半焦煤的燃燒及綜合利用研究

吳 燕，董穎濤，徐 靜

(1. 陜西煤田地質工程科技有限公司，陜西 西安 710021;2.陜西省煤田地質集團有限公司，自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室，陜西 西安 710021；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710000)

在煤的分級利用多聯產系統中，部分揮發分析出后，在剩余產物中仍然存在的揮發分稱為“半焦”。雖然半焦煤具有可燃性，但是由于揮發分偏低，著火和穩定燃燒的難度較大。因此在半焦煤的利用中，必須要使用富氧燃燒技術，增加燃燒環境中的氧濃度，從而使半焦煤穩定燃燒。另外，隨著揮發分的析出，半焦煤的微觀結構上出現了大量的孔隙，比表面積顯著增加，使得物理吸附能力增強，因此半焦煤也常用作吸附劑。從工業應用效果來看，半焦煤的吸附能力雖然不如活性炭，但是在材料來源、使用成本等方面具有顯著優勢，也是半焦煤綜合利用的一個重要方向。

1 半焦煤的燃燒特性

1.1 半焦煤的制備

本文使用管式爐制取半焦煤，試驗裝置見圖1。其中，管式爐與一臺溫度控制儀連接，可自動調節反應溫度。選取0.5 g 的煤樣，研磨成粒徑在50 μm 左右的粉末，然后倒入瓷舟中，并將煤粉攤平，然后置于石英管內。調節質量流量計，使裂解氣（氮氣）的流量穩定在400 ml/min，在當前環境下反應0.5 h 后，停止加熱，將瓷舟取出后自然冷卻至室溫，然后稱量此時瓷舟的重量，減去空瓷舟的重量，即為樣品質量，最后將所得樣品放入儲存袋中備用[1]。

圖1 管式爐制取半焦煤實驗裝置示意圖

1.2 不同煤種裂解與燃燒試驗

1.2.1 試驗煤種與試驗方法

為了探究煤種對半焦煤燃燒特性與吸附特性的影響，分別選擇褐煤、煙煤2 種材料制取半焦煤。褐煤與煙煤各稱量10 g，稱重精度為0.1 mg。然后依次進行干燥和破碎處理，將破碎后的煤粉用300目標準篩進行篩分，保證煤樣粒徑不超過50 μm。然后將制取的煤樣放于STA550 型同步熱分析儀中，進行熱重實驗。在該裝置中，可完成煤的裂解反應、燃燒反應，并采集反應過程中的特性參數。

1.2.2 不同煤種的裂解和燃燒特性

本次實驗選擇“反應速率法”計算各煤種進行不同反應時的初始和結束溫度，即煤粉燃燒反應開始后，其反應速率達到1%/min 時的溫度作為該反應的開始溫度；同樣的，煤粉燃燒結束時，其反應速度降低至1%/min 時的溫度，為該反應的結束溫度。在煤粉的裂解反應中，則將反應速率0.6%/min 作為判斷標準，判斷方法同上。煤種的裂解和燃燒特性見表1。

表1 不同煤種的裂解和燃燒特性參數

根據表1 數據，在裂解反應中，褐煤的反應初始溫度比煙煤低了146.2 ℃，這表明褐煤的揮發分在不足300 ℃時已經析出，其著火溫度更低，相比于煙煤更容易著火。煙煤則需要溫度達到400 ℃才能析出，由于其煤化程度更高，因此著火相對困難。從裂解反應速率上來看，褐煤也要快于煙煤，說明褐煤的裂解過程更加集中。綜合對比來看，褐煤的裂解反應開始溫度較低，最大反應速率較快，裂解持續時間短，裂解產物的特性指數優于煙煤。從這一點來看，在工業制取半焦煤時，應優先選擇褐煤作為原材料，這樣制得的半焦煤將會獲得更好的燃燒特性，具備更高的利用價值[2]。

1.2.3 煤與半焦煤的燃燒特性比較

選擇褐煤作為原材料，使用管式爐在氮氣環境下升溫至1 000 ℃后制取半焦煤，然后對比半焦煤與褐煤的燃燒特性。燃燒反應中初始溫度、結束溫度的計算與上文相同，煤粉與半焦煤在燃燒反應、氣化反應中的特性參數見表2。

表2 煤粉與半焦煤燃燒特性參數

結合表2 數據，由褐煤制取的半焦煤，在燃燒反應中的初始溫度（425.0 ℃）要明顯高于褐煤的初始溫度（260.1 ℃）。這說明半焦煤的著火溫度有明顯提升，因此半焦煤的著火更加困難。同時，由于半焦煤的揮發分含量更低，因此要想達到最大反應速率，所需的溫度也更高。褐煤煤粉正常燃燒時，最大反應速率溫度僅為310.6 ℃，與燃燒反應的初始溫度接近，說明在燃燒反應開始不久，即可達到最大反應速率；相比之下，半焦煤正常燃燒時，達到最大反應速率所需溫度為601.8 ℃，與燃燒反應的結束溫度接近，說明在燃燒反應進行相當長一段時間后，才能達到最大反應速率。綜合來看，半焦煤燃燒反應著火溫度更高、最大反應速率偏低，燃燒反應活性比褐煤差。

