内蒙古胜利褐煤制备半焦及燃烧性能研究

杨 帆，贾相如，孟祥嵩，史志慧，宋长忠

(内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

内蒙古胜利褐煤制备半焦及燃烧性能研究

杨 帆，贾相如，孟祥嵩，史志慧，宋长忠

(内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

为了探索内蒙古胜利褐煤半焦的燃烧性能，基于对褐煤煤质分析，在不同热解温度下制备半焦；分析不同的热解温度对半焦性质的影响，并通过热重分析研究其燃烧失重特征。试验结果表明：热解温度对半焦产率有很大影响，随着热解温度的升高，半焦产率下降；在燃烧温度为400～600 ℃时，半焦燃烧反应非常剧烈，随着燃烧温度的升高，半焦燃烧失重量减小。在试验温度范围内，热解温度为500 ℃时制备的半焦燃烧性能最好。

褐煤；半焦；热重分析；燃烧性能

随着我国社会经济的不断进步，工业发展对各种能源的需求量日益增加。煤炭是我国的主要能源，在诸多能源储存量中居于主导地位，但无烟煤、次烟煤、烟煤等高阶煤的储量相对较少，加之工业需求量较大，此类高阶煤相对紧缺。在此情况下，实现低阶煤的高效、清洁利用显得尤为重要。我国的褐煤储量较大，加工利用前景广阔，其就成为高效、清洁利用的首选目标。

由于褐煤水分高、发热量较低、易风化、易自燃，目前的主要利用方式为燃烧发电，其次在煤化工方面应用也较多。从能源利用效率和需求量、国家环保要求来分析，加工提质将成为实现褐煤高效、清洁利用的一种趋势。目前，褐煤有三种加工提质方法，即成型提质、脱水提质、热解提质[1]，褐煤热解提质后的产物是焦油、半焦、煤气。与褐煤本身相比，褐煤低温热解产物的发热量得到很大提高，可用于燃烧发电、加工吸附材料、制备型焦等[2]。褐煤半焦的生产与应用可大大缓解烟煤、无烟煤等高阶煤资源紧缺的局面，但由于存在诸多不利于燃烧的因素，半焦燃烧较困难。为了探索内蒙古胜利褐煤半焦的燃烧性能，在对褐煤煤质分析的基础上，研究不同的热解温度对半焦性质的影响，并对其燃烧失重特征进行分析。

1 试验

1.1 试验仪器

试验仪器包括BSA124S型热天平，测量精度为0.01 mg，最高工作温度为1 550 ℃；Setsys Evo同步热分析仪，升温速率为20 ℃/min，温度区间为25～1 000 ℃，冷却水为纯净水，冷却水流量为30 mL/min，反应气氛为氮气；粉碎设备为Q-250A3-W型密封式粉碎机，入料粒度<13 mm，出料粒度在0.074～0.2 mm之间，负载功率为800 W；氮气储存容器为钢瓶，容积为40 L；R50/250/12-R120/1000/13型管式炉，最高工作温度为1 200 ℃；φ1-300石英管，功率为380 W。

1.2 褐煤煤质分析

试验所用煤样为内蒙古胜利褐煤，煤样煤质情况如表1所示。由表1可知：褐煤灰分较高，发电时资源浪费较多，环境污染较严重；固定碳含量较高，持续发热量较大，有利于热解加工利用；氧元素较多，低温热解后发热量将增加，热解水和二氧化碳的产率较大。

表1 胜利褐煤煤质情况

1.3 试验方案与评价指标

(1)试验方案。将褐煤粉碎后，采用孔径为0.2 mm的筛子对其进行筛分，选取粒度合格的褐煤；将其置于石英管中，并将石英管安放在管式炉的炉膛内；在石英管内充入氮气，除去管中的空气；升温至设定温度(450、500、550、600 ℃)，停留30 min；研究不同热解温度对半焦性质的影响，并对其进行热重分析。

(2)评价指标。通过热分析法评价半焦的燃烧性能，包括热重分析(TG)和微商热重分析(DTG)。其中，热重分析的工作原理是在程序控制温度的条件下，检测物质质量与温度的关系；微商热重分析是研究计算机记录下的 TG 曲线对温度或时间的一阶导数，即重量变化速率与温度或时间的函数关系[3-6]。

