孫澤淵

（山西能源學(xué)院，山西 太原 030600）

國家能源的來源大部分來自煤炭，但是我國的煤炭資源在質(zhì)量上差別很大，最終導(dǎo)致了我國的整體質(zhì)量下降。我國的品質(zhì)較低的煤每年的生產(chǎn)量大約在總量的三分之一。只有同時(shí)使用不用的煤熱解技術(shù)，才能提升轉(zhuǎn)化率和焦油率的轉(zhuǎn)化水平。達(dá)到高效利用低階煤的目的，才能達(dá)到國家對(duì)煤炭資源的發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。

1 煤熱解技術(shù)進(jìn)展

通過我國長久的研究和分析，創(chuàng)新的研究出不止一種的煤熱解技術(shù)，其中的大部分目前只能用于小型反應(yīng)器，在大型工業(yè)上的應(yīng)用還是無法滿足的。眼下的煤熱解技術(shù)主要使用有3種，首先時(shí)加氫的熱解技術(shù)，其次是催化的熱解技術(shù)，最后是甲烷活化的熱解技術(shù)。

1.1 加氫熱解

加氫熱解技術(shù)表達(dá)的是煤在H2氣體中進(jìn)行熱解，為的是取得高熱值煤氣。與煤直接的氣化和液化相比，加氫熱解對(duì)煤的使用率的數(shù)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤直接氣化和液化使用率的數(shù)值。在熱解的過程中還可以有效的控制硫化物的產(chǎn)量在合理的范圍內(nèi)。在H2氣體中進(jìn)行熱解比在N2氣體中熱解的效率高，原因是在H2氣體中粉煤內(nèi)在的自由基被還原，飽和程度大，于是減少了在熱解過程中自由基之間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焦油輕質(zhì)化的目標(biāo)。該反應(yīng)中低分子化合物的量較大，導(dǎo)致焦油的收率值增加。

1.2 催化熱解

催化熱解的實(shí)質(zhì)就是加入催化劑不改變?nèi)魏瓮庠诘臈l件，來加快熱解反映的速度。在最開始的階段，煤在受熱的過程中，會(huì)不斷釋放出重質(zhì)組分，并且隨著時(shí)間推移，釋放的速度下降的并不明顯，導(dǎo)致最終產(chǎn)生非常多的重質(zhì)組分。熱解過程中的環(huán)境條件時(shí)最重要的因素，所以重質(zhì)成分與相應(yīng)的焦油很難區(qū)分。但是在加入催化劑后，可以降低熱解溫度，從而影響反應(yīng)的變化，這樣就能將成分進(jìn)行控制，當(dāng)在熱解的過程中增加不同作用的催化劑時(shí)，能夠得到不同的產(chǎn)率值。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示出催化劑可以降低煤熱解時(shí)產(chǎn)生的重質(zhì)組分的量，從而提升焦油的品質(zhì)。

1.3 甲烷活化熱解

在煤熱解過程中加入甲烷，甲烷活化在熱解過程中起到的作用暫時(shí)還無法得知，而且使用時(shí)有局限性。在熱解天平下觀察甲烷氣體，得出在反應(yīng)時(shí)溫度在400 ℃下時(shí)，煤熱解的TG曲線和在氮?dú)庀碌那€近乎完全一樣。當(dāng)溫度在400～750 ℃區(qū)間時(shí)，甲烷活化熱解中煤失重的速率數(shù)值非常大。而后又在固定床上加入催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，觀察煤在甲烷氣體下的熱解情況，總結(jié)出當(dāng)溫度在500 ℃時(shí)，能夠取得焦油產(chǎn)率的峰值。與惰性氣體下煤的熱解相比，在甲烷氣體下取得焦油產(chǎn)率峰值時(shí)的溫度相對(duì)偏低。

2 煤的熱解過程及機(jī)理

煤的熱解過程大致分為2個(gè)部分，第一部分是煤內(nèi)在的大分子進(jìn)行熱裂解，裂解后的揮發(fā)分彼此的反應(yīng)。該部分反應(yīng)過程中，煤由于不斷的受熱，導(dǎo)致其中大分子烷基側(cè)鏈等穩(wěn)定性較差的化學(xué)鍵斷裂，從而使得揮發(fā)分出現(xiàn)。第二部分從第一部分反應(yīng)中的生成物繼續(xù)發(fā)生縮合、裂解、脫氫與加氫等化學(xué)反應(yīng)，而生成的半焦縮聚就是焦炭。圖1為二次反應(yīng)的示意圖。

