張 莉，寧樹正，舒新前，張建強，鄒 卓，舒元峰，黃少青，劉 亢，丁 戀

(1.中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院,北京 100039;2.中國礦業(yè)大學(北京),北京 100083)

0 引言

作為能源消費大國，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在長時間內(nèi)不會改變。因此，尋求煤炭資源的清潔高效利用，對保障我國能源安全意義重大。煤炭分質(zhì)利用主要依賴于中低溫熱解技術，將煤炭樣品在400～800℃隔絕空氣加熱，熱解后生成固、液、氣三相產(chǎn)物[1-4]。煤熱解也稱作煤的干餾，是指在隔絕空氣或者惰性氣氛下加熱，使之分解成一種或多種物質(zhì)的物理化學過程。熱解產(chǎn)物填補了多種煤基產(chǎn)品，是提高煤炭產(chǎn)品附加值的主要途徑之一[5-9]。本研究對比了格金干餾爐與鋁甑干餾爐的結(jié)構(gòu)、實驗步驟、實驗結(jié)果的差異，通過對條件差異的分析，提出影響焦油產(chǎn)率的主要因素。

1 格金干餾爐與鋁甑干餾爐結(jié)構(gòu)對比分析

本研究采取的格金干餾爐與鋁甑干餾爐結(jié)構(gòu)如圖1和2所示，格金干餾爐的主要由溫場發(fā)生器、溫度傳感器、干餾管、導氣管、錐形燒瓶、錐形瓶壓環(huán)、水箱支撐座構(gòu)成(圖1)。鋁甑干餾爐主要由熱電偶、熱電偶套管、加熱裝置、毫伏高溫計、鋁甑蓋、鋁甑體、導出管、導氣管、錐形瓶、冷卻槽構(gòu)成(圖2)。

圖1 格金干餾爐示意圖Figure 1 Schematic diagram of Gray-King gas retort

圖2 鋁甑干餾爐示意圖Figure 2 Schematic diagram of aluminum gas retort

2 格金干餾爐與鋁甑干餾爐實驗步驟對比分析

本研究格金干餾實驗于江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)設計研究院完成，儀器型號為GDW-Q多功能低溫干餾測試儀。鋁甑干餾爐實驗于中國礦業(yè)大學(北京)完成，儀器型號為HYLZ煤鋁甑低溫干餾爐。格金干餾爐的熱解過程參照GB/T 1341—2007，鋁甑干餾爐的熱解過程參照GB/T 480—2010。

格金干餾爐主要實驗過程是將20g樣品研磨至0.2mm置于干餾管中，使樣品平鋪開，保證樣品受熱均勻，然后將原料置于發(fā)生器中(圖1)；鋁甑干餾爐的主要實驗過程是將20g樣品研磨至0.2mm放入鋁甑內(nèi)(圖2)，根據(jù)設定格金干餾爐/鋁甑干餾爐的升溫速率、熱解終溫及終溫停留時間，對煤樣進行熱解分析。

3 格金干餾爐與鋁甑干餾爐焦油產(chǎn)率對比

由格金干餾爐與鋁甑干餾爐獲得的焦油產(chǎn)率結(jié)果如表1所示，共DDGL-01至DDGL-07七組樣品。兩組實驗結(jié)果分別相差-8.5%，-14.3%，+44.4%，-50.7%，+2.4%，+40.0%，+3.8%(正值和負值分別代表鋁甑干餾爐相對于格金低溫干餾爐實驗結(jié)果的增加和減少)，正負值(焦油產(chǎn)率升高與降低效率)界于-50.7%～+44.4%。

表1 格金低溫干餾爐與格金干餾爐所獲焦油產(chǎn)率對比Table 1 Comparison of tar yields from Gray-King low temperature gas retort and Gray-King gas retort %

4 格金干餾爐與鋁甑干餾爐實驗條件分析

格金干餾爐的實驗條件為：將20g煤樣裝入干餾管中置于格金低溫干餾爐內(nèi)，將格金干餾爐通電加熱至300℃并保持此溫度，自300℃起，以5℃/min的升溫速率加熱至600℃，并將此終溫保持15min(表2)。

