低变质煤的热解技术

2014年3月榆学院学报Mar.2014第24卷第2期JOURNALYULIN UNIVERSITYVol 24 No. 2低变质煤的热解技术苏婷,卢艳强(榆林学院化学与化工学院,陕西榆林7190000摘要:我国低变质煤的储量十分丰富,对其充分有效的利用可以极大的缓减当前资源紧缺的现状,同时也带来较大的经济效益,而对低变质煤进行热解处理是比较常用的方式。微波热解技术是一种节能高效、加热速率高、反应速率快的新型煤炭转化技术,在煤、油頁岩及生物质等综合利用领域有着广泛的前景。在对我国低变质煤资源性质、特点分析的基础上,归纳总结了煤的低温热解技术及微波热解技术的研究发展现状和利用情况,研究了低变质煤的热解特性。关键词:低变质煤;低温热解;微波热解中图分类号:TQ5302文献标志码:A文章编号:1008-3871(2014)02-0009-04中国是以煤炭为主要能源的大国,占一次能源杂,归纳起来可分为有机质和无机质两大类,以有机消费的70%以上,这一格局在中国未来能源和煤化质为主体。煤中的有机质主要由碳、氢、氧、氮和有工领域中将不会有大的改变。在以后很长一段时期机硫等五种元素组成。其中,碳、氢、氧占有机质的内,中国还必须走以煤炭为基础能源的可持续发展95%以上,此外,还有极少量的磷和其他元素。煤中道路。我国低变质煤资源占煤炭资源的60%以上,的无机质主要是水分和矿物质,它们的存在降低了这类煤具有灰分低、硫分低、发热量高、可选性好煤煤的质量和利用价值,其中绝大多数是煤中的有害质优良等特点,因此,大力发展低变质煤的洁净转化成分。另外,还有一些稀有、分散和放射性元素,例技术和综合利用技术,进一步延伸产业链生产各种如,锗、镓铟、钍、钒、钛铀等,它们分别以有机或无化工产品及油、天然气等能源对我国经济可持续发机化合物的形态存在于煤中。其中某些元素的含展具有重大战略意义。量,一旦达到工业品位或可综合利用时,就是重要的1煤的概述矿产资源。1.1煤的性质及分类煤是植物遗体经过复杂的生煤的物理性质是煤的一定化学组成和分子物化学、地球化学物理化学作用转变而成的一种固结构的外部表现,是由成煤的原始物质及其聚积条体可燃矿产。成煤大致可分为两个阶段。第一阶段件、转化过程煤化程度和风化、氧化程度等因素所是植物在泥炭沼泽中不断繁衍,其遗体在微生物的决定的,主要包括颜色、光泽、粉色、比重和容重、硬参加下不断分解、化合、聚集的过程。第二阶段是煤度脆度、断口及导电性等。其中,除了比重和导电化作用阶段,煤化过程是一个增碳化过程,即泥炭、性需要在实验室测定外,其他根据肉眼观察就可以腐泥在以温度和压力起主导作用下转变为煤的过确定。煤的物理性质可以作为初步评价煤质的依程。这个阶段包括成岩作用和变质作用,起主导作据,并用以研究煤的成因、变质机理和解决煤层对比用的是物理化学作用山。等地质问题。根据成煤植物种类的不同煤主要可分为两大煤的工艺性质主要包括粘结性和结焦性、发热类,即腐殖煤和腐泥煤。煤的化学组成(很复量化学反应性、热稳定性、透光率、机械强度和可选收稿日期:2013-10-08中国煤化工基金项目:檎林学院高层次人才科研启动基金项目(12GK32);榆林市科技计划项目(cy12-15);榆林YHCNMHG作者简介:苏婷(1984一),女,陕西愉林人,助教,硕士,从事化学工程与工艺的教学与研究,Email:stl0l0iy@126.com10榆林学院学报2014年第2期(总第112期)性等,是煤进行加工转化的重要依据。国 Toscoal工艺、 ENCOAL工艺、日本煤快速热解工1.2我国煤炭资源及特点我国煤炭资源丰富,分艺、德国L-R工艺澳大利亚流化床快速热解工艺布广泛,但分布极不均衡。煤炭资源量最多的是新及前苏联3TX(ETCH)-175工艺等 Garrett法是疆(1919353亿吨),而最少为浙江省(0.50亿吨)。美国西方研究公司研究开发的一种热解工艺北方的大兴安岭、太行山、贺兰山之间的地区,包括国内以侏罗纪不粘煤、弱粘煤、长焰煤等低变质内蒙古、山西、陕西、宁夏、甘肃、河南6各省区的全煤为原料进行低温热解生产兰炭的主要炉型有四部或大部,是我国煤炭资源集中分布的地区,其资源种:一是考伯斯外热式直立炭化炉;二是鞍山热能院量占全国煤炭资源量的50%左右,占我国北方地区设计的内热式直立炭化炉,该炉以生产半焦为主,可煤炭资源量的55%以上。南方煤炭资源量主要集回收焦油煤气视厂区的消化能力做燃料用或排放中于贵州、云南、四川三省,三省煤炭资源量之和为处理;三是直立不完全气化炉,该炉以供中、小城镇352574亿吨,占我国南方煤炭资源量的91.47%。