黏结性煤破黏技术的研究现状★

张晓欠，黄 勇，王武生，党 昱，刘巧霞，折 喆

（1.陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安 710000；2.石油和化工行业化石碳氢资源高效利用技术工程研究中心，陕西 西安 710000）

0 引言

我国以煤为主的能源格局在相当长的时间内不会改变，煤炭仍是我国现在和未来能源的重要组成部分[1]。一般将煤炭分为泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤，按其黏结性又可分为不黏煤、弱黏煤、中黏煤和强黏煤[2]。煤的黏结性是指煤粒（粒径小于0.2 mm）在隔绝空气受热后能够黏结自身或惰性物质（没有黏结力的物质）成焦块的性质。煤的黏结性是煤重要性质之一，决定着煤是否能够黏结成焦及焦炭的质量，同时对煤的热解、气化等化工应用有着重大的影响，甚至成为工艺过程中决定性因素之一[3-4]。目前，固定床气化技术和流化床气化技术在煤气化行业中使用频率较高，而这两种气化技术对原煤的性质均有一定要求，其中固定床气化原煤需具有较高的活性和热稳定性，并且需要具有一定的机械强度，弱黏结性和结渣性；而流化床气化原料煤则需要灰熔融点要高，黏结性要小，反应性要好。这两种技术都不用黏结性煤。如流化床选用黏结性煤，在气化过程中容易在炉膛局部位置形成堵塞，导致床层内煤粒无法流化，严重影响气化效果[5]。

因此，通过破黏改善黏结性煤在气化过程的黏结现象，不仅扩大了气化技术原料的来源范围，而且进一步拓宽了黏结性煤高附加值的利用途径，更合理地利用和保护了煤炭的资源化利用。

1 煤黏结性机理

不同变质程度的煤，其结构具有复杂性和多样性，国内外对具有黏结性煤形成机理的研究并未达成共识。目前，胶质体理论和中间相理论为人们所广泛应用。

1.1 胶质体理论

胶质体理论认为，煤的黏结性源于热解过程中形成的胶质体，当具有黏结性的煤粒在隔绝空气加热到一定温度时，煤颗粒开始软化，形成固、液、气三种相态的胶质体，随着温度的提高，低沸点液体挥发形成热解油气，高沸点液体在半焦颗粒间扩散，并发生分析、固化，使颗粒黏结。而煤的黏结性强弱正是由胶质体中液相产物的量及性质所决定的[6-7]。

1.2 中间相理论

对于中间相理论的研究者认为，煤在热解过程中，煤中镜质组变为胶质体时开始形成微小的球体，这些小球体逐渐接触、熔并、长大，最后聚结在一起，形成了类似于液晶的具有各向异性的流动相态，即为中间相，而中间相在形成和发展过程中的性质及数量决定煤的黏结性强弱[8]。

2 煤黏结性测试方法

测试煤黏结的方法有很多，如黏结指数、坩埚膨胀系数、罗加指数、奥亚膨胀度以及胶质层指数等。目前最常用的方法是测其黏结指数（G）。

国标规定的测定黏结指数的具体方法是：将1 g试验煤样（粒度在0.1～0.2 mm 且质量分数不低于20%～35%）与5 g 标准无烟煤（均精确到0.001 g）放入坩埚内均匀混合，在标准压块（110～115 g）与6 kg 的压力下受压30 s，再放入预先升温至850 ℃±10 ℃的马弗炉内灼烧15 min，然后取出冷却至室温，最后将灼烧过后的煤样进行两次转鼓试验和筛分操作，计算出G 值[9]。

3 破黏方法研究现状

关于黏结性烟煤的破黏方法，国内外的研究者做了很多工作，主要有机械破黏法，掺入法和预氧化法等。无论是哪种方法都存在一定的优缺点，针对不同的应用方向，选择适合的方式。

3.1 机械破黏法

机械破黏法采用机械搅拌的方式将黏结性煤进行破黏。在气化炉中形成块状物后，采用气化炉附带的搅拌装置将结块通过搅拌进行破碎，或者利用探钎，将干馏层结成的很薄的一层焦饼捣成碎块。该方法主要应用于固定床气化技术中，应用范围受到限制[10]。因此，目前对于该方法的研究甚少。

3.2 掺入破黏法

将黏结性烟煤与没有黏结性的煤或者焦以合适的比例混合，用于流化床气化，或将二者混合压制成块用于固定床。该方法主要是需要同时准备煤与焦或不黏煤来源及堆放场地，经济性相对较差。

