煤热解技术现状及研究进展

孙泽渊

（山西能源学院，山西 太原 030600）

国家能源的来源大部分来自煤炭，但是我国的煤炭资源在质量上差别很大，最终导致了我国的整体质量下降。我国的品质较低的煤每年的生产量大约在总量的三分之一。只有同时使用不用的煤热解技术，才能提升转化率和焦油率的转化水平。达到高效利用低阶煤的目的，才能达到国家对煤炭资源的发展标准。

1 煤热解技术进展

通过我国长久的研究和分析，创新的研究出不止一种的煤热解技术，其中的大部分目前只能用于小型反应器，在大型工业上的应用还是无法满足的。眼下的煤热解技术主要使用有3种，首先时加氢的热解技术，其次是催化的热解技术，最后是甲烷活化的热解技术。

1.1 加氢热解

加氢热解技术表达的是煤在H2气体中进行热解，为的是取得高热值煤气。与煤直接的气化和液化相比，加氢热解对煤的使用率的数值要远远大于煤直接气化和液化使用率的数值。在热解的过程中还可以有效的控制硫化物的产量在合理的范围内。在H2气体中进行热解比在N2气体中热解的效率高，原因是在H2气体中粉煤内在的自由基被还原，饱和程度大，于是减少了在热解过程中自由基之间的结合，实现焦油轻质化的目标。该反应中低分子化合物的量较大，导致焦油的收率值增加。

1.2 催化热解

催化热解的实质就是加入催化剂不改变任何外在的条件，来加快热解反映的速度。在最开始的阶段，煤在受热的过程中，会不断释放出重质组分，并且随着时间推移，释放的速度下降的并不明显，导致最终产生非常多的重质组分。热解过程中的环境条件时最重要的因素，所以重质成分与相应的焦油很难区分。但是在加入催化剂后，可以降低热解温度，从而影响反应的变化，这样就能将成分进行控制，当在热解的过程中增加不同作用的催化剂时，能够得到不同的产率值。大量的试验数据显示出催化剂可以降低煤热解时产生的重质组分的量，从而提升焦油的品质。

1.3 甲烷活化热解

在煤热解过程中加入甲烷，甲烷活化在热解过程中起到的作用暂时还无法得知，而且使用时有局限性。在热解天平下观察甲烷气体，得出在反应时温度在400 ℃下时，煤热解的TG曲线和在氮气下的曲线近乎完全一样。当温度在400～750 ℃区间时，甲烷活化热解中煤失重的速率数值非常大。而后又在固定床上加入催化剂进行试验，观察煤在甲烷气体下的热解情况，总结出当温度在500 ℃时，能够取得焦油产率的峰值。与惰性气体下煤的热解相比，在甲烷气体下取得焦油产率峰值时的温度相对偏低。

2 煤的热解过程及机理

煤的热解过程大致分为2个部分，第一部分是煤内在的大分子进行热裂解，裂解后的挥发分彼此的反应。该部分反应过程中，煤由于不断的受热，导致其中大分子烷基侧链等稳定性较差的化学键断裂，从而使得挥发分出现。第二部分从第一部分反应中的生成物继续发生缩合、裂解、脱氢与加氢等化学反应，而生成的半焦缩聚就是焦炭。图1为二次反应的示意图。

图1 煤热解二次反应图

3 煤热解特性的影响因素

决定煤热解特性的主要因素有两个，一个是热解原材料另一个是热解反应条件。而第一个因素热解原料也会受到两方面的影响，其中一方面是煤化程度，另一方面是煤预处理的方式。热解反应环境条件包含的因素主要有温度T、反应压力P、热解气氛、反应时间t、升温速率σ、催化剂选择等。

3.1 热解原料

3.1.1 煤化程度

决定煤品质最关键的因素是煤化程度，每个种类的煤其中含有的矿物质成分和含量是不一样的，所以煤化程度也是完全不同的有很大区别。煤的氢碳比的上升和下降是由煤化程度决定的，煤化程度上升，煤的氢碳就下降，挥发分与煤化程度的关系也是如此。在高阶煤中芳香层片的分布是井然有序的，稳定性非常高。从这些因素可以得到煤热解产物的分布与收率对其产生的影响。当低煤化煤在发生热解反应时，最终的产物中占比较高的是焦油和煤气，占比较小的是水。另外煤化程度高的煤在发生热解反应时，产物结果与煤化程度低的正好相反。煤化程度高的煤产物中占比较少的是焦油量，所以其黏性值较低，形成焦煤的可能性就小，一般情况下生成的煤粉。

3.1.2 预处理方式

对煤粉进行预处理其实就是改善煤粉的结构，让煤粉中氢的占比增加，降低反应的活化能，来降低热解的条件，简化热解的流程。使用最多的是溶剂预处理方法和气氛预处理方法。两种处理方法的不同之处见表1。

表1 预处理方法热解影响对比

3.2 热解反应条件

3.2.1 反应温度

煤在热解反应时，当温度的不断上升，煤内在的物质中第一个断裂的是羧基，之后其他的键相继开始断裂，释放出的小分子中占比最高的两种物质分别是碳氢化合物和一次焦油。当温度持续的上升，煤热解产物就会变多，转化率的峰值也会上升，开始进行二次反应。焦油的产量就会不断地上升。通过实验数据分析得出，平朔煤在温度为700 ℃的条件下，发生热解时，它的产率下降，但在温度为550～650 ℃范围时，甲烷产率上升到峰值。煤热解时温度的升高，伴随着的是自由基的数量变多，最终形成焦油量的上升。

3.2.2 反应压力

最近5年很多科学工作者开始在加压煤热解上投入更多的精力。因为压力一是能够改变煤的内部结构，二是改变煤热解的过程，导致热解产物的不同。产物的不同一般是二次反应决定的，压力的上升导致煤粉内部的产物逸出变得十分困难，内部的阻力增大让气体的产生变少。另一个原因是压力的上升让液体产物的产率峰值变高。

4 结 语

高效利用煤炭的关键技术是煤热解技术，对提高我国煤炭资源的利用率有着至关重要的作用。不断地研究煤热解技术，了解国内外的现状和技术水平以及煤热解技术的发展趋势，有助于我国创新并提高新型煤热解的技术水平，从而实现提升煤热解转化率和焦油率的目标。通过对煤热解特性的研究，我国可以更高的掌握热解产物的分布，利于提高热解产物的质量。