2 试验结果与分析

2.1 热解温度对半焦性质的影响

不同热解温度下的半焦性质如表2所示。为了确保数据的准确性，每组温度都进行了三次试验，取其平均值作为最终数据。

由表2可知：在试验热解温度范围内，热解温度对半焦产率影响很明显，当热解温度为450 ℃时，半焦产率为68.69%；当热解温度为600 ℃时，半焦产率为61.63%，即产率下降7.06个百分点。这是因为随着热解温度的升高，褐煤中的水被不断脱除，分子结构中的桥键断裂、侧链脱落，并以煤焦油、煤气等形式析出，导致半焦产率下降[7]。

表2 不同热解温度下的半焦性质

2.2 半焦燃烧性能

褐煤直接进入高温炉后，在10 s内快速裂解并脱除大部分挥发物，而后慢速脱除挥发分[8]。以热重法记录的半焦质量变化对温度的关系曲线(TG曲线)如图1所示，半焦失重变化率与温度的关系曲线(DTG曲线)如图2所示。

由图1、2可知：

(1)100 ℃时半焦析出外在水，200～300 ℃时化合水、结晶水相继析出，此温度段半焦失重值变化不大。350～420 ℃的失重峰较明显，这主要是由挥发分析出引起的；该温度段属于热解的初始阶段，析出物较少，主要为挥发分。半焦燃烧失重的最大值出现在400～600 ℃，此时半焦燃烧反应非常剧烈；随着燃烧温度的升高，半焦燃烧失重量减小。600～800 ℃时半焦燃烧失重结束，DTG曲线略有上浮，这是由热天平周围的浮力引起的；将半焦放入试验仪器后升温，此时半焦尚未失去水分，而周围的空气受热膨胀，浮力和密度减小，导致坩埚质量增加[9]。

(2)对热解温度为450～600 ℃的半焦而言，随着热解温度的升高，半焦燃烧反应的剧烈程度降低；不同热解温度下制备的半焦的发热量变化不大，而其产率差别较大。在热解温度为500 ℃时，半焦的发热量为22.98 MJ/kg，产率为66.72%，挥发分为12.15%，灰分为20.23%，热经济性能较好，可作为冶金还原剂、高炉喷吹燃料。

图1 不同热解温度下制备的半焦的TG曲线

图2 不同热解温度下制备的半焦的DTG曲线

综上分析，在试验选定的热解温度范围内，褐煤的最佳热解温度为500 ℃，此温度下制备的半焦燃烧性能最好。

3 热解机理

根据褐煤热解前后的性质变化，结合半焦燃烧性能，对热解过程中的水分、挥发分、灰分、固定碳含量、发热量及相关元素变化进行分析。

在低温热解时褐煤水分大幅下降，由热解前的8.33%降至热解后的3.33%。当热解温度为450 ℃时，褐煤的固水能力下降很多，这是因为热解改性过程中褐煤中的水被有效脱除。热解温度对半焦挥发分的影响更显著，当热解温度为450 ℃时，半焦的挥发分为13.56%；当热解温度为600 ℃时，半焦的挥发分降至7.13%，这是褐煤中的有机质被不断分解的结果。当热解温度由450 ℃上升至600 ℃时，半焦的灰分由19.82%上升至21.17%，变化幅度较大，这是半焦的水分、挥发分析出后灰分相对增加的原因。半焦的固定碳含量主要与其挥发分和灰分有关，在试验温度范围内，半焦的固定碳含量在62.64%～67.83%之间，这与上述二者的含量变化有关。

当热解温度从450 ℃上升至600 ℃时，半焦中的碳元素含量由61.89%增大到65.38%，这是水分和挥发分析出后碳元素含量相对增加的结果。在热解温度升高的情况下，半焦中的氢元素含量显著降低。当热解温度从450 ℃上升至600 ℃时，氢元素含量由3.09%下降至2.24%。这主要因为煤中的芳香结构发生了化学缩聚脱氢反应，进而产生了H2和CH4，且反应程度随着热解温度的升高更加剧烈，从而使半焦中的氢元素含量迅速减少[10]。与褐煤相比，半焦中的氧元素有所下降，这是因为热解过程中褐煤中的含氧官能团被分解，产生了CO、CO2、H2O 等；热解温度越高，含氧官能团的热解程度越深，产生的气体越多，氧元素含量也越低。热解温度对半焦中的氮元素含量影响较小，在热解终温从450 ℃上升至600 ℃的过程中，氮元素含量基本保持在1%左右，在热解温度为450 ℃时，氮元素含量最大(为1.04%)。半焦中的硫元素含量随热解温度的上升略有增加，当热解温度从450 ℃上升至600 ℃时，硫元素含量保持在0.85%左右。由于热解过程中有一部分硫以SO2气体的形式逸出，导致热解反应中的褐煤硫元素含量下降；半焦中的硫元素含量略有增加，是因为有机硫在热解过程中随着—S—和—SH键的断裂被脱除，而无机硫仍然留在固体半焦中[11]。

