基于煤质组结构特征，研究煤快速热解过程中颗粒破碎特性

《Fuel》：Study on particle fragmentation characteristics during rapid pyrolysis of coal based on the structural characteristics of coal macerals

煤热解过程中镜质体与惰质体破碎行为差异及机制研究。通过可视化快速热解系统、氮气吸附、汞入射孔隙测量和扫描电镜分析，发现700-900℃温度区间内，镜质体破碎概率（4.6%-16.6%）显著高于惰质体（3.4%-7.6%），其差异与挥发分含量（镜质体高）、孔隙结构（镜质体多 macropores）及热传导率（镜质体低）相关，导致热应力累积更显著。

　　

马国平|吕鹏|宋旭东|白永辉|王娇菲|苏伟光|于光硕

中国宁夏大学化学与化学工程学院高效利用煤炭与绿色化学工程国家重点实验室，银川750021

摘要

在快速煤热解过程中，颗粒的破碎和粉碎行为直接影响热解产物的质量和粉尘含量。本研究使用可视化快速热解实验系统，研究了小龙滩褐煤中镜质体和惰质体颗粒在碰撞壁面时的破碎行为差异。通过N₂物理吸附、汞侵入孔隙仪和扫描电子显微镜系统分析了所得镜质体和惰质体炭颗粒的孔结构特征。结合黑体炉温度校准和高速成像技术，实时捕捉并分析了颗粒与壁面碰撞前后的温度变化，揭示了不同矿物组分在高温条件下的热传递速率差异对破碎行为的影响。随着热解温度从700°C升高到900°C，两种矿物组分的破碎概率均显著增加：镜质体颗粒的破碎概率从4.60%上升到16.60%，而惰质体的破碎概率从3.40%上升到7.60%。镜质体的破碎概率始终高于惰质体，且这种差异在高温下更加明显。这一现象主要归因于镜质体较高的挥发性成分，导致热解过程中挥发物迅速释放，产生更大的膨胀压力；其炭具有更发达的宏观孔结构，稳定性较低，易于塌陷和破碎；此外，镜质体相对较低的热导率导致颗粒内部热应力积累，从而在快速热解过程中更容易发生破碎。

引言

煤炭是全球最丰富的化石资源，是一种稳定可靠的基础能源和化工原料[1]。随着优质煤炭资源日益稀缺，低阶煤因其显著的能源转化潜力而在全球能源格局中变得越来越重要[2],[3]。以低阶煤快速热解为核心的多产品转化技术，能够实现煤炭物质和能量的梯级利用，带来经济和环境效益[4],[5]。这一方法符合“双碳”框架下煤化工行业绿色低碳发展的战略目标。然而，煤热解技术仍面临一些共同挑战，包括高温热解蒸汽中粉尘含量高以及难以将焦油与粉尘分离的问题。煤炭颗粒在快速热解过程中的破碎和粉碎是导致蒸汽中粉尘含量高和焦油质量下降的关键因素[6],[7]。因此，降低高温蒸汽中的粉尘含量和提高焦油质量已成为限制低阶煤快速热解过程安全、稳定、长期满负荷运行的关键技术瓶颈[8],[9]。

煤炭颗粒在热化学转化过程中的破碎可以定义为在机械力、热应力和物理弱化的共同作用下发生的结构解体和粉碎过程[10],[11]。现有研究表明，煤炭颗粒的热破碎主要遵循三种典型模式：中心破碎、外层剥落/开裂和混合模式，这些模式之间的颗粒形态存在显著差异[12]。崔等人[13]研究了三种不同等级煤炭在快速热解过程中的破碎特性，发现较高的热解温度和较长的停留时间会增强破碎效果。破碎程度因煤炭类型而异：内蒙古褐煤 ≈ 沈福烟煤 > 金城无烟煤。此外，褐煤和烟煤的热破碎主要发生在外部区域，而无烟煤主要表现为表面剥落。研究表明，低阶煤（如褐煤和长焰煤）由于其较高的挥发性成分和独特的孔结构，在热解过程中通常表现出更明显的破碎倾向。这为本研究提供了重要背景，本研究重点关注低阶煤组分的破碎机制。乔等人[14]研究了孔结构对煤炭颗粒内部热应力分布的影响，重点关注孔的形状、大小、位置和孔隙率。他们发现较高的孔曲率会增加最大内部热应力；孔的位置显著影响中心和表面的应力；孔隙率线性增加最大拉伸应力，使高孔隙率颗粒更容易断裂。钟等人[15]通过原位观察发现，热应力而非脱挥是无烟煤颗粒破碎的主要原因。破碎从中心区域开始，细小颗粒主要是通过拉伸失效多次破碎产生的。吴等人[16]研究了印度尼西亚富华煤气化过程中颗粒的破碎比例、模式和表面温度。他们的结果显示，中心区域的破碎比例高于外围区域。在高温和低氧条件下，破碎更易发生。提高氧气浓度或温度都会促进破碎，其中温度对外围破碎的影响更大，而中心区域的破碎对氧气浓度变化更为敏感。因此，煤炭在热化学转化过程中的破碎行为不仅受加热温度、加热速率和停留时间等外部因素的影响，还与其内在的物理化学性质密切相关。然而，目前仍缺乏关于热化学转化过程中不同矿物组分在微观尺度上的破碎行为的系统研究。

