山阴低阶煤低温干馏影响因素研究

张广仨，韩冬云，曹祖宾（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001）



山阴低阶煤低温干馏影响因素研究

张广仨，韩冬云，曹祖宾
（辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001）

摘要：以山阴低阶煤为原料，采用自制的铝甑干馏设备，考察了加热速率、干馏终温、持温时间、煤粒度等因素对山阴煤出油率的影响。结果表明，在升温速率为7℃/min，干馏终温为450℃，持温时间为20min，煤粒度为0.5mm的适宜条件下，煤焦油出油率达9.8%。

关键词：低阶煤；低温干馏；干馏终温；升温速率；持温时间；煤粒度

Key worlds：Low rank coal；low-temperature dry distillation；terminal temperature of dry distillation；heating rate；temperature holding time；coal particle size

前言

我国是一个“富煤少油缺气”的国家。在世界已探明的化石能源储量中，中国的煤炭占世界总量的15%，石油占2.7%，天然气占0.9%[1]。我国低阶煤储量占全部煤炭储量的46%，储量丰富，具有广阔的开发利用空间[2]。低阶煤是由芳环、脂肪链等官能团缩合形成的大分子聚集体。既含有以无定型碳与灰为代表的固体成分（60%（wt）～80%（wt））、又含有高达10%（wt）～40%（wt）的由链烷烃、芳香烃、碳氧支链构成的代表煤本身固有油气成分的挥发分[3]。因此低阶煤煤化程度低、挥发分高、水含量高，直接燃烧或气化效率低。低阶煤的干馏是大多数低阶煤转化过程的初始阶段，是低阶煤清洁、有效利用技术的基础过程，且对低阶煤的后续转化加工有着重要的影响[4]。所以对低阶煤进行干馏是一种有效处理低阶煤的方式。煤在隔绝空气的条件下，受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦炭的过程，称为煤干馏[5]。按加热终温的不同，可分为三种：500～600℃为低温干馏；700～900℃为中温干馏；900～1100℃为高温干馏[6]。

本文以山阴县低阶煤为研究对象，考察了影响其出油率的主要因素如加热速率、干馏终温、持温时间、原料粒度等，得到了优化方案，旨在为工业化大规模生产提供重要的数据支撑。

1　实验部分

1.1实验方法与装置

对山阴低阶煤进行破碎，筛分出一定粒度煤样作为实验原料。采用单一变量法，在自制的铝甑干馏装置上分别考察了升温速率、干馏终温、持温时间及煤粒度对山阴低阶煤出油率的影响情况。铝甑实验执行中华人民共和国国家标准GB/T480-2010，煤的工业分析及元素分析分别执行中华人民共和国国家标准GB/T212-2008和GB476-91。实验装置如图1。

图1　铝甑干馏装置Fig.1　Aluminum retort distillation equipment

1.2实验原料与性质

本实验采用山阴低阶煤，对其破碎取样后进行性质分析，结果列于表1。

表1　山阴低阶煤主要性质Table 1　The main characteristics of Shanyin low rank coal

2　结果与讨论

2.1升温速率对山阴煤出油率的影响

图2　升温速率对煤出油率的影响Table 2　Effect of heating rate on oil yield of coal

取一定量制备好的煤样，使用单一变量法分析，就是在固定煤粒径（0.5mm）、干馏终温（450℃）以及干馏持温时间（20min）条件下，考察低温干馏实验中的加热速率对山阴煤出油率的影响情况，结果如图2所示。

由图2可见，随着加热速率的逐渐增大，煤样出油率先升高后降低，出油率的峰值在7℃/min左右。出现这种情况的原因是提高加热速率，加快了煤中有机质组分的裂解，反应速度加快，产物量增大，煤在干馏设备中的停留时间也减少，焦油在设备中发生二次反应的机会减少，出油率就高。但当继续提高加热速率的时候，干馏设备外部的温度升高，煤干馏的有机质组分裂解生成的气态产物从煤的内部向外导出时温度过高，这就促进了焦油的副反应，并且由于加热速率快，温度过高就会使煤干馏反应持续进行，也就是出现烧油现象，这导致煤产出的焦炭和焦炉煤气的量增加而焦油的产出减少，使煤的出油率降低。

2.2干馏终温对山阴煤出油率的影响

取一定量制备好的煤试样，采用单一变量法分析比较，在固定煤的粒径（0.5mm）、热速率（7℃/min）、持温时间（20min）条件下，考察试验中干馏终温对山阴煤出油率的影响，如图3所示。

图3　干馏终温对煤出油率的影响Table 3　Effect of terminal temperature of dry distillation on oil yield of coal

由图3可见，当干馏终温升高时，实验煤的出油率也随之升高，当干馏实验终温达到450℃左右时煤的出油率达到最高值，以后随温度升高也不见有明显增加。一般情况下，在达到各自的干馏终温后继续升温进行干馏，煤的出油率稍微会有下降的情况，这是因为在干馏温度达到一定值后煤中的无机矿物质中所含的结晶水受热而分解出来，并且温度过高会有烧油现象，也会降低煤的出油率，所以在对煤进行干馏时要注意对干馏终温的控制，对于此次实验煤的干馏终温基本可以控制在440～480℃。