2 半焦煤的綜合利用

2.1 半焦煤的吸附特性及其應用

2.1.1 試驗方法

孔隙度是決定半焦煤吸附特性的主要指標，本次試驗選擇AUTO-1 型物理/化學吸附分析儀測定半焦煤樣品的比表面積和微孔面積。實驗中分別選取了5 種材料，分別是褐煤煤粉、活性炭，以及由褐煤在600 ℃、700 ℃和800 ℃制備的3 份半焦煤。

2.1.2 半焦煤的吸附特性

5 份樣品的比表面積和微孔面積測定結果見圖2。

圖2 不同溫度褐煤半焦煤的比表和微孔面積

結合圖2 可以發現，在5 種樣品中，普通煤粉的比表面積和微孔面積最低，活性炭最高。半焦煤的比表面積和微孔面積與其制備時的溫度呈正相關。在制備溫度為600 ℃時，半焦煤的比表面積為126 m2/g，微孔面積為191 m2/g；在制備溫度為800℃時，半焦煤的比表面積為327 m2/g，微孔面積為638 m2/g。這是因為裂解溫度升高的情況下，褐煤中揮發分的析出量也會隨之增加，因此最終產物半焦煤的微孔結構更多，由此獲得了更加良好的吸附特性。

2.1.3 半焦煤的應用

煤在裂解反應中析出大量的揮發分，因此制得的半焦煤屬于多孔狀結構，使其具備了良好的吸附特性[3]。以目前市場上應用最廣的活性炭吸附材料作為對照，其價格通常為每噸4 000～6 000 元，相比之下褐煤的價格每噸不足400 元，而作為褐煤分級利用副產物之一的半焦煤，其價格更低。因此，使用半焦煤作為吸附劑在成本方面具有顯著的優勢。結合上文實驗可知，半焦煤的吸附特性主要與制取溫度有關。當制取溫度為800 ℃時，其比表面積（327 m2/g）和微孔面積（638 m2/g）已經與活性炭（分別是342 m2/g、659 m2/g）十分接近。因此，從使用成本、吸附特性等因素上綜合對比，將半焦煤作為一種吸附劑具有巨大的應用價值。

2.2 半焦煤的富氧燃燒特性及其應用

2.2.1 試驗方法

本次試驗選擇4 種樣品，除了作為對照的褐煤煤粉外，還有3 種在不同溫度下（600 ℃、800 ℃、1 000 ℃） 由褐煤制備的半焦煤。試驗所用儀器為TGA-851 型熱重分析儀。在試驗開始后，將儀器反應溫度以50 ℃/min 的速率，快速從室溫升高到1 000 ℃。同時，利用兩臺質量流量計同時調節該儀器的氣體流量，并保證氣體流量穩定在120 ml/min。整個試驗中通過調節進氣量提供6 種不同的氧濃度，分別是0%的純O2工況、20%的O2/CO2工況、40%的O2/CO2工況、60%的O2/CO2工況、80%的O2/CO2工況和100%的純的O2工況[4]。

2.2.2 半焦煤的富氧燃燒特性

4 種樣品在不同氧濃度下的著火溫度見圖3。

圖3 煤粉空氣燃燒與半焦煤富氧燃燒特性參數對比

結合圖3 可以發現，煤粉在不同氧濃度下的著火溫度保持300 ℃不變。但是在不同裂解溫度下制取的半焦煤，卻因為裂解溫度的不同，其著火溫度也隨著氧氣濃度的變化而發生了明顯的改變。從整體上來看，3 種半焦煤著火溫度隨氧濃度升高的變化曲線基本保持一致：在氧濃度0～20%范圍內，隨著氧氣濃度增加，著火溫度也隨之上升；在氧濃度20%～100%范圍內，隨著氧氣濃度增加，著火溫度相應降低。具體來看，600 ℃半焦煤在氧濃度為40%時，著火溫度與褐煤煤粉一致，之后隨著氧濃度的繼續增加，著火溫度低于煤粉；而800 ℃和1000℃半焦煤在整個氧濃度變化范圍內，其著火溫度均為達到褐煤水平。

2.2.3 半焦煤的應用

通過上文實驗分析可知，相比于褐煤，半焦煤的著火溫度、燃燒溫度更高，更難燃燒。因此為了提高半焦煤的燃燒效果，必須要增加燃燒環境中氧氣的濃度，實現半焦煤的富氧燃燒[5]。實驗表明，半焦煤的富氧燃燒能夠顯著提升其燃燒特性。在氧氣濃度為40%時，600 ℃半焦煤的著火溫度已經十分接近于褐煤，此時半焦煤的燃燒效果達到最佳。雖然繼續增加氧濃度可以使著火溫度進一步降低，但是會導致成本增加。而對于800 ℃和1 000 ℃半焦煤，即便是氧濃度達到100%，也很難使半焦煤燃燒特性達到煤粉的水平。因此，將氧濃度設定為40%、選擇600 ℃半焦煤可以實現綜合效益的最優。

3 結論

受到半焦煤燃燒特性的影響，為進一步提高半焦煤的燃燒價值，需要適當增加燃燒反應時氧氣的濃度。對于600 ℃半焦煤來說，氧濃度在40%時可以達到最佳的燃燒效果。同時，揮發分大量析出后的半焦煤變成了多孔結構，具有了與活性炭相當的吸附能力，但是其成本更低，因此也是一種理想的吸附材料，具有廣泛的應用市場。