0 引 言

2016年我国煤炭消耗量约37.8亿t，位列世界第一，未来30年内，煤炭仍然是我国的主要能源供给。然而随着经济的快速发展，煤炭资源消耗量日益增大，其中烟煤和无烟煤等高品质煤炭资源减少。我国煤炭储量世界第三，其中褐煤占有很大比例，根据国土资源部2016年发布的《中国矿产资源报告》调查结果显示，我国煤炭探明储量15 663.1亿t，其中褐煤保有储量约占煤炭保有储量的13%。随着国内外能源供求日益紧张，褐煤资源的开发利用受到越来越多的关注[1-2]，然而褐煤化学结构中侧链较多，H、O含量较高，导致其具有水分大、发热量低、化学反应性好、易燃易碎等特点，不适宜远距离运输和储存。现有褐煤加工利用技术包括直接燃烧发电、热解提质、直接液化、气化及其制取化学产品等。目前燃烧发电是最常用的褐煤直接利用方法，其含水量高、热值低的特点又导致直燃利用率低，附加值低，且造成严重的环境污染。2015年国家能源局141号文提出开展煤炭分质分级梯级利用，提高煤炭资源综合利用效率，因此如何高效清洁利用褐煤成为我国当前煤炭清洁利用的重要课题。

褐煤高挥发分的特点适合通过热解的方式将其进行分质梯级利用，一方面得到高附加值的热解油气资源，以缓解我国石油、天然气对外依存度;另一方面得到的热解气可作为原料合成乙二醇、烯烃等我国急需的基础原料。近年来，国内外学者开展了大量褐煤热解特性的研究[3]，分析了煤质特性(成分、粒径、产地等)、热解条件(温度、气氛、压力、催化剂等)对热解产物的组成、产率、性质等影响。Cui等[4]、Zhu等[5]研究了粒度对煤热解特性的影响，Wall等[6]研究了不同压力下煤的热解特性，杨景标等[7]分析了催化剂对褐煤热解气体产物析出的影响，刘明强等[8]进行了热解温度对褐煤半焦成浆特性影响的试验研究，Chang[9]研究了升温速率对煤热解产物分布的影响。而水分对褐煤热解特性的影响研究较少。本文选取印尼褐煤，采用神雾集团自主研发的下行床快速热解装置研究了不同水分含量褐煤在高温快速热解条件下的反应特性，分析水分对印尼褐煤快速热解产物分布及特性的影响，为工程放大提供基础数据支撑。

1 试验原料和装置

1.1 试验原料

试验原料为印尼褐煤，采用四分法等量称取5份煤样，并用烘箱分别烘至不同的水分(5.60%、9.94%、14.19%、19.89%、24.01%)，分别命名为1号、2号、3号、4号、5号煤样，将不同水分下的煤样破碎至1 mm以下。不同水分下印尼褐煤的工业分析、元素分析见表1。

1.2 试验装置

采用神雾自主开发的下行式快速热解装置(图1)。快速热解装置由进料系统、反应系统、高温油气冷凝净化系统、控制系统和半焦存储系统组成。热解装置规格为300 mm×200 mm×3 000 mm，采用310 s不锈钢焊接，系统可进行阶梯程序升温，物料停留时间为2～3 s。快速热解装置系统采用I型辐射管电加热，反应温度分为4段，每段加热装置有5根加热棒，设计最高温度950 ℃，控温精度±1 ℃。

1.3 工艺路线

神雾蓄热式快速热解工艺路线:粒径小于1 mm粉煤从热解装置顶部通过微型进料螺旋连续加料，N2作为布料气从热解器顶端通入。热解装置内温度达到既定温度后，启动螺旋进料器，以2 kg/h进料量向热解装置内投料，在热解装置内粉煤自上而下快速受热，3 s内完成热解。煤下行过程中热解生成固体半焦、热解油气和热解水。热解油气由N2载气携带快速逸出热解装置，减少二次反应。热解油气经过滤装置滤除油气中的细灰后进入油气冷却装置，再经水浴间壁换热，使得热解气和液体分离。不凝热解气经湿式流量计测量累积流量进储气罐储存。液体进焦油回收装置，静置一段时间后与热解水分层，分别称重计算。热解半焦冷却后从热解装置底部排出，称重后进入半焦储存料斗保存。

不同水分的煤样密闭保存。试验开始前，将热解装置4段的温度分别升至(900±5)℃，并检查装置的密封性。从热解装置顶端通入N2，控制N2流量为5 L/min，以排除热解装置内的O2。测定反应器出口处O2含量，直至O2含量低于0.3%，才可开始试验。

2 结果与讨论

2.1 热解气产率及组成

原料粒径<1 mm、热解温度900 ℃时，考察了印尼褐煤不同水分(5.60%、9.94%、14.19%、19.89%、24.01%)对热解气产率、热解气组成及热值的影响，结果见表2。气体检测仪器为安捷伦6890气相色谱仪。

由表2可知，随着印尼褐煤水分的升高，热解气产率增加，水分为24.01%时，热解气产率高达45.40%。随着水分升高，热解气中H2和CO2含量增加，CH4和CO含量降低，热解气热值降低。这是因为在900 ℃，随着印尼褐煤水分增加会发生气化反应，气化反应主要是挥发分、半焦和气化剂的反应;气化反应使气体总产率增加，气体成分发生较大变化，H2和CO2含量显著增加[10]。

