陳 磊，張永發(fā)，劉 俊，王 影，徐 英，王 永

（太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

我國(guó)褐煤、長(zhǎng)焰煤和不黏煤等低階煤資源儲(chǔ)量巨大，已探明儲(chǔ)量5610億噸以上[1]，其中褐煤資源探明儲(chǔ)量為1300多億噸[2]。利用這些豐富的低階煤制取替代燃料的轉(zhuǎn)化技術(shù)備受矚目。煤低溫干餾，即煤在隔絕空氣（或在非氧化氣氛）條件下加熱升溫到 500～600 ℃，受熱分解成煤氣、低溫煤焦油和半焦的熱加工過(guò)程，是低階煤化學(xué)加工的一個(gè)重要技術(shù)途徑。這一技術(shù)在常壓、無(wú)氫耗和無(wú)氧耗的情況下以低階煤為原料獲得煤氣和焦油等能源化工產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了煤的部分氣化和液化，相比煤的氣化和液化工藝，其過(guò)程簡(jiǎn)單，條件溫和，投資和生產(chǎn)成本低[3]。其產(chǎn)品半焦反應(yīng)性高，適于作還原反應(yīng)的原料，如高爐煉鐵的噴吹料和氣化原料等；凈化后的煤氣既可以作為發(fā)電和民用的燃料氣，也可以作為制取甲烷、氫氣和甲醇等產(chǎn)品的原料氣。低溫煤焦油的組成和性質(zhì)不同于高溫煤焦油[4-5]，其酚類和脂肪性化合物含量較高[6-7]，是重要的高附加值產(chǎn)品。了解低階煤干餾技術(shù)現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)新型低溫干餾采油技術(shù)已成為褐煤利用研究的熱點(diǎn)[1-5，8-9]。本文在分析總結(jié)現(xiàn)有低階煤干餾技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了作者課題組研發(fā)的高效采油低溫干餾技術(shù)。

1 國(guó)外低溫干餾技術(shù)

現(xiàn)有的低溫干餾爐和干餾工藝有很多種。根據(jù)供熱方式不同，可分為外熱式、內(nèi)熱式和內(nèi)外混熱式干餾爐；根據(jù)熱載體不同，可分為氣體、固體和氣固熱載體干餾工藝；根據(jù)爐體結(jié)構(gòu)不同，可分為直立爐、回轉(zhuǎn)窯、水平爐和流化爐等干餾爐[9]。國(guó)外典型爐型和工藝有：英國(guó)的伍德?tīng)t，德國(guó)的魯奇三段爐和考伯斯?fàn)t，美國(guó)的LFC（ENCOAL）工藝、Garrett工藝[10-11]、Toscoa1工藝[12-13]和 CODE 工藝[14]，俄羅斯的 ETCH-175工藝，德國(guó)的 L-R和L-S工藝，波蘭的雙沸騰床工藝[15]，澳大利亞的CSIRO流化床快速熱解工藝。

1.1 伍德（Uhde）爐

伍德?tīng)t[16-17]是由英國(guó)伍德公司在 19世紀(jì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一種連續(xù)外熱式直立爐。20世紀(jì)80年代伍德?tīng)t被我國(guó)引進(jìn)并改造主要用于生產(chǎn)城市煤氣（產(chǎn)率為350～400 m3/t，熱值約為16.74 MJ/m3），并副產(chǎn)半焦?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其基本原理是將粒度為 13～60 mm的塊煤通過(guò)加煤系統(tǒng)進(jìn)入炭化室的頂部，沿著炭化室連續(xù)有節(jié)地下降，并與燃燒室的高溫廢氣間接換熱，煤的下降速度控制在使煤逐漸炭化，并在到達(dá)爐底時(shí)轉(zhuǎn)化為半焦或焦炭。干餾生成的荒煤氣經(jīng)過(guò)上升管和集氣槽被輸送到凈化系統(tǒng)。該爐主要結(jié)構(gòu)特征：①炭化室、燃燒室和爐體表面分別用硅磚和黏土磚砌筑而成，增加了爐體整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；②燃燒室可采用兩種結(jié)構(gòu)，直立火道向上或向下加熱結(jié)構(gòu)和迂回火道分段加熱結(jié)構(gòu)，前者氣體流動(dòng)阻力小，后者氣體“蛇形”流動(dòng)并逐漸傳熱，縮小了炭化室上下的溫差；③該爐還配置有發(fā)生爐和廢熱鍋爐，分別用于煤氣加熱和廢氣余熱回收。以上結(jié)構(gòu)特征使得爐子具有整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、溫度調(diào)節(jié)方便、加熱均勻、煤氣中含N2低和熱值高，且焦油產(chǎn)率為2.66%～5.2%。但存在磚型復(fù)雜、砌筑難度大、爐子底層耐火磚磨損嚴(yán)重、配置發(fā)生爐和廢氣鍋爐成本高和系統(tǒng)熱效率低（耗熱量為3.2～4.1 MJ/kg）等不足。

