废油脂提质对褐煤理化结构及水分复吸特性的影响

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褐煤在中国煤系资源结构中占比较大,其变质程度低、水分含量高,自燃倾向严重,导致在后续加工利用及储存运输等方面存在弊端,因此对褐煤提质实现清洁高效利用非常必要。目前已经开发了多种提质技术,其中热解提质应用最为广泛。但是,经热解提质后,褐煤依然存在水分复吸和自燃的问题。本文采用废油脂作为介质,通过脱水实验、低温热解实验对内蒙古褐煤进行了提质研究。结合接触角、N2吸附、FTIR、XPS及TG-DTG等表征方法对低温热解提质煤样理化特性进行分析,从微观角度研究了废油脂提质过程对提质煤的水分复吸特性和燃烧特性的影响,通过无油介质实验作为对比参照,主要得出以下结论:(1)在≤200℃对褐煤下进行脱水实验,从温度、粒度、油煤质量比三方面来对比两种提质方式的脱水率。由于废油脂的液体环境相比于无油介质的气体环境,传热效率更好,相同条件下废油脂提质的脱水率比无油介质提质高30%。(2)在200~350℃对褐煤进行低温热解提质实验时,两种提质方式下褐煤中的水分含量及氧含量均明显降低,同时碳含量升高,实现了脱氧富碳的目的。与无油介质提质煤样相比,废油脂提质煤样的碳元素提高2.16%,氧含量降低5.61%,热值提高了10.26%。对提质煤样表面性质、孔隙结构及含氧官能团进行了分析。在同一温度下,废油脂提质煤的接触角大于无油介质提质煤。两种提质褐煤的比表面积(SBET)、孔径(Dm)和孔体积(Vm)均逐渐减小。由于原煤中占据水分的细孔被废油脂所取代,覆盖了部分孔隙,使得废油脂提质的SBET、Dm和Vm比无油介质提质的更小。红外光谱结果显示,两种提质褐煤的OH/Car和COOH/Car均下降,说明了升高温度加速了与含氧官能团的去除,但废油脂提质可以更有效的去除羟基;CH3/CH2在无油介质提质煤中随温度升高而增大,表明亚甲基脂肪族结构在提质过程中优先断裂和分解,而在废油脂提质过程中,该比值随温度升高逐渐降低,说明提质煤中脂肪侧链含量不断增加,煤样对废油脂的表观吸附量增大。(3)采用恒温恒湿箱测试了热解提质褐煤复吸水特性,褐煤的水分复吸特性与提质过程密切相关,在相同的提质温度下,废油脂提质更有效地抑制提质褐煤的水分复吸性能。两种方式提质煤的水分吸附等温线属于Ⅱ类等温吸附,符合Dent模型。提质煤样的第一位和第二位吸附量均随温度的升高而降低,但废油脂提质的降低效果更明显。这是由于提质煤样含氧官能团和比表面积的降低,使其疏水性提高,有效抑制了水分复吸。(4)通过TG-DTG手段系统分析了热解提质煤样的燃烧特性,发现随着提质温度的升高,废油脂提质降低了褐煤的自燃倾向,提高了燃尽性能和燃烧强度,降低了燃烧活性;相同条件下,废油脂提质比无油介质提质煤燃烧性能更高。废油脂提质能更有效地脱除褐煤的水分,增加发热量,大幅降低复吸效果,降低自燃倾向,提高燃烧程度,从而得到更优质的煤产品,提高其综合利用价值。本研究为低阶褐煤的提质提供了新思路、新方法。
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