预处理对褐煤抑爆效果的影响研究

徐 春 霞1,2,3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

摘 要：为降低褐煤的热爆性，采用鼓风干燥箱及马弗炉考察了预处理温度、时间对宝清褐煤和乌兰察布褐煤的抑爆效果，探讨了2种褐煤抑爆的最佳预处理条件，分析了最佳预处理条件下褐煤的析出产物特性。结果表明，随着预处理温度的升高，宝清褐煤热爆性增强，乌兰察布褐煤热爆性先降低后升高。2种褐煤不同时间预处理后热稳定性均大幅提高。褐煤抑爆最佳预处理条件为：宝清褐煤110 ℃下预处理4 h，乌兰察布褐煤150 ℃下预处理6 h。最佳处理条件下，2种褐煤析出的主要产物为水，其质量占失重量的97%以上，其余为少量气体产物，焦油产率为零。

关键词：褐煤；预处理；热稳定性；抑爆效果

0 引 言

褐煤是煤化程度较低的煤种，我国有丰富的褐煤资源，已探明储量1 291.32亿t，占全国探明储量的12.69%[1]。褐煤具有低开采费用、较高挥发分、高反应活性等特点[2]。随着煤化工技术的日趋成熟，褐煤在煤化工项目的应用优势明显，可用于热解、燃烧、炼焦、气化、液化、提取褐煤蜡等[3]。然而，褐煤的热稳定性较差，热爆性较强，严重影响了褐煤的应用。国内外学者对褐煤干燥提质进行了大量研究。Bergins[4]研究了褐煤热压脱水的动力学与机理。余学海等[5]采用蒸汽管回转式干燥装置进行了褐煤干燥传热研究，获得了不同工况下的传热特性。苏怀兴等[6]利用热重分析仪研究了褐煤的低温干燥特性。杨晓毓等[7]研究了干燥强度对褐煤孔隙结构及水分复吸的影响，得出不同干燥强度煤样的水分复吸量随中孔的增加而增大的结论。孙晔等[8]考察了水洗、酸洗及热处理的预处理方法对褐煤成浆及气化特性的影响，得出酸洗后热处理的鲁霍褐煤成浆浓度可达60%，但会降低煤样的气化反应活性。步学朋等[9]对高变质程度无烟煤热爆的影响因素及机理进行研究，说明煤中内在水分在高温下产生的热膨胀应力超过煤自身的极限抗张强度是导致无烟煤发生热爆裂的主要因素之一。李春阳[10]对影响天然焦热爆的因素进行研究，得出了天然焦热处理的条件。前人研究多是针对褐煤干燥提质或无烟煤及天然焦的热爆，对褐煤热爆及抑爆的研究甚少。笔者以我国乌兰察布褐煤和宝清褐煤为研究对象，重点考察了不同预处理条件对减轻褐煤热爆性即对褐煤抑爆效果的影响，并得到了褐煤抑爆的最佳预处理条件，探讨最佳预处理条件下的析出产物特性，以期降低褐煤热爆性，提高褐煤热稳定性，为我国褐煤的利用提供技术支撑。

1 试 验

1.1 试验样品

试验选取2种褐煤为研究对象，分别为乌兰察布褐煤和宝清褐煤。2种褐煤的煤质分析见表1。

表1 2种褐煤的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of two kinds of lignite

1.2 褐煤预处理试验

煤样的热处理设备采用鼓风干燥箱，将一定质量的粒度6～13 mm褐煤摊平放在瓷盘中，放入事先预热鼓风至设定温度的干燥箱内。干燥箱维持在恒定温度使褐煤受热一段时间后取出，并趁热称重，然后冷却过筛。将筛上物密封保存，称适量预处理后的褐煤筛上物用于热爆性试验。

1.3 褐煤热爆性试验

煤的热爆性与其热稳定性相反，煤的热爆性越强，热稳定性越差，研究选择热稳定性作为衡量热爆性的指标，热稳定性低说明热爆性强，反之则说明热爆性低。热稳定性试验参照GB/T 1573—2001《煤的热稳定性测定方法》进行，将一定粒度试样称重放在特制的不锈钢盒子内，然后将其放入预先加热到温度为900～920 ℃的马弗炉恒温区，在(850±15) ℃下保留30 min。取出煤样冷却至室温，测定残留物的质量及各粒级质量分数，按下式计算某一粒度范围煤样的热稳定性。

