0 引 言

褐煤热解是洁净高效利用的重要途径之一，是煤在隔绝空气或惰性气氛条件下持续加热至较高温度时，获取高品质焦油、高热值煤气的过程。影响煤热解过程的因素主要有煤质特征、变质程度、煤粉粒径、热解温度、热解气氛、升温速度等。煤粉粒径分布是影响褐煤快速热解效果的重要因素之一，褐煤高效热解的同时，煤粉粒径较大有助于降低下游荒煤气净化过程中除尘压力。粉状褐煤热解过程中，褐煤入炉时水分也是影响热解效果重要因素之一[1]。褐煤热解前大多需要干燥，褐煤干燥过程极易爆炸，存在烟尘排放量大、小颗粒煤粉污染环境等问题[2-3]。褐煤热解充分的同时，提高入炉煤水分有助于提高褐煤煤粉干燥效率，降低烟尘和小颗粒煤粉的排放量，降低爆炸风险，保障褐煤煤粉干燥过程安全稳定连续运行。通过研究褐煤煤粉快速热解特性，考察煤粉粒径分布、入炉煤水分对热解产物产率和热解产物品质的影响，获得粉状褐煤蓄热式下行床快速热解适宜工艺参数。张健等[4]研究发现，随温度升高，煤开始解聚，生成类似焦油的物质。如果这些物质可以快速离开颗粒附近的空间，形成焦油，否则，可能与颗粒重新聚合而变成焦炭。在传质方面，大粒径增加了焦油离开煤颗粒表面的时间，因此形成焦炭的可能性大大增加。对于大粒径的煤颗粒，热量传递到颗粒中心的时间也会增加，煤表面温度高于内部温度，因此在相同热解条件下，大颗粒煤的焦油产率会受到影响。吕太等[5]研究发现，在磨煤过程中，以离散形式存在于煤有机物外的矿物质颗粒会向小颗粒煤中富集，随着粒径的减小，有机物中镜质组含量降低，惰性组含量增加，导致挥发分降低。Cui等[6]研究发现，煤样粒度的大小对热解过程的影响主要是传质、传热和二次反应。小粒径煤在加热时受热均匀，挥发分扩散阻力小，逸出速度快，颗粒内挥发分二次反应减弱，有利于提高焦油产量。而大粒径煤在受热过程中，其内部的传质、传热均受到影响，形成的初级挥发分不易快速扩散，增加了发生二次反应的几率，导致气体和半焦产率增加。崔丽杰等[7]对3种粒径的褐煤进行热解试验，发现粒径对热解有一定影响，不同粒径的失重量不同。700 ℃前，粒径越小，煤的热解越充分，失重越多。温度越高，颗粒粒径对热解失重的影响越小。

本文拟通过研究褐煤煤粉快速热解特性，考察煤粉粒径分布、入炉煤水分对热解产物产率和热解产物品质的影响，获得粉状褐煤蓄热式下行床快速热解适宜工艺参数。

1 试 验

1.1 试验装置

采用自主研发的处理量为3 kg/h低阶煤蓄热式下行床快速热解试验装置(图1)，该装置由煤粉进料系统、布料系统、反应系统、冷凝系统、热解气收集系统和仪表控制系统等组成。其中反应系统作为整个热解装置的核心系统，由加热元件、热解炉和保温系统组成，加热元件内置于热解炉内部，通过内加热方式快速加热煤粉，实现煤粉颗粒的快速均匀受热并热解产生热解油气和提质煤。

原料煤从热解装置顶部通过微型进料螺旋连续加料，在热解装置内粉煤快速加热至900 ℃。煤在下行过程中热解生成固体半焦和热解油气，热态半焦从热解装置底部排出进入半焦储罐；热解油气由N2携带快速逸出，减少二次反应的发生，经过滤装置滤除油气中的细灰后进油气冷却装置。热解气经湿式流量计测量累积流量后送入储气罐后焚烧处理，液体进入焦油回收装置静置一段时间后与水分层，分别称重计算。

