新疆三塘湖煤田高油煤热解研究

雍晓艰

（新疆维吾尔自治区煤炭综合勘查院，新疆 乌鲁木齐 830091）

三塘湖煤田含煤地层主要为下侏罗统八道湾组和中侏罗统西山窑组，主要为湖滨相、河流相沉积。煤显微组分含量90%左右，变质程度较低，镜质组平均最大反射率为0.6%左右，煤类为长焰煤、不粘煤。为更好研究三塘湖煤田煤质特征，项目组采集代表性样品进行热解、热重热解、干燥提质实验及加氢液化性能、气化性能、成浆性能评价等煤转化实验研究。本文重点介绍热解实验研究，为新疆三塘湖煤田煤炭资源的洁净、高效利用提供地质依据。

1 概况

三塘湖煤田位于新疆东北部，准噶尔盆地东端，东天山北麓，北邻蒙古国中低山区，西南与新疆巴里坤县含煤盆地隔山相望，南部与新疆哈密市相望，呈NW向条带状展布，东西长约339 km，南北宽约66 km，面积约5 134 km2，行政区划属哈密地区巴里坤哈萨克自治县和伊吾县。三塘湖煤田包含三塘湖、淖毛湖及巴里坤3个煤炭矿区，共含煤43层，含可采煤层27层，煤层总厚度约106 m，平均厚约41 m。该煤田80%区域达详查程度，共获得煤炭资源量约650×108t❶韦波,安庆,吴斌,等.新疆巴里坤县三塘湖煤炭矿区地质勘查总结报告,2012。

三塘湖煤田煤炭资源量大，属低变质优质化工用煤。通过对煤的热解特性研究，分析其煤化工原料的适应性。工作中利用实验室1 kg热解装置对煤炭样品进行热解提质试验研究，并对热解后的主要产物进行分析，获得煤炭热解后的焦油产率、半焦产率、热解气体产率、热解气体中重要化学产品成分等信息❷李瑞明,雍晓艰,白向飞,等.新疆准东煤田煤炭资源分质利用技术研究,2015。

2 热解实验研究

三塘湖煤田焦油含量普遍较高，热解提质试验中分别选择具代表性的6个点采取样品，即白石湖一采区煤样、白石湖三采区煤样、条湖钻孔煤样、英格库勒煤样、吉郎德煤样、别斯库都克煤样共6个样品进行热解实验，掌握分析各样品热解实验结果，取得较好效果。

2.1 热解提质条件试验

温度确定热解产品中焦油价值在热解总产品价值中占有相当比重，为提高热解产品总价值，试验中对热解条件进行了文献调研和探索试验。结果表明，低温热解过程中当热解终温在550℃～600℃时，低温焦油产率最高。当热解温度高于这一温度时，焦油发生热解，降低了焦油产率；当热解温度低于这一温度时，煤中部分产油组分未完全发生分解，同样降低了煤样焦油的产率。试验中对选取煤样进行探索试验，考察不同热解终温对焦油产率的影响。不同热解终温下焦油产率、半焦产率和气体产率的结果见表1。

从不同温度焦油产率对比试验结果看出，600℃时煤炭焦油产率最高。当热解温度低于600℃时，由于部分样品分解温度未达到，造成焦油产率下降。从半焦产率结果可看出，当焦油产率较低时，半焦收率较高。试验结果与文献调研所得结论基本一致。

表1 不同热解温度产物（均为干基煤产率）对照表Table 1 Comparison table of different pyrolysis temperature products(all of which are dry basis coal)

样品粒度煤炭在热解过程中煤样粒度对热解过程有一定影响。热解过程中煤样粒度过小造成部分粉煤被热解气体带出，从而降低煤样焦油产率。热解粒度过大时，物料在热解过程中大颗粒对热解产物析出有一定阻碍作用。由于颗粒较大，造成颗粒内外温差较大，热解产物析出时由于温差影响发生二次裂解，降低了焦油产率。因此，需根据热解反应器的不同选择合适物料粒度。试验中热解反应器较小，物料粒度对热解产物产率的影响较小。通过表2中试验数据看出，实验室条件下，由于热解条件较温和，物料在热解过程中受热均匀，物料粒度的不同对焦油的产率影响不明显。为避免热解气体将物料粉尘带出，试验中热解原料煤的粒度选择小于13 mm。

