新疆三塘湖煤田高油煤熱解研究

雍曉艱

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭綜合勘查院，新疆 烏魯木齊 830091）

三塘湖煤田含煤地層主要為下侏羅統(tǒng)八道灣組和中侏羅統(tǒng)西山窯組，主要為湖濱相、河流相沉積。煤顯微組分含量90%左右，變質(zhì)程度較低，鏡質(zhì)組平均最大反射率為0.6%左右，煤類為長焰煤、不粘煤。為更好研究三塘湖煤田煤質(zhì)特征，項(xiàng)目組采集代表性樣品進(jìn)行熱解、熱重?zé)峤?、干燥提質(zhì)實(shí)驗(yàn)及加氫液化性能、氣化性能、成漿性能評價(jià)等煤轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)研究。本文重點(diǎn)介紹熱解實(shí)驗(yàn)研究，為新疆三塘湖煤田煤炭資源的潔凈、高效利用提供地質(zhì)依據(jù)。

1 概況

三塘湖煤田位于新疆東北部，準(zhǔn)噶爾盆地東端，東天山北麓，北鄰蒙古國中低山區(qū)，西南與新疆巴里坤縣含煤盆地隔山相望，南部與新疆哈密市相望，呈NW向條帶狀展布，東西長約339 km，南北寬約66 km，面積約5 134 km2，行政區(qū)劃屬哈密地區(qū)巴里坤哈薩克自治縣和伊吾縣。三塘湖煤田包含三塘湖、淖毛湖及巴里坤3個(gè)煤炭礦區(qū)，共含煤43層，含可采煤層27層，煤層總厚度約106 m，平均厚約41 m。該煤田80%區(qū)域達(dá)詳查程度，共獲得煤炭資源量約650×108t?韋波,安慶,吳斌,等.新疆巴里坤縣三塘湖煤炭礦區(qū)地質(zhì)勘查總結(jié)報(bào)告,2012。

三塘湖煤田煤炭資源量大，屬低變質(zhì)優(yōu)質(zhì)化工用煤。通過對煤的熱解特性研究，分析其煤化工原料的適應(yīng)性。工作中利用實(shí)驗(yàn)室1 kg熱解裝置對煤炭樣品進(jìn)行熱解提質(zhì)試驗(yàn)研究，并對熱解后的主要產(chǎn)物進(jìn)行分析，獲得煤炭熱解后的焦油產(chǎn)率、半焦產(chǎn)率、熱解氣體產(chǎn)率、熱解氣體中重要化學(xué)產(chǎn)品成分等信息?李瑞明,雍曉艱,白向飛,等.新疆準(zhǔn)東煤田煤炭資源分質(zhì)利用技術(shù)研究,2015。

2 熱解實(shí)驗(yàn)研究

三塘湖煤田焦油含量普遍較高，熱解提質(zhì)試驗(yàn)中分別選擇具代表性的6個(gè)點(diǎn)采取樣品，即白石湖一采區(qū)煤樣、白石湖三采區(qū)煤樣、條湖鉆孔煤樣、英格庫勒煤樣、吉郎德煤樣、別斯庫都克煤樣共6個(gè)樣品進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)，掌握分析各樣品熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取得較好效果。

2.1 熱解提質(zhì)條件試驗(yàn)

溫度確定熱解產(chǎn)品中焦油價(jià)值在熱解總產(chǎn)品價(jià)值中占有相當(dāng)比重，為提高熱解產(chǎn)品總價(jià)值，試驗(yàn)中對熱解條件進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研和探索試驗(yàn)。結(jié)果表明，低溫?zé)峤膺^程中當(dāng)熱解終溫在550℃～600℃時(shí)，低溫焦油產(chǎn)率最高。當(dāng)熱解溫度高于這一溫度時(shí)，焦油發(fā)生熱解，降低了焦油產(chǎn)率；當(dāng)熱解溫度低于這一溫度時(shí)，煤中部分產(chǎn)油組分未完全發(fā)生分解，同樣降低了煤樣焦油的產(chǎn)率。試驗(yàn)中對選取煤樣進(jìn)行探索試驗(yàn)，考察不同熱解終溫對焦油產(chǎn)率的影響。不同熱解終溫下焦油產(chǎn)率、半焦產(chǎn)率和氣體產(chǎn)率的結(jié)果見表1。

