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八道灣組和中侏羅統西山窯組，主要為湖濱相、河流相沉積。煤顯微組分含量90%左右，變質程度較低，鏡質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特征，項目組采集代表性樣品進行熱解、熱重熱解、干燥提質實驗及加氫液化性能、氣化性能、成漿性能評價等煤轉化實驗研究。本文重點介紹熱解實驗研究，為新疆三塘湖煤田煤炭資源的潔凈、高效利用提供地質依據。

1 概況

三塘湖煤田位于新疆東北部，準噶爾盆地東端，東天山北麓，北鄰蒙古國中低山區，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，行政區劃屬哈密地區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個煤炭礦區，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%區域達詳查程度，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地質勘查總結報告,2012。

三塘湖煤田煤炭資源量大，屬低變質優質化工用煤。通過對煤的熱解特性研究，分析其煤化工原料的適應性。工作中利用實驗室1 kg熱解裝置對煤炭樣品進行熱解提質試驗研究，并對熱解后的主要產物進行分析，獲得煤炭熱解后的焦油產率、半焦產率、熱解氣體產率、熱解氣體中重要化學產品成分等信息?李瑞明,雍曉艱,白向飛,等.新疆準東煤田煤炭資源分質利用技術研究,2015。

2 熱解實驗研究

三塘湖煤田焦油含量普遍較高，熱解提質試驗中分別選擇具代表性的6個點采取樣品，即白石湖一采區煤樣、白石湖三采區煤樣、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個樣品進行熱解實驗，掌握分析各樣品熱解實驗結果，取得較好效果。

2.1 熱解提質條件試驗

溫度確定熱解產品中焦油價值在熱解總產品價值中占有相當比重，為提高熱解產品總價值，試驗中對熱解條件進行了文獻調研和探索試驗。結果表明，低溫熱解過程中當熱解終溫在550℃～600℃時，低溫焦油產率最高。當熱解溫度高于這一溫度時，焦油發生熱解，降低了焦油產率；當熱解溫度低于這一溫度時，煤中部分產油組分未完全發生分解，同樣降低了煤樣焦油的產率。試驗中對選取煤樣進行探索試驗，考察不同熱解終溫對焦油產率的影響。不同熱解終溫下焦油產率、半焦產率和氣體產率的結果見表1。

從不同溫度焦油產率對比試驗結果看出，600℃時煤炭焦油產率最高。當熱解溫度低于600℃時，由于部分樣品分解溫度未達到，造成焦油產率下降。從半焦產率結果可看出，當焦油產率較低時，半焦收率較高。試驗結果與文獻調研所得結論基本一致。

表1 不同熱解溫度產物（均為干基煤產率）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率。熱解粒度過大時，物料在熱解過程中大顆粒對熱解產物析出有一定阻礙作用。由于顆粒較大，造成顆粒內外溫差較大，熱解產物析出時由于溫差影響發生二次裂解，降低了焦油產率。因此，需根據熱解反應器的不同選擇合適物料粒度。試驗中熱解反應器較小，物料粒度對熱解產物產率的影響較小。通過表2中試驗數據看出，實驗室條件下，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率影響不明顯。為避免熱解氣體將物料粉塵帶出，試驗中熱解原料煤的粒度選擇小于13 mm。

停留時間熱解停留時間對焦油產率可能有一定影響。當達到熱解終溫時，若停留時間過短，會造成熱解不充分，降低最終焦油產率。探索試驗過程發現，物料達到熱解終溫后，大部分物料在30 min內無熱解氣體產生，說明此時物料完成了熱解過程。實驗室條件下，熱解過程較充分，因此為比較不同樣品的焦油最大產率，以達到熱解溫度后無熱解氣體產生時為試驗結束點，或達到熱解溫度終溫后1 h后為試驗結束點，以保證物料充分熱解，獲得更多的焦油產物。

熱解試驗條件確定通過以上熱解試驗條件對比，為獲得更高的焦油產率，根據文獻調研結果和條件試驗，最終選擇熱解終溫為600℃，樣品粒度小于13 mm。熱解結束時間根據熱解氣體析出量決定，當熱解氣體停止析出時結束熱解試驗，若熱解氣體持續析出，以達到熱解終溫1 h后作為熱解試驗結束時間點。

據以上選定的試驗條件，對三塘湖煤田的煤樣進行熱解試驗研究，熱解試驗結束后測試熱解氣體中氨、萘、硫化氫、苯的含量。同時測試熱解粗焦油產率、熱解水分產率、熱解氣體產率、半焦產率等。其中，熱解所得半焦進行工業分析、元素分析、硫分、發熱量等基礎煤質指標的測試。據熱解試驗結果，進一步選擇具代表性樣品，對焦油產物進行進一步分析，并對熱解氣體進行成分測試。

