西安建筑科技大学硕士论文
1.3.3课题研究内容
（1）煤气内燃烧加热的条件下，研究低阶煤干馏基础与JS干馏炉特点。 ①研究在内燃烧加热条件下，低阶煤低温干馏过程。
②研究在内燃烧加热条件下，干馏温度、加热速率、干馏压力等因素对低阶长焰煤干馏产物半焦、焦油、煤气产率与性质的影响规律；
③研究JS干馏炉炉型结构特点与低温干馏生产工艺过程；
（2）在JS干馏炉稳定生产的状态下进行低温干馏炉实验，进行热工测试。 （3）进行干馏炉物料平衡测算，通过低温干馏产物量的分析，讨论干馏过程的影响因素。
（4）进行热平衡测算，分析干馏炉热工参数及工艺特性，提出有效的节能减排措施。
（5）通过干馏炉实验，分析入炉煤和兰炭的成分、入炉气体的成分以及入炉煤粒度对干馏工艺的影响；通过干馏炉实验对干馏炉炉内温度分布、压力分布规律和炉内干馏气氛的研究分析干馏工艺的影响因素；
6
西安建筑科技大学硕士论文
2 煤低温干馏基础
2.1 煤干馏
煤干馏（干馏）是指煤在隔绝空气中加热后发生的一系列的物理和化学反应。煤的低温干馏过程按照温度可分为三种（1）低温干馏（450~750℃）；（2）中温干馏（750~950℃）；（3）高温干馏（950~1150℃）。
煤的低温干馏产物与生产效率主要由原煤的质量、干馏炉的炉型结构和低温干馏过程中的各项热工参数决定。通常情况下，低温干馏的焦油生产效率高，生产的焦块颜色较黑，内部结构呈疏松态。煤的高温干馏主要产生工业芳烃，成为冶金用焦的重要来源；煤的中温干馏生产效率在高温和低温干馏之间。作为工业燃料的H2和CH4是干馏煤气的重要组成部分。 2.1.1 煤的干馏过程
煤在无氧的的情况下进行加热，发生一系列的物理和化学变化，生成干馏煤气，焦油，兰炭等。通常情况下典型烟煤的干馏过程如下图所示。
图2.1 传统的烟煤干馏变化图
煤的干馏过程一般经历三个阶段：
第一阶段（常温~300℃）：在这一阶段中，原煤的结构没有发生较大的变化，在120℃左右时发生脱水反应，随着温度的升高，气体会被蒸发掉。
第二阶段（300~600℃）：第二阶段为兰炭的生成过程。包括焦油、干馏煤气的产生。在300~450℃中，通过系列的物理和化学反应生产出焦油和煤气。在
7
西安建筑科技大学硕士论文
450~600℃时生产的气体量会越来越多。一般干馏煤气的热值较高，主要原因在于干馏煤气的成分中不仅含有CO、CO2和干馏的水分，还有大量的气态烃。而烟煤在这一阶段发生了一系列的特殊变化，包括软化、熔融和膨胀，一直到再固化，最终生成了由三相（气、液、固）共存的胶质体。液晶存在于液相中。原煤粘结性和成焦性的好坏对胶质体的质量和数量有着较大的影响。固体产物兰炭和原煤作比较，部分物理性能指标没有发生变化，可见在低温干馏的过程中，生成兰炭的缩聚反应发生不够彻底。
第三阶段（600~1000℃）：在最后一个阶段中开始向半焦发生转变，干馏过程中主要的反应为缩聚反应。这一阶段焦油的析出量很少，主要的挥发成分为煤气，当温度高于700℃时H2的含量占有较大的比例。当温度达到最高值时就会产生石墨化的碳素材料。在干馏煤气产生的同时，兰炭的内部结构也在发生变化，半焦的内部开始收缩，最终产生了小的块状物质，形成大量的裂纹[33]。 2.1.2 煤低温干馏过程中的化学反应
煤在干馏的过程中会发生一系列的干馏反应，随着温度的升高，不同的阶段有着不同的裂解过程[37]。
（1）煤化学裂解过程
1）主要的自由基有以下的化学成分组成： —CH2—、—CH2—CH2—、
—CH2—O—、—O—、—S—、—S—S—等。
2）甲烷等烃类气体会在温度达到一定程度时，随着脂肪链的分解产生。 3）在裂解反应的过程中基体裂解的顺序为：
OH
4）在干馏工艺的入炉煤中一些挥发性的物质会随着温度增高而产生。 （2）干馏产物的反应过程
一般的干馏产物中发生两次干馏反应，主要经过以下的过程： 1）裂解反应
C2H6
C2H4CH4
C2H5
>
CO
>
COOHC2H4+H2 CH4+C C+2H2
C2H4
2）脱氢反应
8
西安建筑科技大学硕士论文
C6H12
CH23H2
H2
CH2
3）加氢反应
OH
H2
CH3
H2O
H2CH4
NH2
H2NH3
4）缩合反应
C4H6
2H2
C4H6
2H2
5）桥键分解
C2H2+H2OCH2+O
CO+2H2 CO+H2
（3）煤干馏中的缩聚反应
干馏反应主要以裂解和缩聚反应为主。裂解反应主要发生在干馏的前期，缩聚反应主要在干馏的后期，其中缩聚反应对煤的低温干馏产物质量的影响较大。
1）兰炭的生成：在煤的干馏反应中，胶质体在固化的过程中发生了缩聚反应，主要包括自由基的缩聚与反应。
2）兰炭的分解：兰炭的形成过程中发生了缩聚反应，一般都是在残留物间的反应。
9
西安建筑科技大学硕士论文
1
123
234H2
4
4
2
H22H2
3）半焦的加成反应
H2C
HC
CH2
CH
CH
CH2
CH2
CH
R
HCCH2
CH2CHR
2.1.3 煤干馏的影响因素
影响煤低温干馏的因素有很多，主要包括煤的干馏程度、煤的加热温度、干馏的压力和以及干馏过程中的环境影响条件[34]。
（1）煤的干馏程度 煤干馏过程中煤的干馏程度对煤化产品的质量有着重要的影响。对于煤的干馏反应活性和粘结性、结焦性、煤化产品、入炉煤的温度都有着重要的影响。不同的煤种在在不同的干馏开始温度下，煤化程度发生变化，如2-1所示。C1~C3的烃类产率先随碳化程度升高而增加，大约在碳含量87%左右达到最大值，然后随碳化程度继续增加而减小。
表2-1 不同煤种的干馏开始温度
煤种 干馏开始温度/℃
泥煤
褐煤
烟煤
无烟煤
190~200 230~260 300~390 390~400
10