低阶煤与藻类生物质共热解的研究进展

程晓晗 侯丽君

摘 要： 本文旨在参照煤、藻类生物质单独热解及煤与藻类生物质的共热解，将提高低阶煤的利用效率和藻类的资源化利用有机结合，来提高热解产物的产率和品质。

关键词： 低阶煤；藻类；共热解；热解产物

运用低温干馏工艺生产半焦和低温煤焦油是拓展低阶煤的应用领域、提高产品附加值和应用效率的重要途径 [1]。为了提高焦油收率及质量，人们提出了煤加氢热解[2]，而供氢以提高煤转化率成了热解研究的关键。由于纯氢成本较高，所以必须寻找到廉价的氢源。生物质含氢量高，可为一种富氢物质成为煤加氢的供氢剂，来弥补低阶煤富碳贫氢和热解转化率低的劣势。生物质中的藻类是低等的光合自养生物，不仅产量高，而且固定CO2的能力也很强，藻类减排CO2是地球上最主要和最有效的固碳方式[3]，藻类在CO2固定过程中形成的物质可以高效地转化成生物能源加以利用[4]。因此，藻类生物质与煤共热解不仅可以有效的降低工业生产成本，提高煤的转化率，而且在实现自然资源的经济高效利用的同时，使煤焦油轻质化。

1低阶煤的单独热解

1.1 煤的低温干馏技术

煤的干馏技术除了按干馏温度分类以外，还有其他多种分类方法：按照气氛、加热速度、加热方式、热载体的类型、固体物料的运行状态。煤热解工艺的选择取决于对产品的要求，并综合考虑煤质特点、设备制造、工艺控制水平及最终的经济效益等[5]。

干馏产品质量主要受原料煤种类、品质、加热终温，加热速度、热解气氛、压力等因素影响[6]。在低温条件下，热解时间愈短，焦油的收率就愈高。而高温条件下，热解时间增加、焦油收率降低、气体收率增加。因此，为提高焦油的收率，热解应在低温下快速进行[7]。

1.2热解产物的利用

低温煤焦油是煤在800℃以下干馏得到的副产物，可用作生产油毡纸、炭黑等，同时也可通过加氢改质制取清洁燃料油。

半焦具有高化学活性、高比电阻、高固定碳、低灰、低硫、低磷、低三氧化铝等优良特性。一般意义的焦炭产品多用于高炉炼铁和铸造等冶金行业，同时在高炉喷吹、生产炭化料和活性炭等领域有着较大的发展潜力。

热解气主要由H2、CO、CH4、CO2组成。热解气可供民用炊事和取暖，发电，区域传热，也可用作化工原料的合成气等。

2低阶煤与藻类生物质共热解

煤的本质是富碳少氢，研究其与富氢物质的共热解是一条路径。生物质热解产物生物油和可燃气中含有较多有价值化工原料，将两者共热解，在一定程度上也可实现生物质的高效经济利用[8～9]。

煤与生物质在热解过程中共同具有主要的反应过程：

甲烷气化反应： CH4+ H2O = CO+ 3H2 （1）

水煤气反应： C+ H2O = CO+ H2 （2）

循环反应： C+ CO2 = 2CO （3）

甲烷分解反应： CH4 = C+ 2H2 （4）

这些反应随着温度的升高会达到平衡，而且会有更多的CO和H2 产生，有利于产品的应用。根据煤化学理论，在煤热解过程中，如果氢能够适当地分配给碳原子，则煤中的氢量几乎足以使之全部挥发，至少对中低阶的煤来说是如此的。加氢热解可以提高煤热解转化率， 提高焦油产量，改善焦油质量。生物质的H/C 比率高，内部氢足以使其完全挥发，氢气气氛对煤的热解影响较大， 可以作为煤很好的供氢剂。在生物质混合物与煤共热解过程中， 生物质混合物提前热解产生氢，而煤是贫氢物质，在煤热解过程中， 生物质中的氢有可能转移到煤中， 有利于煤的热解。

何选明等[10]又将浮萍与长焰煤以不同的比例混合后共热解。結果显示，浮萍的添加不仅使煤焦油得以轻质化，还提高了煤焦油的产率，并且使煤焦油中的高附加值组分如芴、酚、萘及它们的化合物等得以富集。Supachita Krerkkaiwan等[11]将次烟煤与稻草、及合欢木在下落管固定床反应器中共热解。结果表明，生物质的添加在增加气体产量、降低焦炭和焦油产量方面有显著的效应。

3结论与展望

基于我国“缺油、少气、富煤”的现状，“以煤代油”是一条缓解石油危机的有效途径之一。而藻类生物质不仅具有富氢、生长周期短、光合作用效率高等优点，还可以与污水治理和碳减排相结合，是一种理想的廉价供氢剂。本文着力对低阶煤、生物质、藻类单独热解与低阶煤与藻类生物质共热解进行对比研究，介绍了生物质对煤的热解过程及热解产物产生的不同影响。今后低阶煤与藻类低温共热解可以深入研究不同藻类及其不同组分对不同变质程度煤在不同工艺条件下的作用机理。

参考文献

[1] 张飏，孙会青，白效言，等. 低温煤焦油的基本特性及综合利用[J]. 煤炭燃烧，2009，15（6）：57-60.

[2] 马林转，何屏. 褐煤与生物质热解实验研究[J].云南化工，2007，34（2）：76-80.

[3] 陈明明，杨忠华，吴高明，等.利用微藻技术减排CO2的研究[J].武汉科技大学学报，2009，32（4）：436-439.

[4] 龚小宝，黄华军，周春飞，等. 微藻在生物减排CO2中的应用[J].环境污染与防治，2010，32（8）：76-79.

[5] 米志平，王宁波. 煤炭低温干馏技术现状及发展趋势[J]. 洁净煤技术，2010，16（2）：33-37.

[6] 孙会青，曲思建，王立斌. 低温煤焦油生产加工利用的现状[J]. 洁净煤技术，2008， 14（5）：33-37.

[7] 王永军. 煤干馏生产半焦、煤焦油及干馏炉煤气的发展前景[J]. 燃料与化工，2010，41（1）：9-11.

[8] 高晋生.煤的热解、炼焦和煤焦油加工[M].北京：化学工业出版社，2010，10-14.

[9] Nathan T W， Nicholas C M， Bryan D M. product distributions from isothermal co-pyrolysis of coal and biomass[J]. Fuel， 2012， 94： 563-570.

[10] 何选明，潘叶，陈康等. 生物质与低阶煤低温共热解转化研究[J]. 煤炭转化，2012， 35（4）： 11-15

[11] Supachita Krerkkaiwan， Chihiro Fushimi， Atsushi Tsutsumi， et al. Synergetic effect during co-pyrolysis/gasi？cation of biomassand sub-bituminous coal [J]. Fule Processing Technology， 2013， 115： 11-18.