黏結(jié)性煤破黏技術(shù)的研究現(xiàn)狀★

張曉欠，黃 勇，王武生，黨 昱，劉巧霞，折 喆

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司碳氫高效利用技術(shù)研究中心，陜西 西安 710000；2.石油和化工行業(yè)化石碳氫資源高效利用技術(shù)工程研究中心，陜西 西安 710000）

0 引言

我國以煤為主的能源格局在相當長的時間內(nèi)不會改變，煤炭仍是我國現(xiàn)在和未來能源的重要組成部分[1]。一般將煤炭分為泥煤、褐煤、煙煤及無煙煤，按其黏結(jié)性又可分為不黏煤、弱黏煤、中黏煤和強黏煤[2]。煤的黏結(jié)性是指煤粒（粒徑小于0.2 mm）在隔絕空氣受熱后能夠黏結(jié)自身或惰性物質(zhì)（沒有黏結(jié)力的物質(zhì)）成焦塊的性質(zhì)。煤的黏結(jié)性是煤重要性質(zhì)之一，決定著煤是否能夠黏結(jié)成焦及焦炭的質(zhì)量，同時對煤的熱解、氣化等化工應(yīng)用有著重大的影響，甚至成為工藝過程中決定性因素之一[3-4]。目前，固定床氣化技術(shù)和流化床氣化技術(shù)在煤氣化行業(yè)中使用頻率較高，而這兩種氣化技術(shù)對原煤的性質(zhì)均有一定要求，其中固定床氣化原煤需具有較高的活性和熱穩(wěn)定性，并且需要具有一定的機械強度，弱黏結(jié)性和結(jié)渣性；而流化床氣化原料煤則需要灰熔融點要高，黏結(jié)性要小，反應(yīng)性要好。這兩種技術(shù)都不用黏結(jié)性煤。如流化床選用黏結(jié)性煤，在氣化過程中容易在爐膛局部位置形成堵塞，導致床層內(nèi)煤粒無法流化，嚴重影響氣化效果[5]。

因此，通過破黏改善黏結(jié)性煤在氣化過程的黏結(jié)現(xiàn)象，不僅擴大了氣化技術(shù)原料的來源范圍，而且進一步拓寬了黏結(jié)性煤高附加值的利用途徑，更合理地利用和保護了煤炭的資源化利用。

1 煤黏結(jié)性機理

不同變質(zhì)程度的煤，其結(jié)構(gòu)具有復雜性和多樣性，國內(nèi)外對具有黏結(jié)性煤形成機理的研究并未達成共識。目前，膠質(zhì)體理論和中間相理論為人們所廣泛應(yīng)用。

1.1 膠質(zhì)體理論

膠質(zhì)體理論認為，煤的黏結(jié)性源于熱解過程中形成的膠質(zhì)體，當具有黏結(jié)性的煤粒在隔絕空氣加熱到一定溫度時，煤顆粒開始軟化，形成固、液、氣三種相態(tài)的膠質(zhì)體，隨著溫度的提高，低沸點液體揮發(fā)形成熱解油氣，高沸點液體在半焦顆粒間擴散，并發(fā)生分析、固化，使顆粒黏結(jié)。而煤的黏結(jié)性強弱正是由膠質(zhì)體中液相產(chǎn)物的量及性質(zhì)所決定的[6-7]。

1.2 中間相理論

對于中間相理論的研究者認為，煤在熱解過程中，煤中鏡質(zhì)組變?yōu)槟z質(zhì)體時開始形成微小的球體，這些小球體逐漸接觸、熔并、長大，最后聚結(jié)在一起，形成了類似于液晶的具有各向異性的流動相態(tài)，即為中間相，而中間相在形成和發(fā)展過程中的性質(zhì)及數(shù)量決定煤的黏結(jié)性強弱[8]。