2.2 熱解提質試驗

通過選取代表性樣品進行熱解提質試驗（表3），熱解氣主要化學產品見表4。

煤樣熱解后粗焦油產率較高，干基粗焦油產率達到11.5%。從樣品煤巖組成來看，鏡質組含量高達95.4%。由于鏡質組在熱解過程中產生焦油較多，高鏡質組含量的煤，其熱解焦油產率一般較高。煤樣通過低溫熱解過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，在工業生產時應注意對尾氣進行處理，避免污染物泄露造成環境污染。尾氣處理裝置應留有充分的余量，以應對熱解氣體中較高含量的污染物。熱解后煤樣半焦測試結果見表5。

從表5中可看出，煤樣經低溫熱解后，煤質發生顯著的變化。煤樣的水分、揮發分有了大幅度下降。由于揮發分大量析出，干基灰分有所上升。隨著揮發分析出，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。同時半焦碳元素含量和發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，對半焦質量造成了一定影響。

按GB/T 25210-2010《蘭炭用煤技術條件》中相關規定，樣品原煤灰分較高，不適用于蘭炭用煤。按GB/T 25211《蘭炭產品技術條件》中相關規定，由于低溫熱解后半焦產品的灰分較高，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 不同粒度熱解產物產率Table 2 Yield of pyrolysis products of different grain size

表3 煤樣熱解試驗結果（產率均為干基煤）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產品含量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焦油產率均較高，綜合考慮煤樣的礦區位置、樣品煤質的代表性，選擇煤樣進行焦油分析，煤樣熱解過程中焦油干基產率均大于11%。利用熱解提質試驗收集焦油后進行進一步的分析，在焦油預處理過程中，白石湖一采區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%。對進一步深加工，可獲得豐富的化工產品。熱解方式獲得焦油產品具較好經濟價值。

熱解試驗的熱解氣體中甲烷、氫氣含量較高，熱解氣體熱值較高，可作為民用或工業用燃燒氣使用。同時熱解氣體中氫氣、甲烷經分離提純后也可作為其它煤化工產品的原料氣，具有一定經濟價值。熱解氣體中一氧化碳含量達到了10%～14%，因此在利用熱解氣體時要做好防護工作，避免一氧化碳氣體中毒事故發生。新疆地區低階煤低溫熱解氣體中氫氣、甲烷含量在分為為30%～40%和30%。而陜北地區低變質煤低溫熱解氣體中氫氣、甲烷含量在30%和10%左右。

通過對比，新疆地區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。陜北地區低階煤資源豐富，多采用低溫干餾技術進行處理。陜北地區低變質煤干餾產品中，焦油產率在6.5%左右，半焦產率在70%～80%，與陜北地區中低變質煤的低溫干餾產品相比，三塘湖煤田低階煤低溫熱解后焦油產率較高，在12%左右，半焦產率在60%～70%，有利于后續加工利用。

據B/T 26128-2010《稀缺、特殊煤炭資源的劃分與利用》中規定“焦油產率Tard大于12%的煤炭資源為特高油含量煤”。三塘湖礦區煤炭資源量約514×108t，高-富油焦油量約62×108t；淖毛湖礦區煤炭資源量約130.2×108t，高-富油焦油量約10×108t。實驗結果表明，三塘湖煤田的三塘湖、淖毛湖礦區煤多屬高-富油煤，巴里坤礦區煤為低含油（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勘查總結報告,2009。

巴里坤煤田煤炭資源量約6×108t，巴里坤煤田工業干餾焦油量估算約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煤炭詳查報告,2011。

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

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

表6 三塘湖礦區各勘查區煤炭資源量及焦油產量Table 6 The coal resources and tar yield of each exploration area atSantanghu mining area

表7 淖毛湖礦區各勘查區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的焦油對比情況Fig.1 Tarotan coalfield tar and other parts of China's tar comparison

3 結論

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

（2）白石湖采區煤樣、吉郎德煤樣、別斯庫都克煤樣熱解后半焦的質量較高，具一定經濟價值。

（3）三塘湖煤田煤的熱解氣體主要成分為氫氣和甲烷，可作為煤化工產品的原料氣，也可作為燃氣燃燒使用。熱解過程中產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量高，半焦質量好，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生的焦油，通過進一步深加工，可獲得豐富的化工產品。通過焦油加氫技術，可獲得不同等級的油品，進一步提高煤焦油的綜合價值。

因此，三塘湖煤田煤炭資源，在熱解提質利用方面具有廣闊的開發利用前景。

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

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