TSS1～S2=×100%

式中，TSS1～S2为粒度为S1～S2的热稳定性，%；mS1～S2为粒度为S1～S2的残焦质量，g；m为各级残焦质量总和，g。

2 试验结果及分析

2.1 预处理温度对褐煤抑爆效果的影响

以粒度6～13 mm的宝清褐煤和乌兰察布褐煤为研究对象，在鼓风干燥箱中不同温度下分别干燥预处理褐煤4 h(其中200 ℃干燥2.5 h)。考虑到褐煤的变质程度较低，选择的预处理温度低于步学朋等[9]对无烟煤的预处理温度，筛去2种褐煤干燥后样品中6 mm以下颗粒，将6～13 mm干燥样装袋密封，分别用马弗炉测试了受热温度850 ℃，恒温30 min后的热稳性数据。预处理温度对褐煤热稳定性的影响如图1所示。

由图1可知，随着预处理温度的升高，粒度6～13 mm宝清褐煤的热稳定性降低，热爆性增强，110 ℃预处理后褐煤的热稳定性最好为49.68%，较同粒度未预处理宝清原煤的热稳定性21.66%提高1倍多。200 ℃下预处理2.5 h宝清褐煤燃烧，褐煤边缘发红，并伴有白烟冒出。将褐煤灭火后，再进行热稳定性测试，测试结果与150 ℃预处理后样品的热稳定性接近。150与200 ℃预处理后宝清褐煤的热稳性与宝清原煤相比提高不明显。宝清原煤的热稳定性较低，且预处理后效果一般，分析原因可能是由于宝清原煤变质程度较低、全水分尤其是内水含量较高、结构松散导致的。

预处理时间为4 h时，随着预处理温度的升高，粒度6～13 mm乌兰察布褐煤的热稳定性先升高后降低，热爆性先降低后升高，因此，150 ℃预处理后的乌兰察布褐煤热稳定性最好。预处理后乌兰察布褐煤的热稳定性与原煤相比显著提高，其中150 ℃热处理后煤样的热稳定性较同粒度原煤的热稳定性提高近1倍，由42.10%增至80.69%。随着预处理温度的升高，乌兰察布褐煤的热稳定性先升高后降低，分析原因可能为随着预处理温度的升高，乌兰察布褐煤脱水干燥越彻底，干燥后样品的水分越低，在热爆性试验中释放的气态水分越低，产生的膨胀应力越小，热稳定性越高；170 ℃预处理后样品热稳定性较150 ℃略有降低，可能是由于170 ℃预处理对乌兰察布褐煤的内部孔隙结构产生影响，导致预处理后样品的强度有所降低。

2.2 预处理时间对褐煤抑爆效果的影响

以粒度6～13 mm的宝清褐煤和乌兰察布褐煤为研究对象，在预热至不同温度的鼓风干燥箱中(宝清褐煤110 ℃，乌兰察布褐煤150 ℃)，分别干燥预处理1、2.5、4、6 h取出，筛去干燥后样品的6 mm以下颗粒，将6～13 mm不同预处理时间煤样装袋密封，分别用马弗炉测试受热温度850 ℃，恒温30 min后的热稳性数据。预处理时间对褐煤热稳定性的影响如图2所示。

由图2可知，粒度6～13 mm宝清褐煤在110 ℃不同预处理时间的试样热稳定性均大幅提高，即热爆性降低，其中预处理4 h后样品的热稳定性最高为49.68%，较同粒度未处理宝清原煤的热稳定性21.66%提高1倍多，预处理1和2.5 h后宝清褐煤的热稳定性为42%左右，差别不大。粒度6～13 mm乌兰察布褐煤在150 ℃不同预处理时间的试样热稳定性均大幅提高，即热爆性降低，其中预处理6 h后样品的热稳定性最高为88.14%，较同粒度未处理乌兰察布原煤的热稳定性42.10%提高1倍多。

2.3 褐煤抑爆最佳预处理条件及析出产物分析

综上所述，宝清褐煤的最佳预处理条件为温度110 ℃下预处理4 h，乌兰察布褐煤的最佳预处理条件为温度150 ℃下预处理6 h。采用管式干馏炉试验装置，分别在2种褐煤最佳预处理条件下(宝清褐煤同时考察了预处理条件为150 ℃，4 h的析出产物性质)，研究其预处理析出产物的性质，包括各产物产率及气体成分。2种褐煤装样量均为60 g，粒度为1～3 mm，升温速率10 ℃/min，预处理后各产物产率见表2，预处理析出气体组成见表3。

