煤熱解產物分布影響因素研究

梁曉彤 李博

フ?要：本文通過參考近年來關于煤熱解領域的研究成果，重點分析了熱解溫度、升溫速率、熱解壓力、熱解氣氛和氣體停留時間這些熱解條件對煤熱解產物分布的影響。以期通過綜合調控這些熱解條件，為未來煤熱解工藝的進一步開發提供一定的指導和借鑒作用。

ス丶詞：煤熱解；產物組成；熱解溫度；二次反應

煤熱解是煤氣化、液化、燃燒、干餾反應中必不可少的過程，是煤炭轉化的重要工藝之一，因此，針對煤熱解工藝的調控及開發一直是煤炭綜合利用研究的重點。煤熱解過程既受到催化劑、熱解條件、預處理等外界因素的影響，還受到煤化程度、礦物質含量、有機顯微組分等這些煤炭自身因素的制約。在眾多因素中，熱解條件是煤炭熱解過程中較容易調控的可變因素，對熱解產物的組成有著重要的影響，因此，本文分別從熱解溫度、升溫速率、熱解壓力、熱解氣氛、氣體停留時間這五個方面探究其對煤熱解產物中氣體、焦油、半焦的組成和收率的影響。

1?熱解溫度

ト冉庵瘴略醬螅煤熱失重越大，這是因為隨著溫度的升高煤中會有更多的弱鍵斷裂形成自由基脫離固相，因此，半焦產率隨溫度升高而逐漸減少。當溫度超過800℃之后，由于大部分可揮發性物質已經逸出，溫度的進一步提高對半焦產率不再有明顯影響。焦油產率在500℃~600℃時產率達到最大值［1-2］，隨后溫度越高，焦油產率越低，這歸因于一次熱解產物的二次裂解，煤熱解過程中不僅存在著煤炭本身的熱解反應，隨溫度的進一步升高，從煤炭中逸出的部分揮發分會發生裂解和聚合反應，這就導致了焦油最終收率減少和小分子氣體收率的增加，而且，焦油組分也從輕質化向重質化轉變。

2?升溫速率

ハ嗤熱解終溫下，升溫速率對煤熱解產物的影響體現在四方面:（1）升溫速率越大，單位時間生成的揮發分越多，其在煤層表面停留時間越短，煤熱解揮發分越容易從煤炭中脫離出來，減少了一次熱解產物的停留時間，降低了二次反應發生的可能性，煤焦油收率增加，而且焦油中重質組分增加，輕質組分減少；（2）增加升溫速率會降低半焦收率，而且由于揮發分的快速逸出，使得半焦表面的空隙增加、有序性降低；（3）升溫速率越大，煤熱解氣收率也越大［3］；（4）升溫速率增加會產生傳熱滯后效應，最大失重峰會向高溫方向移動。

3?熱解壓力

ノ南妝ǖ樂賦觶提高熱解壓力會抑制煤炭熱解初級產物的快速逸出，延長其停留在煤炭內部的時間，從而使更多揮發分有機會參與到二次反應中，結果就是煤焦和熱解氣收率提高，而煤焦油收率降低；壓力變化對氣態產物中的小分子氣體的產量的影響規律不明顯，這與煤種和其他操作條件有緊密的關聯。

チ磽猓研究還發現，相對于熱解溫度對煤熱解產物組成分布的影響，壓力的影響作用相對弱一些。因此，在優化工業生產工藝時，為了減少工藝改造成本，壓力和溫度兩種因素中可以優先考慮調控溫度這一變量因素。

4?熱解氣氛

ゲ煌熱解氣氛下煤熱解反應過程有所不同，這會影響熱解產物的組成。一般將熱解氣氛劃分為惰性氣氛如N2、He，氧化性氣氛如O2和CO2、還原性氣氛如H2、CH4，CO。由于煤炭本身碳氫比相對于煤熱解產物碳氫比更高，也就是說相對而言煤炭更缺氫，因此像H2，CH4這類富氫的熱解氣本身提供的氫自由基能夠與煤熱解中自由基碎片結合生成輕質的熱解產物，避免了大分子自由基之間的聚合。研究發現，相對于惰性氣氛，氫氣氣氛下煤焦油收率增加，其中的BTX含量顯著增加，提高了煤焦油的品質；氫氣氣氛也更有利于煤炭中雜原子S、N的脫除，降低了半焦中雜原子含量［4］；研究還發現，O2、CO2等氧化性氣氛熱解一般所得焦油產率較低，這可能是因為CO2和O2的存在可以消耗煤焦中的部分C，導致煤焦產率減少，氣體產率增加［5］。

5?氣體停留時間

ネＡ羰奔潿悅喝冉獠物生成的影響比較復雜，研究發現，氣體停留時間和溫度這兩種因素是相互關聯，它們都受二次反應的影響。溫度較低時，煤熱解主要發生一次反應，二次反應不明顯，停留時間的影響不大；當溫度超過600℃時，二次反應開始進行，二次反應包括二次裂解產生小分子焦油和小分子氣體，還包括再聚合生成大分子焦油和半焦，這種情況下，停留時間越大，二次反應越劇烈，溫度較低時是以裂解反應為主，生成的小分子氣體較多，當溫度過高時，結焦反會越來越多，總的結果就是焦油產率減少，氣體產率先增大后減少。

ゴ恿硪桓黿嵌壤純矗停留時間過短有可能導致煤熱解不完全，停留時間過長煤能夠充分熱解，但是不利于提高工業化大規模生產效率。因此，合理調節氣速和控制溫度是獲得優化煤熱解產物的關鍵點。

6?小結

ザ嗄暄芯糠⑾鄭煤熱解過程是一個極其復雜的過程，包括多種物理變化和化學變化。煤熱解產物生成及分布是多種因素之間共同作用和相互制約的結果。我們要優化操作工藝、降低生產成本、減少環境污染、獲得高附加值的化學品，就要進一步的研究各個因素之間的相互影響機制，通過有效地調控來達到最優結果。

ゲ慰嘉南祝

ィ1］Tyler?R?J．Flash?pyrolysis?of?coals：devolatilization?of?bituminous?coals?in?a?small?fluidized-bed?reactor［J］.Fuel，1980，59（4）：218-226．

ィ2］何國鋒，戴和武，金嘉璐，等.低溫熱解煤焦油產率、組成性質與熱解溫度的關系［J］.煤炭學報，1994，19（6）：591-597．

ィ3］常娜，甘艷萍，陳延信.升溫速率及熱解溫度對煤熱解過程的影響［J］.煤炭轉化，2012，35（3）：1-5．

ィ4］倪明江，李敏，方夢祥，等.富氫氣氛對煤熱解特性的影響［J］.熱力發電，2015，44（6）：36-41.

ィ5］王鵬，文芳，步學朋.煤熱解特性研究［J］.煤炭轉化，2005，28（1）：8-13.

プ髡嘸蚪椋毫合彤（1989-），女，助教，從事煤化工和催化劑方面的教學與研究；李博（1991-），女，助教，從事化工及煤高效清潔利用方面的教學及研究。