低阶煤在解耦三床反应器中催化热解实现焦油提质与粉尘脱除的同步进行

《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Catalytic pyrolysis of low-rank coal in a decoupled triple bed reactor for simultaneous tar upgrading and dust removal

　　

研究人员在解耦三床反应器（DTBR）中利用天然磁铁矿作为催化固体热载体进行了低阶煤的催化热解研究。该DTBR由热解反应器、催化反应器和燃烧反应器组成。煤在热解反应器中借助热载体实现快速热解，产生的气态挥发物随后通过催化反应器，在该处同时进行焦油提质与颗粒物截留。待生热载体和半焦随后被输送至燃烧反应器进行再生。研究人员系统考察了煤的粒径、催化温度以及热载体与煤的质量比（HC/C）对产品分布、焦油组成、气体生成、磨损行为及粉尘脱除的影响。结果表明，在0.18–0.85 mm范围内，煤的粒径对产品分布影响甚微。与石英砂相比，磁铁矿显著提高了焦油质量，轻焦油馏分（light tar fraction）和芳香族化合物含量均有所增加。在550 °C时，使用磁铁矿获得的轻焦油馏分增至82.1%，而使用石英砂时为70.7%；芳香族化合物含量增至50.7%，而使用石英砂时为38.2%。HC/C的变化对总体产品分布无显著影响，但当该比值从10/1增至20/1时，苯酚含量从18.9%增至28.1%。磁铁矿的磨损率略高于石英砂，为2.5%–4.5%。粉尘产率从无固体热载体时的5.32 g/kg_coal降至有固体热载体时的0.35 g/kg_coal，粉尘脱除效率达93.4%。这些结果表明，DTBR为煤焦油综合提质与热解粉尘脱除提供了一条有效的途径。

## 研究背景与意义

低阶煤（low-rank coal）作为全球最重要的基础能源资源之一，约占已探明化石燃料储量的近70%，而低阶煤资源约占总煤炭资源的55%。目前，低阶煤主要通过直接燃烧用于热电生产，但由于其高水分、高挥发分、低热值的特点，直接利用通常面临热效率低和污染物排放严重的问题。与高阶煤相比，低阶煤一般含有39%–65%的挥发分，其大分子结构的芳构化缩聚程度较低，更易发生热分解。此外，低阶煤的开采、运输和利用过程中产生大量煤粉，因此通过热解将低阶粉煤转化为高附加值化学品和清洁燃料，被视为实现其清洁高效利用的有效途径。

目前已发展了多种煤热解技术，主要包括固定床或移动床工艺、分级流化床工艺以及煤分级利用工艺。固定床或移动床工艺结构相对简单、运行稳定，但传热效率受限；分级流化床热解提供了高效的气固接触和逐步加热，有利于焦油生成，但颗粒流动复杂性和产品分离困难仍是问题；煤分级利用工艺通过气、焦油、半焦的协同转化利用提高整体热效率，但其工艺配置相对复杂，且存在夹带灰分、堵塞及下游操作不稳定等问题。近年来，基于催化固体热载体的催化热解受到越来越多的关注，因为热固体与煤颗粒之间的直接接触可实现快速传热，具有升温迅速、温度均匀性好、适宜连续操作等优势。然而，现有研究主要集中于总产品产率或工艺行为，对焦油演化的调控、其组成特征及其与产品分布关系的认识仍不充分。

催化固体热载体在煤热解中发挥供热和催化升级挥发分中间体的双重作用，从而影响源头的焦油演化。现有的热载体材料主要包括合成固体和天然矿物。合成材料可调控组成和催化功能，但制备程序复杂、成本较高，且其耐磨损和抗热循环性能可能限制大规模应用。相比之下，天然矿物价格低廉、来源广泛，通常具有更好的机械强度和热稳定性。前期研究表明，某些天然矿物在反复高温操作下保持良好的循环性能，凸显了其实际应用潜力。其中，铁矿石尤为引人注目，因为铁物种在烃类裂化、脱氧和芳构转化中表现活跃，而矿石本身也显示出高机械强度和良好的抗烧结行为。此外，在煤催化热解过程中，由于煤颗粒破碎、半焦磨损以及气固分离效率有限，热解气常夹带大量细粉尘，不仅影响气和焦油的后续净化利用，还易造成设备磨损、结垢甚至堵塞。现有除尘方法如旋风分离器、静电除尘器和固定床等普遍存在能耗高、系统复杂、难以长期运行、对高温含焦油气适应性差等问题，且多为常温模拟而非实际高温催化实验，难以满足粉煤热解的高温、高粉尘、高焦油条件。因此，将除尘功能与热解过程深度耦合，协同提升热解与除尘效果的新工艺开发成为重要研究方向。