由表2可知，宝清褐煤和乌兰察布褐煤在110～150 ℃预处理时，析出的主要产物为水，其质量占失重物总重的97%以上，其余为少量气体产物，与步学朋等[11]在无烟煤热爆裂试验中得出无烟煤预处理失重物的99%为水，其余为常规气体的结论一致。在预处理温度内，焦油产率为零，褐煤无焦油产生，说明褐煤无挥发分析出，这与杨晓毓等[7]得到的200 ℃恒温干燥过程中，宝日希勒褐煤只是水分随干燥强度的增加而减少，灰分、挥发分并没有明显变化的结论一致。

表2 褐煤预处理各产物产率
Table 2 The educts yield of lignite pretreatment

表3 褐煤预处理析出气体组成
Table 3 Gas composition of lignite pretreatment

由表3可知，宝清褐煤和乌兰察布褐煤在110～150 ℃预处理时，析出的气体产物主要为O2和N2，二者之和占气体成分的97%以上，另外还含有微量H2、CO2、CO、CH4及CnHm。150 ℃时，宝清褐煤析出产物中O2+N2含量低于乌兰察布褐煤O2+N2含量，其他气体含量高于乌兰察布褐煤。

3 结 论

1)随着预处理温度的升高，宝清褐煤热稳定性降低，热爆性增强，110 ℃预处理后的热稳定性最高为49.68%。乌兰察布褐煤随预处理温度的升高，热稳定性先升高后降低，热爆性先降低后升高。150 ℃热处理后样品的热稳定性最高为80.69%。

2)宝清褐煤110 ℃不同预处理时间的试样热稳定性均大幅提高，其中预处理4 h后样品的热稳定性最高为49.68%。乌兰察布褐煤在150 ℃不同预处理时间的试样热稳定性均大幅提高，其中预处理6 h后样品的热稳定性最高为88.14%。

3)宝清褐煤的最佳预处理条件为110 ℃下预处理4 h，乌兰察布褐煤的最佳预处理条件为150 ℃下预处理6 h。在最佳预处理条件下，宝清褐煤和乌兰察布褐煤析出的主要产物为水，其质量占失重总量的97%以上，其余为少量气体产物，气体产物主要成分为O2和N2，二者之和占气体组成的97%以上，焦油产率为零。

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Effects of pretreatment on lignite restrained thermal cracking

XU Chunxia1,2,3

(1.Research Institute of Coal Chemistry,Coal Science and Technology Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100013,China;2.National Energy Technology and Equipment Laboratory of Coal Utilization and Emission Control,Beijing 100013,China；3.State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization,Beijing 100013,China)

Abstract:In order to inhibit the thermal cracking of lignite,taking thermal stability as research object,the restrained thermal cracking effects of pretreatment temperature and time on Baoqing and Wulanchabu lignite were systematically studied using air dry oven and muffle furnace.The optimum pretreatment conditions for inhibiting thermal cracking of two kinds of lignite were discussed,and the products properties under the optimum pretreatment conditions were analyzed.The results showed that,with the increase of pretreatment temperature,thermal cracking of Baoqing lignite was enhanced,Wulanchabu lignite first decreased,then increased.The thermal stability of two kinds of lignite increased significantly after different pretreatment time.The optimum pretreatment conditions for inhibiting thermal cracking of two kinds of lignite were Baoqing lignite 110 ℃ and 4 h,Wulanchabu lignite 150 ℃ and 6 h.The main educts of two kinds of lignite during pretreatment were water,which accounted for more than 97% of the total weight loss,the rest was a little gas products,and there were no tar.

Key words:lignite;pretreatment;thermal stability;thermal cracking inhibiting effect

中图分类号：TD849

文献标志码：A

文章编号：1006-6772(2016)03-0016-04

收稿日期：2015-12-02；责任编辑白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.03.004

基金项目：北京市科委科技计划资助项目(Z151100002815027)

作者简介：徐春霞(1982—)，女，山东日照人，助理研究员，硕士，研究方向为煤炭气化及洁净利用技术。E-mail：xcx7@sohu.com

引用格式：徐春霞.预处理对褐煤抑爆效果的影响研究[J].洁净煤技术，2016，22(3)：16-19.

XU Chunxia.Effects of pretreatment on lignite restrained thermal cracking[J].Clean Coal Technology，2016，22(3)：16-19.