煤气为主副产品为半焦和焦油;四是SJ型内热式特别是贵州西部、四川南部和云南东部地区是我国炉。中国曾发展了各种类型的热解工艺,其主要目南方煤炭资源最为丰富的地区。标是获取当时极为短缺的石油替代品一人造石油,1.3我国低变质煤资源利用情况鉴于陕北地区低较为典型的工艺有鲁奇二段式干馏炉、三段式干馏变质煤的特性,对它的利用也受到一些限制。目前炉,间歇干馏炉等。开发利用低变质煤的途径有:建坑口电站、液3微波加热的特点及其应用现状化、气化、干馏9、冶金10等。常规热解通常采用电加热或高温介质加热,热2低温热解技术及其进展量传递方式为由外部热源通过热辐射由表及里的传2.1低温热解技术煤的中低温干馏(热解)是指在导式加热,热量从物料表面传入内部,挥发性产物则隔绝空气(或在非氧化气氛)条件下将煤加热,最终从内部向外扩散,其传热传质方向相反,容易引起热得到兰炭焦油和煤气的方法。中低温条件下煤的解产物的二次裂解加热速率小,传热不均匀。微波热解可分为两个阶段,第一阶段:室温-300℃为干加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加燥脱气阶段;第二阶段:300℃-750℃为粘结形成热。这种加热的优点是明显的,它与高频介电加热半焦阶段。煤在300℃左右开始软化,生成和排出技术类似,只不过采用的工作频率为微波频段而已大量挥发物煤气和焦油。450℃前后焦油量最大,微波加热意味着将微波电磁能转变成为热能,其能在450℃-750℃气体析出量最多叫。煤气成分量是通过空间或媒质以电磁波形式来传递的,对物除热解水、一氧化碳和二氧化碳外,主要是气态氢质的加热过程与物质内部分子的极化有着密切的关等,故热值较高。系低温热解主要以低变质煤(褐煤、长焰煤、不黏3.Ⅰ微波特点及加热原理微波是指频率在300煤、弱黏煤等)为原料,对调节我国煤炭资源结构具MHz-300GHz区间的电磁波,照射在理想导电金有重要的意义。早期该技术主要以提取液体燃料焦属表面上将被全反射,照射在介质表面则有一小部油为目的,另外也可用于油页岩提油。近几年,由于分被反射,而大部分能穿透到介质内部,并在内部逐煤炭资源的大量开发以及新技术的不断发展,为了渐被介质吸收而转变为热能,其穿透深度主要决定合理利用低变质煤资源,延长产业链提高附加值,增于介质的介电常数和电磁波的频率,介电损失是微强技术经济竞争力,在一些低变质煤种资源丰富的波频率的函数地区和国家,煤的低温干馏技术得到了前所未有的物料在微波场中的温度变化,除与微波性质有蓬勃发展。关外,主要取决于物料的自身性质。如果物料的性2.2低温热解技术发展现状国外对块煤进行热解质不同,温中国煤化工使处于同一微加工比较成熟的炉型有气流内热式炉(如鲁奇炉),波场中的矿CNMHG温度变化,即外热立式炉(如考伯斯立式炉)等,热解工艺包括美微波的选择性加热作用,将导致矿物之间出现温度苏婷,卢艳强:低变质煤的热解技术I1差。与传统的加热方式相比,微波加热具有以下挥发份烟煤制取焦炭的工艺,认为采用微波进行煤优点:的干馏是一种行之有效的方法; Mermoud等24研究加热速度快,微波加热为整体加热,电磁能直接发现,煤热解过程中,高升温速率下产生的挥发分更作用于介质分子转换为热能,可使物料内外同时受多,而且主要由大分子组成C/H比较高。 Parisa231热。所以微波加热也被叫做介电加热;均匀加等进行了原煤微波快速热解制备焦炭的研究,认为热,不论物料形状如何微波都能均匀渗透,产生热微波加热炼焦的方式是可行的。微波热解可以大幅量,因此均匀性大大改善;节能高效,易于控制;选择度提高热解速率,有效控制热解煤气的组成01,这性加热1,不同的物料具有不同的吸波性,因此对说明微波对热分解反应具有一定的催化作用,可能微波的吸收损耗不同可对各组分进行选择性加热,会促使热解过程中发生一些特殊的反应,而导致产达到对特殊组分的加热要求;安全无害,通常微波能品组成或结构发生改变。对微波热解技术的研究有是在金属制成的封闭加热室、波道管内传输。微波助于低温热解煤气的进一步深加工与利用。不属于放射性射线、又无有害气体排放,是一种十分4结语安全的加热技术丰富的煤炭资源现状,使得它的发展不论在经3.2微波热解技术及其研究进展微波热解是以徵济效益上还是资源利用上都是十分重要的内容,煤波替代常规热源的一种热裂解技术。微波加热是微的低温热解是目前乃至今后很长时间之内煤化工发波能转化为热能而对物料加热的过程,与常规热展的主要方向,采用常规的加热方式占到热解处理解技术相比具有同步均匀加热物料、加热效率高的的大部分,这种技术使用的时间长,技术比较成熟,优势1,可直接对大尺寸物料进行热解,所有热解具有一定的优势。