停留时间热解停留时间对焦油产率可能有一定影响。当达到热解终温时，若停留时间过短，会造成热解不充分，降低最终焦油产率。探索试验过程发现，物料达到热解终温后，大部分物料在30 min内无热解气体产生，说明此时物料完成了热解过程。实验室条件下，热解过程较充分，因此为比较不同样品的焦油最大产率，以达到热解温度后无热解气体产生时为试验结束点，或达到热解温度终温后1 h后为试验结束点，以保证物料充分热解，获得更多的焦油产物。

热解试验条件确定通过以上热解试验条件对比，为获得更高的焦油产率，根据文献调研结果和条件试验，最终选择热解终温为600℃，样品粒度小于13 mm。热解结束时间根据热解气体析出量决定，当热解气体停止析出时结束热解试验，若热解气体持续析出，以达到热解终温1 h后作为热解试验结束时间点。

据以上选定的试验条件，对三塘湖煤田的煤样进行热解试验研究，热解试验结束后测试热解气体中氨、萘、硫化氢、苯的含量。同时测试热解粗焦油产率、热解水分产率、热解气体产率、半焦产率等。其中，热解所得半焦进行工业分析、元素分析、硫分、发热量等基础煤质指标的测试。据热解试验结果，进一步选择具代表性样品，对焦油产物进行进一步分析，并对热解气体进行成分测试。

2.2 热解提质试验

通过选取代表性样品进行热解提质试验（表3），热解气主要化学产品见表4。

煤样热解后粗焦油产率较高，干基粗焦油产率达到11.5%。从样品煤岩组成来看，镜质组含量高达95.4%。由于镜质组在热解过程中产生焦油较多，高镜质组含量的煤，其热解焦油产率一般较高。煤样通过低温热解过程可以获得较多的焦油。热解气体中氨和萘的含量较低。其硫化氢含量同样较高，在工业生产时应注意对尾气进行处理，避免污染物泄露造成环境污染。尾气处理装置应留有充分的余量，以应对热解气体中较高含量的污染物。热解后煤样半焦测试结果见表5。

从表5中可看出，煤样经低温热解后，煤质发生显著的变化。煤样的水分、挥发分有了大幅度下降。由于挥发分大量析出，干基灰分有所上升。随着挥发分析出，半焦中氢元素、氧元素、氮元素、硫元素与原煤相比均有一定程度下降，其中氧元素下降幅度较高。同时半焦碳元素含量和发热量均有了明显提升。由于原煤灰分较高，半焦中灰分同样较高，对半焦质量造成了一定影响。

按GB/T 25210-2010《兰炭用煤技术条件》中相关规定，样品原煤灰分较高，不适用于兰炭用煤。按GB/T 25211《兰炭产品技术条件》中相关规定，由于低温热解后半焦产品的灰分较高，不适用于铁合金等冶炼用途，也不适用于电石还原剂原料和高炉喷吹用原料。

表2 不同粒度热解产物产率Table 2 Yield of pyrolysis products of different grain size

表3 煤样热解试验结果（产率均为干基煤）Table 3 Results of coal sample pyrolysis test(the yield is all dry basis coal)

表4 煤样热解气中主要化学产品含量Table 4 The main chemical product content in coal sample pyrolysis gas 单位：g/m3

表5 煤样测试结果Table 5 Results of coal sample test

2.3 热解焦油与热解气体分析

代表性煤样的热解试验焦油产率均较高，综合考虑煤样的矿区位置、样品煤质的代表性，选择煤样进行焦油分析，煤样热解过程中焦油干基产率均大于11%。利用热解提质试验收集焦油后进行进一步的分析，在焦油预处理过程中，白石湖一采区样品中水分占油水混合物的32.0%，别斯库都克样品中水分占油水混合物的19.5%。对进一步深加工，可获得丰富的化工产品。热解方式获得焦油产品具较好经济价值。