圖1 煤熱解二次反應(yīng)圖

3 煤熱解特性的影響因素

決定煤熱解特性的主要因素有兩個(gè)，一個(gè)是熱解原材料另一個(gè)是熱解反應(yīng)條件。而第一個(gè)因素?zé)峤庠弦矔?huì)受到兩方面的影響，其中一方面是煤化程度，另一方面是煤預(yù)處理的方式。熱解反應(yīng)環(huán)境條件包含的因素主要有溫度T、反應(yīng)壓力P、熱解氣氛、反應(yīng)時(shí)間t、升溫速率σ、催化劑選擇等。

3.1 熱解原料

3.1.1 煤化程度

決定煤品質(zhì)最關(guān)鍵的因素是煤化程度，每個(gè)種類的煤其中含有的礦物質(zhì)成分和含量是不一樣的，所以煤化程度也是完全不同的有很大區(qū)別。煤的氫碳比的上升和下降是由煤化程度決定的，煤化程度上升，煤的氫碳就下降，揮發(fā)分與煤化程度的關(guān)系也是如此。在高階煤中芳香層片的分布是井然有序的，穩(wěn)定性非常高。從這些因素可以得到煤熱解產(chǎn)物的分布與收率對(duì)其產(chǎn)生的影響。當(dāng)?shù)兔夯涸诎l(fā)生熱解反應(yīng)時(shí)，最終的產(chǎn)物中占比較高的是焦油和煤氣，占比較小的是水。另外煤化程度高的煤在發(fā)生熱解反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)物結(jié)果與煤化程度低的正好相反。煤化程度高的煤產(chǎn)物中占比較少的是焦油量，所以其黏性值較低，形成焦煤的可能性就小，一般情況下生成的煤粉。

3.1.2 預(yù)處理方式

對(duì)煤粉進(jìn)行預(yù)處理其實(shí)就是改善煤粉的結(jié)構(gòu)，讓煤粉中氫的占比增加，降低反應(yīng)的活化能，來降低熱解的條件，簡(jiǎn)化熱解的流程。使用最多的是溶劑預(yù)處理方法和氣氛預(yù)處理方法。兩種處理方法的不同之處見表1。

表1 預(yù)處理方法熱解影響對(duì)比

3.2 熱解反應(yīng)條件

3.2.1 反應(yīng)溫度

煤在熱解反應(yīng)時(shí)，當(dāng)溫度的不斷上升，煤內(nèi)在的物質(zhì)中第一個(gè)斷裂的是羧基，之后其他的鍵相繼開始斷裂，釋放出的小分子中占比最高的兩種物質(zhì)分別是碳?xì)浠衔锖鸵淮谓褂?。?dāng)溫度持續(xù)的上升，煤熱解產(chǎn)物就會(huì)變多，轉(zhuǎn)化率的峰值也會(huì)上升，開始進(jìn)行二次反應(yīng)。焦油的產(chǎn)量就會(huì)不斷地上升。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，平朔煤在溫度為700 ℃的條件下，發(fā)生熱解時(shí)，它的產(chǎn)率下降，但在溫度為550～650 ℃范圍時(shí)，甲烷產(chǎn)率上升到峰值。煤熱解時(shí)溫度的升高，伴隨著的是自由基的數(shù)量變多，最終形成焦油量的上升。

3.2.2 反應(yīng)壓力

最近5年很多科學(xué)工作者開始在加壓煤熱解上投入更多的精力。因?yàn)閴毫σ皇悄軌蚋淖兠旱膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，二是改變煤熱解的過程，導(dǎo)致熱解產(chǎn)物的不同。產(chǎn)物的不同一般是二次反應(yīng)決定的，壓力的上升導(dǎo)致煤粉內(nèi)部的產(chǎn)物逸出變得十分困難，內(nèi)部的阻力增大讓氣體的產(chǎn)生變少。另一個(gè)原因是壓力的上升讓液體產(chǎn)物的產(chǎn)率峰值變高。

4 結(jié) 語

高效利用煤炭的關(guān)鍵技術(shù)是煤熱解技術(shù)，對(duì)提高我國煤炭資源的利用率有著至關(guān)重要的作用。不斷地研究煤熱解技術(shù)，了解國內(nèi)外的現(xiàn)狀和技術(shù)水平以及煤熱解技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，有助于我國創(chuàng)新并提高新型煤熱解的技術(shù)水平，從而實(shí)現(xiàn)提升煤熱解轉(zhuǎn)化率和焦油率的目標(biāo)。通過對(duì)煤熱解特性的研究，我國可以更高的掌握熱解產(chǎn)物的分布，利于提高熱解產(chǎn)物的質(zhì)量。