中国西部弱还原性煤热化学转化特性基础研究

摘要

在今后相当长的一段时期内，煤炭仍将是我国的主要能源。西部开发是我国经济发展的重点，而煤炭又是西部地区的支柱产业，针对西部煤所具有的结构特征对其热化学转化特性进行研究，对于西部煤炭资源的开发利用具有重要的理论意义和现实意义。
　　 本文选取新疆哈密、宁夏灵武、神东三种西部煤作为研究对象，系统研究了这些惰质组分含量较高煤的结构特征以及热解、气化、燃烧反应性，并与强还原性的中部平朔煤进行了比较；还通过去离子水洗、单酸洗、混酸洗逐级脱除煤中的内在矿物质，考查了内在以及外加矿物质对煤热化学转化特性的影响。得到以下主要结论：
　　 1)三种西部煤具有弱还原性煤的特征，而中部平朔煤具有较强的还原性特征。弱还原性煤具有较高的惰质组分和O含量，较低的挥发份、灰分以及H/C原子比；弱还原性煤惰质组中的C含量高于镜质组，H/C以及O/C原子比低于镜质组；而强还原性煤惰质组中的C含量以及H/C原子比低于镜质组，O/C原子比高于镜质组。弱还原性煤灰分中含有较高的Fe2O3、CaO、MgO和Na2O，较低的SiO2和Al2O3；而强还原性煤中SiO2和Al2O3含量较高。西部煤大多属于不黏煤或弱黏煤，而平朔煤属于粘结性煤。随着煤中惰质组分含量的增加，芳碳率及平均缩合环数增加；惰质组中芳香微晶结构单元较大，芳香层片在空间的排列更加规整，相互定向程度也优于镜质组。随着热处理温度的升高，煤的微晶结构渐趋规整。
　　 2)提出了判断煤还原程度强弱的经验式k=I[％]×0.8+O％+Rz-H[％]×10为定量判断煤还原程度的相对强弱提供了依据。
　　 3)煤中惰质组含量越高，其热解反应性越低。高温下弱还原性煤的二次热解反应性明显高于强还原性的平朔煤，促进了大量含氧气体的释放。弱还原性煤热解时生成的含氧气体较多，含氢气体较少，且煤中惰质组分越多，含氧气体的释放量就越多；弱还原性煤镜质组热解释放的含氧气体量也高于强还原性煤。煤热解过程中含氢以及含氧气体的释放量与煤中氢、氧元素的含量相一致。随热解温度的升高，气相产物中含氢、含氧气体的释放呈现出规律性的变化，存在一个释放温区，CO为300-900 ℃，CO2为200-800 ℃，H2为500-900 ℃，CH4为400-800 ℃，C2以上烃类气体为400-600 ℃.
　　 4)西部弱还原性煤焦的气化反应性高于强还原性的平朔煤焦；弱还原性煤惰质组分焦的气化反应性高于镜质组分焦，这与强还原性煤显微组分焦的气化反应性相反。煤焦的气化反应性与煤的亚显微结构密切相关，惰质组中，丝质组与半丝质组含量越高，焦的气化反应性越强；镜质组中，均质胶质体与基质胶质体含量越高，焦的气化反应性越弱。惰质组和镜质组之间存在协同作用，合适的惰质组分含量能够增加样品焦的气化反应性。与强还原性煤相比，西部煤气化反应能够生成大量的H2和CO，但CH4的生成量较少。未反应收缩核模型非常适于描述弱还原性煤焦的气化反应机理，由此得到的表观活化能基本能够反映煤焦的气化反应性。
　　 5)煤的燃烧反应性随煤中惰质组分含量的增加而增强。西部弱还原性煤的燃烧反应性高于强还原性的平朔煤。升温速率增大，煤的燃烧反应性增加；O/C质量比降低，煤的可燃性下降；实验用样量增多，最大燃烧速率温度和燃尽温度升高，最大燃烧速率下降，点火温度几乎不变；样品粒径减小，最大燃烧速率增大，但最终失重量变化不大；未反应收缩核模型也适于描述弱还原性煤的燃烧机理，由此得到的表观活化能基本能够反映煤的燃烧特性。
　　 6)硅铝酸盐阻碍煤的热解；碱土金属及过渡金属盐类促进弱还原性煤的热解，水溶性的部分盐类阻碍弱还原性煤的热解，后两类盐对强还原性平朔煤的热解作用不明显。碱土金属及过渡金属盐类促进煤热解产生含氧气体，阻碍弱还原性煤热解生成含氢气体，促进强还原性煤热解生成含氢气体；硅铝酸盐促进弱还原性煤热解生成含氧气体，阻碍生成含氢气体，而对于强还原性煤热解的作用正好相反。外加钙对煤的热解具有促进作用，主要促进煤热解生成H2、CO和CO2。外加钠对煤热解的作用与煤的种类以及钠的添加量有关。钠的加入，促进煤热解生成H2和CO2，阻碍西部煤热解生成CH4和CO，促进强还原性煤热解生成CO，对强还原性煤热解生成CH4的量影响不大。
　　 内在矿物质阻碍强还原性煤焦的气化和燃烧，而促进弱还原性煤焦的气化，对弱还原性煤燃烧的作用与煤种类有关。外加钠、钙，能够促进煤焦的气化与燃烧。由于钠的催化作用，使得弱还原性煤二次最大燃烧速率显著高于强还原性的平朔煤。