2 煤黏結(jié)性測試方法

測試煤黏結(jié)的方法有很多，如黏結(jié)指數(shù)、坩堝膨脹系數(shù)、羅加指數(shù)、奧亞膨脹度以及膠質(zhì)層指數(shù)等。目前最常用的方法是測其黏結(jié)指數(shù)（G）。

國標規(guī)定的測定黏結(jié)指數(shù)的具體方法是：將1 g試驗煤樣（粒度在0.1～0.2 mm 且質(zhì)量分數(shù)不低于20%～35%）與5 g 標準無煙煤（均精確到0.001 g）放入坩堝內(nèi)均勻混合，在標準壓塊（110～115 g）與6 kg 的壓力下受壓30 s，再放入預(yù)先升溫至850 ℃±10 ℃的馬弗爐內(nèi)灼燒15 min，然后取出冷卻至室溫，最后將灼燒過后的煤樣進行兩次轉(zhuǎn)鼓試驗和篩分操作，計算出G 值[9]。

3 破黏方法研究現(xiàn)狀

關(guān)于黏結(jié)性煙煤的破黏方法，國內(nèi)外的研究者做了很多工作，主要有機械破黏法，摻入法和預(yù)氧化法等。無論是哪種方法都存在一定的優(yōu)缺點，針對不同的應(yīng)用方向，選擇適合的方式。

3.1 機械破黏法

機械破黏法采用機械攪拌的方式將黏結(jié)性煤進行破黏。在氣化爐中形成塊狀物后，采用氣化爐附帶的攪拌裝置將結(jié)塊通過攪拌進行破碎，或者利用探釬，將干餾層結(jié)成的很薄的一層焦餅搗成碎塊。該方法主要應(yīng)用于固定床氣化技術(shù)中，應(yīng)用范圍受到限制[10]。因此，目前對于該方法的研究甚少。

3.2 摻入破黏法

將黏結(jié)性煙煤與沒有黏結(jié)性的煤或者焦以合適的比例混合，用于流化床氣化，或?qū)⒍呋旌蠅褐瞥蓧K用于固定床。該方法主要是需要同時準備煤與焦或不黏煤來源及堆放場地，經(jīng)濟性相對較差。

趙守國[11]針對黑龍江周邊地區(qū)黏結(jié)性煤在德國萊比錫固定床PKM加壓氣化爐內(nèi)會結(jié)焦，導致排灰困難等問題，進行了黏結(jié)性煙煤混配長焰煤和石灰石的黏試驗。試驗表明，黏結(jié)性煙煤中混配一定比例的長焰煤或石灰石，可達到其破黏的效果，從而也擴大了PKM加壓氣化爐的原料煤來源。林紅等[12]通過將不黏結(jié)性煤加入到黏結(jié)性煤中進行破黏實驗，探究最佳配比及原煤粒度，并將破黏后的型煤利用國富（GF）干餾爐干餾，得到性能優(yōu)異的產(chǎn)品。田樹義[10]在黏結(jié)性煙煤中加入煤質(zhì)量12.5%的工業(yè)廢棄液，可將原煤的黏結(jié)指數(shù)從17 降到3，如廢棄液加到煤的30%配成煤漿，則可完全破除其黏結(jié)性。周仕學等[13]研究了強黏結(jié)性煤與有機廢棄物共熱解的特性，結(jié)果表明，熱解過程中有機廢棄物能阻止煤粒之間發(fā)生黏結(jié)，得到粒狀焦炭。

3.3 預(yù)氧化法

通過氧化對煤進行預(yù)處理，破壞煤的黏結(jié)性，而預(yù)氧化后的煤揮發(fā)分相應(yīng)降低，大約損失1/3，固體容重減輕約50%，因而煤的熱損失會增加，經(jīng)濟效益降低[10]。