气体成分变化的定量分析可表示为:煤中水分与碳发生气化反应(式(1))，煤中挥发分与水蒸气的反应(式(2)焦油二次分解和式(3)水蒸气重整)。按照元素分析，焦油的近似化学式为(C8H11O)n，n为2～3[11]。气体组成中CO2增加，说明发生气化反应的同时也发生CO水汽变换和CH4蒸汽重整反应(式(4)和(5))，即煤中水分与CO反应，生成CO2，使气体组成中H2和CO2含量显著增加，同时热解气热值降低。

煤气化反应一般可用以下5个主要反应表示[12-13]:

C+H2OCO+H2

(1)

(C8H11O)n+15nH2O41(n/2)H2+8nCO2

(2)

(C8H11O)n7nC+nCO+11n/2H2

(3)

CO+H2OCO2+H2

(4)

CH4+2H2OCO2+4H2

(5)

2.2 焦油产率及轻质组成

原料粒径<1 mm、热解温度900 ℃时，考察了印尼褐煤不同水分(5.60%、9.94%、14.19%、19.89%、24.01%)对热解焦油产率及焦油中轻质组分含量的影响，结果如图2所示。焦油品质检测采用安捷伦6890模拟蒸馏色谱仪。其中煤焦油中沸点低于360 ℃的组分定义为轻质组分，高于360 ℃的组分定义为重质组分。

由图2可知，随着印尼褐煤水分的增加，热解焦油产率降低，焦油中轻质组分含量增加。印尼褐煤水分为24.01%时，焦油中轻质组分含量达到69.30%，这是因为900 ℃下，因温度较高，热解焦油稳定性差，但水蒸气活性高，容易发生焦油和水蒸气的重整反应，致使焦油产率降低。焦油中轻质组分含量增加，一方面是由于焦油和水蒸气的重整反应中，焦油中重质组分与水进行均相转化，使热解焦油中轻质组分含量增加;另一方面是由于下行床快速热解反应装置的温度比较均匀，粉煤在反应装置内经过极短时间就能达到900 ℃(经数值模拟研究原料粒径与停留时间及颗粒加热温度的关系可知，粒径1 mm印尼褐煤经约1 s即可被加热至900 ℃)，可以供给煤中大分子物质足够强的能量，使其分解成小分子物质，致使焦油中轻质组分含量增加[14-15]。

以直径1 mm的小煤球团为例，建立三维球体颗粒模型，按照外界温度场900 ℃，非稳态导热计算，得出颗粒的内核心点处的质点随着外界温度变化曲线(图3)。导热系数与比热容计算公式[16]如下，其中横坐标100个时间步长为1 s。

(6)

(7)

式中，λ为导热系数，W/(m·K);Cp为比热容，J/(kg·K);T为温度，K。

由图3可知，对于1 mm颗粒，其质心在0.26 s可达到600 ℃，0.34 s达到903 ℃，传热效果非常好。由于粒径1 mm的物料在快速热解装置内的停留时间为2～3 s，可以被加热至900 ℃。

2.3 热解水产率

原料粒径<1 mm、热解温度900 ℃时，考察了印尼褐煤不同水分(5.60%、9.94%、14.19%、19.89%、24.01%)对热解水产率的影响，结果如图4所示。

由图4可知，随印尼褐煤水分升高，热解水产率增加，但低于印尼褐煤试验水分含量。原因为印尼褐煤水分干燥过程中部分单分子水蒸气会与煤中碳发生气化反应而消耗一部分水，导致热解水产率低于印尼褐煤试验水分含量。

2.4 半焦产率及低位热值

原料粒径<1 mm、热解温度900 ℃时，考察了印尼褐煤不同水分(5.60%、9.94%、14.19%、19.89%、24.01%)对半焦产率、热值、工业分析及元素分析的影响，结果见表3。半焦热值采用长沙开元5E-AC/PL自动量热仪测量。

由表3可知，半焦产率随印尼褐煤水分升高而降低，印尼褐煤水分从5.60%升高至24.01%时，半焦产率从56.20%降至42.50%。这主要是由于印尼褐煤水分升高，水蒸气与煤焦中的碳发生气化反应，致使半焦产率降低。随着印尼褐煤水分的增加，半焦热值变化规律不明显。

2.5 热解能耗

原料粒径<1 mm、热解温度900 ℃时，考察了印尼褐煤不同水分(5.60%、9.94%、14.19%、19.89%、24.01%)对热解能耗的影响，结果如图5所示。可知，随着印尼褐煤水分的升高，热解能耗呈现逐渐升高的趋势，印尼褐煤水分从5.60%升高至24.01%时，热解能耗从1.77 MJ/kg升至3.26 MJ/kg。这主要是由于随着印尼褐煤水分的升高，一方面煤样在干燥过程中的能耗增加，另一方面气化吸热反应加剧，致使热解能耗升高。

3 结 论

1)随着印尼褐煤水分升高，热解气产率增加，印尼褐煤水分为24.01%时达到最大值45.40%，热解气中H2和CO2含量增加，CH4、CO含量降低。

2)随着印尼褐煤水分升高，焦油产率逐渐降低，焦油中轻质组分含量增加，印尼褐煤水分为24.01%时，焦油中轻质组分含量达到最大值69.30%。

3)随着印尼褐煤水分升高，热解水产率逐渐升高，印尼褐煤水分为24.01%时，热解水产率为10.60%。

4)随着印尼褐煤水分升高，半焦产率逐渐降低，印尼褐煤水分从5.60%升高至24.01%时，半焦产率从56.20%降至42.50%，半焦热值并未呈现明显的变化规律。

5)随着印尼褐煤水分升高，热解能耗逐渐升高，印尼褐煤水分从5.60%升高至24.01%时，热解能耗从1.77 MJ/kg升至3.26 MJ/kg。

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