煤熱解技術現狀及研究進展

孫澤淵

（山西能源學院，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量上差別很大，最終導致了我國的整體質量下降。我國的品質較低的煤每年的生產量大約在總量的三分之一。只有同時使用不用的煤熱解技術，才能提升轉化率和焦油率的轉化水平。達到高效利用低階煤的目的，才能達到國家對煤炭資源的發展標準。

1 煤熱解技術進展

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

1.1 加氫熱解

加氫熱解技術表達的是煤在H2氣體中進行熱解，為的是取得高熱值煤氣。與煤直接的氣化和液化相比，加氫熱解對煤的使用率的數值要遠遠大于煤直接氣化和液化使用率的數值。在熱解的過程中還可以有效的控制硫化物的產量在合理的范圍內。在H2氣體中進行熱解比在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合，實現焦油輕質化的目標。該反應中低分子化合物的量較大，導致焦油的收率值增加。

1.2 催化熱解

催化熱解的實質就是加入催化劑不改變任何外在的條件，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，會不斷釋放出重質組分，并且隨著時間推移，釋放的速度下降的并不明顯，導致最終產生非常多的重質組分。熱解過程中的環境條件時最重要的因素，所以重質成分與相應的焦油很難區分。但是在加入催化劑后，可以降低熱解溫度，從而影響反應的變化，這樣就能將成分進行控制，當在熱解的過程中增加不同作用的催化劑時，能夠得到不同的產率值。大量的試驗數據顯示出催化劑可以降低煤熱解時產生的重質組分的量，從而提升焦油的品質。

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還無法得知，而且使用時有局限性。在熱解天平下觀察甲烷氣體，得出在反應時溫度在400 ℃下時，煤熱解的TG曲線和在氮氣下的曲線近乎完全一樣。當溫度在400～750 ℃區間時，甲烷活化熱解中煤失重的速率數值非常大。而后又在固定床上加入催化劑進行試驗，觀察煤在甲烷氣體下的熱解情況，總結出當溫度在500 ℃時，能夠取得焦油產率的峰值。與惰性氣體下煤的熱解相比，在甲烷氣體下取得焦油產率峰值時的溫度相對偏低。

2 煤的熱解過程及機理

煤的熱解過程大致分為2個部分，第一部分是煤內在的大分子進行熱裂解，裂解后的揮發分彼此的反應。該部分反應過程中，煤由于不斷的受熱，導致其中大分子烷基側鏈等穩定性較差的化學鍵斷裂，從而使得揮發分出現。第二部分從第一部分反應中的生成物繼續發生縮合、裂解、脫氫與加氫等化學反應，而生成的半焦縮聚就是焦炭。圖1為二次反應的示意圖。

圖1 煤熱解二次反應圖

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，一個是熱解原材料另一個是熱解反應條件。而第一個因素熱解原料也會受到兩方面的影響，其中一方面是煤化程度，另一方面是煤預處理的方式。熱解反應環境條件包含的因素主要有溫度T、反應壓力P、熱解氣氛、反應時間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

決定煤品質最關鍵的因素是煤化程度，每個種類的煤其中含有的礦物質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，揮發分與煤化程度的關系也是如此。在高階煤中芳香層片的分布是井然有序的，穩定性非常高。從這些因素可以得到煤熱解產物的分布與收率對其產生的影響。當低煤化煤在發生熱解反應時，最終的產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生熱解反應時，產物結果與煤化程度低的正好相反。煤化程度高的煤產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 預處理方式

對煤粉進行預處理其實就是改善煤粉的結構，讓煤粉中氫的占比增加，降低反應的活化能，來降低熱解的條件，簡化熱解的流程。使用最多的是溶劑預處理方法和氣氛預處理方法。兩種處理方法的不同之處見表1。

表1 預處理方法熱解影響對比

3.2 熱解反應條件

3.2.1 反應溫度

煤在熱解反應時，當溫度的不斷上升，煤內在的物質中第一個斷裂的是羧基，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分別是碳氫化合物和一次焦油。當溫度持續的上升，煤熱解產物就會變多，轉化率的峰值也會上升，開始進行二次反應。焦油的產量就會不斷地上升。通過實驗數據分析得出，平朔煤在溫度為700 ℃的條件下，發生熱解時，它的產率下降，但在溫度為550～650 ℃范圍時，甲烷產率上升到峰值。煤熱解時溫度的升高，伴隨著的是自由基的數量變多，最終形成焦油量的上升。

3.2.2 反應壓力

最近5年很多科學工作者開始在加壓煤熱解上投入更多的精力。因為壓力一是能夠改變煤的內部結構，二是改變煤熱解的過程，導致熱解產物的不同。產物的不同一般是二次反應決定的，壓力的上升導致煤粉內部的產物逸出變得十分困難，內部的阻力增大讓氣體的產生變少。另一個原因是壓力的上升讓液體產物的產率峰值變高。

4 結 語

高效利用煤炭的關鍵技術是煤熱解技術，對提高我國煤炭資源的利用率有著至關重要的作用。不斷地研究煤熱解技術，了解國內外的現狀和技術水平以及煤熱解技術的發展趨勢，有助于我國創新并提高新型煤熱解的技術水平，從而實現提升煤熱解轉化率和焦油率的目標。通過對煤熱解特性的研究，我國可以更高的掌握熱解產物的分布，利于提高熱解產物的質量。