陕北长焰煤低温干馏特性试验

郭建平

(陕西陕北乾元能源化工有限公司，陕西 榆林 719000)

我国煤炭资源比较丰富，根据2017年《中国矿产资源报告》报道，我国煤炭资源可开采储量超过16 000亿t，其中，低阶煤储量接近6 000亿t，约占煤炭探明储量的42%[1-3]。低阶煤具有高水分、高挥发分、高化学活性等特点[4-5]。目前，低阶煤主要利用方式是直接燃烧发电。由于低阶煤的水分高，因此燃烧过程中消耗大量能量。

低阶煤热解技术是低阶煤气化、热电联产等深加工工艺的基础。低阶煤热解是一个极其复杂的化学转化过程，涉及热裂解、脱氢缩聚、脱氢芳构化等化学反应。因此，低阶煤热解过程受很多工艺条件的影响，如热解终温、热解时间、热解气氛、载体流量等。热解终温过高会加剧焦油的二次裂解以及稠环芳烃的脱氢缩聚反应。Zeng等[6]研究了流化床煤热解特性，结果表明，当热解终温过高时，焦油中的脂肪族化合物会分解成气体。Wang等[7]研究结果表明，当热解终温为600～900 ℃时，煤气产率增加尤为显著。热解时间直接影响低阶煤的热解程度及产物分布。热解时间的延长会增加焦油二次裂解的程度，从而导致焦油产率减小，煤气产率增加[8-9]。热解气氛的不同可以影响热解产物产率及品质。研究表明，氢气气氛可以促进煤的热解[10-11]。Liao等[12]研究认为，高压力的氢气气氛可以提高焦油的品质。由此可见，热解条件的变化直接影响低阶煤的热解过程，最终导致热解产物分布及性质的不同。

为研究热解条件对陕北长焰煤热解的影响规律，本文在前期研究成果基础上，对陕北长焰煤进行低温干馏试验，考察了不同热解终温、终温恒温时间和载气流量对热解产物分布及焦油品质的影响，为陕北长焰煤低温热解工艺的优化提供经理论依据。

1 试 验

1.1 原料特性

以陕北地区长焰煤为研究对象，按照标准对样品进行工业分析及元素分析，结果见表1。

1.2 低温干馏试验

1.2.1 试验装置

本试验以自制管式炉作为试验装置，主要包括载气进气系统、管式炉加热系统、冷却系统，温控与显示系统等，详见图1。

表1 陕北长焰煤煤样的工业分析及元素分析

图1 低阶煤热解试验装置示意

首先向管式炉中装入6～13 mm粒径的50 g空气干燥基煤样，然后通入N2，检查装置的气密性。在装置气密性良好的情况下，以300 mL/min流量向装置内通入N245 min，以置换装置内的空气。升温速率恒为10 ℃/min，通过设定不同的热解终温及流量计开度，对陕北长焰煤进行不同热解终温、终温恒温时间以及载气流量的干馏试验。试验结束后收集热解残渣、冷凝装置中冷凝的液体，进行热解半焦产率、焦油产率、煤气产率、水产率分析。

1.2.2 焦油品质分析

参照标准NB/SH/T 0509-2010，检测焦油中饱和烃、芳香烃的含量及胶质与沥青质的总量，以饱和烃含量为基准评价焦油品质的变化。

2 结果讨论

2.1 热解终温

当氮气流量为350 mL/min、终温恒温时间为30 min，考察600 ℃、630 ℃、650 ℃、670 ℃、700 ℃不同热解终温对热解产物分布及焦油品质的影响。

2.1.1 热解终温对热解产物分布的影响

由图2和图3可知，当热解终温从600 ℃逐渐升至700 ℃时，半焦产率逐渐减小，当热解终温高于650 ℃时，半焦产率减小幅度逐渐降低，空干基水产率逐渐增大；焦油产率先增大然后减小，在650 ℃时达到最大值，煤气产率一直增大，但当热解终温高于650 ℃时，增长幅度逐渐减小。这是因为升高热解终温可以增大长焰煤的热解程度，因而半焦产率减小，水产率增大[13]。焦油产率受煤热解程度及焦油二次裂解反应的影响，热解终温越高越易于焦油的二次裂解，当热解终温高于650 ℃时，焦油二次裂解反应剧增，因而，焦油产率减小，煤气产率一直增大。

图2 热解终温对半焦和水产率的影响

图3 热解终温对焦油及煤气产率的影响

2.1.2 热解终温对焦油品质的影响

由图4可知，随着热解终温的升高，焦油中饱和烃含量逐渐减小，芳香烃、胶质和沥青质的含量逐渐增大。因为焦油中的饱和烃，尤其是链状烃最易二次裂解，所以随着热解终温的升高，饱和烃含量减小。环烷烃的脱氢芳构化、稠环芳烃的脱氢缩聚反应均为吸热反应，热解终温的升高促进环烷烃的芳构化、稠环芳烃的脱氢缩聚反应的进行。由此可知，热解终温过高会使焦油中饱和烃含量减少[14]。

