煤炭分质利用进展

煤炭分质利用进展煤炭分级分质综合利用产业是煤炭深加工产业中的重要内容，也是哈密地区重点发展的产业方向。该产业的核心技术是煤的低温热解。煤热解工艺方法和类型很多，根据加热方式的不同，可以分为外热式、内热式和内外热结合式；根据煤料的形态的不同，可以分为块煤、型煤和粉煤；根据供热介质的不同，可以分为气体热载体和固体热载体；根据煤的运动状态的不同，可以分为固定床、移动床、流化床和气流床等。国内外煤热解工艺很多。国外主要技术包括德国的LR工艺、德国的LS工艺、美国的LFC工艺、美国的Toscoa1工艺、澳大利亚的流化床快速热解工艺、俄罗斯3TX(ETCH)-175工艺等。在国内，近年来煤炭热解技术也得到了快速发展，主要包括煤科院多段回转炉工艺、大连理工固体热载体DG工艺、中科院油把头BT工艺、内热式方形炉、其它工艺等。其中，Lurgi-Ruhrgas工艺是德国的LurgiGmbH和美国的RuhrgasAG两公司联合开发的一种有多种用途的固体热载体内热式传热的典型工艺，处理原料包括煤、油页岩、油砂和液体烃类。Lurgi-Ruhrgas工艺的流程简图见图8.1-1。首先将初步预热的小块原料煤同来自分离器的热半焦在干馏器内混合，发生热分解反应，然后落入干馏器内，停留一定时间，完成热分解，从干馏器出来的半焦进入提升管底部，由热空气提送，同时在提升管中烧除其中的残碳，使温度升高，然后进入分离器内进行气固分离，半焦再返回干馏器，如此循环。从干馏器逸出的挥发物，经除尘、冷凝、回收焦油后，得到热值较高的煤气。该技术工艺流程主要是由提升管、热载体收集槽、螺旋式混合器和干馏反应器组成的循环系统，双螺旋式混合器是它的核心设备。Lurgi-Ruhrgas工艺的优点有：产油率高、能耗较低、设备结构较简单。另外，Lurqi-Spuelgas低温热解工艺（又称鲁奇三段炉工艺）也是一种德国的低温热解工艺。该工艺流程主要由三个独立的反应器组成，其中第一段为干馏器，第二段为半焦回烧器，第三段为气固分离器。该工艺的优点是产油率高、操作稳定、设备简单。Lurgi-Spuelgas低温热解工艺法是一种内热式气体热载体工艺，由德国LurqiGmbH公司开发。该工艺使用低阶煤或压制成型的褐煤（大小约为25-6mm），通过与燃烧气逆流直接接触受热。当进料水分约为15%时，在干燥段可将其脱除至1%以下。逆流而上的约25℃的热气体冷却至8℃-1℃，干燥后的原料在干馏段被6℃-7℃的不含氧燃烧气加热至约500℃，发生热分解，热气体冷却至约25℃。生成的半焦进入冷却段被冷气体冷却，排出后再进一步用水和空气冷却。从干馏段逸出的挥发物经过冷凝、冷却等步骤，得到焦油和热解水。LFC热解提质工艺是由美国SGI公司于1987年研发的，随后壳牌矿业公司（SMC）加入共同研发，现为MR&E，Ltd.公司拥有。该工艺以低阶煤提质为目的，生产液体燃料和固体燃料。该工艺使用怀俄明州的怀俄达克次烟煤为原料，将煤筛分成3-5mm，由给煤机将煤加入到装置的上部，并进入干燥炉。在干燥炉和热解炉中，有一个细格子的转鼓，将上部落下来的煤与下部吹上来的循环加热气体形成对流并进行混合。对于干燥炉内的温度和停留时间进行调节，以仅脱出原料水分。干燥后的煤进入反应炉里，并在这里约54℃下热解。根据生成物的特性，对加热速度和时间进行控制。离开反应炉后在卧式回转窑里被急冷的半焦进到贮存容器里。