山陰低階煤低溫干餾影響因素研究

張廣仨，韓冬云，曹祖賓（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001）

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山陰低階煤低溫干餾影響因素研究

張廣仨，韓冬云，曹祖賓
（遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001）

摘要：以山陰低階煤為原料，采用自制的鋁甑干餾設(shè)備，考察了加熱速率、干餾終溫、持溫時(shí)間、煤粒度等因素對(duì)山陰煤出油率的影響。結(jié)果表明，在升溫速率為7℃/min，干餾終溫為450℃，持溫時(shí)間為20min，煤粒度為0.5mm的適宜條件下，煤焦油出油率達(dá)9.8%。

關(guān)鍵詞：低階煤；低溫干餾；干餾終溫；升溫速率；持溫時(shí)間；煤粒度

Key worlds：Low rank coal；low-temperature dry distillation；terminal temperature of dry distillation；heating rate；temperature holding time；coal particle size

前言

我國(guó)是一個(gè)“富煤少油缺氣”的國(guó)家。在世界已探明的化石能源儲(chǔ)量中，中國(guó)的煤炭占世界總量的15%，石油占2.7%，天然氣占0.9%[1]。我國(guó)低階煤儲(chǔ)量占全部煤炭?jī)?chǔ)量的46%，儲(chǔ)量豐富，具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用空間[2]。低階煤是由芳環(huán)、脂肪鏈等官能團(tuán)縮合形成的大分子聚集體。既含有以無(wú)定型碳與灰為代表的固體成分（60%（wt）～80%（wt））、又含有高達(dá)10%（wt）～40%（wt）的由鏈烷烴、芳香烴、碳氧支鏈構(gòu)成的代表煤本身固有油氣成分的揮發(fā)分[3]。因此低階煤煤化程度低、揮發(fā)分高、水含量高，直接燃燒或氣化效率低。低階煤的干餾是大多數(shù)低階煤轉(zhuǎn)化過(guò)程的初始階段，是低階煤清潔、有效利用技術(shù)的基礎(chǔ)過(guò)程，且對(duì)低階煤的后續(xù)轉(zhuǎn)化加工有著重要的影響[4]。所以對(duì)低階煤進(jìn)行干餾是一種有效處理低階煤的方式。煤在隔絕空氣的條件下，受熱分解生成煤氣、焦油、粗苯和焦炭的過(guò)程，稱為煤干餾[5]。按加熱終溫的不同，可分為三種：500～600℃為低溫干餾；700～900℃為中溫干餾；900～1100℃為高溫干餾[6]。

本文以山陰縣低階煤為研究對(duì)象，考察了影響其出油率的主要因素如加熱速率、干餾終溫、持溫時(shí)間、原料粒度等，得到了優(yōu)化方案，旨在為工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)方法與裝置

對(duì)山陰低階煤進(jìn)行破碎，篩分出一定粒度煤樣作為實(shí)驗(yàn)原料。采用單一變量法，在自制的鋁甑干餾裝置上分別考察了升溫速率、干餾終溫、持溫時(shí)間及煤粒度對(duì)山陰低階煤出油率的影響情況。鋁甑實(shí)驗(yàn)執(zhí)行中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T480-2010，煤的工業(yè)分析及元素分析分別執(zhí)行中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T212-2008和GB476-91。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。

圖1　鋁甑干餾裝置Fig.1　Aluminum retort distillation equipment

1.2實(shí)驗(yàn)原料與性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)采用山陰低階煤，對(duì)其破碎取樣后進(jìn)行性質(zhì)分析，結(jié)果列于表1。

表1　山陰低階煤主要性質(zhì)Table 1　The main characteristics of Shanyin low rank coal

2　結(jié)果與討論

2.1升溫速率對(duì)山陰煤出油率的影響

圖2　升溫速率對(duì)煤出油率的影響Table 2　Effect of heating rate on oil yield of coal

取一定量制備好的煤樣，使用單一變量法分析，就是在固定煤粒徑（0.5mm）、干餾終溫（450℃）以及干餾持溫時(shí)間（20min）條件下，考察低溫干餾實(shí)驗(yàn)中的加熱速率對(duì)山陰煤出油率的影響情況，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，隨著加熱速率的逐漸增大，煤樣出油率先升高后降低，出油率的峰值在7℃/min左右。出現(xiàn)這種情況的原因是提高加熱速率，加快了煤中有機(jī)質(zhì)組分的裂解，反應(yīng)速度加快，產(chǎn)物量增大，煤在干餾設(shè)備中的停留時(shí)間也減少，焦油在設(shè)備中發(fā)生二次反應(yīng)的機(jī)會(huì)減少，出油率就高。但當(dāng)繼續(xù)提高加熱速率的時(shí)候，干餾設(shè)備外部的溫度升高，煤干餾的有機(jī)質(zhì)組分裂解生成的氣態(tài)產(chǎn)物從煤的內(nèi)部向外導(dǎo)出時(shí)溫度過(guò)高，這就促進(jìn)了焦油的副反應(yīng)，并且由于加熱速率快，溫度過(guò)高就會(huì)使煤干餾反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，也就是出現(xiàn)燒油現(xiàn)象，這導(dǎo)致煤產(chǎn)出的焦炭和焦?fàn)t煤氣的量增加而焦油的產(chǎn)出減少，使煤的出油率降低。

2.2干餾終溫對(duì)山陰煤出油率的影響

取一定量制備好的煤試樣，采用單一變量法分析比較，在固定煤的粒徑（0.5mm）、熱速率（7℃/min）、持溫時(shí)間（20min）條件下，考察試驗(yàn)中干餾終溫對(duì)山陰煤出油率的影響，如圖3所示。