1.2 魯奇（Lurgi）三段爐

魯奇三段爐[18-19]是由德國(guó)魯奇公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種用于黏結(jié)性不大的塊煤和型煤（約25～60 mm）干餾的連續(xù)內(nèi)熱式干餾爐，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其基本原理是原料煤在直立爐中隨料層下行，載熱氣體逆向通入進(jìn)行直接加熱。該爐主要結(jié)構(gòu)特征：①整個(gè)爐體分上、下兩室，即上室為干燥段，下室為干餾段、冷卻段，其間由若干直立管連通，使得干燥段產(chǎn)生的蒸汽不會(huì)稀釋荒煤氣；②上、下兩室分別用兩個(gè)獨(dú)立的燃燒爐燃燒凈煤氣分段供熱，熱煤氣與煤直接換熱；③干燥段和干餾段分別設(shè)置有排氣煙囪和出口荒煤氣管，分別用于排放干燥段的廢氣、水蒸汽和引出干餾段生成的荒煤氣，降低了廢水量。魯奇三段爐采用熱載氣體向煤料直接傳熱，熱效率高，低溫干餾耗熱量低；所有裝入料在干餾不同階段加熱均勻，消除了部分料塊過(guò)熱現(xiàn)象；內(nèi)熱式爐沒(méi)有加熱的燃燒室或火道，簡(jiǎn)化了干餾爐結(jié)構(gòu)，沒(méi)有復(fù)雜的加熱調(diào)節(jié)設(shè)備。但是該爐型不足在于：①對(duì)原料煤的粒度（20～80 mm）和煤質(zhì)要求高，單臺(tái)處理能力??；②采用濕法熄焦，環(huán)保性差，且半焦須重新干燥；③煤氣中含N2高，熱值低。一臺(tái)處理褐煤型煤300～500 t/d的魯奇三段爐，可得型焦150～250 t/d；焦油10～60 t/d；剩余煤氣180～220 m3/t煤。對(duì)于含水5%～15%褐煤的耗熱量為1050～1600 kJ/kg。

其工藝特點(diǎn)：由備煤工段運(yùn)來(lái)的合格裝爐煤首先裝入爐頂最上部的煤倉(cāng)內(nèi)，再經(jīng)進(jìn)料口和輔助煤箱裝入干餾爐的干燥段，與循環(huán)熱氣流逆向接觸換熱被干燥并預(yù)熱到150 ℃。干燥后的煤經(jīng)過(guò)若干直立管進(jìn)入干餾段，與熱氣流逆向接觸被加熱到500～850 ℃下進(jìn)行中低溫干餾生成半焦。在下段，半焦被冷卻循環(huán)氣流冷卻到 100～150 ℃排出。排焦機(jī)構(gòu)控制爐子的生產(chǎn)能力。循環(huán)氣和干餾煤氣混合物由干餾段的荒煤氣管引出，其中液態(tài)產(chǎn)物在后續(xù)冷凝冷卻分離系統(tǒng)中采出。大部分的凈化煤氣送到干燥段和干餾段燃燒爐，有一部分直接送入半焦冷卻段，剩余煤氣外送。魯奇三段爐曾是我國(guó)低溫干餾制取半焦采用最多的爐型，我國(guó)現(xiàn)有的許多爐型都是在它的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的。目前由錫林河煤化工有限責(zé)任公司投資建設(shè)的年處理褐煤 90萬(wàn)噸的提質(zhì)項(xiàng)目（總投資 9800萬(wàn)元）計(jì)劃采用魯奇三段爐。