热解后的半焦发热量明显高于褐煤，且随着热解温度的升高，半焦发热量总体上呈增加趋势。整个制焦过程中的热经济性较差，耗能较高，这与褐煤水分的蒸发和仪器消耗热能等因素有关。当热解温度大于450 ℃并继续升温时，由于能耗的增大，半焦发热量变化不大，热经济性降低。

4 结论

(1)在较低温度下制备半焦时，热解温度对半焦产率影响最明显。随着热解温度的升高，褐煤中的有机质成分热解程度增加，半焦产率逐渐下降；与此同时，半焦的发热量、灰分、固定碳含量均升高。

(2)当燃烧温度为400～600 ℃时，半焦燃烧反应非常剧烈；随着燃烧温度的升高，半焦燃烧失重值减小，在600～800 ℃时半焦燃烧失重结束。

(3)在试验温度范围内，热解温度为500 ℃时制备的半焦燃烧性能最佳，即褐煤的最佳热解温度为500 ℃。

[1] 邵俊杰．褐煤提质技术现状及我国褐煤提质技术发展趋势初探[J]．神华科技，2009，7(2)：17-22.

[2] 刘建忠，刘明强，赵卫东，等．褐煤半焦燃烧特性的热重试验研究[J]．热力发电，2013(11)：42-11.

[3] 聂其红，孙绍增，李争起，等. 褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究[J]. 燃烧科学与技术, 2001(1): 72-76.

[4] 苏桂秋,崔畅林,卢洪波.煤热解燃烧气体产物的热重-红外联用分析[J].工业锅炉, 2004(2):23-26.

[5] 傅维标, 张恩仲. 煤焦非均相着火温度与煤种的通用关系及判别指标[J]. 动力工程, 1993(3): 34-42.

[6] 孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方法(第一版)[M]. 北京:中国电力出版社,2002.

[7] J.P. Charland, J.A. MacPhee, L. Giroux,et al. Application of TG-FTIR to the determination of oxygen content of coals [J]. Fuel Processing Technology,2003,81(3).

[8] 谢克昌.煤的结构与反应性[M]. 北京：科学出版社, 2002.

[9] 刘典福. 半焦燃烧特性的热重的热重试验研究[J]. 工程热物理学报, 2007,28(S2):29-32.

[10] 刘 军，邹 涛. 褐煤热解半焦性质研究[J]. 山东化工,2014(7).

[11] 叶俊岭，刘生玉，吕永康. 热解温度对半焦生成及其元素组成的影响[J]. 煤炭转化,2006(1):40-48.

Ineer Mongolia Shengli lignite semi-coke preparation and analysis of its combustion performance

YANG Fan, JIA Xiang-ru, MENG Xiang-song, SHI Zhi-hui, Song Chang-zhong

(Inner Mongolia University of Technology, School of energy and power engineering, Hohhot,Inner Mongolia 010051, China)

In order to understand the combustion performance of semi-coke of lignite from Shengli coal mine in Inner Mongolia, based on lignite assay, the semi-coke is produced under different pyrolysis temperature, what' more effect of different pyrolysis temperature on performance of semi-coke is analyzed, with study of the characteristics of mass loss of combustion by thermogravimetric analysis. The result shows that yield of semi-coke is subject to pyrolysis temperature; with increasing temperature, the yield is lower; during 400-600 ℃, intense combustion reaction happens to semi-coke, however, with the increase of combustion temperature, combustion weight loss value of semi-coke decreased, and then the best combustion performance is obtained at pyrolysis temperature of 500 ℃.

lignite; semi-coke; thermogravimetric analysis; combustion performance

1001-3571(2015)05-0028-03

TQ523

A

2015-07-21

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.007

国家自然科学基金(51466010)；内蒙古工业大学科学研究项目(ZD201018)

杨 帆(1991—)，男，内蒙古自治区呼伦贝尔市人，硕士研究生，从事褐煤及其半焦燃烧性能方面的研究。

E-mail: 854877435@qq.com Tel：15147157226