在此背景下，研究人员开发了将复杂的热解、气化和燃烧过程分离为独立反应步骤的解耦三床反应器（DTBR）系统，以期为集成反应与分离提供高效平台。

## 研究内容与方法

本研究在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表，研究人员采用解耦三床反应器（DTBR），以新疆淖毛湖低阶煤为原料、天然磁铁矿（Fe₃O₄）为催化固体热载体，系统研究了煤粒径、催化温度及热载体/煤质量比（HC/C）对产品分布、焦油组成、气体生成、磨损行为及粉尘脱除的影响，并与非催化热载体石英砂进行对比，以阐明天然磁铁矿在调控热解产品演化中的综合作用。该技术平台主要包括以下关键方法：固固顺流快速热解反应器实现煤的快速脱挥发分；气固径向逆流移动床催化反应器实现挥发分催化升级与粉尘截留；提升管燃烧反应器实现待生热载体和半焦的燃烧再生；采用气相色谱（GC）和模拟蒸馏（simulated distillation）分析气体和焦油组成；通过筛分法和称量法测定热载体磨损率；利用激光粒度分析和质量平衡计算粉尘产率与脱除效率。

## 研究结果

**煤粒径的影响**：通过比较0.43–0.85 mm、0.25–0.43 mm、0.18–0.25 mm三个粒径范围的煤样，发现煤粒径在0.18–0.85 mm范围内变化时，焦油、水和气体产率仅有微小变化，表明该粒径范围内煤粒径对产品分布影响可忽略不计，这为后续选用较宽粒径范围的煤样进行研究提供了依据。

**催化温度的影响**：催化温度对热解产品分布和焦油组成具有显著影响。磁铁矿作为催化固体热载体与石英砂相比，显著改善了焦油质量。在550 °C时，磁铁矿作热载体获得的轻焦油馏分达到82.1%，而石英砂仅为70.7%；芳香族化合物含量磁铁矿体系达到50.7%，石英砂体系为38.2%。结果表明磁铁矿的催化活性促进了重质组分向轻质组分的转化及芳构化反应。

**热载体/煤质量比（HC/C）的影响**：HC/C的变化对总体产品分布无显著影响，但随着HC/C从10/1增至20/1，焦油中苯酚含量从18.9%增至28.1%。这表明增加热载体比例强化了脱氧反应，促进了含氧芳香化合物（如苯酚类）的生成，但对总体产品分布影响有限。

**磨损行为**：磁铁矿的磨损率略高于石英砂，范围为2.5%–4.5%。尽管磁铁矿硬度较高，但其多棱角结构和催化反应中的化学作用可能导致略高的机械磨损，但整体仍处于可接受范围内，不影响其实际应用。

**粉尘脱除**：固体热载体的引入显著降低了粉尘产率。无固体热载体时粉尘产率为5.32 g/kg_coal，引入固体热载体后降至0.35 g/kg_coal，粉尘脱除效率高达93.4%。移动颗粒床催化反应器中的颗粒填充层发挥了高效的过滤和拦截作用，实现了高温条件下粉尘与焦油提质的同步进行。

**结论部分**

研究人员得出结论：解耦三床反应器（DTBR）成功应用于以天然磁铁矿为催化固体热载体的低阶煤催化热解。在该反应器构型中，快速热解反应器通过固固传热实现煤的快速脱挥发分，移动颗粒床催化反应器负责挥发分提质与夹带粉尘拦截，提升管燃烧反应器负责燃烧沉积的焦炭。研究结果证实，天然磁铁矿不仅作为有效的热载体提供快速传热，还通过其Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原偶的催化活性促进了焦油裂化、脱氧和芳构转化，同时移动颗粒床结构实现了高效的高温粉尘脱除。该工艺为低阶煤清洁高效转化提供了一条集焦油提质与粉尘控制于一体的技术途径，具有重要的工业应用前景。