1.3 考伯斯（Koppers）爐

考伯斯?fàn)t[17]由德國(guó)考伯斯公司開(kāi)發(fā)的一種內(nèi)、外熱結(jié)合的復(fù)熱式立式爐，其由炭化室、燃燒室及位于一側(cè)的上、下蓄熱式所組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其基本原理是回爐煤氣一部分進(jìn)入立火道燃燒，產(chǎn)生的高溫廢氣通過(guò)爐墻與煤料間接換熱，然后進(jìn)入蓄熱室與耐火材料換熱。另一部分煤氣從爐子底部進(jìn)入，并與熄焦產(chǎn)生的水煤氣一道進(jìn)入炭化室，煤料經(jīng)過(guò)間接換熱垂直連續(xù)干餾。該爐主要結(jié)構(gòu)特征：①采用了直立火道上下交替加熱的加熱方式，使炭化室豎向溫度均勻；②考伯斯?fàn)t設(shè)置有上下蓄熱室，用于回收廢氣余熱；③炭化室采用大空腔結(jié)構(gòu)，增加了爐子的容積；④爐底熄焦系統(tǒng)配置有回爐煤氣管路，凈煤氣經(jīng)過(guò)該管路直接進(jìn)入炭化室，通過(guò)半焦沿炭化室上升，既冷卻灼熱半焦，又使煤料在爐內(nèi)受熱均勻。該爐不但加熱均勻，生產(chǎn)的煤氣熱值高，而且耗熱量低，較舊式伍德?tīng)t低27%[18]。其工藝特點(diǎn)：型煤從炭化室頂部的煤槽連續(xù)地裝入炭化室，炭化后的型焦進(jìn)入炭化室底部的焦槽，并定期卸入熄焦車(chē)。為了預(yù)冷型焦，部分凈煤氣在卸焦點(diǎn)以上部位進(jìn)入炭化室、同時(shí)噴入水，產(chǎn)生的水煤氣和返回的凈煤氣一道通過(guò)型焦沿炭化室上升，既冷卻灼熱型焦，又使型煤在爐內(nèi)受熱均勻，最后與干餾煤氣混合，由炭化室頂部的上升管、集氣管引出。但是該爐存在的問(wèn)題是爐墻耐火磚磨損嚴(yán)重，基建費(fèi)用高。

1.4 LFC干餾技術(shù)

LFC干餾技術(shù)[20-23]是由美國(guó)SGI公司研發(fā)（現(xiàn)為MR&E公司擁有），并于1990年與美國(guó)能源部合作建設(shè)處理能力為1000噸/天的商業(yè)化示范工廠，是目前同類技術(shù)中商業(yè)化程度最為成熟的一種。其基本原理是將煤干燥、煤干餾和半焦鈍化技術(shù)相耦合，將含水量高、穩(wěn)定性差和易自燃的低階煤提質(zhì)成為性質(zhì)穩(wěn)定的固體燃料 PDF和高附加值的液體產(chǎn)品CDL兩種新的能源化工產(chǎn)品。該技術(shù)的工藝特點(diǎn)：①采用移動(dòng)床內(nèi)熱式干餾，氣體熱載體與固體物料直接接觸，利于傳熱和傳質(zhì)；②采用干燥、干餾和固體產(chǎn)品精整三段式處理，產(chǎn)品質(zhì)量易控制；③油品分段冷凝有利于油品分級(jí)回收和進(jìn)一步加工精制；④采用可調(diào)分級(jí)的工藝控制系統(tǒng)，操作自動(dòng)化程度較高，產(chǎn)品質(zhì)量可達(dá)最優(yōu)化，1 t各種原煤（6～50 mm）可產(chǎn)出 0.5～0.6 t優(yōu)質(zhì)煤（PDF），0.5～0.9桶（約64～115 kg）油產(chǎn)品（CDL），產(chǎn)油率為6.4%～11.5%。但是，LFC干餾工藝復(fù)雜，設(shè)備多，造價(jià)高；自產(chǎn)低熱值煤氣難以滿足工藝需熱，需外補(bǔ)熱量（30%外供）；煤氣出口溫度高，載熱氣體耗量大。