为了防止粉尘飞扬和吸附水分，SMC公司开发了MK添加剂。1992年，第一座示范厂（ENCOAL工厂）在科罗拉多州的吉勒特市附近建设完成并投产运行。该示范厂采用波德河煤田生产的次烟煤，处理水平为1t/d，并得到了美国能源部清洁煤技术示范项目的支持。该工艺采用低温热解技术，将原煤转化为半焦和煤焦油两种产品。相比原煤，半焦的发热量提高了5%，同时燃烧更加稳定，不会自然发火。采用MK粉尘抑制剂可以有效地抑制微粉尘的量，添加0.2%的半焦可以将微粉尘的量降低到1%以下。该工艺已经得到了完善，成功生产出新的燃料产品，并且已经在大唐华银发电股份有限公司合作使用了五年。该工艺已经应用于大唐华银东乌褐煤干燥示范装置项目，该项目年处理褐煤3万吨，总投资为3.44亿元。Toscoal煤低温热解技术是美国油页岩公司和RockyFlats研究中心基于油页岩干馏工艺开发的。该工艺的主要流程是将粉碎好的干煤在提升管内用来自瓷球加热器的热烟道气预热，预热后的煤在热解转炉中和热瓷球接触，受热并发生分解，产生半焦和烃蒸汽。半焦在回转筛中与瓷球分离并排出，瓷球与半焦分离后进入提升管被提升、加热，加热器燃料为该工艺自产的煤气或燃料油，热瓷球加热后循环使用。澳大利亚联邦科学与工业研究院自上世纪7年代开始研究开发了流化床快速热解工艺。该工艺的煤粉用氮气从加煤器通过管道喷入流化床热反应器，反应器床层由0.3～1mm大小的砂粒组成，液化石油气和空气燃烧形成的烟气和电加热器预热的氮气通过反应器底部的分布板进入流化床，煤粉在热解反应器中快速热解（停留时间小于0.5秒），离开反应器的气体通过温度约35℃的高效旋风分离器使大量半焦分离出来，气体则经过冷却器进入约8℃的电捕焦油器，分离出焦油并收集。俄罗斯3TX(ETCH)-175工艺采用了类似的低温热解技术，将原煤转化为半焦和煤焦油两种产品。柯林斯达带式炉是一种内热式气体热载体热解工艺，与传统的立式炉相比，其炉型结构有很大的差异，并且在成熟度、环保措施以及焦粉的处理方面具有一些特点。该工艺属于内热式、低温、中速、气体热载体干馏工艺。带式炉是一种现代化的水平连续式煤炭加工设备，其炉内采用耐热金属带来输送煤料。炉内根据工艺分为干燥段、炭化段和冷却段。在干燥段，燃褐煤热风炉提供烟气加热，工作温度在300℃左右，煤料完成干燥后进入炭化段。在炭化段，温度升至500℃-600℃，褐煤受热分解，析出部分挥发份，得到高热值褐煤半焦产品和焦油副产品，净化后的煤气供带式炉自用。浙江大学在上世纪90年代仿照前苏联ETCH技术开发了粉煤干馏多联产工艺，并在淮南化工总厂建立了示范性生产装置。该工艺实现了煤热解的焦油、热、电、气、冷多联产，经过试验基础上，浙江大学与淮南矿业集团合作将一台75t/h循环流化床锅炉改造为12MW循环流化床热电气焦油多联产中试装置。该装置利用循环流化床高温循环灰作为热载体来热解原煤，产生焦油、煤气和半焦，半焦再送回锅炉燃烧发电和供热，燃烧后的灰渣可制水泥或建筑材料。经过煤气净化系统回收的焦油可直接销售或进一步深加工提取高附加值产品，净化后的煤气部分回送气化炉作为流化介质，其余送燃烧发电。LCC技术示范装置位于内蒙古锡林浩特地区，于2011年6月正式开工建设，2012年5月3日开始进入分系统调试，6月1日生产出第一批合格半焦。