不同煤種模擬煉焦時化產(chǎn)回收的實(shí)驗(yàn)研究

張 欣

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200)

引 言

我國作為煤炭生產(chǎn)大國，其焦炭產(chǎn)量在世界中排行第一，且我國的焦炭產(chǎn)量一直處于上升趨勢。由于焦煤的生產(chǎn)成本較高且其可煉焦煤的資源較少，越來越多的焦化企業(yè)重視對化學(xué)產(chǎn)物的回收[1]。其中，由于焦煤焦化后剩余的產(chǎn)物其主要成分為焦?fàn)t氣。經(jīng)分析可知，焦?fàn)t煤氣中的主要成分為氫氣。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中不僅可以利用焦?fàn)t煤氣提煉氫氣，還可以合成甲醇。除此之外，焦煤提煉后的粗笨可以加工為多種高純度苯系化工原料。

本文著重對煉焦時所產(chǎn)生的化學(xué)產(chǎn)物進(jìn)行回收，并對比不同煤種所產(chǎn)生化學(xué)產(chǎn)物的差異性。基于上述研究可以得出不同煤種焦化的產(chǎn)物，為煉焦原料的選擇提供依據(jù)，并為化產(chǎn)回收系統(tǒng)的設(shè)計提供指導(dǎo)意見。

1 模擬煉焦及化產(chǎn)回收實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)實(shí)際煉焦及化產(chǎn)回收的生產(chǎn)過程，某煤化工研究所在分析實(shí)際工況的前提下，設(shè)計并制造出一套模擬煉焦及化產(chǎn)回收的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖1所示。

如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置不僅可以模擬實(shí)際生產(chǎn)的煉焦過程，還可以測定氣液固的化產(chǎn)回收率。該實(shí)驗(yàn)裝置的工作流程為：熱解爐反應(yīng)器中的產(chǎn)物流經(jīng)導(dǎo)氣管先經(jīng)過冷凝回收焦油，而后通過煤氣凈化裝置吸收產(chǎn)物中的萘、H2S等雜質(zhì)完成對產(chǎn)物的凈化，

圖1 模擬煉焦及化產(chǎn)回收實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

凈化后的產(chǎn)物采用排水集氣的方法收集其中的干凈的煤氣[2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

1) 將參與實(shí)驗(yàn)的煤進(jìn)行篩選，確保樣煤顆粒大小小于3 mm，將樣煤進(jìn)行干燥處理，并測定經(jīng)干燥處理后樣煤中的水分。選取1 kg處理后的樣煤，加入一定量水，確保樣煤中的水分含量為10%。

2) 將1)中所得樣煤攪拌均勻后在專用的模具中搗固，確保每次搗固堆的體積均相同，確保每個搗固堆的密度大小為1 g/cm3。

3) 實(shí)驗(yàn)前需將實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵設(shè)備熱解爐預(yù)熱到某一溫度，并恒溫保持15 min；然后將2)中的搗固堆加入熱解爐中反還應(yīng)，并以2 ℃/min的速度加熱，直至熱解爐的溫度達(dá)到950 ℃，并保持1 h。

1.3 測試方法

加入樣煤反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)冷凝、凈化處理后，對最后得到的產(chǎn)物進(jìn)行標(biāo)定和測試。將最終得到的凈煤氣通過濕式氣體流量計測定所得最終產(chǎn)物的體積，并通過氣相色譜分析最終產(chǎn)物的組成部分[3]。測試所用的設(shè)備包括有分子篩柱、401有機(jī)擔(dān)體柱等。為確保最終測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，測試時需滿足以下條件：設(shè)備溫度需預(yù)熱到100 ℃，測試環(huán)境的溫度為150 ℃，橋流為100 mA，參與測試氣體的流速大小為40 mL/min。

2 不同煤種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樣煤分析結(jié)果

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的全面性，本文總共選擇7種不同煤種對其進(jìn)行模擬煉焦實(shí)驗(yàn)，并分析不同煤種最終產(chǎn)物的差異性。本次實(shí)驗(yàn)的煤種中，5種為煉焦煤，其余2種為非煉焦煤。除了所選煤種不同外，其余實(shí)驗(yàn)條件均相同。本文所選7種煤的分析結(jié)果如表1所示。

表1 不同煤種分析結(jié)果統(tǒng)計表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 氣液固三相比例分析

