黏結性煤破黏技術的研究現狀★

張曉欠，黃 勇，王武生，黨 昱，劉巧霞，折 喆

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710000；2.石油和化工行業化石碳氫資源高效利用技術工程研究中心，陜西 西安 710000）

0 引言

我國以煤為主的能源格局在相當長的時間內不會改變，煤炭仍是我國現在和未來能源的重要組成部分[1]。一般將煤炭分為泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤，按其黏結性又可分為不黏煤、弱黏煤、中黏煤和強黏煤[2]。煤的黏結性是指煤粒（粒徑小于0.2 mm）在隔絕空氣受熱后能夠黏結自身或惰性物質（沒有黏結力的物質）成焦塊的性質。煤的黏結性是煤重要性質之一，決定著煤是否能夠黏結成焦及焦炭的質量，同時對煤的熱解、氣化等化工應用有著重大的影響，甚至成為工藝過程中決定性因素之一[3-4]。目前，固定床氣化技術和流化床氣化技術在煤氣化行業中使用頻率較高，而這兩種氣化技術對原煤的性質均有一定要求，其中固定床氣化原煤需具有較高的活性和熱穩定性，并且需要具有一定的機械強度，弱黏結性和結渣性；而流化床氣化原料煤則需要灰熔融點要高，黏結性要小，反應性要好。這兩種技術都不用黏結性煤。如流化床選用黏結性煤，在氣化過程中容易在爐膛局部位置形成堵塞，導致床層內煤粒無法流化，嚴重影響氣化效果[5]。

因此，通過破黏改善黏結性煤在氣化過程的黏結現象，不僅擴大了氣化技術原料的來源范圍，而且進一步拓寬了黏結性煤高附加值的利用途徑，更合理地利用和保護了煤炭的資源化利用。

1 煤黏結性機理

不同變質程度的煤，其結構具有復雜性和多樣性，國內外對具有黏結性煤形成機理的研究并未達成共識。目前，膠質體理論和中間相理論為人們所廣泛應用。

1.1 膠質體理論

膠質體理論認為，煤的黏結性源于熱解過程中形成的膠質體，當具有黏結性的煤粒在隔絕空氣加熱到一定溫度時，煤顆粒開始軟化，形成固、液、氣三種相態的膠質體，隨著溫度的提高，低沸點液體揮發形成熱解油氣，高沸點液體在半焦顆粒間擴散，并發生分析、固化，使顆粒黏結。而煤的黏結性強弱正是由膠質體中液相產物的量及性質所決定的[6-7]。

1.2 中間相理論

對于中間相理論的研究者認為，煤在熱解過程中，煤中鏡質組變為膠質體時開始形成微小的球體，這些小球體逐漸接觸、熔并、長大，最后聚結在一起，形成了類似于液晶的具有各向異性的流動相態，即為中間相，而中間相在形成和發展過程中的性質及數量決定煤的黏結性強弱[8]。

2 煤黏結性測試方法

測試煤黏結的方法有很多，如黏結指數、坩堝膨脹系數、羅加指數、奧亞膨脹度以及膠質層指數等。目前最常用的方法是測其黏結指數（G）。

國標規定的測定黏結指數的具體方法是：將1 g試驗煤樣（粒度在0.1～0.2 mm 且質量分數不低于20%～35%）與5 g 標準無煙煤（均精確到0.001 g）放入坩堝內均勻混合，在標準壓塊（110～115 g）與6 kg 的壓力下受壓30 s，再放入預先升溫至850 ℃±10 ℃的馬弗爐內灼燒15 min，然后取出冷卻至室溫，最后將灼燒過后的煤樣進行兩次轉鼓試驗和篩分操作，計算出G 值[9]。

3 破黏方法研究現狀

關于黏結性煙煤的破黏方法，國內外的研究者做了很多工作，主要有機械破黏法，摻入法和預氧化法等。無論是哪種方法都存在一定的優缺點，針對不同的應用方向，選擇適合的方式。

3.1 機械破黏法

機械破黏法采用機械攪拌的方式將黏結性煤進行破黏。在氣化爐中形成塊狀物后，采用氣化爐附帶的攪拌裝置將結塊通過攪拌進行破碎，或者利用探釬，將干餾層結成的很薄的一層焦餅搗成碎塊。該方法主要應用于固定床氣化技術中，應用范圍受到限制[10]。因此，目前對于該方法的研究甚少。

3.2 摻入破黏法

將黏結性煙煤與沒有黏結性的煤或者焦以合適的比例混合，用于流化床氣化，或將二者混合壓制成塊用于固定床。該方法主要是需要同時準備煤與焦或不黏煤來源及堆放場地，經濟性相對較差。