2 國(guó)內(nèi)低溫干餾技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)典型爐型和工藝有：陜西神木三江煤化工公司 SJ系列和陜西冶金研究院的和 SH系列直立爐、大連理工大學(xué)的新法干餾工藝、煤炭科學(xué)研究總院的多段回轉(zhuǎn)爐工藝、中科院過(guò)程工程研究所的煤撥頭工藝[24-25]和中科院山西煤炭化學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的基于循環(huán)流化床的煤熱解多聯(lián)產(chǎn)工藝[26-27]。

2.1 SJ和SH低溫干餾直立爐

SJ系列[28-30]和SH系列直立干餾爐[31-33]分別是由三江煤化工公司和陜西冶金研究院根據(jù)榆林神府、東勝煤田和大同礦區(qū)揮發(fā)分高、灰熔點(diǎn)低和含油率高的煤質(zhì)特點(diǎn)而研制開(kāi)發(fā)出的一種直立爐型。其在榆林和東勝地區(qū)投產(chǎn)的已超過(guò)數(shù)百座，2005年SJ-Ⅲ低溫干餾爐及工藝成功出口到哈薩克斯坦，其基本結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。其基本原理是塊煤經(jīng)輔助煤箱和集氣結(jié)構(gòu)進(jìn)入炭化室，與經(jīng)布?xì)饣▔鶆蜻M(jìn)入炭化室的高溫廢氣逆向接觸換熱，逐段進(jìn)行干燥和干餾，最后經(jīng)排焦系統(tǒng)連續(xù)地排出。其基本結(jié)構(gòu)特征如下：①SJ和SH直立爐進(jìn)料處采用集氣降傘或集氣罩和輔助煤箱，出料處采用支管混合器和布?xì)饣▔Y(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)布料均勻、集氣均勻、出料均勻和加熱均勻，系統(tǒng)熱效率高（約為83%），實(shí)現(xiàn)了煤的低溫干餾；②炭化室采用大空腔架構(gòu)，干燥段、干餾段沒(méi)有嚴(yán)格的界限，爐子單位容積和單位截面的處理能力高；③SH直立爐可以配套雙閘閥控制的干法熄焦裝置，不但可以降低半焦含水率，而且污染小。但是SJ和SH直立爐存在的主要問(wèn)題是燃燒廢氣中氮氧化物含量高，動(dòng)力消耗大，焦油產(chǎn)率低（4%～7%），原料煤粒度要求高，分別為20～80 mm和20～150 mm。最近由北方聯(lián)合電力公司投資建設(shè)年處理褐煤400萬(wàn)噸的提質(zhì)項(xiàng)目將采用 SJ低溫干餾連續(xù)式直立方爐工藝進(jìn)行褐煤提質(zhì)。

2.2 大連理工大學(xué)新法干餾技術(shù)

大連理工大學(xué)新法技術(shù)[34-35]是由大連理工大學(xué)在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一種固體熱載體快速熱解技術(shù)，并于1992在平莊年建成了150 t/d干餾多聯(lián)產(chǎn)工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目，是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展褐煤固體熱載體干餾技術(shù)研究的單位。其基本原理是將粒度小于6 mm的煤與800 ℃熱半焦按一定的混合比快速混合加熱使其干餾得到低溫焦油、煤氣和半焦。該技術(shù)主要由脈沖氣流干燥預(yù)熱、熱煙氣發(fā)生、熱載體提升循環(huán)和混合熱解系統(tǒng)組成，工藝特點(diǎn)如下：①采用快速熱解方式，焦油產(chǎn)率為 7%左右；②可有效處理熱穩(wěn)定性差原料，如褐煤；③原料利用率高，與使用塊煤的技術(shù)比較，直接使用粉煤，成本降低；④可與多個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)，可以與煤發(fā)電配套，可以與煤焦油加氫配套，也可以與煤氣化配套等；⑤干餾產(chǎn)品質(zhì)量好，如焦油凝點(diǎn)低、黏度低，利于深加工，半焦發(fā)熱量高，褐煤半焦可制成水煤漿，煤氣熱值高（14～20 MJ/m3），可用于轉(zhuǎn)化制氫或合成氣；⑥該技術(shù)廢水處理量和耗水量少，SO2和NOx排放量少，且系統(tǒng)熱效率高，約為82%。但固體熱載體技術(shù)卻存在煤料與熱載體機(jī)械混合動(dòng)力消耗大，混合過(guò)程易產(chǎn)生粉塵等不足。

