低阶煤的化学结构中侧链较多,缩合芳环数较少,含氧官能团较多且含有较多的氧桥和氢键,挥发分含量高、含水高、活性强,易自燃、热值低,直接利用(燃烧或气化)效率低,大规模开发利用必须先对其进行加工提质。由于低阶煤分子结构的特点,其基本结构单元周围的侧链、桥键和官能团等不稳定,在加热条件下,这些煤结构中的活性组分单元逐渐裂解,形成气体化合物挥发出去(热解气和焦油),而缩合芳香核部分则互相缩聚形成固体产品(半焦)。采用低阶煤低温热解路线,获得高产率的焦油和煤气,可实现低阶煤的高效利用。目前,关于低阶煤提质利用方面的研究主要集中在加氢液化、挥发份的脱除、热解气中CH4的释放以及热重法分析低阶煤的热解过程等方面,在大量文献工作中,少见有关系统研究低阶煤低温热解提质,特别是系统研究低阶煤低温热解产物生成特性及机理相关的研究报道。开展低阶煤低温热解产物,包括水、焦油、热解气和半焦的生成特性及生成机理系统研究对低阶煤低温热解目标产物的获得和目标污染物的控制及新工艺技术的开发等提供一定的数据支持;有助于深入理解低阶煤的热解行为,对低阶煤的提质转化有一定的指导作用。本文考察了不同热解因素如煤种、升温速率、热解终温及停留时间等对低阶煤低温热解产物生成特性的影响;采用FT-IR、BET、SEM、TG-DTG及GC/MS等现代仪器分析手段对热解产物特性进行了表征;计算了低阶煤低温热解产物生成速率和特性参数;初步探讨了不同反应级数时低阶煤的热解动力学和反应机理,初步研制了具有挥发份在炉内保持和低停留时间、高收油率等特点的大型低温炭化炉,研究获得的主要结果与结论如下。1)提出热解产物开始生成温度(Ti)、快速热解产物生成结束温度(Tf)、最大热解产物生成速率点(Rmax)及其对应温度(Tmax)是低阶煤低温热解产物的生成特性参数,形成了描述干燥脱水、热解气生成及半焦等低阶煤低温热解产物生成特性的基础指标。2)实验用低阶煤的干燥脱水过程分为三个阶段。第一阶段(0-20min)快速干燥脱水速阶段,褐煤和不黏煤在该段的脱水速率符合线性方程y=0.62x+1.64和y=0.64x+2.32;第二阶段(褐煤20-40 min,不黏煤20-50 min)脱水率缓慢增长,干燥脱水规律分别符合线性方程y=0.13x+7.37和y=0.14 x+5.22;第三阶段干燥脱水规律遵循线性方程y=0.02 x+11.94和y=0.02 x+10.85。低阶煤干燥脱水反应所需的活化能随煤阶的升高而增大,升温速率为10℃时,褐煤和不黏煤干燥脱水阶段所需活化能E分别为18.21 KJ/mol和21.03 KJ/mol,不黏煤在干燥阶段所需活化能比褐煤提高了 18%左右;干燥脱水反应所需活化能随升温速率提高而减小,当升温速率为5℃/min时,干燥脱水活化能E分别为21.91 KJ/mol和22.36 KJ/mol,而当升温速率提高至20℃/min时,褐煤和不黏煤的干燥脱水活化能E分别为16.63 KJ/mol和20.16KJ/mol。降低煤阶,提高升温速率,有利于低阶煤中的水分更快脱除。3)开发了液体热解产物收集装置并在该反应装置上考察了低阶煤低温热解焦油的生成特性。该液体热解产物收集装置采用大弯形大通道作为热解产物通道,使得挥发份在通道内保持和低停留时间,避免由于气流导出不畅而造成高温气体滞留在热解装置中发生二次裂解的弊端。按照GB/T 480—2000中反应条件,采用本液体热解产物收集装置获得的焦油收率比铝甄方法高约2.87%。升温速率影响焦油的收率,升温速率小于10℃/min前,焦油收率随升温速率的提高增长较快,褐煤和不黏煤的焦油收率分别遵循线性方程y=0.26 x+8.38和y=0.07x+3.40;随后焦油收率随升温速率的升高增长速度放缓,当升温速率提高至15℃/min-20℃/min时,褐煤和不黏煤的焦油的收率分别符合线性方程y=0.04x+10.66和y=0.02x+3.84。提高升温速率有利于焦油的快速生成。GC/MS分析得出在低于340℃温度馏分中,低温煤焦油中烷烃含量占焦油总量的26.68%,其中以脂肪族烷烃为主,且随着温度的升高而升高;酚类占焦油的14.05%,以甲酚、二甲酚和甲基乙基酚为主,芳烃类占焦油的19.49%,其中大多是甲基、乙基、丙基、丁基等多烷基苯的取代衍生物,还有少量烯烃、环烷烃、萘和甲基萘的衍生物、蒽、菲芳烃含氮化合物和杂环化合物。