童亭煤礦煤的熱解特征研究

王彪+++馮松寶++吳凱

摘 要：利用熱重法對童亭煤礦煤在不同升溫速率（10K/min、20k/min）下的熱解過程進行了研究。探討了不同升溫速率對煤樣熱解特性的影響。結果表明，在升溫速率為10K/min、20K/min時，TT-2降解率均在77%左右，而TT-4在升溫速率為10K/min、20K/min時，降解率分別為77%、67%。實驗結果表明升溫速率越高，越不利于煤的充分熱解，升溫速率越慢，煤樣熱解的更加充分。

關鍵詞：熱重分析；升溫速率；熱解

0 引言

煤的熱解即是煤炭隔絕空氣在高溫的條件下發生一系列物理化學變化后生成焦炭、煤焦油和煤氣的過程。煤的熱解過程十分復雜，受多種因素影響。徐躍年[1]采用熱重法研究了煤熱分解反應動力學特性，發現煤化程度、煤種的不同對煤熱解特性有很大影響。何佳佳[2]等人研究了升溫速率對煤熱解特性的影響，表明了隨升溫速率的提高，煤樣在達到最大失重速率時的失重都增加。閆金定[3]等通過熱重質譜聯用研究了兗州煤的熱解行為，分析了H2、CH4、CO2等氣體析出的溫度區間。武宏香[4]對稻桿、麥稈、木屑和煤單獨及混合熱解特性進行了研究，發現生物質與煤共熱解過程中存在協同作用。廖洲[5]等研究油菜秸稈在不同升溫速率和不同粒徑狀態下的熱解特性，發現升溫速率對油菜秸稈熱解的影響明顯，較高的升溫速率會使熱解起始溫度和熱失重溫度升高，粒徑越小越有利于油菜秸稈熱解。

本文在前人研究的基礎上，研究不同升溫速率下童亭煤礦煤樣熱解特性，為煤的綜合利用提供基礎參數。

1 樣品與實驗方法

1.1 樣品

按照GB482-2008煤層煤樣采取方法和童亭煤礦煤層樣品進行了采集，共采集兩個樣品，每個樣品按照10cm*10cm*50cm采集，樣品采集后立即儲存在棉麻采樣袋中。

1.2 實驗方法

本實驗采用的實驗裝置是法國賽塔拉姆儀器公司生產的同步熱分析儀，保護氣是氮氣，載氣也是氮氣。TG實驗溫度范圍從室溫到1000℃；實驗氣氛為氮氣；選用的坩堝為氧化鋁坩堝。

2 實驗結果與討論

2.1 熱解特征

圖1為升溫速率為10K/min時降解率與溫度的關系曲線圖，圖2為升溫速率為20K/min時降解率與溫度的關系曲線圖，由圖可知：隨著溫度的升高，TT-4和TT-2的質量分數都在下降，并且對于同一溫度而言TT-4質量分數下降的更快。此時TT-2的質量分數由1下降到0.77，TT-4的質量分數由1下降到0.67，質量減少了33%。

2.2 成因分析

（1）TT-4在升溫速率為10K/min、20K/min降解率明顯存在差異，可能是在不同升溫速率下，煤中某些有機物分解遭到了抑制或者促進。

（2）煤樣熱解失重大致可分為五個階段。第一階段是100℃至200℃，該階段失重很少，主要是水分和吸附的氣體析出；第二階段是200℃至400℃左右，熱解真正開始，失重越來越明顯；第三階段為400℃左右至550℃左右，失重速率最大，熱解反應最活躍，揮發分大量析出；第四階段為550℃左右至800℃，失重速率逐漸降低，揮發分析出基本完畢；第五階段是800℃至1000℃，該階段為超高溫熱解，伴隨著少量二次反應，失重很少，失重趨于水平。本文中熱解前四個階段，與其他一些國內研究人員的實驗研究很吻合。兩種煤樣的熱解變化曲線基本一致。熱解完畢質量分數均大于60%。隨著升溫速率的增加，煤樣更快的熱解完畢，升溫速率對煤樣的充分熱解有很大影響。升溫速率更慢時，煤樣有充分的時間熱解，到達熱解溫度最大值時熱解曲線趨于平緩。但隨著升溫速率的增加，樣品熱解的時間越短，不利于樣品的熱解，可能是因為樣品沒有足夠的時間進行反應實驗已經結束。

2.3 研究意義

研究煤的熱解特征對環境保護具有重要的意義，在煤熱解過程中煤的結構會遭到破壞，煤中的微量元素便會釋放出來，一部分揮發性的微量元素，如Hg、F、Cl等會以氣體分子形式或者附著在顆粒物中進入空氣，另一部分殘留在粉煤灰中，如As、Cr、Co等。如果這些殘留在粉煤灰中微量元素沒有得到處理或者處理不得當，進入水體、土壤甚至進入食物鏈中，對環境和人類身體健康都會造成危害。國內外對煤熱解中微量元素的遷移研究很多，李楊[6]采用ICP-MS法對實驗樣品進行微量測定，計算了Se、As、Cd、Cr等揮發率，并研究在高溫熱解條件下元素的揮發性規律，發現在950℃至1400℃溫度范圍內，部分微量元素揮發率隨熱解溫度升高增大而增大。楊建業[7]在對煤熱解中微量元素遷移研究過程中，研究發現，在非自然的人工煤熱解過程中，煤中微量元素的揮發率和富集率變化趨勢總體上符合元素周期律。并據此，在1000℃以下的范圍內，對河南義馬煤的難揮發元素分為3類：第1類為最難揮發的元素，有V、Cr、Co、Cu、Ga、Zr、La、Pr、Nd。Tm等10個元素；第2類為難揮發元素，有稀土元素Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Ta等7個元素；第3類為較難揮發的元素，有Li、Ge、Nb、Mo、Er等5個元素。在煤熱解過程中，鑭系元素的轉化總體上也遵從鑭系元素地球化學效應。通過熱解研究微量元素在高溫下的遷移能力，為減少微量元素向環境中釋放，為治理大氣污染提供依據。

3 結論

（1）實驗表明，兩種煤樣熱解曲線總的變化趨勢一致；并且在升溫速率為10K/min、20K/min時，TT-2降解率均在77%左右，而在升溫速率為10K/min、20K/min時，TT-4降解率分別為77%、67%。

（2）升溫速率越高，越不利于童亭煤礦煤的充分熱解，升溫速率越慢，煤樣熱解的更加充分。

基金項目：宿州學院大學科研立項項目（淮北煤田巖漿巖侵入區煤的熱解特征-以童亭煤礦為例，編號：KYLXLKZD-29）；安徽省教育廳大學生創客實驗室建設計劃項目（宿州學院-眾利創客實驗室，編號：2015ckjh107）；宿州學院特色專業項目（資源勘查工程特色專業，編號szxytszy201402）。