不同粒度北露天褐煤的热解特性
摘 要：为考察褐煤固定床热解过程的适宜粒度范围，以典型的北露天褐煤为研究对象，在自制的3 kg固定床热解装置上进行了粒度0～50 mm煤样的热解试验。考察了粒度对热解产物、热解时间、挥发物中含尘量的影响。结果表明，褐煤粒度从0～10 mm增至40～50 mm，热解时间、焦油和荒煤气中含尘量都呈减小趋势，热解时间从197 min减少到164 min，单位体积荒煤气中含尘量从0.022 0 mg/L减少到0.011 3 mg/L，且焦油中含尘量均大于荒煤气中含尘量；粒度为20～30 mm时，褐煤热解过程的挥发物逸出阻力较小，二次反应和碳沉积概率较小，比较适宜热解。
关键词：褐煤；粒度；热解特性；挥发物中含尘量
0 引 言
我国资源格局是富煤、贫油、缺气，已探明的化石能源储量中，煤炭占94.3%，石油、天然气仅占5.7%。在我国煤炭资源储量中，低阶煤约占我国煤炭保有资源量的50%。低阶煤直接利用效率低，而通过热解可以获得提质煤、焦油和煤气，大幅度提高利用效率，实现资源的综合利用[1-2]。煤热解是将煤在隔绝空气的条件下加热到一定温度，发生一系列复杂的物理变化和化学反应，有效提取其中的油、气产品，并获得高品质半焦。热解油、热解气进一步深加工，可以生产多种燃料和化工产品，而半焦则可作为气化造气、燃烧发电、制备高性能碳材料等的原料，从而实现煤炭分质梯级利用。目前已形成的煤热解工艺有直立炉、流化床、旋转床等[3-7]，但不同的热解工艺对原料的适应性存在差异。因此，针对热解工艺选择合适的原料是未来煤炭热解产业发展中的关键问题之一。在褐煤热解尤其是块煤热解过程中，粒度分布是影响热解效果重要因素，粒度决定热解过程中热量传递速率和热解产物的性质。褐煤粒度越大，热解越不充分，且一次挥发产物在块煤中停留时间过长会造成二次热解，导致焦油产率降低；而褐煤粒度越小，褐煤的孔隙率过小，热解气中粉尘量增加，热解气排出困难也造成二次热解等问题[8-9]。因此，选择合适的粒径对块煤热解尤为重要。王子兵等[10]研究了热解温度、粒径和保温时间对印尼苏门答腊岛褐煤半焦成分、产率和发热量的影响。白效言[11]考察了热解温度500～750 ℃小粒径低阶煤热解特性。吕太等[12]使用美国Perkin E1mer公司生产的Pyris 1TGA热重分析仪，对不同粒径煤采用非等温热重法进行了试验研究。但是采用的热解装置普遍较小，未能充分表征煤在工业化热解过程中的宏观变化，无法为煤热解产业化提供有效的数据支持。笔者在自制的热解装置上，以具有代表性的北露天褐煤为研究对象，考察了煤样粒度对热解产物产率和性质、挥发物中含尘量、热解时间的影响。通过研究不同粒度北露天褐煤的热解特性，为我国不同粒度褐煤选择合适的热解工艺提供参考依据，对提高不同粒度褐煤热解产品的产率和品质具有重要意义。
1 试 验
1.1 试验方法
试验采用自主研发的热解试验装置(图1)，处理量为3 kg。该装置由反应系统、油水冷凝系统、热解气测量、仪表控制系统等组成。其中，反应系统由反应炉、加热炉和保温层构成，利用外热式加热方式；油水冷凝系统由两级冷凝器和液体收集罐构成；热解气储存和测量系统包括储气罐、真空泵和湿式流量计等。
图1 低温热解工艺流程
Fig.1 The process chart of low temperature pyrolysis
试验过程如下：煤样经破碎、筛分后装入热解炉，记录料层厚度，用N2吹扫，设定热解温度、升温速率和停留时间，记录湿式流量计初值，开始试验。热解产生的荒煤气经冷凝系统冷凝，油/水混合物进入储液罐；粗煤气由冷凝器排出，通过湿式流量计计量；当热解达到程序设定的停留时间后，试验结束。关闭加热系统，记录流量计数据。将储液罐中的油/水混合物移入分液漏斗中进行静置、分层、分离、称重，待反应炉温度低于50 ℃后取出半焦、称重。
1.2 原料性质
试验选用北露天褐煤，煤样粒度为0～50 mm，考察煤样粒度对热解产物产率和性质、挥发物中含尘量、热解时间的影响。原煤的煤质分析见表1。由表1可知，煤样的全水分为25.98%，干燥无灰基挥发分高，为47.73%，通过热解可以获得油、气和半焦。
表1 原煤的煤质分析
Table 1 Coal quality analysis of raw coal
煤样粒度是影响孔隙率的主要因素之一，孔隙率又会影响煤样热解过程的传热、传质、能耗等参数。因此，试验对不同粒度煤样的视密度、堆密度及孔隙率进行测量，测试结果见表2。