1.2 原煤性质

选用白音华褐煤为试验用煤样，试验前将原煤分别破碎至<2、<3、<4、<5、<6 mm的煤粉，烘干后用于热解试验，其粒径分布见表1，工业分析和元素分析见表2。

表1 白音华入炉煤粒径分布
Table 1 Particle size distribution of Baiyinhua lignite

表2 白音华褐煤的工业分析及元素分析
Table 2 Proximate and ultimate analysis of Baiyinhua lignite

1.3 分析方法

采用安捷伦7820A气相色谱仪测定热解气中各气体组分的体积分数。

2 试验结果与分析

2.1 入炉煤粒径对低阶煤粉热解性能的影响

2.1.1 对热解产物产率的影响

粒径是煤粉物理结构的最重要参数，直接影响煤粉颗粒的比表面积、颗粒密度、几何形状、孔隙率及孔隙结构等，其主要通过传热和传质影响热解效果[3-4]。不同粒径白音华褐煤热解产物的产率分布情况如图2所示。粒径从<2 mm增加到<6 mm时，随煤粉粒径的增大，热解半焦产率增加，热解焦油产率均低于3%，热解气产率逐渐降低，粒径<6 mm的热解气产率较高(>35%)。因此，粒径<6 mm煤粉适用于蓄热式下行床热解工艺，工业生产过程中可依据下游除尘要求在<6 mm内筛选煤粉粒径。小粒径热解气产率高可能是由于小颗粒煤粉通过高温温度场时快速传热，煤粉内部快速受热发生快速热解产生热解气，同时，热解气扩散时所受阻力也明显低于大粒径煤粉，促进热解气从颗粒内部析出。

2.1.2 对热解气组成的影响

粒径较小的煤粉颗粒，其热解过程由反应动力学决定；当粒径颗粒较大时，其热解过程由热解气体在煤粉颗粒中的扩散速度决定[8]。入炉煤粒径对热解气组成的影响如图3所示。可知，粒径从<2 mm增加到<6 mm时，随着煤粉粒径范围的增大，热解气中H2、CH4和CO体积分数先减少后增加，CO2和CnHm的体积分数先增加后减少。煤粉粒径<3 mm时，随着粒径增大，H2、CH4和CO体积分数降低，这可能是由于反应动力学在煤热解过程中起主要作用。煤粉发生分解反应的关键是颗粒的快速受热，粒径越大，煤粉颗粒内外表面的温差越大，大颗粒煤粉在短时间内无法均匀快速受热，分解得到H2、CH4和CO小分子气体低于小颗粒煤粉热解释放的气体量。煤粉粒径<3 mm时，随着粒径增大，CO2和CnHm体积分数升高，可能是由于当温度高于700 ℃时，随热解温度升高，CO2和CnHm含量逐渐降低[9]，小颗粒内部温度场高于大颗粒，与大颗粒煤粉相比，小颗粒内部热解产生的CO2和CnHm少。当煤粉粒径>3 mm时，随着粒径范围增大，H2、CH4和CO体积分数逐渐增加，CO2和CnHm体积分数减少，热解气体在煤粉颗粒内部扩散起决定作用，H2、CH4和CO等小分子气体的逸出速度明显高于CO2和CnHm等大分子。

2.2 入炉煤水分对低阶煤粉热解性能的影响

2.2.1 对热解产物产率的影响

图4为煤粉粒径<3 mm、热解温度900 ℃条件下，入炉煤水分对热解产物产率的影响。可知，入炉煤水分在15.10%～25.03%时，随入炉煤水分增加，热解水、热解气产率增加，热解半焦产率降低，热解焦油产率低于3%；入炉煤水分高时，热解气产率高，因此，高入炉煤水分有利于粉状褐煤热解。王鹏等[10]研究表明，水蒸气气氛使半焦产率下降、热解气产率增加。选择较高水分的入炉煤，利于提高褐煤煤粉干燥效率，降低烟尘和小颗粒煤粉的排放量。

按照煤在热解过程中的结构变化，热解过程大致可以分为3个阶段[11]:干燥脱气阶段、一次(初次)热解阶段(300～600 ℃)和二次热解阶段(600～1 000 ℃)。在干燥脱气阶段，入炉煤中水分在200 ℃左右时从煤粉颗粒中逸出，形成水蒸气气氛。随着温度升高，煤粉在水蒸气气氛下发生热解和部分气化反应[15]，反应方程式为

