解可分为水分及小分子脱除、剧烈分解、半焦收缩3个阶段;各单种煤的第二阶段活化能高于第一、三阶段;在各阶段,煤福城气肥煤热解活化能最低、富泉高灰瘦煤Ⅰ热解活化能最高。3种煤热解的指前因子变化趋势与活化一致。

Coats-Redfern模型和DAEM在污泥与煤掺烧过程中的动力学适应性分析

通过热重红外联用研究煤与污泥不同掺混比例样品的燃烧特性以及气体排放特性,分别利用Coats-Redfern模型和分布式活化能模型(distributed activation energy model,DAEM)对污泥与煤的掺烧过程进行动力学分析,研究2种模型的适用性。结果表明,与单一煤样相比,10%掺混比例样品的着火点降低了11℃,可燃性能改善,稳燃性能提高,综合燃烧特性指数提高。此外,10%掺混比例样品燃烧过程中NO和SO 2的吸收峰比单一煤样的吸收峰低,说明一定比例掺混煤和污泥可以降低污染物的排放浓度。另外DAEM的拟合相关性系数比Coats-Redfern模型更高,表明DAEM更加适用于污泥与煤混合燃烧过程动力学分析。

基于分布式改良Coats-Redfern法的梧桐叶燃烧动力学研究

采用热重分析法分别研究梧桐叶及其热解炭、水热炭在不同升温速率下(10、20、30℃/min)的燃烧特性,采用分布式改良Coats-Redfern积分法分析其燃烧动力学,编程计算出拟合度最佳的反应级数n和活化能E,并与Coats-Redfern法分析结果进行对比。结果表明:梧桐叶及其水热炭燃烧差热重量分析法(DTG)曲线呈4个峰,热解炭呈3个峰;升温速率为20℃/min时,相对于梧桐叶,其热解炭综合燃烧特性指数下降85%,水热炭下降18%,表明水热炭更适合用作燃料;样品燃烧过程中活化能分布均呈N型,低温燃烧区活化能较高,高温燃烧区活化能较低。

煤化工水处理污泥对准东次烟煤热解和燃烧及气化性能的影响

解析煤化工水处理污泥(YS)的组成结构、微观形貌及官能团种类,探究不同实验气氛下其对准东次烟煤(ZSBC)热反应性能的影响,对于合理处置煤化工水处理污泥并实现其资源化利用具有较大现实意义。以ZSBC、YS和Y_(1)Z_(9)(YS与ZSBC按质量比为1∶9混合得到的样品)为研究对象,通过改变热量实验的气体氛围,研究不同反应气氛下YS对ZSBC热反应性能的影响。结果表明:ZSBC较YS富含固定碳和挥发分,而YS中的灰分含量较高且主要组成为含P,Ca和Fe等元素的化合物;YS的官能团种类较ZSBC的官能团种类更加丰富,且YS中主要为脂肪族化合物,而ZSBC中含有大量的芳香族化合物;惰性气氛下,YS的掺杂可以降低快速热解阶段(405℃~485℃)ZSBC活化能并增加指前因子,加快了Y_(1)Z_(9)在405℃~485℃温度段的反应进程;在氧化性气氛下,YS的掺杂可使ZSBC的着火点从475℃下降到443℃,综合燃烧特性指数(S)、燃烧稳定性指数(D)以及燃烧特性因子(A_(c))都得到增加;YS的掺杂可以降低380℃~550℃温度段ZSBC活化能并增加指前因子,促进Y_(1)Z_(9)在此温度段的燃烧反应;在二氧化碳气氛下,Y_(1)Z_(9)的平均初始反应性指数(R_(i))、反应性指数(R_(f))和平均终止反应指数(R_(s))均低于ZSBC的相应参数,表明YS的掺杂会延缓ZSBC的气化反应进程。

ReUSY分子筛催化热解聚烯烃塑料性能

构建基于稀土超稳Y型分子筛的催化热解体系,并对多种聚烯烃塑料进行催化热解实验。结果表明,ReUSY分子筛表现出最优催化性能。利用热重-红外联用实时在线产物分析技术,发现加入ReUSY分子筛显著降低了聚烯烃的热解初始和终止温度,同时减少了产物中芳烃与积炭的比例,有效提高了低碳烃产率。通过Coats-Redfern法对催化热解反应动力学进行研究,分析催化热解在不同阶段的活化能,表明催化热解反应的平均活化能为(56.23~69.12)kJ·mol^(-1)。相较传统热解实验,ReUSY显著降低了催化热解反应的活化能。