2.3 多段回轉(zhuǎn)爐熱解工藝

多段回轉(zhuǎn)爐熱解工藝[36]（MRF技術(shù)）是煤炭科學(xué)研究總院北京煤化研究所針對(duì)年輕煤綜合利用開(kāi)發(fā)的一種新的煤轉(zhuǎn)化技術(shù)，在內(nèi)蒙古海拉爾市建有515×104t/a的工業(yè)示范裝置。其基本原理是通過(guò)串聯(lián)的多段回轉(zhuǎn)爐對(duì)粒度為6～30 mm的年輕煤分段依次進(jìn)行內(nèi)熱式干燥、外熱式干餾（干餾終溫 750℃）和直接冷卻。其工藝特點(diǎn)有：①干燥回轉(zhuǎn)爐采用內(nèi)熱式加熱，即干餾爐排出的熱煙氣與煤料逆向接觸換熱，脫除了大部分水分，減少干餾產(chǎn)生的有害廢水量，利于廢水的處理和防止環(huán)境污染；②干餾回轉(zhuǎn)爐采用外熱式加熱，即燃燒爐燃燒產(chǎn)生的高溫廢氣與干燥煤料間接換熱，煤氣熱值高；③燃燒爐既可使用固體燃料，又可使用氣體燃料，或兩者同時(shí)燃用，靈活性高。該工藝采油率為干熱解煤的4%～6%，約為該煤葛金焦油產(chǎn)率的 50%～60%。該工藝存在的問(wèn)題是能耗高，連續(xù)生產(chǎn)粉塵易沉積和堵塞。

不同低溫干餾技術(shù)對(duì)比具體見(jiàn)表1所示[37]。

3 作者課題組低溫干餾技術(shù)的開(kāi)發(fā)

3.1 混熱連續(xù)式鐵合金焦?fàn)t

混熱連續(xù)式鐵合金焦?fàn)t在20世紀(jì)90年代初由太原理工大學(xué)煤重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張永發(fā)和周建民等基于分段加熱理論開(kāi)發(fā)的兩側(cè)預(yù)熱、中部回收和連續(xù)干餾的內(nèi)外混熱式直立干餾爐[38-39]，是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)發(fā)的爐型，并廣泛用于大同和陜北地區(qū)。其基本結(jié)構(gòu)如圖 6所示，該鐵合金焦?fàn)t由炭化室、兩側(cè)燃燒室、圓柱立火道、空氣預(yù)熱室和焚燒室等主要結(jié)構(gòu)組成，炭化室墻采用薄壁格子磚結(jié)構(gòu)，炭化生成的荒煤氣通過(guò)格子磚在立火道與經(jīng)過(guò)小煙道預(yù)熱的高溫空氣燃燒，并快速將熱量傳回給炭化室，不但傳熱效率高，而且省去了復(fù)雜的回爐煤氣系統(tǒng)；裝煤采用斗式提煤機(jī)和液封料鐘，出焦采用夾套水冷式出焦斗和液封熄焦槽相結(jié)合，機(jī)械化程度高，無(wú)污染，經(jīng)濟(jì)環(huán)保；小煙道頂部、立火道底部、不同高度的可調(diào)空氣入口及分煙道插板等多種調(diào)節(jié)裝置有效地保證了全爐加熱的均勻性和控制足夠的吸力。這一爐型突破了國(guó)內(nèi)外低溫炭化爐外加熱或內(nèi)加熱的單一加熱方式，該技術(shù)首次把煤氣在燃燒室燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)炭化室墻給煤料間接加熱的同時(shí)，把燃燒高溫氣體從燃燒室引進(jìn)炭化室直接對(duì)煤料加熱，形成了混熱式炭化技術(shù)，也形成了用燃燒廢氣直接加熱煤料的基礎(chǔ)。

表1 不同低溫干餾技術(shù)對(duì)比表

3.2 高效采油外熱式低溫干餾爐的開(kāi)發(fā)