2.3持温时间对山阴煤出油率的影响

取一定量制备好的煤样，使用单一变量法分析，就是在固定煤粒径（0.5mm）、干馏终温（450℃）以及升温速率（7℃/min）条件下，考察低温干馏实验中的持温时间对山阴煤出油率的影响情况，结果如图4所示。

图4　持温时间对煤出油率的影响Table 4　Effect of temperature holding time on oil yield of coal

由图4可见，随着持温时间的延长，煤热解程度不断加深，煤焦油出油率逐渐升高，在约20min时达到峰值，之后不再有焦油产生，如果继续延长持温时间所测得的煤焦油出油率会下降。这是因为在干馏反应温度较低时，煤焦油出油率随着加热时间的延长而缓慢增高，当达到干馏终温时，煤热解才刚刚开始，若此时中断热量供给，则导致煤热解不完全，大量的煤因供热不足而停止分解，使得出油率偏低，因此必须持温一定时间后才能使煤热解完全而得到高的煤焦油出油率。但若持温时间过长，局限于实验仪器的精密程度，空气中的水分很可能被冷凝到用于收集焦油和热解水的锥形瓶中，从而在油水分离实验当中所测定的水分含量增加，使得含油率测定值下降[7]。因此，实验过程中确定最佳持温时间为20min。

2.4煤粒度对山阴煤出油率的影响

取一定量制备好的煤样，使用单一变量法分析，在固定干馏终温（450℃）、升温速率（7℃/min）以及持温时间（20min）条件下，考察低温干馏实验中的煤粒度对山阴煤出油率的影响情况，结果如图5所示。

由图5可见，随着煤颗粒度的增大，山阴煤出油率逐渐降低。这是由于煤的导热性较差，颗粒度增大后，其表面与中心存在着较大的温度差，颗粒度愈大该温差就愈大，所需的传热时间也就越长。因此干馏时应将煤颗粒尽量粉碎，若要干馏大粒度的煤样，就必须在适宜温度下保证充分的停留时间[8]。

图5　煤粒度对煤出油率的影响Table 5　Effect of coal particle size on oil yield of coal

3　结论

（1）在对山阴低阶煤进行低温干馏时，升温速率、干馏终温、持温时间、煤粒度是影响煤焦油出油率的主要因素。随着加热速率的提高，煤出油率先增大后减小；随干馏终温的升高或持温时间的延长，煤出油率逐渐增大，之后趋于平稳或略有下降；随着煤粒度的增大，煤出油率逐渐减小。

（2）在升温速率为7℃/min，干馏终温为450℃，持温时间为20min，煤粒度为0.5mm的适宜条件下，测得的煤出油率为9.8%。

参考文献：

［1］ 谢克昌.煤利用技术研发现状及发展趋势［J］.煤田地质与勘探，2004，32（增刊）：8～17.

［2］ 杨倩，伏瑜，郭延红，等.陕北低阶煤低温干馏特性研究［J］.煤炭转化，2015，38（4）：71～74.

［3］ 王建国，赵晓红.低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范［J］.中国科学院战略性先导科技专项，2012，3（27）：382～387.

［4］ 初茉，李华民．褐煤的加工与利用技术［J］．煤炭工程，2005（2）：47～49．

［5］ 乔星星，王永，王影，等.低阶煤气体载热低温干馏工艺研究进展［J］.能源与节能，2013（12）：3～5.

［6］ 郭树才.煤化工工艺学［M］.北京：化学工业出版社，1992：6～7.

［7］ 马海燕，申云生，张悦华，等.油页岩含油率测定方法及其影响因素的研究［J］.石化技术与应用，2010，28（2）：109～112.

［8］ 杨迎军，关晓辉，鲁敏，等.桦甸油页岩低温干馏影响因素研究［J］.东北电力大学学报，2007，27（2）：26～29.

Research on the Factors on Low-temperature Dry Distillation of Shanyin Low Rank Coal

ZHANG Guang-sa,HAN Dong-yun and CAO Zu-bin
（College of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China）

Abstract：The key factors affecting the yields of coal tar including heating rate，terminal temperature of dry distillation，temperature holding time and coal particle size were investigated by using Shanyin low rank coal as feedstock，adopting low-temperature dry distillation method and in a self-made dry distillation unit.The results showed that under the optimum conditions which was the heating rate was7℃/min，the terminal temperature of dry distillation was 450℃，the temperature holding time was 20min，and oil shale particle size was 0.5mm，the yield of coal tar could reach up to 9.8%．

中图分类号：TQ536

文献标识码：A

文章编号：1001-0017（2016）03-0194-03

收稿日期：2016-02-03

作者简介：张广仨（1989-），男，黑龙江齐齐哈尔人,在读硕士研究生，主要从事非常规油气开发与利用方面研究。