從不同溫度焦油產(chǎn)率對比試驗(yàn)結(jié)果看出，600℃時(shí)煤炭焦油產(chǎn)率最高。當(dāng)熱解溫度低于600℃時(shí)，由于部分樣品分解溫度未達(dá)到，造成焦油產(chǎn)率下降。從半焦產(chǎn)率結(jié)果可看出，當(dāng)焦油產(chǎn)率較低時(shí)，半焦收率較高。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)調(diào)研所得結(jié)論基本一致。

表1 不同熱解溫度產(chǎn)物（均為干基煤產(chǎn)率）對照表Table 1 Comparison table of different pyrolysis temperature products(all of which are dry basis coal)

樣品粒度煤炭在熱解過程中煤樣粒度對熱解過程有一定影響。熱解過程中煤樣粒度過小造成部分粉煤被熱解氣體帶出，從而降低煤樣焦油產(chǎn)率。熱解粒度過大時(shí)，物料在熱解過程中大顆粒對熱解產(chǎn)物析出有一定阻礙作用。由于顆粒較大，造成顆粒內(nèi)外溫差較大，熱解產(chǎn)物析出時(shí)由于溫差影響發(fā)生二次裂解，降低了焦油產(chǎn)率。因此，需根據(jù)熱解反應(yīng)器的不同選擇合適物料粒度。試驗(yàn)中熱解反應(yīng)器較小，物料粒度對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的影響較小。通過表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，實(shí)驗(yàn)室條件下，由于熱解條件較溫和，物料在熱解過程中受熱均勻，物料粒度的不同對焦油的產(chǎn)率影響不明顯。為避免熱解氣體將物料粉塵帶出，試驗(yàn)中熱解原料煤的粒度選擇小于13 mm。

停留時(shí)間熱解停留時(shí)間對焦油產(chǎn)率可能有一定影響。當(dāng)達(dá)到熱解終溫時(shí)，若停留時(shí)間過短，會(huì)造成熱解不充分，降低最終焦油產(chǎn)率。探索試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，物料達(dá)到熱解終溫后，大部分物料在30 min內(nèi)無熱解氣體產(chǎn)生，說明此時(shí)物料完成了熱解過程。實(shí)驗(yàn)室條件下，熱解過程較充分，因此為比較不同樣品的焦油最大產(chǎn)率，以達(dá)到熱解溫度后無熱解氣體產(chǎn)生時(shí)為試驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)，或達(dá)到熱解溫度終溫后1 h后為試驗(yàn)結(jié)束點(diǎn)，以保證物料充分熱解，獲得更多的焦油產(chǎn)物。

熱解試驗(yàn)條件確定通過以上熱解試驗(yàn)條件對比，為獲得更高的焦油產(chǎn)率，根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果和條件試驗(yàn)，最終選擇熱解終溫為600℃，樣品粒度小于13 mm。熱解結(jié)束時(shí)間根據(jù)熱解氣體析出量決定，當(dāng)熱解氣體停止析出時(shí)結(jié)束熱解試驗(yàn)，若熱解氣體持續(xù)析出，以達(dá)到熱解終溫1 h后作為熱解試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。

據(jù)以上選定的試驗(yàn)條件，對三塘湖煤田的煤樣進(jìn)行熱解試驗(yàn)研究，熱解試驗(yàn)結(jié)束后測試熱解氣體中氨、萘、硫化氫、苯的含量。同時(shí)測試熱解粗焦油產(chǎn)率、熱解水分產(chǎn)率、熱解氣體產(chǎn)率、半焦產(chǎn)率等。其中，熱解所得半焦進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析、硫分、發(fā)熱量等基礎(chǔ)煤質(zhì)指標(biāo)的測試。據(jù)熱解試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步選擇具代表性樣品，對焦油產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步分析，并對熱解氣體進(jìn)行成分測試。

2.2 熱解提質(zhì)試驗(yàn)

