褐煤低溫熱解特性的實驗研究

孔祥雷， 陳 軍，謝冬梅, 馬 強， 陳立海, 單秀華

(承德石油高等專科學校 a.熱能工程系； b.石油工程系, 河北 承德 067000)

能源不但是我國經濟建設重要的物質基礎，也是人類賴以生存的基本條件[1-4]。在2016-2022年間，煤炭依舊是我國最為主要的傳統能源[5]。我國褐煤的煤化程度僅僅高于煤泥的精煤，煤化程度相對來說非常低，只介于泥炭與瀝青煤之間，是一種棕黑色、無光澤的低級煤。我國褐煤相比其他煤種通常具有“三高兩低”的特點：水分高、揮發分高、灰分高、發熱量低、灰熔點低。由于褐煤的高水分，不僅會降低能源的利用率，而且還會增加產物中的粉塵，氮氧化物等氣體，增加了褐煤有效利用的難度。褐煤熱解與相關工藝優化組合成多聯產，提高綜合經濟效益，對褐煤高效潔凈利用意義重大，因此對褐煤低溫熱解特性方面的研究就顯得尤為重要[6-7]。

1 煤樣的工業分析

實驗以不同粒徑的褐煤作為研究對象，實驗前進行了研磨和篩分，煤樣的工業分析根據GB/T 212-2008進行測定。煤樣的理化性質見表1。

表1 原煤的工業分析

由表1可知，褐煤的收到基全水分含量高達28.68%，這在褐煤的開發和潔凈利用過程中造成了很大的影響。正因為褐煤中的高含水率，不但降低了褐煤的發熱量，而且降低了煤粉在鍋爐中的燃燒效率。綜合來看，褐煤的干燥預處理是非常有必要的。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

熱重分析儀主要由天平、爐子、程序控溫系統以及記錄系統等幾部分組成。它的主要工作原理是將電路和天平結合起來，通過程序控溫系統使加熱爐按一定的升溫速率升溫，當實驗所需的試樣質量發生變化時，光電傳感器就將質量的變化量轉化為直流電信號，該信號經過測重電子放大器放大并反饋至天平動圈，形成反向電磁力矩，驅使天平梁復位，反饋形成的電位差與質量變化成正比，該電位差轉變為樣品的質量變化，也就是所謂的數據。

2.2 實驗儀器及實驗工況

本實驗采用德國耐馳STA449 F3綜合熱分析儀。

2.3 實驗過程

1)打開恒溫水浴、主機、控制器和電腦。恒溫水浴和熱重天平打開兩個小時后，打開軟件；

2)實驗基線的測定；

3)稱取10 mg褐煤樣品放入樣品坩堝，鋪平，放到坩堝支架上,實驗工況見表2。關閉爐體，打開保存的基線文件，選擇修正選項；

表2 熱重實驗工況

4)通入N2，待流量計示數及熱重分析儀示數穩定后，開啟程序；

5)升溫結束后，保存實驗數據和圖像；

6)當爐體溫度降到100 ℃以下時，打開爐體，進行新一組樣品的測量。

3 結果與討論

3.1 溫度對褐煤熱解過程的影響

由失重曲線可以看出：隨著溫度的升高，褐煤是逐漸失重的，在100 ℃和450 ℃處有兩個失重峰，失重率分別達到了2.57%和3.72%，由放熱曲線可以看出，在100 ℃時，存在一個吸熱峰，吸熱達到了1.032 mw/mg。

由TG和DTG曲線可以看出，褐煤從室溫到100 ℃的的失重率是逐漸增大的，在100 ℃時褐煤的反應最為劇烈，主要是100 ℃之前，褐煤的干燥主要是外在水分的析出，而100～200 ℃之間，由失重曲線看出，褐煤的失重率是逐漸減小的，失重曲線趨于平緩，此時的失重率從2.57%變為了0.5%，這一階段主要是孔隙水、分子水和結晶水的部分析出，并且在DCS曲線上吸熱從1.032 mw/mg變為了0.2 mw/mg，從200 ℃到240 ℃吸熱從0.2 mw/mg變為了0，此時我們可以認為，褐煤中的水分已經徹底析出，從240 ℃到450 ℃，一般認為是褐煤的第一次熱解，包括煤的軟化，煤的物理、化學結構發生破壞，大量揮發份氣體析出，并有焦油產生，煤變成半焦，在450 ℃達到失重的最大值。如果對褐煤的干燥程度要求不是很高的話，從節能角度，只需將干燥褐煤溫度設定為200 ℃就可以達到干燥目的。