由表2可知，褐煤的视密度为1 260 kg/m3，堆密度为460～602 kg/m3，孔隙率为0.52%～0.64%。随着粒度增大，堆密度逐渐减小，而孔隙率逐渐增大，视密度几乎不变。
2 试验结果与讨论
2.1 粒度对热解产物的影响
不同粒度条件下热解产物的产率(干基)如图2所示，气体性质如图3所示。
煤样粒度影响加热速率和挥发物从煤内部逸出速率。由图2可知，煤焦油、热解水产率在0～30 mm内随粒度增大而增大，在30～50 mm随粒度增大而减小；热解气产率在0～20 mm内随粒度增大而减少，20～50 mm随粒度增大而增大；半焦产率随粒度的变化与煤焦油相反。随着煤样粒度增大，煤焦油和热解气的产率呈先升高后降低的趋势，而半焦产率则呈先降低后升高的趋势。分析原因为煤样粒度较小时，煤样热解床层的孔隙率(即颗粒间的阻力)对热解产物的产率影响起主要作用，随孔隙率增大，挥发物从颗粒间逸出的阻力减小，二次反应和碳沉积概率减小；而煤样粒度较大时，粒度对热解产物的产率影响较大，随粒度增大，挥发物从颗粒内部逸出阻力增大，二次反应和碳沉积概率增大。
表2 不同粒度褐煤的密度及孔隙率
Table 2 The density and porosity of lignite with different particle sizes
图2 不同粒度褐煤热解产物产率
Fig.2 Pyrolysis products yield of lignite with different particle sizes
图3 不同粒度褐煤的热解煤气组成
Fig.3 Pyrolysis gas composition of lignite with different particle sizes
由图3可知，随着煤样粒度增大，热解气中H2、CH4、CO的体积分数先减小后增加，CO2、CnHm的体积分数先增加后减少。粒度低于10 mm时，煤样床层的孔隙率较少，床层阻力较大，大分子挥发物在从床层逸出过程中发生分解反应，生成小分子物质，如CO2在逸出过程中与C反应生成CO，CnHm在逸出过程中发生分解反应生成CH4、H2等小分子物质，导致粒度低于10 mm的煤热解后热解气中H2、CH4、CO的体积分数较同条件下粒度10～20 mm的偏高，而CO2、CnHm的体积分数较低。随着粒度增加，床层孔隙率增加，挥发物在逸出中分解概率减少；但随着颗粒粒度的增加，挥发物从颗粒内部逸出过程中阻力增加，大分子挥发物在从颗粒内部向外逸出过程中发生分解反应，生成小分子物质也易发生分解。
综合分析图2和图3得出：粒度为20～30 mm时，北露天褐煤热解时挥发物逸出阻力较小，二次反应和碳沉积概率较小，褐煤热解过程中产油率相对其他粒度较高，因此，若以焦油为主要热解产品，采用粒度20～30 mm的褐煤比较适宜。
2.2 粒度对挥发物中含尘量的影响
不同粒度的褐煤热解后，焦油和荒煤气中的含尘量如图4所示。由图4可知，焦油和荒煤气中的含尘量都随煤样粒度的增大呈减小趋势；且焦油中含尘量均大于荒煤气含尘量。煤样粒度从0～10 mm增大到40～50 mm时，单位体积荒煤气中含尘量从0.022 0 mg/L降到了0.011 3 mg/L。可见，随煤样粒度减小，热解过程中产生更多粉尘，更容易被挥发物带出。另外，由于焦油的黏度比水大，粉尘更容易与焦油结合。
图4 不同粒度褐煤热解后挥发物中含尘量
Fig.4 The dust content of volatile matter of lignite with different particle sizes after pyrolysis
2.3 粒度对热解时间的影响
本文中提到的热解时间主要包括热解升温时间(从开始升温至达到设定热解温度的时间)和高温停留时间(试验达到设定热解温度后的保温时间，本文的高温停留时间设定为1 h)。粒度对热解时间影响较大，不同粒度褐煤的热解时间如图5所示。
图5 粒度对褐煤热解时间的影响
Fig.5 The influence of particle sizes on pyrolysis time
由图5可知，粒度为0～10 mm时热解时间为197 min，粒度为20～30 mm时为174 min。随着粒度增大，热解时间减少。原因为粒度决定热解过程中热量传递速率，随粒度增大，颗粒之间孔隙率增大，热量在颗粒间传热传质阻力减小，因此，热解时间缩短；但随着粒度增大，热量在煤颗粒内部传热传质阻力增大，热解不充分，导致挥发分提取率偏低。