通過選取代表性樣品進(jìn)行熱解提質(zhì)試驗(yàn)（表3），熱解氣主要化學(xué)產(chǎn)品見表4。

煤樣熱解后粗焦油產(chǎn)率較高，干基粗焦油產(chǎn)率達(dá)到11.5%。從樣品煤巖組成來看，鏡質(zhì)組含量高達(dá)95.4%。由于鏡質(zhì)組在熱解過程中產(chǎn)生焦油較多，高鏡質(zhì)組含量的煤，其熱解焦油產(chǎn)率一般較高。煤樣通過低溫?zé)峤膺^程可以獲得較多的焦油。熱解氣體中氨和萘的含量較低。其硫化氫含量同樣較高，在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)應(yīng)注意對尾氣進(jìn)行處理，避免污染物泄露造成環(huán)境污染。尾氣處理裝置應(yīng)留有充分的余量，以應(yīng)對熱解氣體中較高含量的污染物。熱解后煤樣半焦測試結(jié)果見表5。

從表5中可看出，煤樣經(jīng)低溫?zé)峤夂?，煤質(zhì)發(fā)生顯著的變化。煤樣的水分、揮發(fā)分有了大幅度下降。由于揮發(fā)分大量析出，干基灰分有所上升。隨著揮發(fā)分析出，半焦中氫元素、氧元素、氮元素、硫元素與原煤相比均有一定程度下降，其中氧元素下降幅度較高。同時(shí)半焦碳元素含量和發(fā)熱量均有了明顯提升。由于原煤灰分較高，半焦中灰分同樣較高，對半焦質(zhì)量造成了一定影響。

按GB/T 25210-2010《蘭炭用煤技術(shù)條件》中相關(guān)規(guī)定，樣品原煤灰分較高，不適用于蘭炭用煤。按GB/T 25211《蘭炭產(chǎn)品技術(shù)條件》中相關(guān)規(guī)定，由于低溫?zé)峤夂蟀虢巩a(chǎn)品的灰分較高，不適用于鐵合金等冶煉用途，也不適用于電石還原劑原料和高爐噴吹用原料。

表2 不同粒度熱解產(chǎn)物產(chǎn)率Table 2 Yield of pyrolysis products of different grain size

表3 煤樣熱解試驗(yàn)結(jié)果（產(chǎn)率均為干基煤）Table 3 Results of coal sample pyrolysis test(the yield is all dry basis coal)

表4 煤樣熱解氣中主要化學(xué)產(chǎn)品含量Table 4 The main chemical product content in coal sample pyrolysis gas 單位：g/m3

表5 煤樣測試結(jié)果Table 5 Results of coal sample test

2.3 熱解焦油與熱解氣體分析

代表性煤樣的熱解試驗(yàn)焦油產(chǎn)率均較高，綜合考慮煤樣的礦區(qū)位置、樣品煤質(zhì)的代表性，選擇煤樣進(jìn)行焦油分析，煤樣熱解過程中焦油干基產(chǎn)率均大于11%。利用熱解提質(zhì)試驗(yàn)收集焦油后進(jìn)行進(jìn)一步的分析，在焦油預(yù)處理過程中，白石湖一采區(qū)樣品中水分占油水混合物的32.0%，別斯庫都克樣品中水分占油水混合物的19.5%。對進(jìn)一步深加工，可獲得豐富的化工產(chǎn)品。熱解方式獲得焦油產(chǎn)品具較好經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

熱解試驗(yàn)的熱解氣體中甲烷、氫氣含量較高，熱解氣體熱值較高，可作為民用或工業(yè)用燃燒氣使用。同時(shí)熱解氣體中氫氣、甲烷經(jīng)分離提純后也可作為其它煤化工產(chǎn)品的原料氣，具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值。熱解氣體中一氧化碳含量達(dá)到了10%～14%，因此在利用熱解氣體時(shí)要做好防護(hù)工作，避免一氧化碳?xì)怏w中毒事故發(fā)生。新疆地區(qū)低階煤低溫?zé)峤鈿怏w中氫氣、甲烷含量在分為為30%～40%和30%。而陜北地區(qū)低變質(zhì)煤低溫?zé)峤鈿怏w中氫氣、甲烷含量在30%和10%左右。

通過對比，新疆地區(qū)低階煤熱解氣體中氫氣和甲烷含量均較高，熱值也較高，有利于熱解氣體燃燒利用或煤化工加工處理。陜北地區(qū)低階煤資源豐富，多采用低溫干餾技術(shù)進(jìn)行處理。陜北地區(qū)低變質(zhì)煤干餾產(chǎn)品中，焦油產(chǎn)率在6.5%左右，半焦產(chǎn)率在70%～80%，與陜北地區(qū)中低變質(zhì)煤的低溫干餾產(chǎn)品相比，三塘湖煤田低階煤低溫?zé)峤夂蠼褂彤a(chǎn)率較高，在12%左右，半焦產(chǎn)率在60%～70%，有利于后續(xù)加工利用。

