童亭煤矿煤的热解特征研究

王彪+++冯松宝++吴凯

摘 要：利用热重法对童亭煤矿煤在不同升温速率（10K/min、20k/min）下的热解过程进行了研究。探讨了不同升温速率对煤样热解特性的影响。结果表明，在升温速率为10K/min、20K/min时，TT-2降解率均在77%左右，而TT-4在升温速率为10K/min、20K/min时，降解率分别为77%、67%。实验结果表明升温速率越高，越不利于煤的充分热解，升温速率越慢，煤样热解的更加充分。

关键词：热重分析；升温速率；热解

0 引言

煤的热解即是煤炭隔绝空气在高温的条件下发生一系列物理化学变化后生成焦炭、煤焦油和煤气的过程。煤的热解过程十分复杂，受多种因素影响。徐跃年[1]采用热重法研究了煤热分解反应动力学特性，发现煤化程度、煤种的不同对煤热解特性有很大影响。何佳佳[2]等人研究了升温速率对煤热解特性的影响，表明了随升温速率的提高，煤样在达到最大失重速率时的失重都增加。闫金定[3]等通过热重质谱联用研究了兖州煤的热解行为，分析了H2、CH4、CO2等气体析出的温度区间。武宏香[4]对稻杆、麦秆、木屑和煤单独及混合热解特性进行了研究，发现生物质与煤共热解过程中存在协同作用。廖洲[5]等研究油菜秸秆在不同升温速率和不同粒径状态下的热解特性，发现升温速率对油菜秸秆热解的影响明显，较高的升温速率会使热解起始温度和热失重温度升高，粒径越小越有利于油菜秸秆热解。

本文在前人研究的基础上，研究不同升温速率下童亭煤矿煤样热解特性，为煤的综合利用提供基础参数。

1 样品与实验方法

1.1 样品

按照GB482-2008煤层煤样采取方法和童亭煤矿煤层样品进行了采集，共采集两个样品，每个样品按照10cm*10cm*50cm采集，样品采集后立即储存在棉麻采样袋中。

1.2 实验方法

本实验采用的实验装置是法国赛塔拉姆仪器公司生产的同步热分析仪，保护气是氮气，载气也是氮气。TG实验温度范围从室温到1000℃；实验气氛为氮气；选用的坩埚为氧化铝坩埚。

2 实验结果与讨论

2.1 热解特征

图1为升温速率为10K/min时降解率与温度的关系曲线图，图2为升温速率为20K/min时降解率与温度的关系曲线图，由图可知：随着温度的升高，TT-4和TT-2的质量分数都在下降，并且对于同一温度而言TT-4质量分数下降的更快。此时TT-2的质量分数由1下降到0.77，TT-4的质量分数由1下降到0.67，质量减少了33%。

2.2 成因分析

（1）TT-4在升温速率为10K/min、20K/min降解率明显存在差异，可能是在不同升温速率下，煤中某些有机物分解遭到了抑制或者促进。

（2）煤样热解失重大致可分为五个阶段。第一阶段是100℃至200℃，该阶段失重很少，主要是水分和吸附的气体析出；第二阶段是200℃至400℃左右，热解真正开始，失重越来越明显；第三阶段为400℃左右至550℃左右，失重速率最大，热解反应最活跃，挥发分大量析出；第四阶段为550℃左右至800℃，失重速率逐渐降低，挥发分析出基本完毕；第五阶段是800℃至1000℃，该阶段为超高温热解，伴随着少量二次反应，失重很少，失重趋于水平。本文中热解前四个阶段，与其他一些国内研究人员的实验研究很吻合。两种煤样的热解变化曲线基本一致。热解完毕质量分数均大于60%。随着升温速率的增加，煤样更快的热解完毕，升温速率对煤样的充分热解有很大影响。升温速率更慢时，煤样有充分的时间热解，到达热解温度最大值时热解曲线趋于平缓。但随着升温速率的增加，样品热解的时间越短，不利于样品的热解，可能是因为样品没有足够的时间进行反应实验已经结束。

2.3 研究意义

研究煤的热解特征对环境保护具有重要的意义，在煤热解过程中煤的结构会遭到破坏，煤中的微量元素便会释放出来，一部分挥发性的微量元素，如Hg、F、Cl等会以气体分子形式或者附着在颗粒物中进入空气，另一部分残留在粉煤灰中，如As、Cr、Co等。如果这些残留在粉煤灰中微量元素没有得到处理或者处理不得当，进入水体、土壤甚至进入食物链中，对环境和人类身体健康都会造成危害。国内外对煤热解中微量元素的迁移研究很多，李杨[6]采用ICP-MS法对实验样品进行微量测定，计算了Se、As、Cd、Cr等挥发率，并研究在高温热解条件下元素的挥发性规律，发现在950℃至1400℃温度范围内，部分微量元素挥发率随热解温度升高增大而增大。杨建业[7]在对煤热解中微量元素迁移研究过程中，研究发现，在非自然的人工煤热解过程中，煤中微量元素的挥发率和富集率变化趋势总体上符合元素周期律。并据此，在1000℃以下的范围内，对河南义马煤的难挥发元素分为3类：第1类为最难挥发的元素，有V、Cr、Co、Cu、Ga、Zr、La、Pr、Nd。Tm等10个元素；第2类为难挥发元素，有稀土元素Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Ta等7个元素；第3类为较难挥发的元素，有Li、Ge、Nb、Mo、Er等5个元素。在煤热解过程中，镧系元素的转化总体上也遵从镧系元素地球化学效应。通过热解研究微量元素在高温下的迁移能力，为减少微量元素向环境中释放，为治理大气污染提供依据。

3 结论

（1）实验表明，两种煤样热解曲线总的变化趋势一致；并且在升温速率为10K/min、20K/min时，TT-2降解率均在77%左右，而在升温速率为10K/min、20K/min时，TT-4降解率分别为77%、67%。

（2）升温速率越高，越不利于童亭煤矿煤的充分热解，升温速率越慢，煤样热解的更加充分。

基金项目：宿州学院大学科研立项项目（淮北煤田岩浆岩侵入区煤的热解特征-以童亭煤矿为例，编号：KYLXLKZD-29）；安徽省教育厅大学生创客实验室建设计划项目（宿州学院-众利创客实验室，编号：2015ckjh107）；宿州学院特色专业项目（资源勘查工程特色專业，编号szxytszy201402）。