温度和压力对煤热解影响的研究

第6期煤质技术2014年11月煤化工温度和压力对煤热解影响的研究李小亮'，杨宗仁1，2.3，唐楠1.2.3，程章源‘(1. 煤炭科学研究总院，北京100013;2.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院，北京100013;3.谋基节能环保炭材料北京市重点实验室，北京100013;4.北京协宇科技有限公司，北京100191)摘要:在不同压力及不同温度下对内蒙烟煤进行热解研究，考察温度和压力对热解产物产率及热解气体组成的影响规律。研究表明:随着热解压力的增加，内蒙烟煤的气体产物和固体产物总量增加，液态产物减少，其焦油产率降低、半焦产率增高，干馏气中H2和CO含量下降、CH含量上升;随着热解温度的增加，其焦油产率先增加后减少，干馏气中H2含量不断上升，即热解温度升高可使气相产品的产率增大及液相产品产率降低。关键词:煤热解;温度;压力;焦油产率中图分类号: TQ546文献标识码: A文章编号: 1007-7677 (2014) 06-0054-03Research on how the temperature and pressure affcted the pyrolysis of coalLI Xiao liangl'2.3s, YANG Zong renl:23, TANG Nan'2.3, CHENG Zhang yuan'(1. China Coal Research Institule, Beijing 100013, China;2. Research Instiute of Coal Chemistry, China Coal Research Instiute Corporation Lid. Beijing 100013. China ;3. Beijing Key Laboratory of Coal Based Carbon Material, Beijing 100013, China;4. Beijing Xieyu Science and Technology Ltd. Beijing 100191, China)Abstract: This paper studied the pyrolysis of Inner Mongolia coal under different pressures and different temperatures, how thetemperature and pressure affected the pyrolysis product yield of coal and pyrolysis gas composition were also researched. It wasshown that, with the increase of pressure, the total amount of gas product and solid product of Inner Mongolia bituminous coalincreased, the liquid product decreased, tar yield decreased, half tar yield increased, H2 and co in destructive distillation gasdecreased and CH content increased; with the increase of pyrolysis temperature, the tar yield increased firstly and thendecreased, H: in destructive distillation gas increased continually, so the raise of pyrolysis temperature could help improve thegas product yield and reduce the liquid product yield.Key words: coal pyrolysis; temperature; pressure; tar yield我国煤炭资源丰富，煤炭资源储量为1488亿产物中焦油、水及半焦产率和干馏气H2含量的影["。其中低阶煤，主要是指褐煤和低变质烟煤，响，为进一步深入研究提供基础依据。占煤总储量的42%以上(2]。低阶煤的含碳量较低，1实验部分热值不高，且燃烧时放出大量的污染物，但其具有共同的特性，即挥发分较高，适宜通过热解、气化1.1实验 原料以制取较高热值的气体及生产部分焦油。实验选用内蒙母杜柴登煤矿的烟煤为研究对煤在隔绝空气条件下受热析出挥发分的过程称象，其煤质工业分析、元素分析及格-金干馏等数为煤的热解，煤的热解过程对煤的气化、液化和燃据见表1。从表1煤质数据可知，内蒙烟煤的水烧有着重要的影响。深入了解煤的热解过程将有助分、灰分均低，挥发分高，热值高，硫含量较高,于增进了解煤的利用方式，完善煤的燃烧、气化、固定碳含量低，并有一定的黏结性。结合挥发分以液化和焦化。以下将通过研究温度、压力对煤热解及格金干馏数据，可预测其热解后的焦油产率较高。1.2实验流程基金项目:国家国际科技合作计划资助项目(2010DF B62870)煤样干馏实验装置主要由载气系统、控温系54第6期煤质技术2014年11月统、干馏产物冷却收集系统、干馏气成分分析系统2 mm的制备煤样加入到水平干馏反应管中，先用和千馏反应系统组成。干馏反应管为耐热耐压合金氮气将系统内空气吹净，并开始升压，升至目标压管，载气由钢瓶气提供，经减压阀和微调阀调节可力后启动程序升温控制仪，控制升温速率为使载气控制到稳定的压力和流量;温度控制由镍铬10"C/ min,达到设定温度再恒温1 h。干馏过程产-镍硅K型热电偶和FP93型程序控温仪联合实生的气态物质经冷凝冷却，水和焦油被收集，气体现;使用Agilent7890A型气相色谱仪对干馏气组减压后经流量计计量进储气袋。实验结束后，待干成进行分析化验。其工艺流程如图1所示。馏反应器自然降至常温，取出半焦称重;气体取样1.3 实验方法用气相色谱分析仪进行组分分析;冷凝管内的焦油实验装置的反应管为耐热耐压合金管，每次装和水经甲苯萃取后蒸馏分离，得出各自的干馏产样约60go反应管采用电加热，升温速率由程序升物。