北京低碳清潔能源研究所（NICE）和太原理工大學(xué)煤科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室共同開(kāi)發(fā)了氣態(tài)熱解產(chǎn)物收集器和具有該收集器的高效采油外熱式低溫干餾爐，該收集器使得炭化室生成的氣態(tài)產(chǎn)物迅速離開(kāi)干餾環(huán)境，并被迅速激冷以凍結(jié)包含焦油的氣態(tài)產(chǎn)物，從而大大地提高了采油率，收集器、干餾爐和燃燒室的基本結(jié)構(gòu)分別如圖7～圖9所示。氣態(tài)熱解產(chǎn)物收集器采用長(zhǎng)方體空腔結(jié)構(gòu)，頂端密封，底部設(shè)置有與氣體收集管相連的氣態(tài)熱解產(chǎn)物出口，左右兩側(cè)面分布有若干具有螺旋狀槽口的貫穿通道，利于氣態(tài)熱解產(chǎn)物及時(shí)導(dǎo)出，在每個(gè)通道上方安裝有與壁外表面成 75°～85°的可調(diào)節(jié)擋料板和與壁內(nèi)表面成 35°～55°的可調(diào)節(jié)氣流導(dǎo)向板，有效地阻止固態(tài)物料進(jìn)入器內(nèi)和防止液態(tài)產(chǎn)物回流，且便于清洗收集器內(nèi)部。

高效采油低溫干餾爐主要結(jié)構(gòu)特征在于：①頂部設(shè)置有通過(guò)軌道機(jī)構(gòu)運(yùn)行的加煤車(chē)，其下部設(shè)置有氣動(dòng)鎖斗閥，便于控制，氣密性好；②炭化室與燃燒室交錯(cuò)相間排布，在炭化室中間設(shè)置有氣態(tài)熱解產(chǎn)物收集器，荒煤氣導(dǎo)出速度快，行程短，二次裂解小，顯著地提高了采油率；③燃燒室的上下兩端設(shè)置有一對(duì)燃燒噴嘴，在噴嘴附近裝有大量的蓄熱體，而蓄熱體的下部通過(guò)管道與換向閥相連，以便蓄熱體在一定的時(shí)間間隔內(nèi)交替地預(yù)熱常溫空氣和排出熱交換后的廢氣。換向閥在控制系統(tǒng)的作用下，定期變換廢煙氣與空氣的流向，一方面利于自動(dòng)化控制，另一方面大幅度地提高了熱效率。該爐型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，適合低階煤干餾，也適合劣質(zhì)粉煤資源，此外回收的煤氣中不含燃燒廢氣，即主要組成為 CH4、H2、CO、CO2、CmHn和 N2，可用作合成原料氣，組成如表2所示。

表2 褐煤干餾氣體組成 （體積分?jǐn)?shù)，%）

3.3 高效采油外熱式粉煤低溫干餾爐的研制

基于氣態(tài)熱解產(chǎn)物快速導(dǎo)出理念，作者課題組先后開(kāi)發(fā)了兩種專門(mén)用于粉煤干餾并具有高效采油結(jié)構(gòu)的炭化室，即一種具有導(dǎo)氣墻結(jié)構(gòu)的粉煤干餾炭化室[40]和一種用于粉煤干餾的炭化室[41]，其基本結(jié)構(gòu)分別如圖10和圖11所示。這兩種炭化室均具有荒煤氣通道結(jié)構(gòu)，使得干餾生成的氣態(tài)產(chǎn)物經(jīng)過(guò)該通道快速離開(kāi)干餾環(huán)境，降低二次裂解，解決了粉煤干餾過(guò)程中存在的熱解氣態(tài)產(chǎn)物行程較長(zhǎng)，導(dǎo)出阻力大和滯留時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。

第一種炭化室結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：在炭化室中間并平行于燃燒室位置設(shè)置有導(dǎo)氣墻，導(dǎo)氣墻是由分別內(nèi)開(kāi)“人”型通道的的收氣磚和內(nèi)開(kāi)“一”型和“T”型通道的排氣磚隔置砌筑構(gòu)成的若干縱向氣體通道和橫向氣體通道構(gòu)成，橫縱氣體通道共同構(gòu)成了導(dǎo)氣墻內(nèi)部的荒煤氣通道。此外，導(dǎo)氣墻的兩面設(shè)置有若干加強(qiáng)墻體結(jié)構(gòu)的支撐墻。第二種炭化室結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：炭化室墻體采用若干氣體導(dǎo)向磚和標(biāo)磚隔置砌筑構(gòu)成；氣體導(dǎo)向磚由擋板面、導(dǎo)氣槽、增強(qiáng)面和銳角弧組成，導(dǎo)氣槽和導(dǎo)向磚下方的空間構(gòu)成了煤氣通道。

