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新疆低阶烟煤储量约占全国低阶烟煤储量的39.62%。低阶烟煤是常用的热解和气化原料。因此,开展新疆低阶烟煤的热解过程和热解动力学研究,对于我国低阶烟煤的利用具有非常重要的指导意义。 本文选用四种新疆低阶烟煤为研究对象,它们分别是金马长焰煤(JM)、雨田长焰煤(YT)、乌鲁木齐不粘煤(WQ)和哈密弱粘煤(HM),利用热重技术、常压二段管式热解炉进行中低温下的热解实验。借助热动力学模型对热解过程的动力学参数进行计算。主要工作如下: (1)利用热重技术获得四种煤的热失重曲线,可看出四种煤热解过程均可分为三个阶段:第一阶段(<150℃),主要是煤样析出自然水、脱除结合水和吸附气体过程;第二阶段(300~600 ℃),主要发生解聚和分解反应,生成大量焦油;第三阶段(>600 ℃),形成半焦。升温速率对热解活性指数P和R挥发的影响较小,JM、YT、WQ和HM煤(升温速率为10℃·min-1)的P值为4.05E-11、4.61E-11、3.36E-11和1.05E-11及R挥发值为2.15E-09、2.31E-09、1.10E-09和1.40E-10。JM、YT和WQ煤均有很好的热解活性, HM煤热解活性较差。 (2)在常压热解炉中对四种煤进行了热解实验,热解炉结果显示,四种煤样随着变质程度的加深,气相产率减少,但是半焦产率增加。400~500℃主要生成焦油,400~700℃析出大量气体,CO2最大生成速率对应温度范围为450℃~500℃,CH4和C2-C4对应温度范围为500℃~550℃,CO对应温度范围为550℃~600℃。反应生成CO2和CO气体较少, CH4和C2-C4气体较多。 (3)采用Multi-Stage Parallel模型对剧烈热解阶段即第二阶段进行数据处理,应用Gauss Fitting法将第二阶段的反应剥离成两个平行的子反应1#和2#,结合二段炉实验结果说明1#子反应对应煤焦油的生成、逸出,温度范围为350~550℃,比重为S≈0.65;2#子反应对应CO2、CO、CH4和C2-C4等气体的逸出过程,温度范围为400~700℃,比重为S≈0.35。 (4)应用FWO法、KAS法和FRL法计算四种煤样的反应活化能。同一煤样,FWO法、KAS法和FRL法活化能均随反应进度的加深活化能稍有增加,三者活化能偏差较小,相较FWO法和KAS法活化能更为接近。四种煤样,第一阶段活化能相近,约90 kJ·mol-1;第二阶段活化能随着煤质程度的加深依次增加,变质程度最高的HM样活化能(400 kJ·mol-1)明显大于其他三者(345 kJ·mol-1、347 kJ·mol-1和363 kJ·mol-1)。 (5)应用Málek法经过对47种机理函数比对,升温速率对机理函数的影响很小,四种煤样的1#峰均对应9#机理模型(Z-L-T三维扩散)和37#机理模型(化学反应),表明该过程主要为煤中有机质(350~550℃)受热软化、熔融、生成焦油蒸气进而从煤粒内部扩散出来。2#峰对应扩散模型,但是具体模型不一致,此阶段(500~700℃)主要是CO2、CO、CH4和C2-C4等气体的扩散过程。