通过实验可获得煤样的千馏产物半焦、油、温控制仪控制。实验开始前将粒度为0.5 mm~水、气的产率及干馏气的组成。表1内蒙烟煤煤质特征工业分析/%元素分析/ %Qgr.dQne.n/M,MuuVaulCoHal)aurN。,S,dMJ . kg-"MJ. kg-'5.94.618.2438.0575. 524.7312. 050. 841. 3228.9327. 56格-金干馏/%煤的胶质层指数热稳定性/%块煤抗碎气体及WateradTarad焦型强度/%TS.6TS%-3TSa-1损失mm类型7. 5075. 729.687.107.558.0平滑下降型 95.0黏结甲排空压力的升高，焦油产率逐渐下降，由此可知在常压足2129Q [10-时最高可达8. 3%。即热解温度相同时，随着体系03压力的增大，气态和固态产物的产率增加而液态产物中的焦油产率减小。因为在压力较大的情况下，4、干馏反应管7、冷凝冷却器10、 贮气袋8、冰落出气相包谱仪前期热解生成的产物由于颗粒内逸出时所受阻力增3、质量流量计6、程序控制仪 9、气体流量计i2、 背压阀图1干馏实验装置流程图大，使得其在粒内的停留时间延长，加剧了二次裂解生成小分子的反应和聚合成焦反应的程度。2实验结果千馏气组成随压力变化呈现- -定的规律性，图2.1压力对 煤热解的影响3为内蒙烟煤干馏气体组分随压力的变化曲线。压力是影响煤热解的重要影响因素之- -。图2为内蒙煤的千馏产物产率随压力的变化曲线，3个压力下的干馏终温均为650C。E 30-+C.H80[ .10F二量半焦产率0.0 051:01520253.0粤40+水严率20图3内蒙烟煤干馏气体组分随压力变化曲线由图3可知:随干馏压力升高，千馏气组成中0.00.51.0152.0253.0压力/MP.H2组分含量下降，在干馏压力为3. 0 MPa时，H2图2内蒙煤干馏产物产率随压力变化曲线含量仅为8.8%;CH,组分含量持续增加且幅度较由图2可知:随着压力的升高，半焦产率逐渐大，在3.0 MPa时CH4含量可达52%; CO组分升高，但变化幅度较小，维持在72%左右;随着含量逐渐下降，在3.0MPa时为5%;烃类组分压力升高，水产率基本不变，维持在11%;随着C.Hm随压力基本保持不变。因为煤初始热解产物55第6期煤质技术2014年11月在二次反应中压力对热解的影响，-一般认为是由于时H2的来源多由煤热解的一次产物受到二次热解二次反应造成的，压力的升高使产物的逸出受阻，作用和煤结构单元中芳香部分的进一步缩聚反应生特别是焦油经历更为复杂的二次反应。多数情况成，H2在整个热解过程中是持续增加的。CH多下，增加热解压力反而使H2产率下降，由于增加.来源于煤大分子结构中的大量侧链、支链，而一压力引起煤粒内部传质阻力增加，从而影响了初级CH3基多半在脂肪烃侧链上，由于碳氢化合物中热解产物的释放而进- -步参与二次反应[6]。支链与一CH3相连的C-C键能较弱，约为0.251 MJ/ mol~0.284 M]/ mol,对热不稳定，所2.2温度对煤热解的影响温度是影响煤热解的重要影响因素，图4为内以在较低温度时脂肪烃侧链的一-CH3断裂生成蒙煤的干馏产物产率在常压下随温度的变化曲线。CH，随温度继续升高，CH4产率析出量急剧减由图4可知:随着温度的升高，半焦产率先下降再少，少量的C.H.主要来自部分挥发烃类的分解和升高，维持在71%左右;随着温度升高，水产率焦炭的自由加氢反应，同时H2组分的大量增加也基本不变，维持在12%，由于煤中水分包括内在使CH组分的相对含量有所下降(4]。水和外在水，当温度超过100C，外在水析出，当3结论温度超过250"C时，内在水全部析出，所以干馏终(1)结合煤质数据分析可知，内蒙烟煤的水分温对水产率的影响不明显。随着温度的升高，焦油低、灰分低、挥发分高、热值高、硫含量较高、适产率逐渐上升，随后又逐渐下降，焦油产率在定碳含量低并有一定的黏结性。结合挥发分以及格650C时能达到最高8. 3%，由于随着干馏终温的升金干馏数据，可预测其热解后的焦油产率较高。高，煤中挥发分逐渐析出，焦油产率逐渐增加，但(2) 增加压力，气体产物和固体产物总量增当终温超过650"C，焦油发生二次裂解，产率下降。加，而液态产物减少的趋势基本-一致。随着压力的增加，焦油产率降低，半焦产率增高，干馏气中资60●半焦产率CH4含量上升，H2 和CO含量下降。40t水产率(3)热解温度升高可使气相产品的产率增大、20}液相产品产率降低。随着温度的增加，焦油产率先t:二二50 600 650 70075800增加后减少，干馏气中H2含量上升。干馏终温/C参考文献:图4内蒙烟煤干馏产物产率随温度变化曲线图5为内蒙煤干馏气体组分随温度的变化曲[1]宋洪柱， 中国煤炭资源分布特征与勘察开发前景研线，由图5可知:随干馏温度升高，干馏气组成中究[D].北京:中国地质大学，2013.郭树才。煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版H2组分含量上升，在干馏终温为800C时，H2含社，1992.量可达到41%;CH组分含量先增加随后持续下[3]朱学栋， 朱子彬，唐黎华等、煤热解的研究I:温降，在650C终温时CH4含量可达42%; CO组分度和气氛对热解的影响[J]. 华东理工大学学报，含量略有上升，在800°C终温时可达15%;烃类组1998，24 (1).分C。Hm随温度升高持续下降。4] 王鹏，文芳，步学朋，等.煤热解特性研究60[J]. 煤炭转化，2005，28 (1).◆Ci[5]李术元， 钱嘉麟.黄县块状褐煤热解过程的研究[J].燃料化学学报，1992, 20 (4).[6]李云， 胡正阳.温度和压力对煤热解过程中多物10- 曰转化影响的研究现状[J]. 内蒙古石油化工，2010550 600 ”750 80(24).图5内蒙煤干馏气体产物产率随温度变化曲线作者简介:李小亮(1984-), 女，内蒙阿拉善盟人，助理工程-般热解过程在约450C~550C之间各烃类师，目前在煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院从事煤炭深加工与洁净转化研究工作。气体的析出速率达到一峰值，550C以后，析出的主要是H2和CO，仅伴有少量的CH和CO2。此(收稿日期: 2014-06-16)5