內(nèi)蒙古勝利褐煤制備半焦及燃燒性能研究

楊 帆，賈相如，孟祥嵩，史志慧，宋長(zhǎng)忠

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

內(nèi)蒙古勝利褐煤制備半焦及燃燒性能研究

楊 帆，賈相如，孟祥嵩，史志慧，宋長(zhǎng)忠

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

為了探索內(nèi)蒙古勝利褐煤半焦的燃燒性能，基于對(duì)褐煤煤質(zhì)分析，在不同熱解溫度下制備半焦；分析不同的熱解溫度對(duì)半焦性質(zhì)的影響，并通過(guò)熱重分析研究其燃燒失重特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：熱解溫度對(duì)半焦產(chǎn)率有很大影響，隨著熱解溫度的升高，半焦產(chǎn)率下降；在燃燒溫度為400～600 ℃時(shí)，半焦燃燒反應(yīng)非常劇烈，隨著燃燒溫度的升高，半焦燃燒失重量減小。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，熱解溫度為500 ℃時(shí)制備的半焦燃燒性能最好。

褐煤；半焦；熱重分析；燃燒性能

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展對(duì)各種能源的需求量日益增加。煤炭是我國(guó)的主要能源，在諸多能源儲(chǔ)存量中居于主導(dǎo)地位，但無(wú)煙煤、次煙煤、煙煤等高階煤的儲(chǔ)量相對(duì)較少，加之工業(yè)需求量較大，此類(lèi)高階煤相對(duì)緊缺。在此情況下，實(shí)現(xiàn)低階煤的高效、清潔利用顯得尤為重要。我國(guó)的褐煤儲(chǔ)量較大，加工利用前景廣闊，其就成為高效、清潔利用的首選目標(biāo)。

由于褐煤水分高、發(fā)熱量較低、易風(fēng)化、易自燃，目前的主要利用方式為燃燒發(fā)電，其次在煤化工方面應(yīng)用也較多。從能源利用效率和需求量、國(guó)家環(huán)保要求來(lái)分析，加工提質(zhì)將成為實(shí)現(xiàn)褐煤高效、清潔利用的一種趨勢(shì)。目前，褐煤有三種加工提質(zhì)方法，即成型提質(zhì)、脫水提質(zhì)、熱解提質(zhì)[1]，褐煤熱解提質(zhì)后的產(chǎn)物是焦油、半焦、煤氣。與褐煤本身相比，褐煤低溫?zé)峤猱a(chǎn)物的發(fā)熱量得到很大提高，可用于燃燒發(fā)電、加工吸附材料、制備型焦等[2]。褐煤半焦的生產(chǎn)與應(yīng)用可大大緩解煙煤、無(wú)煙煤等高階煤資源緊缺的局面，但由于存在諸多不利于燃燒的因素，半焦燃燒較困難。為了探索內(nèi)蒙古勝利褐煤半焦的燃燒性能，在對(duì)褐煤煤質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，研究不同的熱解溫度對(duì)半焦性質(zhì)的影響，并對(duì)其燃燒失重特征進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括BSA124S型熱天平，測(cè)量精度為0.01 mg，最高工作溫度為1 550 ℃；Setsys Evo同步熱分析儀，升溫速率為20 ℃/min，溫度區(qū)間為25～1 000 ℃，冷卻水為純凈水，冷卻水流量為30 mL/min，反應(yīng)氣氛為氮?dú)?；粉碎設(shè)備為Q-250A3-W型密封式粉碎機(jī)，入料粒度<13 mm，出料粒度在0.074～0.2 mm之間，負(fù)載功率為800 W；氮?dú)鈨?chǔ)存容器為鋼瓶，容積為40 L；R50/250/12-R120/1000/13型管式爐，最高工作溫度為1 200 ℃；φ1-300石英管，功率為380 W。

1.2 褐煤煤質(zhì)分析

試驗(yàn)所用煤樣為內(nèi)蒙古勝利褐煤，煤樣煤質(zhì)情況如表1所示。由表1可知：褐煤灰分較高，發(fā)電時(shí)資源浪費(fèi)較多，環(huán)境污染較嚴(yán)重；固定碳含量較高，持續(xù)發(fā)熱量較大，有利于熱解加工利用；氧元素較多，低溫?zé)峤夂蟀l(fā)熱量將增加，熱解水和二氧化碳的產(chǎn)率較大。