圖3　干餾終溫對(duì)煤出油率的影響Table 3　Effect of terminal temperature of dry distillation on oil yield of coal

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)干餾終溫升高時(shí)，實(shí)驗(yàn)煤的出油率也隨之升高，當(dāng)干餾實(shí)驗(yàn)終溫達(dá)到450℃左右時(shí)煤的出油率達(dá)到最高值，以后隨溫度升高也不見(jiàn)有明顯增加。一般情況下，在達(dá)到各自的干餾終溫后繼續(xù)升溫進(jìn)行干餾，煤的出油率稍微會(huì)有下降的情況，這是因?yàn)樵诟绅s溫度達(dá)到一定值后煤中的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)中所含的結(jié)晶水受熱而分解出來(lái)，并且溫度過(guò)高會(huì)有燒油現(xiàn)象，也會(huì)降低煤的出油率，所以在對(duì)煤進(jìn)行干餾時(shí)要注意對(duì)干餾終溫的控制，對(duì)于此次實(shí)驗(yàn)煤的干餾終溫基本可以控制在440～480℃。

2.3持溫時(shí)間對(duì)山陰煤出油率的影響

取一定量制備好的煤樣，使用單一變量法分析，就是在固定煤粒徑（0.5mm）、干餾終溫（450℃）以及升溫速率（7℃/min）條件下，考察低溫干餾實(shí)驗(yàn)中的持溫時(shí)間對(duì)山陰煤出油率的影響情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4　持溫時(shí)間對(duì)煤出油率的影響Table 4　Effect of temperature holding time on oil yield of coal

由圖4可見(jiàn)，隨著持溫時(shí)間的延長(zhǎng)，煤熱解程度不斷加深，煤焦油出油率逐漸升高，在約20min時(shí)達(dá)到峰值，之后不再有焦油產(chǎn)生，如果繼續(xù)延長(zhǎng)持溫時(shí)間所測(cè)得的煤焦油出油率會(huì)下降。這是因?yàn)樵诟绅s反應(yīng)溫度較低時(shí)，煤焦油出油率隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢增高，當(dāng)達(dá)到干餾終溫時(shí)，煤熱解才剛剛開(kāi)始，若此時(shí)中斷熱量供給，則導(dǎo)致煤熱解不完全，大量的煤因供熱不足而停止分解，使得出油率偏低，因此必須持溫一定時(shí)間后才能使煤熱解完全而得到高的煤焦油出油率。但若持溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，局限于實(shí)驗(yàn)儀器的精密程度，空氣中的水分很可能被冷凝到用于收集焦油和熱解水的錐形瓶中，從而在油水分離實(shí)驗(yàn)當(dāng)中所測(cè)定的水分含量增加，使得含油率測(cè)定值下降[7]。因此，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中確定最佳持溫時(shí)間為20min。

2.4煤粒度對(duì)山陰煤出油率的影響

取一定量制備好的煤樣，使用單一變量法分析，在固定干餾終溫（450℃）、升溫速率（7℃/min）以及持溫時(shí)間（20min）條件下，考察低溫干餾實(shí)驗(yàn)中的煤粒度對(duì)山陰煤出油率的影響情況，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，隨著煤顆粒度的增大，山陰煤出油率逐漸降低。這是由于煤的導(dǎo)熱性較差，顆粒度增大后，其表面與中心存在著較大的溫度差，顆粒度愈大該溫差就愈大，所需的傳熱時(shí)間也就越長(zhǎng)。因此干餾時(shí)應(yīng)將煤顆粒盡量粉碎，若要干餾大粒度的煤樣，就必須在適宜溫度下保證充分的停留時(shí)間[8]。

圖5　煤粒度對(duì)煤出油率的影響Table 5　Effect of coal particle size on oil yield of coal

3　結(jié)論

（1）在對(duì)山陰低階煤進(jìn)行低溫干餾時(shí)，升溫速率、干餾終溫、持溫時(shí)間、煤粒度是影響煤焦油出油率的主要因素。隨著加熱速率的提高，煤出油率先增大后減?。浑S干餾終溫的升高或持溫時(shí)間的延長(zhǎng)，煤出油率逐漸增大，之后趨于平穩(wěn)或略有下降；隨著煤粒度的增大，煤出油率逐漸減小。

（2）在升溫速率為7℃/min，干餾終溫為450℃，持溫時(shí)間為20min，煤粒度為0.5mm的適宜條件下，測(cè)得的煤出油率為9.8%。

參考文獻(xiàn)：

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Research on the Factors on Low-temperature Dry Distillation of Shanyin Low Rank Coal

ZHANG Guang-sa,HAN Dong-yun and CAO Zu-bin
（College of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China）

Abstract：The key factors affecting the yields of coal tar including heating rate，terminal temperature of dry distillation，temperature holding time and coal particle size were investigated by using Shanyin low rank coal as feedstock，adopting low-temperature dry distillation method and in a self-made dry distillation unit.The results showed that under the optimum conditions which was the heating rate was7℃/min，the terminal temperature of dry distillation was 450℃，the temperature holding time was 20min，and oil shale particle size was 0.5mm，the yield of coal tar could reach up to 9.8%．

中圖分類號(hào)：TQ536

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-0017（2016）03-0194-03

收稿日期：2016-02-03

作者簡(jiǎn)介：張廣仨（1989-），男，黑龍江齊齊哈爾人,在讀碩士研究生，主要從事非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)與利用方面研究。