但微波热解的技术相比之下也有产物均可进行进一步综合利用。鉴于此,众多学者它自身独特的优势,今后工业生产中,要尽量的发挥已经在微波热解领域开展了著有成效的研究工作,其特点,朝着高效率的微波热解技术趋近,逐步的规推动了该技术在化工、冶金、材料等行业的广泛应模化,体现其对工业化的积极作用。用9。除此之外,以微波为热源对原煤进行干煤的微波热解技术属于新型的处理方式,对其燥、脱硫、热解等的研究也是目前微波技术应用的一热解机理的分析还不成熟,比如采用微波条件是如个热点问题。何改变了产品的组成和结构等这些问题的解决还不TUsu研究表明,当有氧化铜、四氧化三铁够精准所以在理论上还需要做更多的研究。在设等吸波性物质存在时,煤在微波场中会快速升温,3备方面,要想大规模的工业化,同样也需要进行大量min即可达到1000℃以上,导致煤发生快速热解。的设计实验研究工作,还要经历一定的时间。釆用K.E.ha等2)发现,在微波辐射的条件下油页微波热解方式进行煤的干馏,是对煤化工发展起到岩热解产生的焦油中轻质烃的含量较常规加热的推动作用的,今后在不断的发展完善中,必将走向高大。 Ed Lester等初步研究了采用微波能加热高效低能耗的工业发展道路。参考文献:[l]况世选论煤炭的主要物理性质[J.企业技术开发,2010,29(10):61-62]姜晓霞煤化学[M].北京:煤炭工业出版社,2007:4-11[3]郎会荣,李桂芬.煤化学[M].哈尔滨:哈尔滨地图出版社,2007:19-22.4]李增学,魏久传,刘莹.煤地质学[M].北京:地质出版社,2005:32-35.[5]莫若平,武文,张志敏东胜煤田煤质特征及其综合利用方向[J].内蒙古煤炭经济,200(2):16-18.[6]杨国荣浅议中国神木煤煤质特征及工业利用方向[J].煤化工,1994,69(4):31-357]杜铭华煤炭液化技术及其产业化发展[,中国煤炭,200,22H中国煤化工[8]陈家仁·中国煤炭及煤炭清洁利用技术[J.洁净煤技术,1996,2CNMHG[9]李飞.我国煤化工科技现状及前景[J].化工设计,1994(6):1-912榆林学院学报2014年第2期(总第112期)[I0]王元臣,张永吉论神华煤的优势[J].洁净煤技术,2003,9(4):8-1[I冂]抚顺石油学院人造石油教研组.低温干馏工艺学[M].北京:中国工业出版社,1961:102-113[12]郭树才煤化工工艺学[M].北京:化学工业出版社,1992:11-16[13]S K. Samanta, T. Basak, B. Sengupta. Theoretical analysis of microwave heating of oil- water emulsionssupported on ceramic, metallic or composite plates [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2008,51:6136[l4]刘全军,陈景河微波助磨与微波助浸技术[M].北京:冶金工业出版社,2004:24-32[15 ]D. A. Jones, T P. Lely Veld, S D. Mavrofidis Microwave heating applications in environmental engineeringa review [J]. Resources Conservation and Recyling, 2002, 34: 75-90[16]SJ. Maa, X W. Zhou, X.J. Sua. A new practical method to determine the microwave energy absorptionbility of materials[ J]. Minerals Engineering, 2009, 22: 1154-1159[I刀]周健,雷震东,刘泉.微波加热原理及在工业中的应用[J.电子器件,1997,20(1):633-636[18]魏砾宏,李涧东,李爱民煤粉热解特性实验研究[J].中国电机工程学报,2008,26(28):53-58.[19]B. H. Tian, Z H. Luan. Low -temperature synthesis of allyl dimethylamine by selective heating under mi-crowave irradiation used for water treatment[J]. Radiation Physics and Chemistry. 