印尼褐煤湿煤末(煤泥)热解和燃烧特性及动力学分析

为获得印尼褐煤湿煤未(煤泥)热解燃烧的反应机理,采用热重法研究了印尼褐煤湿煤末在不同加热速率下的热解和着火燃烧过程,得到热解和燃烧反应特征参数;并采用Coats-Redfern积分法进行动力学分析。结果表明:升温速率对热解和燃烧反应特征温度和其他特征参数基本都有正相关的影响。对于热解过程,反应线性拟合结果呈明显的三段式分布,不同升温速率下质量平均表观活化能分别为43.2,33.2和33.9 kJ/mol。相同转化率区间内,试样热解活化能与升温速率关系不大;而在同一升温速率下,试样热解反应活化能随转化率的增加而增加,呈正相关性。与热解反应不同,燃烧反应动力学参数在整个反应区间直接线性拟合结果较好。10,30和50℃/min升温速率下的反应分别为2级、1.5级和1.5级化学反应,活化能分别为101.74,72.93和51.82 kJ/mol。

稻壳与褐煤共热解动力学研究

利用热重分析仪对稻壳与褐煤单独及共热解过程进行研究。动力学分析选用Coats—Redfern模型和分布活化能模型（DAEM），发现Coats—Redfern模型无法在整个温度区间内对生物质的热解进行预测，只能将热解过程分为多段的单一反应；DAEM法计算得到的热解活化能随原料转化率的增大，大体呈现升高-平稳-升高的趋势；稻壳热解平均活化能约为182kJ／mol，褐煤为288kJ／mol，共热解因混合比例的不同而有所差异，为180．190kJ／mol，远小于褐煤，推测生物质的存在对煤炭热解具有一定的促进作用；对比Coats-Redfern模型和DAEM模型对于共热解过程动力学分析，发现DAEM模型更适于模拟稻壳与褐煤共热解过程中的活化能变化情况。

生物质热解过程两种动力学分析方法的比较

利用Coats-Redfern法和Starink等转化率法对松球和玉米芯两种生物质的热解过程进行动力学分析.Coats-Redfern法需事先假设或筛选动力学模型,采用Malek法对动力学模型进行了筛选,松球、玉米芯热解过程分别符合D3,R2模型.Starink等转化率法不需模型假设即可进行动力学求解,求得的活化能比由Coats-Redfern法求得的活化能高.由Starink等转化率法求得玉米芯的活化能在整个热解过程中变化较小,可以用单一机理函数描述,而松球的活化能在整个热解过程中变化较大,不可以用单一机理函数描述.

市政污泥与石下江褐煤混合燃烧动力学及协同特性研究

采用综合热分析仪对长沙市某污水处理厂污泥和石下江煤及两者混合物的燃烧特性参数进行了研究,并通过扫描电镜和X射线荧光光谱仪对两者灰渣进行了表征。结果表明:石下江褐煤的固定碳含量较高,污泥的挥发分含量较高;灰渣表面结构差异较大,混合样的灰分颗粒没有发生熔融现象;当混合样品中污泥的质量分数低于30%时,混合样品的燃烧特性与煤粉的燃烧特性类似;10℃/min升温速率下,当污泥的质量分数由10%增加到90%时,样品的着火温度由383.47℃降低至186.93℃,燃尽温度由637.46℃降低至558.98℃,燃烧特性得到改善。采用Coats-Redfern法拟合燃烧过程并计算活化能,发现混合样品的平均活化能并非随污泥质量分数的增加而递减,在高温区间混合样品的活化能显著降低,佐证了燃烧特征参数的变化,污泥与石下江褐煤表现出正协同关系。

常见农林生物质稻草的催化热解动力学特性

采用热重法对稻草的催化热解特性及反应动力学进行了研究。同时采用Coats-Redfern法对稻草的催化热解过程进行了拟合计算,得到稻草热解的活化能和指前因子。结果表明,酸洗脱灰后稻草热解的初始温度和结束温度都有所升高,稻草的热解反应活性明显降低,热解曲线向高温区移动;而金属盐的加入使稻草的热解曲线向低温区移动,反应活性增加。酸洗后稻草热解活化能升高,加入不同浓度的钾离子、钙离子和镁离子后求得的活化能明显降低,而且加入金属离子的浓度越高,稻草热解的活化能越低。

基于阶段演化特征的稠油氧化动力学

原油氧化阶段可分为低温氧化前段、低温氧化后段、燃料沉积和高温氧化4个阶段,在对各阶段氧化动力学参数的求取时,一些文献中依然应用同一反应机制函数进行计算。采用Coats-Redfern积分法对原油氧化过程中动力学参数进行计算,在假设简单反应机制函数情况下分别取反应级数为0、0.5、1进行计算,得到反应级数对氧化动力学参数的影响。通过对已有的30种反应机制函数计算得到不同原油氧化反应阶段逻辑上合理的反应机制方程及动力学参数。结果表明:在低温氧化阶段以相边界反应为主,在高温氧化阶段以三维扩散反应为主,Coats-Redfern积分法适用于计算原油氧化的动力学参数,所得到的曲线线性度较高。