與現(xiàn)有的干餾技術(shù)相比，作者課題組研制的 3種干餾技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)如下。①保證荒煤氣通道有足夠的空間，使干餾產(chǎn)生的荒煤氣及時(shí)導(dǎo)出，減小了其在炭化室內(nèi)的行程和流動(dòng)阻力，縮短了停留時(shí)間，降低二次裂解，提高了焦油的產(chǎn)率，這是和其它爐型最大的區(qū)別。②保證煤料和半焦不易粘壁和掛壁，易排出，如收氣磚的倒直角三角體結(jié)構(gòu)和氣體導(dǎo)向磚的擋板面設(shè)置均利于順利下料和出料。③爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，易于推廣。支撐墻和增強(qiáng)面的設(shè)置使得爐體整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高，使用壽命延長(zhǎng)。④均可以與作者課題組自主研發(fā)的內(nèi)置若干擋板的旋流式低溫燃燒室相組合，實(shí)現(xiàn)均勻加熱和規(guī)模化發(fā)展。⑤該干餾技術(shù)對(duì)原料要求低，既適用于塊煤，也適合于粉煤干餾。

雖然上述高效采油干餾爐結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，但在我國(guó)還沒(méi)有商業(yè)化示范裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。結(jié)合工業(yè)化的要求，借鑒小試裝置經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)對(duì)高效采油低溫干餾技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。

3.4 低溫干餾分析設(shè)備的改進(jìn)

現(xiàn)有的鋁甑低溫干餾試驗(yàn)存在氣密性不好控制的問(wèn)題，如在鋁甑蓋、鋁甑體與導(dǎo)出管接口處、錐形瓶與其上膠塞縫隙處及導(dǎo)出管在膠塞上打孔處都非常容易形成漏氣點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)誤差大。格金干餾管存在無(wú)法吹掃問(wèn)題，為干餾過(guò)程中氣體成分和體積分析帶來(lái)了很大的誤差。為了解決上述問(wèn)題，作者課題組對(duì)格金和鋁甑低溫干餾設(shè)備作了進(jìn)一步的改進(jìn)，如格金管和鋁甑裝置、干餾爐、U形管、水分讀數(shù)管及冷凝管等，形成了高效采油的低溫干餾分析試驗(yàn)系統(tǒng)。①將格金管采氣改為不銹鋼管采氣和水封密封，將氮?dú)馔ㄟ^(guò)外部直管直接通入不銹鋼干餾管底部，流經(jīng)導(dǎo)出管后進(jìn)入錐形瓶，解決了氮?dú)獯祾哌^(guò)程中殘留吹掃不到的死角問(wèn)題，氣密性好，氣體分析的準(zhǔn)確性高。②鋁甑裝置采用石英干餾管，冷凝水和焦油較不銹鋼管直觀、清晰，但是在進(jìn)行煤的干燥脫水特性試驗(yàn)時(shí)石英管經(jīng)常破裂，分析其原因是石英管內(nèi)生成的焦油和煤氣在直型干餾段出現(xiàn)堵塞而造成的局部溫差導(dǎo)致。因此，將石英管改為葫蘆形石英管，從根本上解決了局部溫差過(guò)大的問(wèn)題，也使得生成的氣態(tài)產(chǎn)物順著葫蘆形結(jié)構(gòu)快速地離開(kāi)干餾環(huán)境。③實(shí)驗(yàn)加熱葫蘆管用的干餾爐結(jié)構(gòu)由方形改為圓形，加熱方式采用底部和爐內(nèi)周邊同時(shí)加熱，使得干餾管受熱更加均勻，溫度也得到更好控制。④回收焦油用的U形管兩端均采用磨口處理，一邊的磨口處專為承接磨口處理過(guò)的冷凝器，另一邊的磨口專為連接出氣口，這樣使得整個(gè)裝置嚴(yán)絲合縫，成為一體，氣密性較好。此外，根據(jù)U形管連接冷凝器的多少可將其設(shè)置為雙擴(kuò)口結(jié)構(gòu)。⑤水分讀數(shù)管采用底部為尖端結(jié)構(gòu)且精度為0.1 mL的讀數(shù)管。通過(guò)對(duì)上述小型低溫干餾爐及采油設(shè)備的改進(jìn)，使得干餾過(guò)程中不但煤料受熱均勻、溫度控制方便和傳熱效率高，而且焦油產(chǎn)率高，結(jié)構(gòu)緊湊合理。