热解试验的热解气体中甲烷、氢气含量较高，热解气体热值较高，可作为民用或工业用燃烧气使用。同时热解气体中氢气、甲烷经分离提纯后也可作为其它煤化工产品的原料气，具有一定经济价值。热解气体中一氧化碳含量达到了10%～14%，因此在利用热解气体时要做好防护工作，避免一氧化碳气体中毒事故发生。新疆地区低阶煤低温热解气体中氢气、甲烷含量在分为为30%～40%和30%。而陕北地区低变质煤低温热解气体中氢气、甲烷含量在30%和10%左右。

通过对比，新疆地区低阶煤热解气体中氢气和甲烷含量均较高，热值也较高，有利于热解气体燃烧利用或煤化工加工处理。陕北地区低阶煤资源丰富，多采用低温干馏技术进行处理。陕北地区低变质煤干馏产品中，焦油产率在6.5%左右，半焦产率在70%～80%，与陕北地区中低变质煤的低温干馏产品相比，三塘湖煤田低阶煤低温热解后焦油产率较高，在12%左右，半焦产率在60%～70%，有利于后续加工利用。

据B/T 26128-2010《稀缺、特殊煤炭资源的划分与利用》中规定“焦油产率Tard大于12%的煤炭资源为特高油含量煤”。三塘湖矿区煤炭资源量约514×108t，高-富油焦油量约62×108t；淖毛湖矿区煤炭资源量约130.2×108t，高-富油焦油量约10×108t。实验结果表明，三塘湖煤田的三塘湖、淖毛湖矿区煤多属高-富油煤，巴里坤矿区煤为低含油（表6，7）❶周继兵,雷国明,易贤银,等.新疆伊吾县淖毛湖煤炭矿区勘查总结报告,2009。

巴里坤煤田煤炭资源量约6×108t，巴里坤煤田工业干馏焦油量估算约0.28×108t（焦油量估算值按50%提取率）❷陈爱东,张伟,薛伟.新疆巴里坤煤田巴里坤县黑眼泉井田勘探,2007❸徐晓明,范本峰,范旭东.新疆巴里坤县吉郎德勘查区煤炭详查报告,2011。

三塘湖煤田各区的焦油产率较高，三塘湖煤田的汉水泉、库木苏，淖毛湖区英格库勒二井田、白石湖详查区、白石湖露天煤矿区焦油产率Tard均在12%左右。淖毛湖区英格库勒一井田、巴里坤区的黑眼泉、别斯库都克、吉郎德焦油产率Tard大于10%。

总体来说，国内低阶煤焦油产率高的煤较少，其焦油产率基本都在8%以下。图1为三塘湖煤田焦油和中国其它地区的焦油对比情况[1-2]。

表6 三塘湖矿区各勘查区煤炭资源量及焦油产量Table 6 The coal resources and tar yield of each exploration area atSantanghu mining area

表7 淖毛湖矿区各勘查区煤炭资源量及焦油量Table 7 The coal resources and tar yield of each exploration area atNaomaohu mining area

图1 三塘湖煤田焦油和中国其它地区的焦油对比情况Fig.1 Tarotan coalfield tar and other parts of China's tar comparison

3 结论

（1）三塘湖煤田煤的焦油产率较高，优选煤样干基焦油产率最高达14.7%左右。

（2）白石湖采区煤样、吉郎德煤样、别斯库都克煤样热解后半焦的质量较高，具一定经济价值。

（3）三塘湖煤田煤的热解气体主要成分为氢气和甲烷，可作为煤化工产品的原料气，也可作为燃气燃烧使用。热解过程中产生的煤焦油可通过蒸馏塔分离得到轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油、沥青等组分。

（4）三塘湖煤田煤炭总体焦油产量高，半焦质量好，热解气体热值高，对于煤炭热解利用十分有利。煤炭在热解过程中产生的焦油，通过进一步深加工，可获得丰富的化工产品。通过焦油加氢技术，可获得不同等级的油品，进一步提高煤焦油的综合价值。

因此，三塘湖煤田煤炭资源，在热解提质利用方面具有广阔的开发利用前景。

[1]李旭光.低阶煤分质利用浅析[J].中国化工贸易,2016(3):15-16.

[2]尚建选,王立杰.甘建平等陕西低变质煤分质综合利用前景展望[J].煤炭转化，2011（34）:91-96.