3.2 升溫速率對褐煤熱解過程的影響

圖2為三種不同升溫速率下的失重曲線和失重速率曲線。由圖4可知：褐煤水分的失重主要集中在25 ℃～200 ℃這個溫度區間內，在25 ℃～100 ℃內水分析出較快，在200 ℃時，90%的水分基本可以析出，揮發分的析出溫度在300 ℃左右開始，在450 ℃左右時揮發分析出速率達到最大，由于揮發分的易燃性，當采用不同的干燥方式時，從安全性的角度考慮，我們可以適當控制干燥溫度，避免揮發分的析出。

從圖3和表3中還可以得知，升溫速率分別為5 K/min、15 K/min、25 K/min時，水分析出最大速率分別為0.51%、1.23%、2.34%，同比增加了141%、358%，主要原因在于，隨著升溫速率的提高，褐煤在低溫區停留時間變短，在高溫區時間變長，所以熱量更多，更快的傳達到褐煤的內部，導致水分和揮發分析出速率變大。

表3 不同升溫速率下熱重曲線特征值表

序號升溫速率/(K/min)水分析出最大速率/(%/min)特征溫度水分最大析出溫度水分干燥完成溫度揮發分最大析出溫度150.51601654412151.23821724603252.34100200472

綜上所述，我們可以認為，在實際生產過程中，從能源利用率來講，可以適當的提高褐煤干燥的升溫速率，從而加快水分的析出速率，這樣就能在更短的時間能完成水分干燥，節省能源，提高工作效率。

3.3 粒徑對褐煤熱解過程的影響

通過分析可以發現，褐煤的失重率變化可劃分為兩個溫度區間。在0～200 ℃之間，在同一溫度下，褐煤的失重率隨著粒徑的增大而減小，但是三者相差不是很大，其主要原因在于：在這一區間內，主要脫除的是褐煤中的外在水和吸附水，隨著粒徑的減小，褐煤顆粒的比表面積變大，由傳熱學知識可知，顆粒的換熱量增加，所以有更多的水分能夠在有限時間內析出。

在200 ℃～500 ℃之間，主要是官能團分解，致使揮發分析出，在同一溫度下，褐煤的失重率隨著粒徑的增大而減小，這可能是在褐煤粒徑增大的同時，褐煤顆粒間的傳熱傳質阻力隨之增大，褐煤揮發分脫離褐煤顆粒的速率降低，揮發分析出量減少；而當粒徑的減小時，褐煤顆粒的比表面積增大，熱傳遞效率提高，化學反應速率提高，最終導致揮發分的增加。

通過以上分析可知，研磨細顆粒的煤粉需要消耗更多的能量，而粒徑的大小對褐煤內水分的析出影響并不是非常顯著，所以在實際工業生產中，褐煤顆粒不必過細。

4 結論

1)褐煤低溫熱解過程中，在100 ℃左右時水分析出達到最大值，在240 ℃時褐煤內部的全水分基本脫除，考慮到能耗問題，可以將干燥溫度設定為200 ℃。

2)在低溫熱解過程中，隨著升溫速率的增大，褐煤的特征溫度：水分最大析出溫度，水分析出完成溫度，灰分析出溫度都會隨之升高，適當的提高升溫速率，可以提高褐煤的失重速率。

3)褐煤在低溫熱解過程中，褐煤粒徑的大小，對熱解過程影響并不明顯。所以工業生產中，褐煤不用研磨過細，以免造成不必要的能量損耗。