表2 格金干餾爐與鋁甑干餾爐實驗條件對比Table 2 Experimental conditions comparison between Gray-King gas retort and aluminum gas retort

鋁甑干餾爐的實驗條件為：將20g煤樣放入鋁甑內(nèi)，自室溫開始加熱，在最初15～20min內(nèi)使溫度升至260℃，達到260℃后，將升溫速率控制在5℃/min，加熱至510℃，并將此終溫保持20min。

5 影響焦油產(chǎn)率的因素分析

按照在煤熱解過程中所發(fā)生的化學以及結(jié)構(gòu)的變化，將熱解煤過程分為三個不同的階段[10-12]：第一階段(室溫至350～400℃)稱為干燥脫氣階段：從一般室溫到活潑的熱分解溫度(Td)，對于大部分煤來說是在300℃左右。在這一階段中，煤的表觀形狀和結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生明顯的變化。在120℃前主要進行的是脫水反應，并在 200℃左右基本脫除吸附在煤的表面和孔隙中的CH4、CO2、N2等氣體。

第二階段(Td～550℃)稱為劇烈熱分解階段：這一階段的最顯著的特征是活潑分解，當煤熱解過程進入這個階段之后，大量的揮發(fā)物包括煤氣和焦油等會生成和析出，此時發(fā)生的反應以解聚和分解反應為主。在 450℃左右時，焦油的析出的速率達到最大，此時芳香烴和長鏈脂肪烴作為主要成分構(gòu)成了焦油，而在 450～550℃時，氣體析出量達到最大，主要成分包括CO2、CO 以及 C2、C3類的脂肪烴氣體。

第三階段(550～1 000℃)稱為熱縮聚階段：這一階段又被稱作二次脫氣階段，熱縮聚反應伴隨著這個階段的進行。大量的交聯(lián)鍵斷裂反應在此階段發(fā)生，揮發(fā)性組分主要是多種烴類氣體、碳的氧化物和氫氣，并且在逸出過程中，部分焦油發(fā)生裂解反應。

根據(jù)上文所述的實驗條件，格金低溫干餾爐與鋁甑干餾爐在焦油產(chǎn)率在4%～5%和10%～11%的區(qū)間內(nèi)兩者測試結(jié)果相差不大(DDGL-01，DDGL-05,DDGL-07),平均相差4.9%。此外的四組數(shù)據(jù)相差均超過10%，甚至達到50.7%(DDGL-04)，由此可見，熱解的條件對于焦油產(chǎn)率的測定有一定的影響[13-15]，主要影響因素包括：熱解起始溫度、升溫速率、熱解終溫及熱解終溫停留時間。同時，格金干餾爐熱解煤樣時是通過將煤樣平鋪于干餾管內(nèi)的方式，鋁甑干餾爐熱解煤樣時是通過將煤樣置于鋁甑體內(nèi)的方式，推測上述兩種方式對于熱解產(chǎn)生的焦油產(chǎn)率也存在一定的差異。

6 結(jié)論

1)格金干餾爐與鋁甑干餾爐在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別主要是干餾管與鋁甑體的差異，在進行熱解時，格金干餾爐熱解煤樣是以平鋪的形式放置于干餾管內(nèi)，鋁甑干餾爐熱解是將煤樣放置于鋁甑體內(nèi)，煤樣放置的方式可能會導致測得焦油產(chǎn)率出現(xiàn)差異。

2)在同質(zhì)量同粒度的前提下，熱解實驗條件對焦油產(chǎn)率的影響因素主要包括：熱解起始溫度、升溫速率、熱解終溫及熱解終溫停留時間。

3)在碳達峰、碳中和背景下，煤炭資源的清潔高效利用，對保障我國能源安全意義重大。通過中低溫熱解技術實現(xiàn)煤炭的分質(zhì)分級利用，仍需在熱解方式上尋求最優(yōu)實驗條件。