表1 勝利褐煤煤質(zhì)情況

1.3 試驗(yàn)方案與評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)試驗(yàn)方案。將褐煤粉碎后，采用孔徑為0.2 mm的篩子對(duì)其進(jìn)行篩分，選取粒度合格的褐煤；將其置于石英管中，并將石英管安放在管式爐的爐膛內(nèi)；在石英管內(nèi)充入氮?dú)猓ス苤械目諝?；升溫至設(shè)定溫度(450、500、550、600 ℃)，停留30 min；研究不同熱解溫度對(duì)半焦性質(zhì)的影響，并對(duì)其進(jìn)行熱重分析。

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)熱分析法評(píng)價(jià)半焦的燃燒性能，包括熱重分析(TG)和微商熱重分析(DTG)。其中，熱重分析的工作原理是在程序控制溫度的條件下，檢測(cè)物質(zhì)質(zhì)量與溫度的關(guān)系；微商熱重分析是研究計(jì)算機(jī)記錄下的 TG 曲線對(duì)溫度或時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即重量變化速率與溫度或時(shí)間的函數(shù)關(guān)系[3-6]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱解溫度對(duì)半焦性質(zhì)的影響

不同熱解溫度下的半焦性質(zhì)如表2所示。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組溫度都進(jìn)行了三次試驗(yàn)，取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。

由表2可知：在試驗(yàn)熱解溫度范圍內(nèi)，熱解溫度對(duì)半焦產(chǎn)率影響很明顯，當(dāng)熱解溫度為450 ℃時(shí)，半焦產(chǎn)率為68.69%；當(dāng)熱解溫度為600 ℃時(shí)，半焦產(chǎn)率為61.63%，即產(chǎn)率下降7.06個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)殡S著熱解溫度的升高，褐煤中的水被不斷脫除，分子結(jié)構(gòu)中的橋鍵斷裂、側(cè)鏈脫落，并以煤焦油、煤氣等形式析出，導(dǎo)致半焦產(chǎn)率下降[7]。

表2 不同熱解溫度下的半焦性質(zhì)

2.2 半焦燃燒性能

褐煤直接進(jìn)入高溫爐后，在10 s內(nèi)快速裂解并脫除大部分揮發(fā)物，而后慢速脫除揮發(fā)分[8]。以熱重法記錄的半焦質(zhì)量變化對(duì)溫度的關(guān)系曲線(TG曲線)如圖1所示，半焦失重變化率與溫度的關(guān)系曲線(DTG曲線)如圖2所示。

由圖1、2可知：

(1)100 ℃時(shí)半焦析出外在水，200～300 ℃時(shí)化合水、結(jié)晶水相繼析出，此溫度段半焦失重值變化不大。350～420 ℃的失重峰較明顯，這主要是由揮發(fā)分析出引起的；該溫度段屬于熱解的初始階段，析出物較少，主要為揮發(fā)分。半焦燃燒失重的最大值出現(xiàn)在400～600 ℃，此時(shí)半焦燃燒反應(yīng)非常劇烈；隨著燃燒溫度的升高，半焦燃燒失重量減小。600～800 ℃時(shí)半焦燃燒失重結(jié)束，DTG曲線略有上浮，這是由熱天平周?chē)母×σ鸬模粚虢狗湃朐囼?yàn)儀器后升溫，此時(shí)半焦尚未失去水分，而周?chē)目諝馐軣崤蛎洠×兔芏葴p小，導(dǎo)致坩堝質(zhì)量增加[9]。

(2)對(duì)熱解溫度為450～600 ℃的半焦而言，隨著熱解溫度的升高，半焦燃燒反應(yīng)的劇烈程度降低；不同熱解溫度下制備的半焦的發(fā)熱量變化不大，而其產(chǎn)率差別較大。在熱解溫度為500 ℃時(shí)，半焦的發(fā)熱量為22.98 MJ/kg，產(chǎn)率為66.72%，揮發(fā)分為12.15%，灰分為20.23%，熱經(jīng)濟(jì)性能較好，可作為冶金還原劑、高爐噴吹燃料。

圖1 不同熱解溫度下制備的半焦的TG曲線

圖2 不同熱解溫度下制備的半焦的DTG曲線

綜上分析，在試驗(yàn)選定的熱解溫度范圍內(nèi)，褐煤的最佳熱解溫度為500 ℃，此溫度下制備的半焦燃燒性能最好。

3 熱解機(jī)理

根據(jù)褐煤熱解前后的性質(zhì)變化，結(jié)合半焦燃燒性能，對(duì)熱解過(guò)程中的水分、揮發(fā)分、灰分、固定碳含量、發(fā)熱量及相關(guān)元素變化進(jìn)行分析。