由于不同煤種的煤質(zhì)不同，不同煤種在煉焦過過程中所產(chǎn)生的產(chǎn)物及最終焦炭的質(zhì)量也各不相同[4]。為了充分對比不同煤種所得煉焦產(chǎn)品的差異性，需分析單位煤所得產(chǎn)物的成分進(jìn)行對比分析。如圖2所示不同煤種所得煉焦氣體、液體以及固體產(chǎn)物的比例。

分析圖2可知，單位煤的成焦率與煤內(nèi)部固定碳的含量成正比例關(guān)系，而且煉焦煤的成焦率隨著不同煤種的變質(zhì)程度加深而增加；而煉焦煤煤氣的產(chǎn)量主要決定于焦油的揮發(fā)程度，揮發(fā)較大的其煤氣產(chǎn)量較低，因此煉焦煤的煤氣的產(chǎn)量隨著不同煤種的變質(zhì)程度加深而減少。

2) 產(chǎn)物中NH3和H2S的產(chǎn)率例分析

如圖3所示為不同煤種在煉焦過程中回收NH3和H2S產(chǎn)率的關(guān)系曲線圖。

NH3和H2S產(chǎn)率主要取決于煉焦煤中S和N的含量。一般情況下，煉焦煤總僅有11%左右的氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?7%左右的氮轉(zhuǎn)化為NH3，其余保留至焦炭中。分析圖3可知，由于煉焦煤中氮和硫的含量較高，故回收產(chǎn)物中NH3和H2S的產(chǎn)率最高。

3) 粗苯和萘的產(chǎn)率分析

經(jīng)研究可知，煉焦煤產(chǎn)物中苯族烴的產(chǎn)量與煤中C和H的含量成正比。此外，若煉焦煤的揮發(fā)性越高，在其產(chǎn)物中甲苯的含量就越少。一般情況下，苯由煉焦煤大分子結(jié)構(gòu)的降解和裂解而成，或者由煉焦煤中的煉焦煤芳香結(jié)構(gòu)和氫化芳香結(jié)構(gòu)縮聚反應(yīng)的產(chǎn)物。本次中不同煤種粗苯和萘產(chǎn)率如第53頁圖4所示。

圖2 不同煤種所得煉焦產(chǎn)物固、氣、液比例

圖3 不同煤種回收NH3和H2S產(chǎn)率的關(guān)系

分析圖4可知，非煉焦煤的粗苯產(chǎn)率最低，煉焦煤中FM36煤的粗苯產(chǎn)率最高，且隨著煉焦煤變質(zhì)程度的加深其粗苯產(chǎn)率不斷減小；回收產(chǎn)物中萘的含量不僅與煤質(zhì)有關(guān)，還與煉焦煤的揮發(fā)程度有關(guān)，因此煉焦煤的變質(zhì)程度越高其萘的產(chǎn)率越低。

4) 凈煤氣的成分分析

經(jīng)分析可知，煉焦煤最終產(chǎn)物凈化所得煤氣成分主要包括有：氫氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳以及少量的烴類[5]。且不同煤種最終所得凈煤氣各個成分的比例如圖5所示。

圖4 不同煤種粗苯和萘的產(chǎn)量曲線圖

圖5 不同煤種凈煤氣成分比例圖

分析圖5可知，凈煤氣的主要成分為氫氣，其含量占總成分的45%左右，其中以SM13煉焦煤所得凈煤氣中氫氣的含量最高；此外，隨著煉焦煤變質(zhì)程度的加深氫氣含量越高。所占比例第二多的成分為甲烷，其含量均占總成分的20%左右；此外，隨著煉焦煤變質(zhì)程度的加深甲烷含量越低 ，一氧化碳和二氧化碳的含量均為最少。

3 結(jié)語

本文以模擬煉焦和回收裝置為載體，分析不同煤種模擬煉焦產(chǎn)物及回收產(chǎn)物的差異性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，煉焦產(chǎn)物中的熱解產(chǎn)品與煤種的變質(zhì)程度有直接的關(guān)系；且凈煤氣中氫氣和甲烷的含量最多，其中氫氣含量隨著煤種變質(zhì)程度的增加而增加，甲烷含量隨著煤種變質(zhì)程度的增加而減少。通過模擬煉焦和回收實(shí)驗(yàn)，可明確不同煤種所得產(chǎn)物的差異性，為更好地預(yù)測不同煤種的煉焦產(chǎn)物和回收產(chǎn)物奠定了基礎(chǔ)。