預(yù)氧化法破除煤黏結(jié)性的研究主要集中在破黏效果和工藝兩方面。戢緒國等[14]在內(nèi)徑100 mm 的加壓流化床氣化爐中，進行陜西黏結(jié)煤的加壓流化床純氧氣氣化試驗，經(jīng)過十幾次試驗取得滿意結(jié)果。梁杰等[15]為探索黏結(jié)性煙煤在地下氣化通道貫通過程中熱貫通特性，采用了空氣預(yù)氧化的方法，通過對不同溫度、流量及時間對煙煤黏結(jié)指數(shù)影響規(guī)律，獲得隨著氧化溫度的升高、空氣流速的增大、破黏時間延長，煙煤黏結(jié)性明顯下降。韋章兵[16]將徐州大屯孔莊的一種1/3 焦煤，分別采用空氣預(yù)氧化、水汽處理、配惰性無煙煤及藥劑浸泡4 種方法進行對比分析破黏效果，研究表明，空氣預(yù)氧化法效果最好，操作簡單；而水汽處理法效果不明顯，操作費用大，工藝繁瑣；配惰性無煙煤可降低其黏結(jié)性，但耗費無煙煤；而藥劑浸泡法適用于處理量少場合。

國內(nèi)外對預(yù)氧化法破除煤黏結(jié)性的工藝研究很多，代表性的有美國礦務(wù)局開發(fā)的沉降爐破黏工藝和中國科學院過程工程研究所（IPE）開發(fā)的射流預(yù)氧化流化床氣化技術(shù)[17-18]。

美國礦務(wù)局的預(yù)氧化工藝是一個獨立處理過程，煤破黏預(yù)處理和后續(xù)半焦氣化被隔離，增加了氣化工藝的復雜性。而且在預(yù)氧化工程可燃組分部分損失，產(chǎn)生的H2、CO、小分子烷烴及焦油蒸汽無法有效富集利用。中國科學院過程工程研究所開發(fā)的射流預(yù)氧化流化床技術(shù)將煤預(yù)氧化破黏與半焦氣化集成在一個反應(yīng)器中，不僅使預(yù)氧化產(chǎn)生的有效成分得到充分利用，而且可操作性強，有效地解決黏結(jié)性洗中煤的氣化問題[19]。

同時，兩種方式均采用高溫下預(yù)氧化方法破除煤黏結(jié)性，取得良好的破黏效果。而富迎輝等[20]通過固定床低溫預(yù)氧化實驗考察了強黏結(jié)性煤在不同的氧化時間和終溫下黏結(jié)性的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，氧化時間越長，煤黏結(jié)性越低，而隨著氧化時間延長，降黏的最佳溫度也下降，實驗表明，氧化8 h，終溫200 ℃時降黏效果最佳。

4 結(jié)語與展望

具有黏結(jié)性的煙煤被限制其在氣化技術(shù)中應(yīng)用，常規(guī)氣化技術(shù)中，黏結(jié)性煤顆粒會在床層內(nèi)互相黏結(jié)或黏結(jié)在爐內(nèi)壁上，從而發(fā)生局部結(jié)焦，隨著時間積累，結(jié)焦逐步變大導致爐膛堵塞停車。對黏結(jié)性煙煤的破黏尤為重要。機械破黏法受其設(shè)備的局限性，應(yīng)用范圍狹窄；摻入法目前仍處于試驗其破黏可行性及效果研究階段；而預(yù)氧化法破除煤的黏結(jié)性后，其氣化活性會受到一定的影響。而且，無論哪種破黏方法，其機理性的研究和探索較少，不能從根本上解決煙煤在氣化技術(shù)中存在的問題。

因此，探尋最佳黏結(jié)性煙煤的破黏方法，改善煤的黏結(jié)性，探索其破黏機理，不僅對黏結(jié)性煙煤氣化存在的結(jié)焦問題具有巨大指導意義，而且擴大了氣化技術(shù)的原料范圍，擴寬了黏結(jié)性煙煤高附加值的利用途徑，更合理地利用和保護了煤炭的資源化利用。