趙守國[11]針對黑龍江周邊地區黏結性煤在德國萊比錫固定床PKM加壓氣化爐內會結焦，導致排灰困難等問題，進行了黏結性煙煤混配長焰煤和石灰石的黏試驗。試驗表明，黏結性煙煤中混配一定比例的長焰煤或石灰石，可達到其破黏的效果，從而也擴大了PKM加壓氣化爐的原料煤來源。林紅等[12]通過將不黏結性煤加入到黏結性煤中進行破黏實驗，探究最佳配比及原煤粒度，并將破黏后的型煤利用國富（GF）干餾爐干餾，得到性能優異的產品。田樹義[10]在黏結性煙煤中加入煤質量12.5%的工業廢棄液，可將原煤的黏結指數從17 降到3，如廢棄液加到煤的30%配成煤漿，則可完全破除其黏結性。周仕學等[13]研究了強黏結性煤與有機廢棄物共熱解的特性，結果表明，熱解過程中有機廢棄物能阻止煤粒之間發生黏結，得到粒狀焦炭。

3.3 預氧化法

通過氧化對煤進行預處理，破壞煤的黏結性，而預氧化后的煤揮發分相應降低，大約損失1/3，固體容重減輕約50%，因而煤的熱損失會增加，經濟效益降低[10]。

預氧化法破除煤黏結性的研究主要集中在破黏效果和工藝兩方面。戢緒國等[14]在內徑100 mm 的加壓流化床氣化爐中，進行陜西黏結煤的加壓流化床純氧氣氣化試驗，經過十幾次試驗取得滿意結果。梁杰等[15]為探索黏結性煙煤在地下氣化通道貫通過程中熱貫通特性，采用了空氣預氧化的方法，通過對不同溫度、流量及時間對煙煤黏結指數影響規律，獲得隨著氧化溫度的升高、空氣流速的增大、破黏時間延長，煙煤黏結性明顯下降。韋章兵[16]將徐州大屯孔莊的一種1/3 焦煤，分別采用空氣預氧化、水汽處理、配惰性無煙煤及藥劑浸泡4 種方法進行對比分析破黏效果，研究表明，空氣預氧化法效果最好，操作簡單；而水汽處理法效果不明顯，操作費用大，工藝繁瑣；配惰性無煙煤可降低其黏結性，但耗費無煙煤；而藥劑浸泡法適用于處理量少場合。

國內外對預氧化法破除煤黏結性的工藝研究很多，代表性的有美國礦務局開發的沉降爐破黏工藝和中國科學院過程工程研究所（IPE）開發的射流預氧化流化床氣化技術[17-18]。

美國礦務局的預氧化工藝是一個獨立處理過程，煤破黏預處理和后續半焦氣化被隔離，增加了氣化工藝的復雜性。而且在預氧化工程可燃組分部分損失，產生的H2、CO、小分子烷烴及焦油蒸汽無法有效富集利用。中國科學院過程工程研究所開發的射流預氧化流化床技術將煤預氧化破黏與半焦氣化集成在一個反應器中，不僅使預氧化產生的有效成分得到充分利用，而且可操作性強，有效地解決黏結性洗中煤的氣化問題[19]。

同時，兩種方式均采用高溫下預氧化方法破除煤黏結性，取得良好的破黏效果。而富迎輝等[20]通過固定床低溫預氧化實驗考察了強黏結性煤在不同的氧化時間和終溫下黏結性的變化規律，研究發現，氧化時間越長，煤黏結性越低，而隨著氧化時間延長，降黏的最佳溫度也下降，實驗表明，氧化8 h，終溫200 ℃時降黏效果最佳。

4 結語與展望

具有黏結性的煙煤被限制其在氣化技術中應用，常規氣化技術中，黏結性煤顆粒會在床層內互相黏結或黏結在爐內壁上，從而發生局部結焦，隨著時間積累，結焦逐步變大導致爐膛堵塞停車。對黏結性煙煤的破黏尤為重要。機械破黏法受其設備的局限性，應用范圍狹窄；摻入法目前仍處于試驗其破黏可行性及效果研究階段；而預氧化法破除煤的黏結性后，其氣化活性會受到一定的影響。而且，無論哪種破黏方法，其機理性的研究和探索較少，不能從根本上解決煙煤在氣化技術中存在的問題。

因此，探尋最佳黏結性煙煤的破黏方法，改善煤的黏結性，探索其破黏機理，不僅對黏結性煙煤氣化存在的結焦問題具有巨大指導意義，而且擴大了氣化技術的原料范圍，擴寬了黏結性煙煤高附加值的利用途徑，更合理地利用和保護了煤炭的資源化利用。