2005, 6(73 ): 328-333[20 ]K. Khalidb, A. Idris. Drying of Silica Sludge Using Microwave Heating[j]. Applied Thermal Engineering2004,5-6(24):905-918[21]T. Uslu, Atalay, A. I. Arol. Effect of microwave heating on magnetic separation of pyrite[ J]. PhysicochemEng. Aspects.2003,225:l61-167[22]K. El harfia, M B. Chana. Pyrolysis of the Moroccan(Tarfaya)oil shales under microwave irradiation [J]Fuel.2000,(79):733-742[23 JE. Lester, S. Kingman. The effect of microwave pre-heating on five different coals[ J]. Fuel. 2004, 83)1941-1947.[24 ]Mermoud. Influence of the pyrolysis heating rate on the steam gasification rate of large wood char particles[J].Fuel.2005,10(85):4-8[25]. M. urchill. Rapid microwave pyrolysis of coal [J].Fuel. 1995, 74(1):20-27[26JJ.A Dominguez, Y. Menendez. Conventional and microwave induced pyrolysis of coffee hulls for the production of a hydrogen rich fuel gas [J]. Anal. Appl. Pyrolysis. 2007, 79: 128-135(责任编辑:王瑞斌)On the Pyrolysis Technology of the Low Metamorphic CoalSU Ting, LU Yan-qiang(School of Chemistry and Chemical Engineering, Yulin University, Yulin 719000, Shaanxi)Abstract: The reservation of low metamorphic coal in China is very rich, its fully effective use can greatly alleviatethe current status of the resource constraints, but it also brings large benefits economically. And thermal processingof low metamorphic coal is a relatively common way. The microwave technology, as a new coal conversion technolo-gy, has a wide prospects in comprehensive utilization of coal, oil shale and biomass. It has the characteristics of anenergy efficient solution, the high heating rate and reaction rate. The paper summarized the technology of coal pyrolysis as well as the development and utilization of microwave pyrolysis中国煤化工thecharacteristics analysis of low metamorphic coalHCNMHGKey words: low metamorphic coal; low-temperature pyrolysis; microwave pyrolysis