徐朝芬/傅培舫/陈刚/徐明厚
华中科技大学/煤燃烧国家重点实验室
摘要：选取典型的烟煤、无烟煤和贫煤3种原煤样品，采用差示扫描量热法对其1200℃以下的比热容进行了测定，并对同一煤样在不同质量、不同升温速度和不同载气流量等实验条件下样品比热容的测定进行了分析结果表明：随着温度的升高，煤的比热容逐渐增大；低温时无烟煤的比热容最小，高温时烟煤的比热容最大。优化和确定了比较适宜的测试煤比热容的实验条件：质量20mg、加热速率1O℃／min、载气流量2OmL／min。
关键词：煤；差示扫描量热法；比热容
煤的比热容是其基本热物理性质参数之一。无论是堆积燃烧，还是锅炉中的悬浮燃烧，燃料颗粒物通过与环境的热交换使温度不断升高，当达到一定温度后开始着火，而比热容的大小决定了该物达到着火时所需的时间。早在2O世纪60年代，英、美、苏等国已开始对煤的热物性进行研究，Kirov和Eisermannl1建立了测煤焦比热容的模型，认为煤是由碳、主挥发分和次挥发分组成。但煤的比热容实际测试研究较少，煤的比热容在300℃以内随样品水分和挥发分的增加而增大，随碳含量的增加而减少。对于高温下煤的热物性研究，目前国外也只有少量文献报道，并认为煤的比热容值随温度的升高而增加，达到一定温度后，随温度的继续升高而减小，在1000℃时，煤的比热容值在0．6～1．8J／g·K左右。
采用差示扫描量热法测定煤的比热容具有测量速度快、准确、灵敏、操作简便、样品用量少及测量温度范围宽等优点。本文采用STA409C热综合分析仪的差示扫描量热方法对3种典型煤的比热容进行了测试，并对同一煤种在不同实验条件下进行了实验分析，以优化和确定测试煤比热容的实验条件，有利于对煤热物性的进一步研究。
1、实验样品和实验方法
1．1、样品
实验选取3种具有代表性的原煤样：张村烟煤、越南无烟煤和金西矿贫煤。所用煤样经过破碎、筛分，选取粒径小于200目的煤样，其工业分析和元素分析结果见表1。表中：叫为质量分数，下标FC表示固定炭，下标V表示挥发分，M表示水分，A表示灰分。从表中可以看出，张村烟煤的挥发分最高，越南无烟煤的挥发分最低。
1．2、实验仪器
实验仪器：德国NETZSCH公司STA409C型热综合分析仪，加盖铂金坩埚。
标准样品：纯度在99．9以上的三氧化二铝，即合成蓝宝石。
1．3、实验原理和方法
利用STA409C型TG—DSC热综合分析仪，采用参比法测量煤样的比热容，即用一种已知比热容的标准样品(蓝宝石)作为标准，将样品的热量信号与之进行比对，从而确定样品的比热值。对一个样品的测定需要进行3次实验，分别测得空白、标准样和实验样品
的曲线(H为热焓)。3次实验的实验工况必须完全一样，实验过程原理如图1所示。
2、实验结果及讨论
2．1、比热值的校正
表2为标准样品在室温到1200℃内的实验测得的比热容值和文献值。从表中可见，蓝宝石的比热容的实测值与文献值基本一致，偏差δ都在1以下。
2．2、加热速率对比热容测定结果的影响
加热速率是对热分析方法影响最大的因素。加热速率越大，所产生的热滞后现象越严重，导致测量结果产生误差，故选择适当的加热速率，对于准确测定物质的比热容极为重要。在高纯N流量为20mL／min下，分别以5、10、2O、40℃／rain的加热速率从室温加热到1200℃，测定相同质量(20rag)张村烟煤的比热容，结果见表3。
从表3可以看出，随着温度的升高，煤的比热容逐渐增大。在5℃／min加热速率下测定的比热容值比其他加热速率下的大许多，在1O、2O、4O℃／min加热速率下测定的比热值相差不大，且与文献报道较接近。因此，考虑到既要测定数据准确，又要节省测定时间，选择10℃／min比较合理。
2．3、样品质量对比热容测定结果的影响
不同质量张村烟煤煤样在相同条件(高纯N2流量为20mL／min、升温速率为4O℃／min)下，从室温加热到1200℃时所测的比热容值见表4。
升温速率相同，试样用量越多，升温过程中试样内部的温度差就越大，从而引起c值变化越大。同时若试样量太多，试样内部分解产生的气体产物难以逸出，阻碍反应的顺畅进行。表4表明了同一试样在试样量不同时的差异。从表4中可看出，不同质量样品的比热容测定结果差异较大。这主要是因为质量大的样品在受热过程中传热不均匀，产生温度梯度；另外，样品太少，降低了样品的代表性，这些都会给测定结果带来误差。因此，用质量为20mg左右的样品进行比热容测定是较好的选择，且与文献值也较接近。
2．4、气体流量对比热容测定结果的影响
张村烟煤煤样在相同条件(重量为20mg，从室温以40℃／min的加热速率加热到1200℃进行加热)下，高纯Nz流量分别为2O、50、100mL／min时测试煤样的比热容，所得结果见表5。实测发现，由于气流量增大，样品周围的温度很难达到均匀，影响比热测定结果。因此，通常选择20mL／min比较适宜。
2．5、不同煤种的比热容测定
经过上述实验条件的优化，确定测定比热容的最佳条件：煤质量20mg、加热速率10℃／min、N2流量20mL／min。在此条件下，对不同典型煤种进行比热容测定，结果见表6。
从表6不难看出，随着温度的升高，不同煤种的比热容都随之增大。3种典型煤种中，在480℃以下越南无烟煤的比热容较大；但随着温度的继续升高，张村烟煤的比热容最大，而越南无烟煤的比热容最小。原煤中挥发分含量越高，其比热值就越大。从表1可知，张村烟煤的挥发分最大，其比热值应最大，越南无烟煤的挥发分最小，其比热容值应最小，这与表6所得结果一致。
3、结论
(1)在煤的比热容测定过程中，随着温度的升高，煤的比热容逐渐增大。其他实验条件相同，在1O、2O、4O℃／min加热速率下测定的比热容值相差不大，但考虑到测定数据的准确性，选择10℃／rain比较合理。
(2)不同质量的样品的比热容测定结果差异较大。这主要是因为质量大的样品在受热过程中传热不均匀，产生温度梯度；样品太少，降低了样品的代表性，
这些都会给测定结果带来误差。因此，用质量为20mg左右的样品进行比热测定是较好的选择。
(3)气流量越大，样品周围的温度越难达到均匀，会影响比热容的测定结果。因此，通常选择20mL／min比较适宜。
(4)随着温度的升高，不同煤种的比热容都随之增大。3种典型煤种中，在480℃以下越南无烟煤的比热容较大；随着温度的继续升高，张村烟煤的比热容最大，而越南无烟煤的比热容最小。
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