景区典型树种的热解特性及动力学研究

为了研究山林或景区中不同植物的热稳定性,选取了景区种植数量较多的6种典型树种:女贞、枇杷、竹子、松树、柏树和法桐的枝干和叶作为样品。借助同步热分析仪,在温升速率20℃/min的条件下,对未经干燥处理的样品进行热解特性及热解反应动力学研究。通过TG、DTG以及DSC曲线分析各样品的热解过程,并采用分阶段一级反应动力学模型Coats-Redfern法求得相应参数。研究结果表明:所取样品的热解过程都出现4个明显的热解阶段,即脱水阶段、综纤维素热解阶段、木质素热分解阶段、炭化阶段。根据6个树种的主要热解阶段和动力学分析,6种树种的热稳定性从低到高顺序依次为竹子、女贞、枇杷、法桐、柏树、松树。

芒荻类植物的燃烧特性及动力学分析

为了研究芒荻类植物的燃烧特性,采用热重-差热分析(TG-DTG)联用技术对芒草、五节芒、荻和南荻4种芒荻类植物进行了研究,并采用Coats-Redfern方法对活化能、频率因子和相关系数等动力学参数进行了分析。经研究发现,其燃烧过程分为以下阶段:水分析出、挥发分析出与燃烧、焦炭表面燃烧;其综合燃烧性能为:南荻>芒草>荻>五节芒,4种芒荻类植物具有比玉米秸秆更好的综合燃烧特性。燃烧反应动力学研究表明,挥发分的析出与燃烧较容易,所需活化能较小(<40kJ/mol),而焦炭表面燃烧较难,荻所需的活化能最大,高达147kJ/mol。

非等温热重分析研究生物质催化气化特性

以CaO、MgO和Fe2O3为催化剂,使用非等温热重分析研究了典型农业生物质催化气化特性及反应动力学。在非等温法中,Doyle和Coats-Redfern近似函数都可以模拟生物质气化反应过程。通过对比这两个函数拟合实验数据的相关系数,确定在使用非等温法研究生物质反应动力学时,使用Doyle函数是求取反应动力学参数的较好方法。结果表明,在1090～1268K区间内,添加CaO的谷壳样表观活化能比谷壳的大,而添加MgO和Fe2O3的谷壳样表观活化能与谷壳的相比,分别下降了32.6%和14.4%以上,这与谷壳在不同催化剂作用下反应速率与温度关系图反映的特性是一致的,可以得出3种催化剂催化活性大小顺序为MgO>Fe2O3>CaO。最后给出了谷壳在热解阶段及焦炭气化阶段的反应动力学方程。

硼硅氧烷树脂热解行为及动力学研究

采用热重分析法和裂解质谱红外联用技术考察了硼硅氧烷树脂的热解反应行为,将Malek法与Coats-Redfern积分法结合,对实验数据进行动力学解析,得到了硼硅氧烷树脂热解反应的动力学参数。结果表明硼硅氧烷树脂的热解反应分为三段:在250℃以下的低温区,小分子气体放出的同时伴有熔融等发生;在250℃~650℃的高温区,以脱硅甲基反应为主;在650℃~800℃为稳定阶段。通过分析热解过程中产生的气体和固体成分及含量,得出硼硅氧烷树脂热解可能发生的反应。硼硅氧烷树脂的热解反应可以用2/3级动力学方程来描述;随着升温速率的增加,活化能和指前因子均先增加后减小。

不同氧化温度和升温速率下煤的活化能研究

采用热重分析技术,利用Coats-Redfern积分法对同种煤样不同处理方法条件下煤的燃烧反应活化能进行研究。解算活化能的结果表明,利用Coats-Redfern积分法只能求解煤的高温段活化能。煤高温段活化能值的大小受多种条件影响,多种条件下煤的活化能值呈现规律的不一致。复杂条件下处理的煤能够降低其活化能,进而加大煤的自燃倾向性。研究多种条件下煤的活化能大小能够为矿井防灭火提供有力的依据。

焦油的热解动力学特性研究

在生物质气化系统中焦油的存在有一定的危害。本文基于热重分析仪,研究了焦油的热失重行为。所用的分析方法是Coats-Redfern,采用的升温速率是10℃/min、20℃/min,分别在这两种条件下进行动力学计算,求解反应的活化能E和指前因子A,分析了焦油热失重过程的表观动力学,得出焦油的热失重阶段主要包括挥发分析出和热解两个阶段。

改黑铜推进剂的热分解动力学

基于热分析动力学理论,用热重法(TG)研究了改黑铜推进剂在不同升温速率(2.5、5、7.5、10K/min)下的热分解过程。采用Ozawa法、KSA法和Coats-Redfern法计算了热分解反应的动力学参数。结果表明,改黑铜推进剂的热分解过程分为两个阶段:第Ⅰ反应阶段反应机理服从一级Mample法则,动力学参数为E=83.5kJ/mol,A=108.46s-1,动力学方程为dα/dt=108.46(1-α)exp(1.00×104/T);第Ⅱ反应阶段反应机理服从四级化学反应,动力学参数为E=219.6kJ/mol,A=1020.07s-1,动力学方程为dα/dt=1020.07(1-α)4exp(2.66×104/T)。