赵守国[11]针对黑龙江周边地区黏结性煤在德国莱比锡固定床PKM加压气化炉内会结焦，导致排灰困难等问题，进行了黏结性烟煤混配长焰煤和石灰石的黏试验。试验表明，黏结性烟煤中混配一定比例的长焰煤或石灰石，可达到其破黏的效果，从而也扩大了PKM加压气化炉的原料煤来源。林红等[12]通过将不黏结性煤加入到黏结性煤中进行破黏实验，探究最佳配比及原煤粒度，并将破黏后的型煤利用国富（GF）干馏炉干馏，得到性能优异的产品。田树义[10]在黏结性烟煤中加入煤质量12.5%的工业废弃液，可将原煤的黏结指数从17 降到3，如废弃液加到煤的30%配成煤浆，则可完全破除其黏结性。周仕学等[13]研究了强黏结性煤与有机废弃物共热解的特性，结果表明，热解过程中有机废弃物能阻止煤粒之间发生黏结，得到粒状焦炭。

3.3 预氧化法

通过氧化对煤进行预处理，破坏煤的黏结性，而预氧化后的煤挥发分相应降低，大约损失1/3，固体容重减轻约50%，因而煤的热损失会增加，经济效益降低[10]。

预氧化法破除煤黏结性的研究主要集中在破黏效果和工艺两方面。戢绪国等[14]在内径100 mm 的加压流化床气化炉中，进行陕西黏结煤的加压流化床纯氧气气化试验，经过十几次试验取得满意结果。梁杰等[15]为探索黏结性烟煤在地下气化通道贯通过程中热贯通特性，采用了空气预氧化的方法，通过对不同温度、流量及时间对烟煤黏结指数影响规律，获得随着氧化温度的升高、空气流速的增大、破黏时间延长，烟煤黏结性明显下降。韦章兵[16]将徐州大屯孔庄的一种1/3 焦煤，分别采用空气预氧化、水汽处理、配惰性无烟煤及药剂浸泡4 种方法进行对比分析破黏效果，研究表明，空气预氧化法效果最好，操作简单；而水汽处理法效果不明显，操作费用大，工艺繁琐；配惰性无烟煤可降低其黏结性，但耗费无烟煤；而药剂浸泡法适用于处理量少场合。

国内外对预氧化法破除煤黏结性的工艺研究很多，代表性的有美国矿务局开发的沉降炉破黏工艺和中国科学院过程工程研究所（IPE）开发的射流预氧化流化床气化技术[17-18]。

美国矿务局的预氧化工艺是一个独立处理过程，煤破黏预处理和后续半焦气化被隔离，增加了气化工艺的复杂性。而且在预氧化工程可燃组分部分损失，产生的H2、CO、小分子烷烃及焦油蒸汽无法有效富集利用。中国科学院过程工程研究所开发的射流预氧化流化床技术将煤预氧化破黏与半焦气化集成在一个反应器中，不仅使预氧化产生的有效成分得到充分利用，而且可操作性强，有效地解决黏结性洗中煤的气化问题[19]。

同时，两种方式均采用高温下预氧化方法破除煤黏结性，取得良好的破黏效果。而富迎辉等[20]通过固定床低温预氧化实验考察了强黏结性煤在不同的氧化时间和终温下黏结性的变化规律，研究发现，氧化时间越长，煤黏结性越低，而随着氧化时间延长，降黏的最佳温度也下降，实验表明，氧化8 h，终温200 ℃时降黏效果最佳。

4 结语与展望

具有黏结性的烟煤被限制其在气化技术中应用，常规气化技术中，黏结性煤颗粒会在床层内互相黏结或黏结在炉内壁上，从而发生局部结焦，随着时间积累，结焦逐步变大导致炉膛堵塞停车。对黏结性烟煤的破黏尤为重要。机械破黏法受其设备的局限性，应用范围狭窄；掺入法目前仍处于试验其破黏可行性及效果研究阶段；而预氧化法破除煤的黏结性后，其气化活性会受到一定的影响。而且，无论哪种破黏方法，其机理性的研究和探索较少，不能从根本上解决烟煤在气化技术中存在的问题。

因此，探寻最佳黏结性烟煤的破黏方法，改善煤的黏结性，探索其破黏机理，不仅对黏结性烟煤气化存在的结焦问题具有巨大指导意义，而且扩大了气化技术的原料范围，扩宽了黏结性烟煤高附加值的利用途径，更合理地利用和保护了煤炭的资源化利用。