4)实验用低阶煤低温热解气产量随热解温度的升高而逐渐增大,热解气生成速率随温度的升高而变化,热解气生成开始温度Ti约为400℃;热解气最大生成速率峰值Rmax及其对应温度Tmax随煤阶的提高而升高,其中褐煤热解气Tmax出现在550-600℃区间,对应的Rmax为100ml/min,而不黏煤热解气Tmax出现在600℃,对应的Rmax为83ml/min;低阶煤低温热解气快速生成结束时间Tf则相差不大,Tf出现在650℃。5)实验用低阶煤低温热解半焦达到生成速率极值点的温度Tmax随煤阶的升高而增大,其中褐煤半焦Tmax为550℃,对应的Rmax为-0.075%/℃,而不黏煤的Tmax提高到600℃,对应的Rmax为-0.080%/℃;低阶煤的H/C和O/C值随热解温度的升高逐步减小,其中褐煤和不黏煤的H/C分别从原煤的0.98和0.59降至600℃时的0.58和0.84,O/C值也从原煤的0.42和0.21分别降至600℃时0.08和0.07,半焦中脂肪基团含量随热解程度的加深逐渐升高;芳碳率fa逐渐增大,随热解温度的提高,半焦基本结构单元中芳环缩合度逐渐增大,半焦的平均缩合环数R值和环缩合度指数(2(R-1))/C随热解温度的升高增加增大;煤结构的不饱和键含量和碳、氢、氧原子摩尔比值随热解过程的进行而减少,褐煤和不黏煤原煤的C:H:O分别为0.98:1:0.42和0.59 0.21,而600℃半焦的C:H:O分别降低至0.58:1:0.68和0.48:1:0.07;半焦生成反应活化能随煤阶的增大而增大,低阶煤低温热解过程中,褐煤的挥发份更易脱除。6)对实验用低阶煤的热解过程进行了初步探讨。傅里叶红外光谱图(FT-IR)表明羟基(O-H)、甲基(-CH3-)、亚甲基(-CH2-)等基团的脱落和芳环结构(-C=C-)的开裂,是低阶煤热解过程中发生的主要反应。挥发份逐渐析出,低阶煤的微观形貌和宏观形貌发生变化,SEM形貌表征发现不黏煤颗粒表面出现熔化聚集现象,并形成较为显著的蜂窝状结构,不同孔径的孔嵌布其中,颗粒整体尺寸逐渐减小,同时低阶煤具有片层结构的外表面片层颗粒逐渐变成椭圆形,由于水分及挥发物析出,半焦的边缘变得圆滑;然后随热解温度的升高,颗粒内温度梯度增加,使得部分半焦破碎,挥发分随之析出。7)确定了实验用低阶煤热解的反应级数n=2,低阶煤热解过程分为四个阶段。采用Coat-Redfern积分法对不同反应级数时的低阶煤热解过程进行了动力学分析,从求取的动力学参数ln[(-ln(1-α))/(T2)](n=1)和ln[(1-(1-α)1-n)/(T2(1-n))](n≠1)获得了不同升温速率时低阶煤热解的动力学曲线,确定了低阶煤的反应级数n=2;低阶煤热解的四个阶段中:第一阶段活化能最低,第二阶段活化能迅速增大,为活泼热解阶段,第三阶段活化能略有降低,第四阶段活化能最大。随着热解温度的提高,低阶煤缩聚反应进行的剧烈程度增强,各项物理性质指芳香晶核尺寸等产生明显跳跃。但由于低阶煤结构性差,热稳定性不好,即使在700℃以后仍有大量的挥发分析出,从而造成低阶煤在热解的第三个阶段(600-700℃)活化能较低,而当温度继续升高到700℃-850℃温度区间,活化能又迅速增大。8)研制了一种使挥发份在炉内保持低停留时间、高收油率的具有特殊结构的大型低温炭化炉,研究了炉内阻力。大型低温炭化炉包括燃烧室和热解气收集器等,其结构特点是炭化炉每个燃烧室中布置一对位于燃烧室上下两端的燃烧喷嘴,每个燃烧喷嘴附近布置蓄热体,使燃烧产生的热烟气在离开燃烧室前加热蓄热体,空气在进入燃烧室中经燃烧喷嘴与燃料进行燃烧之前被蓄热体预热;在每个热解室中布置气态热解产物收集器,气态热解产物穿过贯穿通道由外面进入热解气收集器内,挡料板阻止固态煤进入收集器内部,气体导向板沿垂直方向与桶壁内表面形成35°-55°的角度,防止液态产物回流到收集器的外面,在不改变煤在热解区的流动方向的同时,阻止固态煤进入收集器内部;大型低温炭化炉床层阻力随填充煤块粒度增大而减小,在煤块粒度为25～35mm时,炭化炉炉内阻力△P为1722.7 Pa。