实验条件对褐煤热解特性的影响
刘彦强，解京选，狄红旗**
作者简介：刘彦强，（1985-），男，研究生，煤炭加工与洁净利用。
通信联系人：解京选，（1954-），男，教授，硕士生导师，煤炭加工与洁净利用. E-mail: xiejx@cumt.edu.cn
（中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：采用非等温热重法对白音华褐煤热解特性进行了实验研究，考察了升温速率和粒度对
白音华褐煤热解特性的影响，结果表明：褐煤热解分为三个阶段，褐煤热解挥发分的析出主
要发生在300℃到600℃之间，升温速率是影响褐煤热解的主要因素，粒度对褐煤的热解也
有一定的影响。挥发分的析出随着升温速率的增大，有明显的热滞后现象，失重速率和最大
失重速率温度也有明显提高，粒度对最大失重速率的影响不大，煤样失重量随着粒度的增大
10 会有所下降。
关键词：褐煤；热解；升温速率
 30 0 引言
褐煤是一种煤化程度介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色的低级煤。是泥炭经成岩作用形成
的腐植煤，煤化程度最低，呈褐色、黑褐色或黑色[1]。褐煤的特点是水分高、孔隙度大、挥
发分高、热值低，含有不同数量的腐植酸。褐煤的氧含量高达15%-30%，化学反应性强，
热稳定性差，在空气中极易风化变质，使热值更加降低。煤的干馏也称煤的热解，是指煤在
35 隔绝空气或惰性气氛的条件下加热，在不同温度下发生一系列的物理变化和化学反应的复杂
过程，其结果生成气体（煤气）、液体（焦油）、固体（半焦或焦炭）等产物[2]。煤的热解
在煤科学和煤的利用技术中是至关重要的研究和开发对象。煤热解本身也是煤转化的一种途
径和得到煤液化产物的一种辅助的方法。煤的热解也构成了液化、燃烧、和气化等过程的第
一步，而在这些过程中煤种的选择、特定煤种所能达到的燃烧效率和煤热解产物性质的预测
40 都是人们非常关注的问题。
热重法（TG）是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术[3]。许多物
质在加热过程中常伴随质量的变化，这种变化过程有助于研究晶体性质的变化，也有助于研
究物质的脱水、解离、氧化、还原等物质的化学现象。热重分析通常分为两类：非等温（动
 态）热重法和等温（静态）热重法。两种方法的精度相近。但非等温是从几乎不进行反应的
45 温度开始升温，样品在各温度下的重量连续地被记录下来。等温法则在试样达到等温条件之
前的升温过程中往往已发生了不可忽视的反应，它必将影响测量结果。况且等温法要作不同
温度下等温重量变化线，每次都花费很多时间。相对来说，非等温法则要迅速的多。所以一
般采用非等温热重法。本文即采用非等温热重法，研究升温速率和样品粒径对褐煤热解行为
的影响。
50 1 实验
1.1 实验用煤样
本实验煤样为内蒙古白音华褐煤，其工业分析和元素分析[4]如表1 所示。
表1 白音华褐煤的工业分析和元素分析
Tab. 1 Proximate and ultimate analysis of Baiyinhua Lignite
55
工业分析/ w，% 元素分析/ w，% 原料
Mad Vad Aad FCad Cad Had Oad Nad St ad
原煤 19.55 33.64 13.55 33.26 45.14 3.61 16.27 1.32 0.56
1.2 实验仪器及方法
试验使用仪器为德国NETZSCH 公司STA409C 型DTA/DSC-TG 同步综合热分析仪，其
主要部件有：热天平、温度传感器(S 型热电偶，最小温差为0.17 ℃)、程序控温装置、加热
60 电炉等。该热分析仪将TG 与DTA 及DSC 结合为一体，在同一次测量中利用同一样品可同
步得到热失重与差热信号。温度控制范围为0-1600 ℃，热重灵敏度为1.25 μg，样品质量为
0-500 mg，热量测量范围为0~500 mV，差热灵敏度为18 μV/mV，差热测量范围0-5000 μV。
实验样品用量为15mg，采用氮气作载气，流量为100mL/min，实验升温速率分别为
10K/min，20K/min，30K/min，样品粒度分别为<1mm，1mm-3mm，3mm-6mm，实验温度
65 为室温至1000℃。
2 结果与讨论
2.1 褐煤热解特性
由图1 可以看出，在100℃左右DTG 曲线出现一个小峰，此阶段主要是褐煤的干燥脱
水，脱除吸附气体的阶段。在300℃到600℃样品失重十分明显，对应的DTG 曲线迅速下降
70 又迅速上升，表明样品在此阶段的失重速率最大，此阶段是褐煤的主要热解反应阶段，包括
煤的软化、熔融，煤结构中分子侧链的断裂和脱除，大量挥发分气体的析出，并有焦油的产
生，煤变成半焦。600℃以后，TG 曲线下降趋于平缓，DTG 曲线有小的波动但总体变化缓
慢，此时主要表现为半焦缩聚成焦炭，析出以甲烷、氢气为主的气体。
 0 200 400 600 800 1000
60
80
100
temperature/℃
w/%
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
dw/dt(mg/min)
75 图1 煤样的TG 和DTG 曲线
Fig. 1 TG-DTG curves of coal samples
2.2 升温速率对褐煤热解特性的影响
0 200 400 600 800 1000
50
60
70
80
90
100
w/%
temperature/℃
10K/min
20K/min
30K/min
80 图2 白音华褐煤在不同升温速率下的TG 曲线（﹤1mm）
Fig. 2 TG curves for Baiyinhua lignite with different heating rate(<1mm)
 0 200 400 600 800 1000
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
dw/dt(mg/min)
Temperature/℃
1
2
3