在调试过程中，LCC装置实现了不同负荷点的稳定运行，完全打通了LCC工艺流程。工艺产品煤焦油产率达3.48%，半焦产率约为5%，各项性能指标全面达到或超过设计要求，具备了大规模推广应用的各项条件。PMC是一种经过精制处理后的固体产品，其活性降低，性质稳定，不易自燃。LCC技术将煤炭经过热解反应后输送至精制塔，在预冷却后与增湿空气发生氧化和水合反应，经过精制处理后，PMC的活性降低，性质稳定，不易自燃，最后输送并贮存。该装置采用常压流化床气化，使用水蒸汽和再循环煤气作为气化剂，运行温度为65～75℃。燃料经由给料机给入气化室，首先受热裂解，析出高热值挥发份，半焦中部分碳和气化剂反应形成水煤气。气化吸热由燃烧室的高温循环物料来提供。气化后半焦随循环物料送入燃烧室燃烬，燃烧室为循环流化床，空气鼓风，运行温度为85～90℃。燃用气化室来的半焦，产生热量，产生水蒸汽和加热从气化炉来的低温循环物料变成高温物料再送至气化室提供气化吸热。从气化炉出来的高温煤气，经煤气冷却器冷却，净化器净化，除去灰、焦油、水后变成净煤气输出供民用或合成二甲醚等化工产品。在净化过程中可回收优质焦油、苯、酚等。从燃烧室出来的高温烟气经烟气冷却器冷却、除尘器除尘后排入大气。燃烧炉产生的蒸汽可供汽轮机发电、供热以及用作溴化锂制冷和空调。煤的气化和燃烧采用流化床，如此产生的煤灰具有良好的活性，可以生产优质建材，包括水泥、砖瓦等。北京神雾环境能源科技公司开发的旋转床式干馏炉是一种环形炉。炉墙、炉顶及燃烧装置固定不动，环形炉底转，炉底装载原料。经过破碎和烘干的煤炭块料，在装料装置作用下依次经过预热段、和各反应段，最终被加热到5℃左右并完成干馏反应。采用蓄热式辐射管对物料进行加热，燃烧产物完全与炉膛内的气氛隔绝，可以减小后续处理装置的规格，分离后的气体可保有较高的品质。炉内热气强制循环对流，炉床上的物料两面快速受热，既提升了传热强度又使物料加热温度均匀性更好。干馏挥发出的油气从炉膛的多个排出口排出，汇集后送往油气分离系统进行处理。干馏后残留的半焦由出料装置卸出炉外，进入干法熄焦冷却装置进行冷却。热交换后的热烟气作为原料煤烘干或生产蒸汽的热源。从油水分离罐分离出的高浓度污水送入污水焚烧系统焚烧或生化处理后作为制作水焦浆的用水。外热式回转炉技术广泛用于冶金、氟化工等许多领域。它应用于煤炭干馏热解装置的主要技术的主要优势包括：外热式回转炉可广泛应用于处理4mm以下的原煤，包括8mm以下的末煤。根据产品最终用途的不同，可调整工艺参数改变产品品质。该工艺装置操作灵活、弹性大，适应市场需求变化。采用外热式工艺可提升煤气的热值，使其成分稳定，适宜作为工业和民用燃料。由于连续干法熄焦，半焦水分可控制在“零”，提升了半焦的质量，节约能源，减少了有害气体及工业污水的生成。单台套装置可以实现5-10万吨/年以上的产能。未来低温干馏技术的发展趋势包括原料粉煤化和装置大型化。目前的低温干馏技术需使用块煤，但机械化采煤的块煤率较低，大量粉煤资源无法有效利用。新法干馏技术、多联技术和粉煤流化床气固热解技术等新技术已经解决了这一问题。此外，现有低温干馏装置规模较小，但经过努力，单炉提升至百万级规模是有可能的，届时将形成高效的产业化规模。未来还需提升油收率，改善油品质。在低温条件下，热解时间越短，焦油收率越高。相反，高温条件下，热解时间增加，焦油收率降低，气体收率增加。因此，为了提高焦油收率，热解