岩石学研究表明，煤炭中的有机矿物组分具有显著不同的物理化学性质，这些结构差异在低阶煤快速热解过程中的颗粒破碎行为中起着决定性作用[17],[18]。镜质体组通常来源于腐殖化的植物组织，其特征是挥发性成分高、反射率低、分子结构反应性强、缩合程度低。相比之下，惰质体组通常具有更强的芳香性、反射率高、反应性低、挥发性成分低和更高的碳化程度[19]。这些特性差异导致两种组在热化学转化过程中的脱挥行为、气体组成、孔结构发展、焦油产率和炭形成行为存在显著差异。例如，富含脂肪族结构的镜质体通常产生较高比例的焦油和脂肪族烃，而富含高度缩合芳香环结构的惰质体主要产生以多环芳烃为主的焦油[20]。挥发物的释放不仅是热解过程中的关键过程，其释放速率和方式（如颗粒内部是否形成高压）也是影响颗粒破碎的重要因素。然而，关于矿物组分对快速热解过程中颗粒破碎影响的深入研究仍不足，特别是矿物结构与破碎特性之间的定量关系方面。煤炭颗粒的固有物理化学性质是其破碎行为的关键决定因素。不同矿物组分在颗粒大小、孔特征和化学结构上的显著差异不可避免地导致在热应力作用下的不同破碎模式和程度。因此，分离和研究不同矿物组分的结构特征，以阐明原始煤炭性质对热解破碎的影响，在微观层面上建立基于矿物的煤炭配比理论至关重要[21],[22]。

本研究选择了小龙滩褐煤（XLT）作为研究对象，该煤具有较高的镜质体、惰质体和挥发物含量，用于研究不同矿物组分在快速热解条件下与反应器壁碰撞时的破碎行为。阐明了破碎机制与矿物组分之间的关系，为其他具有类似矿物组成的低阶煤提供了参考。通过对挥发物释放、孔结构演变和热传递特性的详细分析，系统揭示了各种煤矿物组分的微观破碎机制。这项工作不仅填补了将颗粒破碎行为与低阶煤结构特征联系起来的关键研究空白，还为精确控制低阶煤热解过程中焦油生成源的细颗粒生成提供了理论基础。这些发现支持了快速热解技术在清洁能源领域的有效应用。

样本制备

样品制备

本研究选择了适合热解研究的XLT煤作为原料。首先，将煤颗粒筛分至18–20目（颗粒大小约为0.84–1.00毫米）。根据中国国家标准GB/T 478-2008，使用密度为1.36 g/cm³的ZnCl₂溶液作为煤样分离的密度介质。具体步骤如下：将煤样和ZnCl₂重液加入一个大烧杯中

不同煤矿物组分的富集和形态

图2展示了使用煤炭岩石学分析仪拍摄的XLT煤中镜质体颗粒的显微图像。图像是用50倍油浸物镜拍摄的，每个抛光块每隔1毫米拍摄20张图像。如图2(a–i)所示，在反射光模式下，XLT煤中的镜质体和惰质体组分在光学显微镜下显示出明显的形态差异。用黄色圆圈标记的镜质体颗粒呈现灰色至深灰色

结论

• 1.
  研究了不同煤矿物组分在快速热解过程中与壁面碰撞时的破碎概率。富含镜质体的颗粒破碎概率高于富含惰质体的颗粒。随着热解温度的升高，两种颗粒的破碎概率均增加，其中镜质体颗粒的破碎概率增加更为显著。
• 2.
  在900°C时，富含镜质体的炭形成了更多的宏观孔隙，而富含惰质体的炭主要保持微观孔隙结构。

作者贡献声明

马国平：撰写——原始草稿，可视化，数据整理。吕鹏：验证，监督，数据整理。宋旭东：验证，监督，概念化。白永辉：项目管理，方法论，研究。王娇菲：监督，正式分析，数据整理。苏伟光：资金获取，正式分析，数据整理。于光硕：验证，资源协调，项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22308173）和宁夏自然科学基金青年项目（B类，项目编号2025AAC050017）的支持。