在低溫?zé)峤鈺r(shí)褐煤水分大幅下降，由熱解前的8.33%降至熱解后的3.33%。當(dāng)熱解溫度為450 ℃時(shí)，褐煤的固水能力下降很多，這是因?yàn)闊峤飧男赃^(guò)程中褐煤中的水被有效脫除。熱解溫度對(duì)半焦揮發(fā)分的影響更顯著，當(dāng)熱解溫度為450 ℃時(shí)，半焦的揮發(fā)分為13.56%；當(dāng)熱解溫度為600 ℃時(shí)，半焦的揮發(fā)分降至7.13%，這是褐煤中的有機(jī)質(zhì)被不斷分解的結(jié)果。當(dāng)熱解溫度由450 ℃上升至600 ℃時(shí)，半焦的灰分由19.82%上升至21.17%，變化幅度較大，這是半焦的水分、揮發(fā)分析出后灰分相對(duì)增加的原因。半焦的固定碳含量主要與其揮發(fā)分和灰分有關(guān)，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，半焦的固定碳含量在62.64%～67.83%之間，這與上述二者的含量變化有關(guān)。

當(dāng)熱解溫度從450 ℃上升至600 ℃時(shí)，半焦中的碳元素含量由61.89%增大到65.38%，這是水分和揮發(fā)分析出后碳元素含量相對(duì)增加的結(jié)果。在熱解溫度升高的情況下，半焦中的氫元素含量顯著降低。當(dāng)熱解溫度從450 ℃上升至600 ℃時(shí)，氫元素含量由3.09%下降至2.24%。這主要因?yàn)槊褐械姆枷憬Y(jié)構(gòu)發(fā)生了化學(xué)縮聚脫氫反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生了H2和CH4，且反應(yīng)程度隨著熱解溫度的升高更加劇烈，從而使半焦中的氫元素含量迅速減少[10]。與褐煤相比，半焦中的氧元素有所下降，這是因?yàn)闊峤膺^(guò)程中褐煤中的含氧官能團(tuán)被分解，產(chǎn)生了CO、CO2、H2O 等；熱解溫度越高，含氧官能團(tuán)的熱解程度越深，產(chǎn)生的氣體越多，氧元素含量也越低。熱解溫度對(duì)半焦中的氮元素含量影響較小，在熱解終溫從450 ℃上升至600 ℃的過(guò)程中，氮元素含量基本保持在1%左右，在熱解溫度為450 ℃時(shí)，氮元素含量最大(為1.04%)。半焦中的硫元素含量隨熱解溫度的上升略有增加，當(dāng)熱解溫度從450 ℃上升至600 ℃時(shí)，硫元素含量保持在0.85%左右。由于熱解過(guò)程中有一部分硫以SO2氣體的形式逸出，導(dǎo)致熱解反應(yīng)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?yàn)橛袡C(jī)硫在熱解過(guò)程中隨著—S—和—SH鍵的斷裂被脫除，而無(wú)機(jī)硫仍然留在固體半焦中[11]。

熱解后的半焦發(fā)熱量明顯高于褐煤，且隨著熱解溫度的升高，半焦發(fā)熱量總體上呈增加趨勢(shì)。整個(gè)制焦過(guò)程中的熱經(jīng)濟(jì)性較差，耗能較高，這與褐煤水分的蒸發(fā)和儀器消耗熱能等因素有關(guān)。當(dāng)熱解溫度大于450 ℃并繼續(xù)升溫時(shí)，由于能耗的增大，半焦發(fā)熱量變化不大，熱經(jīng)濟(jì)性降低。

4 結(jié)論

(1)在較低溫度下制備半焦時(shí)，熱解溫度對(duì)半焦產(chǎn)率影響最明顯。隨著熱解溫度的升高，褐煤中的有機(jī)質(zhì)成分熱解程度增加，半焦產(chǎn)率逐漸下降；與此同時(shí)，半焦的發(fā)熱量、灰分、固定碳含量均升高。

(2)當(dāng)燃燒溫度為400～600 ℃時(shí)，半焦燃燒反應(yīng)非常劇烈；隨著燃燒溫度的升高，半焦燃燒失重值減小，在600～800 ℃時(shí)半焦燃燒失重結(jié)束。

(3)在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，熱解溫度為500 ℃時(shí)制備的半焦燃燒性能最佳，即褐煤的最佳熱解溫度為500 ℃。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金(51466010)；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究項(xiàng)目(ZD201018)

楊 帆(1991—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市人，碩士研究生，從事褐煤及其半焦燃燒性能方面的研究。

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