1—10K/min 2—20K/min 3—30K/min
85 图3 白音化褐煤在不同升温速率下的DTG 曲线（<1mm）
Fig. 3 DTG curves for Baiyinhua lignite with different heating rate(<1mm)
褐煤在不同升温速率下的TG 和DTG 曲线如图2 和图3 所示，粒度选取为<1mm，其他
两个粒级的TG 与DTG 曲线与之相似。与之对应的热解特性参数见表1，其中T0 为热解初
90 始温度，Tf 为热解终温，最大热解失重速率所对应的温度为Tp 。由TG 曲线和DTG 曲线
可以看出，随着升温速率的提高，失重率降低，TG 曲线向高温侧移动，产生热滞后现象，
这是由于煤的导热性差，煤的热解是吸热反应，升温速率过快时，样品内部挥发分分解反应
缓慢所致。随着升温速率的提高，热解失重速率也提高，这是由于煤结构受到强烈热冲击，
煤大分子的侧链和芳香环的断裂速度变快，产生大量自由基碎片，挥发分急剧释放，从表2
95 也可以看出，失重速率峰值温度明显提高。
表2 不同升温速率下褐煤的热解特征参数
Tab. 2 Pyrolysis characteristic values of lignite with different heating rate
升温速率/（K/min） 初始热解温度T0/℃ 失重速率峰值温度Tp/℃ 热解终温Tf/℃
10 378 437 482
20 391 442 487
30 382 447 512
100 2.3 粒径对褐煤热解特性的影响
 0 200 400 600 800 1000
50
60
70
80
90
100
w/%
temperature/℃
1
1to3
3
图4 升温速率对不同粒度褐煤TG 曲线的影响（10K/min）
Fig. 4 Influence of heating rate on TG curves for lignite with different particle size(10K/min)
0 200 400 600 800 1000
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
dw/dt(mg/min)
Temperature/℃
1
2
3
105
1—﹤1mm 2—1 ~3mm 3—3 ~6mm
图5 升温速率对不同粒度褐煤DTG 曲线的影响（10K/min）
Fig. 5 Influence of heating rate on DTG curves for lignite with different particle size(10K/min)
 0 200 400 600 800 1000
50
60
70
80
90
100
w/%
temperature/℃
1
1to3
3
110
图6 升温速率对不同粒度褐煤TG 曲线的影响（20K/min）
Fig. 6 Influence of heating rate on TG curves for lignite with different particle size(20K/min)
0 200 400 600 800 1000
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
dw/dt( mg/min)
1
3
2
temperature/℃
1—﹤1mm 2—1 ~3mm 3—3 ~6mm
115 图7 升温速率对不同粒度褐煤DTG 曲线的影响（20K/min）
Fig. 7 Influence of heating rate on DTG curves for lignite with different particle size(20K/min)
图4 和图5 为升温速率为10K/min 时不同粒度的TG 和DTG 曲线，图6 和图7 为升温
速率为20K/min 时不同粒度的TG 和DTG 曲线。图4 和图6 表明，随着粒度的增大，煤样
120 的失重量有所下降，这是由于煤样粒度增大，反应的比表面积下降，导致热分解反应不易完
全进行。表3 列出了三种粒度的煤样在不同升温速率下的热解特性参数，由图5 和图7 及表
3 可以看出，不同粒度的煤样在同一升温速率下的最大失重速率变化不大，可知粒度不是影
响煤热解的最大失重速率的主要因素。由表3 可知，较小的粒度其热解特性温度变化幅度较
大。
 表3 白音华褐煤热解特征参数
Tab. 3 Pyrolysis characteristic values of Baiyinhua lignite
粒度/mm 升温速率/（K/min）
初始热解温度T0/
℃
失重速率峰值温度
Tp/℃
热解终温Tf/℃
10 378 437 482
﹤1 20 391 442 487
30 382 447 512
10 385 438 477
1 ~3 20 398 445 486
30 387 446 498
10 387 436 471
3 ~6 20 399 443 488
30 391 447 508
130 3 结论
1）褐煤热解分三个阶段，即干燥脱水，脱除吸附气体的阶段；析出煤气和焦油，褐煤
变成半焦的阶段；半焦缩聚成焦炭的阶段。褐煤热解最大失重速率温度出现在400℃到500
℃之间。主要热解反应发生在300℃到600℃之间。
2）升温速率是影响褐煤热解的主要因素。随着升温速率的提高，挥发分的析出会出现
135 热滞后现象，失重速率和失重速率峰值温度明显提高。
3）粒度大小对煤样的热解也有一定的影响，粒度增大，煤样的失重量有所下降，但不
同粒度的煤样在同一升温速率下的最大失重速率变化不大。
[参考文献] (References)
140 [1] 李春柱，维多利亚褐煤科学进展[M].北京：化学工业出版社,2009.
[2] 朱之培,高晋生. 煤化学[M] . 上海: 上海科学技术出版社, 1984.
[3] 刘振海.热分析导论[M]. 北京:化学工业出版社,1991.
[4] 张双全，吴国光.煤化学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2004.