3 结 论
1)随褐煤粒度的增大，煤焦油、热解水产率在0～30 mm内随粒度增大而增大，在30～50 mm随粒度增大而减小；热解气产率在0～20 mm内随粒度增大而减少，20～50 mm随粒度增大而增大；半焦产率随粒度的变化与煤焦油相反。
2)随褐煤粒度的增大，热解时间逐渐减少，焦油和荒煤气中的含尘量呈减小趋势，且焦油中含尘量大于荒煤气中含尘量，当粒度小于10 mm时，热解煤气中的含尘量明显上升，而当粒径大于10 mm时，热解煤气中的含尘量随着粒径增大略有波动。因此，若以焦油为主要热解产品，采用粒度20～30 mm褐煤比较合适。
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Pyrolysis characteristics of Beilutian lignite of different particle sizes
Abstract:In order to study the optimal particle size for lignte pyrolysis in the fixed bed,taking Beilutian lignite as coal samples,the pyrolysis experiments of 0 to 50 mm particle size coal samples in a self-made 3 kg fixed bed pyrolysis device were conducted.The influence of lignite particle size on pyrolysis products,pyrolysis time and dust content in volatile matter were investigated .The results showed that,with the lignite particle size increasing from 0～10 mm to 40～50 mm,the pyrolysis time and dust content in tar and coke-oven gas decreased.The pyrolysis time reduced from 197 minutes to 164 minutes,the dust content in the raw gas per unit volume decreased from 0.022 mg/L to 0.011 3 mg/L,and the dust content in the tar was greater than that in the raw gas.The lignite of 20～30 mm particle size was suitable for pyrolysis,because the resistance of volatiles escape during pyrolysis was smaller and the secondary reaction and carbon deposition hardly occurred.
Key words:lignite;particle size;pyrolysis characteristics;dust content in volatile matter
收稿日期：2016-08-03；
责任编辑：白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.06.010
引用格式：赵小楠，丁 力，郭启海,等.不同粒度北露天褐煤的热解特性[J].洁净煤技术，2016，22(6)：52-55.
ZHAO Xiaonan,DING Li,GUO Qihai,et al.Pyrolysis characteristics of Beilutian lignite of different particle sizes[J].Clean Coal Technology，2016，22(6)：52-55.
中图分类号：TQ52
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)06-0052-04
