褐煤低温热解特性的实验研究

孔祥雷， 陈 军，谢冬梅, 马 强， 陈立海, 单秀华

(承德石油高等专科学校 a.热能工程系； b.石油工程系, 河北 承德 067000)

能源不但是我国经济建设重要的物质基础，也是人类赖以生存的基本条件[1-4]。在2016-2022年间，煤炭依旧是我国最为主要的传统能源[5]。我国褐煤的煤化程度仅仅高于煤泥的精煤，煤化程度相对来说非常低，只介于泥炭与沥青煤之间，是一种棕黑色、无光泽的低级煤。我国褐煤相比其他煤种通常具有“三高两低”的特点：水分高、挥发分高、灰分高、发热量低、灰熔点低。由于褐煤的高水分，不仅会降低能源的利用率，而且还会增加产物中的粉尘，氮氧化物等气体，增加了褐煤有效利用的难度。褐煤热解与相关工艺优化组合成多联产，提高综合经济效益，对褐煤高效洁净利用意义重大，因此对褐煤低温热解特性方面的研究就显得尤为重要[6-7]。

1 煤样的工业分析

实验以不同粒径的褐煤作为研究对象，实验前进行了研磨和筛分，煤样的工业分析根据GB/T 212-2008进行测定。煤样的理化性质见表1。

表1 原煤的工业分析

由表1可知，褐煤的收到基全水分含量高达28.68%，这在褐煤的开发和洁净利用过程中造成了很大的影响。正因为褐煤中的高含水率，不但降低了褐煤的发热量，而且降低了煤粉在锅炉中的燃烧效率。综合来看，褐煤的干燥预处理是非常有必要的。

2 实验部分

2.1 实验原理

热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统以及记录系统等几部分组成。它的主要工作原理是将电路和天平结合起来，通过程序控温系统使加热炉按一定的升温速率升温，当实验所需的试样质量发生变化时，光电传感器就将质量的变化量转化为直流电信号，该信号经过测重电子放大器放大并反馈至天平动圈，形成反向电磁力矩，驱使天平梁复位，反馈形成的电位差与质量变化成正比，该电位差转变为样品的质量变化，也就是所谓的数据。

2.2 实验仪器及实验工况

本实验采用德国耐驰STA449 F3综合热分析仪。

2.3 实验过程

1)打开恒温水浴、主机、控制器和电脑。恒温水浴和热重天平打开两个小时后，打开软件；

2)实验基线的测定；

3)称取10 mg褐煤样品放入样品坩埚，铺平，放到坩埚支架上,实验工况见表2。关闭炉体，打开保存的基线文件，选择修正选项；

表2 热重实验工况

4)通入N2，待流量计示数及热重分析仪示数稳定后，开启程序；

5)升温结束后，保存实验数据和图像；

6)当炉体温度降到100 ℃以下时，打开炉体，进行新一组样品的测量。

3 结果与讨论

3.1 温度对褐煤热解过程的影响

由失重曲线可以看出：随着温度的升高，褐煤是逐渐失重的，在100 ℃和450 ℃处有两个失重峰，失重率分别达到了2.57%和3.72%，由放热曲线可以看出，在100 ℃时，存在一个吸热峰，吸热达到了1.032 mw/mg。

由TG和DTG曲线可以看出，褐煤从室温到100 ℃的的失重率是逐渐增大的，在100 ℃时褐煤的反应最为剧烈，主要是100 ℃之前，褐煤的干燥主要是外在水分的析出，而100～200 ℃之间，由失重曲线看出，褐煤的失重率是逐渐减小的，失重曲线趋于平缓，此时的失重率从2.57%变为了0.5%，这一阶段主要是孔隙水、分子水和结晶水的部分析出，并且在DCS曲线上吸热从1.032 mw/mg变为了0.2 mw/mg，从200 ℃到240 ℃吸热从0.2 mw/mg变为了0，此时我们可以认为，褐煤中的水分已经彻底析出，从240 ℃到450 ℃，一般认为是褐煤的第一次热解，包括煤的软化，煤的物理、化学结构发生破坏，大量挥发份气体析出，并有焦油产生，煤变成半焦，在450 ℃达到失重的最大值。如果对褐煤的干燥程度要求不是很高的话，从节能角度，只需将干燥褐煤温度设定为200 ℃就可以达到干燥目的。

3.2 升温速率对褐煤热解过程的影响

图2为三种不同升温速率下的失重曲线和失重速率曲线。由图4可知：褐煤水分的失重主要集中在25 ℃～200 ℃这个温度区间内，在25 ℃～100 ℃内水分析出较快，在200 ℃时，90%的水分基本可以析出，挥发分的析出温度在300 ℃左右开始，在450 ℃左右时挥发分析出速率达到最大，由于挥发分的易燃性，当采用不同的干燥方式时，从安全性的角度考虑，我们可以适当控制干燥温度，避免挥发分的析出。

从图3和表3中还可以得知，升温速率分别为5 K/min、15 K/min、25 K/min时，水分析出最大速率分别为0.51%、1.23%、2.34%，同比增加了141%、358%，主要原因在于，随着升温速率的提高，褐煤在低温区停留时间变短，在高温区时间变长，所以热量更多，更快的传达到褐煤的内部，导致水分和挥发分析出速率变大。

表3 不同升温速率下热重曲线特征值表

序号升温速率/(K/min)水分析出最大速率/(%/min)特征温度水分最大析出温度水分干燥完成温度挥发分最大析出温度150.51601654412151.23821724603252.34100200472

综上所述，我们可以认为，在实际生产过程中，从能源利用率来讲，可以适当的提高褐煤干燥的升温速率，从而加快水分的析出速率，这样就能在更短的时间能完成水分干燥，节省能源，提高工作效率。

3.3 粒径对褐煤热解过程的影响

通过分析可以发现，褐煤的失重率变化可划分为两个温度区间。在0～200 ℃之间，在同一温度下，褐煤的失重率随着粒径的增大而减小，但是三者相差不是很大，其主要原因在于：在这一区间内，主要脱除的是褐煤中的外在水和吸附水，随着粒径的减小，褐煤颗粒的比表面积变大，由传热学知识可知，颗粒的换热量增加，所以有更多的水分能够在有限时间内析出。

在200 ℃～500 ℃之间，主要是官能团分解，致使挥发分析出，在同一温度下，褐煤的失重率随着粒径的增大而减小，这可能是在褐煤粒径增大的同时，褐煤颗粒间的传热传质阻力随之增大，褐煤挥发分脱离褐煤颗粒的速率降低，挥发分析出量减少；而当粒径的减小时，褐煤颗粒的比表面积增大，热传递效率提高，化学反应速率提高，最终导致挥发分的增加。

通过以上分析可知，研磨细颗粒的煤粉需要消耗更多的能量，而粒径的大小对褐煤内水分的析出影响并不是非常显著，所以在实际工业生产中，褐煤颗粒不必过细。

4 结论

1)褐煤低温热解过程中，在100 ℃左右时水分析出达到最大值，在240 ℃时褐煤内部的全水分基本脱除，考虑到能耗问题，可以将干燥温度设定为200 ℃。

2)在低温热解过程中，随着升温速率的增大，褐煤的特征温度：水分最大析出温度，水分析出完成温度，灰分析出温度都会随之升高，适当的提高升温速率，可以提高褐煤的失重速率。

3)褐煤在低温热解过程中，褐煤粒径的大小，对热解过程影响并不明显。所以工业生产中，褐煤不用研磨过细，以免造成不必要的能量损耗。