不同煤种模拟炼焦时化产回收的实验研究

张 欣

(山西焦煤集团五麟煤焦开发有限责任公司，山西 汾阳 032200)

引 言

我国作为煤炭生产大国，其焦炭产量在世界中排行第一，且我国的焦炭产量一直处于上升趋势。由于焦煤的生产成本较高且其可炼焦煤的资源较少，越来越多的焦化企业重视对化学产物的回收[1]。其中，由于焦煤焦化后剩余的产物其主要成分为焦炉气。经分析可知，焦炉煤气中的主要成分为氢气。因此，在实际生产中不仅可以利用焦炉煤气提炼氢气，还可以合成甲醇。除此之外，焦煤提炼后的粗笨可以加工为多种高纯度苯系化工原料。

本文着重对炼焦时所产生的化学产物进行回收，并对比不同煤种所产生化学产物的差异性。基于上述研究可以得出不同煤种焦化的产物，为炼焦原料的选择提供依据，并为化产回收系统的设计提供指导意见。

1 模拟炼焦及化产回收实验

1.1 实验设计

根据实际炼焦及化产回收的生产过程，某煤化工研究所在分析实际工况的前提下，设计并制造出一套模拟炼焦及化产回收的实验装置。该实验装置的示意图如图1所示。

如图1所示的实验装置不仅可以模拟实际生产的炼焦过程，还可以测定气液固的化产回收率。该实验装置的工作流程为：热解炉反应器中的产物流经导气管先经过冷凝回收焦油，而后通过煤气净化装置吸收产物中的萘、H2S等杂质完成对产物的净化，

图1 模拟炼焦及化产回收实验装置示意图

净化后的产物采用排水集气的方法收集其中的干净的煤气[2]。

1.2 实验基础

1) 将参与实验的煤进行筛选，确保样煤颗粒大小小于3 mm，将样煤进行干燥处理，并测定经干燥处理后样煤中的水分。选取1 kg处理后的样煤，加入一定量水，确保样煤中的水分含量为10%。

2) 将1)中所得样煤搅拌均匀后在专用的模具中捣固，确保每次捣固堆的体积均相同，确保每个捣固堆的密度大小为1 g/cm3。

3) 实验前需将实验装置的关键设备热解炉预热到某一温度，并恒温保持15 min；然后将2)中的捣固堆加入热解炉中反还应，并以2 ℃/min的速度加热，直至热解炉的温度达到950 ℃，并保持1 h。

1.3 测试方法

加入样煤反应后的产物经冷凝、净化处理后，对最后得到的产物进行标定和测试。将最终得到的净煤气通过湿式气体流量计测定所得最终产物的体积，并通过气相色谱分析最终产物的组成部分[3]。测试所用的设备包括有分子筛柱、401有机担体柱等。为确保最终测试结果的准确性，测试时需满足以下条件：设备温度需预热到100 ℃，测试环境的温度为150 ℃，桥流为100 mA，参与测试气体的流速大小为40 mL/min。

2 不同煤种的实验结果分析

2.1 样煤分析结果

为了保证实验结果的全面性，本文总共选择7种不同煤种对其进行模拟炼焦实验，并分析不同煤种最终产物的差异性。本次实验的煤种中，5种为炼焦煤，其余2种为非炼焦煤。除了所选煤种不同外，其余实验条件均相同。本文所选7种煤的分析结果如表1所示。

表1 不同煤种分析结果统计表

2.2 实验结果分析

1) 气液固三相比例分析

由于不同煤种的煤质不同，不同煤种在炼焦过过程中所产生的产物及最终焦炭的质量也各不相同[4]。为了充分对比不同煤种所得炼焦产品的差异性，需分析单位煤所得产物的成分进行对比分析。如图2所示不同煤种所得炼焦气体、液体以及固体产物的比例。

分析图2可知，单位煤的成焦率与煤内部固定碳的含量成正比例关系，而且炼焦煤的成焦率随着不同煤种的变质程度加深而增加；而炼焦煤煤气的产量主要决定于焦油的挥发程度，挥发较大的其煤气产量较低，因此炼焦煤的煤气的产量随着不同煤种的变质程度加深而减少。

2) 产物中NH3和H2S的产率例分析

如图3所示为不同煤种在炼焦过程中回收NH3和H2S产率的关系曲线图。

NH3和H2S产率主要取决于炼焦煤中S和N的含量。一般情况下，炼焦煤总仅有11%左右的氮转化为氮气、17%左右的氮转化为NH3，其余保留至焦炭中。分析图3可知，由于炼焦煤中氮和硫的含量较高，故回收产物中NH3和H2S的产率最高。

3) 粗苯和萘的产率分析

经研究可知，炼焦煤产物中苯族烃的产量与煤中C和H的含量成正比。此外，若炼焦煤的挥发性越高，在其产物中甲苯的含量就越少。一般情况下，苯由炼焦煤大分子结构的降解和裂解而成，或者由炼焦煤中的炼焦煤芳香结构和氢化芳香结构缩聚反应的产物。本次中不同煤种粗苯和萘产率如第53页图4所示。

图2 不同煤种所得炼焦产物固、气、液比例

图3 不同煤种回收NH3和H2S产率的关系

分析图4可知，非炼焦煤的粗苯产率最低，炼焦煤中FM36煤的粗苯产率最高，且随着炼焦煤变质程度的加深其粗苯产率不断减小；回收产物中萘的含量不仅与煤质有关，还与炼焦煤的挥发程度有关，因此炼焦煤的变质程度越高其萘的产率越低。

4) 净煤气的成分分析

经分析可知，炼焦煤最终产物净化所得煤气成分主要包括有：氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳以及少量的烃类[5]。且不同煤种最终所得净煤气各个成分的比例如图5所示。

图4 不同煤种粗苯和萘的产量曲线图

图5 不同煤种净煤气成分比例图

分析图5可知，净煤气的主要成分为氢气，其含量占总成分的45%左右，其中以SM13炼焦煤所得净煤气中氢气的含量最高；此外，随着炼焦煤变质程度的加深氢气含量越高。所占比例第二多的成分为甲烷，其含量均占总成分的20%左右；此外，随着炼焦煤变质程度的加深甲烷含量越低 ，一氧化碳和二氧化碳的含量均为最少。

3 结语

本文以模拟炼焦和回收装置为载体，分析不同煤种模拟炼焦产物及回收产物的差异性。经实验结果表明，炼焦产物中的热解产品与煤种的变质程度有直接的关系；且净煤气中氢气和甲烷的含量最多，其中氢气含量随着煤种变质程度的增加而增加，甲烷含量随着煤种变质程度的增加而减少。通过模拟炼焦和回收实验，可明确不同煤种所得产物的差异性，为更好地预测不同煤种的炼焦产物和回收产物奠定了基础。