據(jù)B/T 26128-2010《稀缺、特殊煤炭資源的劃分與利用》中規(guī)定“焦油產(chǎn)率Tard大于12%的煤炭資源為特高油含量煤”。三塘湖礦區(qū)煤炭資源量約514×108t，高-富油焦油量約62×108t；淖毛湖礦區(qū)煤炭資源量約130.2×108t，高-富油焦油量約10×108t。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三塘湖煤田的三塘湖、淖毛湖礦區(qū)煤多屬高-富油煤，巴里坤礦區(qū)煤為低含油（表6，7）?周繼兵,雷國明,易賢銀,等.新疆伊吾縣淖毛湖煤炭礦區(qū)勘查總結(jié)報(bào)告,2009。

巴里坤煤田煤炭資源量約6×108t，巴里坤煤田工業(yè)干餾焦油量估算約0.28×108t（焦油量估算值按50%提取率）?陳愛東,張偉,薛偉.新疆巴里坤煤田巴里坤縣黑眼泉井田勘探,2007?徐曉明,范本峰,范旭東.新疆巴里坤縣吉郎德勘查區(qū)煤炭詳查報(bào)告,2011。

三塘湖煤田各區(qū)的焦油產(chǎn)率較高，三塘湖煤田的漢水泉、庫木蘇，淖毛湖區(qū)英格庫勒二井田、白石湖詳查區(qū)、白石湖露天煤礦區(qū)焦油產(chǎn)率Tard均在12%左右。淖毛湖區(qū)英格庫勒一井田、巴里坤區(qū)的黑眼泉、別斯庫都克、吉郎德焦油產(chǎn)率Tard大于10%。

總體來說，國內(nèi)低階煤焦油產(chǎn)率高的煤較少，其焦油產(chǎn)率基本都在8%以下。圖1為三塘湖煤田焦油和中國其它地區(qū)的焦油對比情況[1-2]。

表6 三塘湖礦區(qū)各勘查區(qū)煤炭資源量及焦油產(chǎn)量Table 6 The coal resources and tar yield of each exploration area atSantanghu mining area

表7 淖毛湖礦區(qū)各勘查區(qū)煤炭資源量及焦油量Table 7 The coal resources and tar yield of each exploration area atNaomaohu mining area

圖1 三塘湖煤田焦油和中國其它地區(qū)的焦油對比情況Fig.1 Tarotan coalfield tar and other parts of China's tar comparison

3 結(jié)論

（1）三塘湖煤田煤的焦油產(chǎn)率較高，優(yōu)選煤樣干基焦油產(chǎn)率最高達(dá)14.7%左右。

（2）白石湖采區(qū)煤樣、吉郎德煤樣、別斯庫都克煤樣熱解后半焦的質(zhì)量較高，具一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

（3）三塘湖煤田煤的熱解氣體主要成分為氫氣和甲烷，可作為煤化工產(chǎn)品的原料氣，也可作為燃?xì)馊紵褂?。熱解過程中產(chǎn)生的煤焦油可通過蒸餾塔分離得到輕油、酚油、萘油、洗油、蒽油、瀝青等組分。

（4）三塘湖煤田煤炭總體焦油產(chǎn)量高，半焦質(zhì)量好，熱解氣體熱值高，對于煤炭熱解利用十分有利。煤炭在熱解過程中產(chǎn)生的焦油，通過進(jìn)一步深加工，可獲得豐富的化工產(chǎn)品。通過焦油加氫技術(shù)，可獲得不同等級的油品，進(jìn)一步提高煤焦油的綜合價(jià)值。

因此，三塘湖煤田煤炭資源，在熱解提質(zhì)利用方面具有廣闊的開發(fā)利用前景。

[1]李旭光.低階煤分質(zhì)利用淺析[J].中國化工貿(mào)易,2016(3):15-16.

[2]尚建選,王立杰.甘建平等陜西低變質(zhì)煤分質(zhì)綜合利用前景展望[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2011（34）:91-96.