图4 热解终温对焦油组成的影响

综合热解终温对热解产物分布及焦油品质的影响，确定陕北长焰煤的最佳热解终温在650 ℃左右。

2.2 终温恒温时间

当热解终温为650 ℃，载气流量为350 mL/min，恒温时间依次取10 min、20 min、30 min、40 min、50 min，考察恒温时间对热解产物分布及焦油品质的影响。

2.2.1 终温恒温时间对热解产物分布的影响

由图5和图6可知，半焦产率随着恒温时间的增加，逐渐减小；焦油、煤气产率随着恒温时间的增加先骤然增大，当恒温时间超过30 min后，焦油和煤气的产率趋于稳定，产率分别为8.19%、6.23%。这是因为当恒温时间较短时，长焰煤的热解程度受热解时间的限制，因而长焰煤的热解程度随着恒温时间的增加而加深，当恒温时间超过30 min时，长焰煤的热解程度受热解终温的限制，故热解产物的分布基本不变。

图5 恒温时间对半焦及水产率的影响

图6 恒温时间对焦油及煤气产率的影响

2.2.2 终温恒温时间对焦油品质的影响

由图7可知，随着恒温时间的增加，焦油中饱和烃的含量减小，芳香烃、胶质和沥青质的含量增大，当恒温时间大于30 min时，焦油组成趋于稳定。长焰煤热解过程中，煤中脂肪烃等小分子化合物最易热裂解，所以焦油中饱和烃含量较高，品质较好，随着恒温时间的增加，煤中较难热解稠环化合物等重质组分热解程度加深，所以焦油品质变差。

综合恒温时间对热解产物分布及焦油品质的影响，确定陕北长焰煤热解的最佳终温恒温时间为30 min左右。

图7 恒温时间对焦油组成的影响

2.3 载气流量

当热解终温为650 ℃，终温恒温时间为30 min，载气流量依次取150 mL/min、250 mL/min、350 mL/min、450 mL/min、550 mL/min，考察载气流量对热解产物分布及焦油品质的影响。

2.3.1 载气流量对热解产物分布的影响

由图8可知，当氮气作为载气时，载气流量的变化对半焦的产率基本没有影响，半焦产率在65%左右。水产率先随载气流量的增大而减小，然后趋于稳定。由图9可知，当载气流量由150 mL/min增大至350 mL/min，焦油产率骤然增大，煤气产率骤然减小；当载气流量大于450 mL/min时，煤气和焦油产率变化幅度很小，焦油、煤气产率基本稳定。这是因为载气流量的增大使焦油组分及时被载气带出，缩短了焦油二次裂解反应的时间，减弱了焦油的裂解。

图8 载气流量对半焦及水产率的影响

图9 载气流量对焦油(煤气)产率的影响

2.3.2 载气流量对焦油品质的影响

图10 载气流量对焦油组成的影响

由图10可知，随着载气流量的增加，焦油中饱和烃含量逐渐增大，芳香烃、胶质和沥青质的含量逐渐减小。当载气流量由250 mL /min增至450 mL/min时，饱和烃含量大幅度增加，芳香烃含量大幅度减小；当载气流量大于450 mL/min时，饱和烃和芳香烃含量基本不变。这是因为载气流量增大，焦油被载气及时带出，减弱了焦油中饱和烃的二次裂解及环烷烃的芳构化反应。当载气流量大于450 mL/min时，焦油挥发速率由于受煤样孔道结构的限制而趋于稳定，所以焦油组成基本不变[15]。

综合载气流量对热解产物分布及焦油品质的影响，确定陕北长焰煤热解的最佳载气流量为450 mL/min左右。

3 结 论

综上所述，热解终温、终温恒温时间、载气流量对陕北长焰煤热解产物分布及焦油品质均有较大的影响，具体结论如下：

(1)随着热解终温的升高，半焦产率减小，煤气产率增大，焦油产率先增大后减小，热解终温达到650 ℃时，焦油产率达到最大值；

(2)在一定范围内，恒温时间的增加有利于提高焦油和煤气的产率，当恒温时间大于30 min，恒温时间的增加对热解产物分布几乎无影响；焦油品质随恒温时间的增加而变差，当恒温时间大于30 min时，恒温时间对焦油品质的影响很小；

(3)当载气流量小于450 mL/min时，增大载气流量可以显著提高焦油的收率，改善焦油的品质；

(4)综合分析三种因素的影响，确定陕北长焰煤的最佳热解条件为热解终温650 ℃、恒温时间30 min、载气流量450 mL/min。在最佳的热解条件下，长焰煤热解产物分布为(空干基)：65.53%半焦、8.33%焦油、6.14%煤气；焦油中饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质含量依次为22.7%、36.1%、41.2%。