C+H2OCO+H2 ΔH=131.4 kJ/mol(1)

入炉煤水分对热解产物产率的影响如图4所示。可知，热解水产率明显低于入炉粉煤中水分，可能是由于水煤气反应(式(1))的发生和甲烷水蒸气重整的缘故。水蒸气在700 ℃下即可与煤焦发生气化反应[12]，气化温度对煤焦气化反应影响较大，900 ℃高温可促进水煤气反应的进行。半焦在水蒸气气氛下气化反应较快[13-14]，热解产生的褐煤半焦具有较高的反应活性，进一步促进褐煤半焦与水蒸气的气化。900 ℃下CH4与水蒸气发生重整反应(式(2))[15]，反应方程式为

CH4+H2OCO+3H2 ΔH298=206 kJ/mol(2)

由图4可知，随着入炉煤水分的增加，热解水产率增加，可能是由于入炉煤中水分高，煤热解过程仅停留3 s，发生水煤气反应的水蒸气量较少，不能完全消耗入炉煤增加的水分。入炉煤水分在15.10%～25.03%时，随着入炉煤水分增加，热解气产率增加，热解半焦产率降低，这可能是由于900 ℃时，半焦在水蒸气气氛下发生水煤气反应，消耗一定量的碳，同时生成热解气的缘故。

2.2.2 对热解气组成的影响

图5为煤粉粒径<3 mm、热解温度900 ℃条件下，不同入炉煤水分对热解气组成的影响。可知，入炉煤水分在15.10%～25.03%时，随着入炉煤水分的增加，CO体积分数逐渐增加，CH4体积分数逐渐降低，热解气中有效气H2和CO总体积分数增加，入炉煤水分从15.10%增加到20%时，热解气中H2含量基本不变，当增加到25.03%时，热解气中H2含量增加。

热解气中CO体积分数增加可能是水煤气反应、CH4-水蒸气重整和CO2-CH4重整等多个反应共同作用的结果。水蒸气和焦炭发生水煤气反应(式(1))，生成一定量的CO；900 ℃热解条件下得到焦炭催化CO2-CH4重整反应(式(3))生成CO和H2，少部分焦炭在CO2 气氛下发生气化反应(式(4))[16]，生成部分CO气体。

CO2-CH4重整反应方程式为

CH4+CO22CO+2H2 ΔH298=248 kJ/mol(3)

C+CO22CO ΔH298=159.9 kJ/mol(4)

热解气中CH4体积分数降低，可能是由于高温煤热解过程同时伴随CH4的裂解(式(5))，消耗部分CH4，降低热解气中CH4含量，CO2-CH4重整反应和CH4-水蒸气重整反应均消耗一部分CH4，进一步降低热解气体中的CH4含量。

CH4C+H2 ΔH298=75 kJ/mol(5)

3 结 论

1)粒径从<2 mm增加到<6 mm，随着煤粉粒径的增大，热解半焦产率增加，热解焦油产率均低于3%，热解气产率逐渐降低，<6 mm粒径的热解气产率较高(>35%)。因此，<6 mm粒径煤粉均适用于蓄热式下行床热解工艺，工业生产过程中可依据下游除尘要求，在<6 mm内筛选煤粉粒径。

2)粒径范围从<2 mm增加到<6 mm，随着煤粉粒径的增大，热解气中H2、CH4和CO的体积分数先减少后增加，CO2和CnHm的体积分数先增加后减少。

3)入炉煤水分在15.10%～25.03%时，随入炉煤水分的增加，热解水、热解气产率增加，热解半焦产率降低，热解焦油产率均低于3%，入炉煤水分较高时更适宜于蓄热式下行床热解装置。选择较高水分的入炉煤，有利于提高褐煤煤粉干燥效率，降低烟尘和小颗粒煤粉的排放量。

4)煤粉粒径<3 mm、反应温度900 ℃、入炉煤水分在15.10%～25.03%时，随入炉煤水分增加，CO体积分数逐渐增加，CH4体积分数逐渐降低，热解气中有效气H2和CO总体积分数增加，入炉煤水分从15.10%增加到20%，热解气中H2含量基本不变，当增加到25.03%时，热解气中H2含量增加。

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