表3 原料煤的煤質(zhì)分析

在干餾終溫550 ℃，恒溫時(shí)間120 min等主要干餾工藝參數(shù)和操作條件下，將20 g左右的呼倫貝爾煤、昭通煤和黑山煤（煤質(zhì)分析見(jiàn)表 3）分別放入上述高效采油干餾系統(tǒng)進(jìn)行低溫干餾，然后對(duì)干餾過(guò)程的焦油產(chǎn)率進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 4。結(jié)果表明，對(duì)比普通干餾系統(tǒng)的焦油產(chǎn)率，采用高效采油低溫干餾系統(tǒng)對(duì)呼倫貝爾煤、昭通煤和黑山煤及其粉煤進(jìn)行低溫干餾，顯著地提高了焦油產(chǎn)率，約1倍左右。

表4 不同煤種的焦油產(chǎn)率及熱效率對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

煤低溫干餾是低階煤化學(xué)加工的一個(gè)重要技術(shù)途徑，但現(xiàn)有的低溫干餾技術(shù)存在采油率低，原料粒度要求高和燃燒廢氣中氮氧化物含量高等問(wèn)題，因此開(kāi)發(fā)一種新型低溫干餾高效采油技術(shù)是很有必要的。對(duì)于低溫干餾爐及其高效采油技術(shù)的研究應(yīng)該從以下幾方面開(kāi)展工作。

（1）干餾爐向大型化、自動(dòng)化和高效環(huán)保方向發(fā)展。開(kāi)發(fā)具有新型加熱和炭化結(jié)構(gòu)的大型炭化爐，配備自動(dòng)化程度高、清潔環(huán)保和高效節(jié)能的加料、布料和出焦裝置成為新一代干餾爐的研發(fā)總目標(biāo)。

（2）供熱方式逐漸由單一的內(nèi)熱或外熱加熱方式向內(nèi)外熱結(jié)合的混熱式方向發(fā)展。內(nèi)熱式直立爐將熱煙氣直接通入爐內(nèi)，造成煤氣含N2高、體積大和熱值低，煤氣輸送能耗高，難以用作化工原料，價(jià)值低。外熱式干餾爐產(chǎn)生的荒煤氣不含燃燒廢氣，熱值高、用途廣，但干餾爐投資高、熱效率低。開(kāi)發(fā)純氧燃燒加熱或煤氣或其它還原性氣體熱載體加熱的混合加熱方式成為干餾爐的新型加熱方式。

（3）“水撈焦”逐漸向干熄焦 Coke Dry Quenching新技術(shù)轉(zhuǎn)變。由于干熄焦技術(shù)具有回收半焦顯熱、提高半焦質(zhì)量（強(qiáng)度、塊度、水分等）、減少環(huán)境污染等特點(diǎn)越來(lái)越受到人們的重視。焦?fàn)t煤氣和水蒸氣混合干熄焦技術(shù)[42]、水和水蒸氣混合熄焦技術(shù)（屬干熄焦技術(shù)）由于熱效率高和焦炭質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)而具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（4）快速干餾或催化干餾，提高焦油收率和質(zhì)量是新一代技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。在低溫條件下，干餾速度快，焦油的收率就高。具有催化功能的快速熱載體干餾技術(shù)可以根據(jù)具體需求調(diào)節(jié)氣、液產(chǎn)物組成，從而提高焦油產(chǎn)率，這一技術(shù)中具有催化功能的熱載體開(kāi)發(fā)，以及熱載體催化活性在高溫下的穩(wěn)定性技術(shù)是關(guān)鍵。

（5）提高粉煤的利用?，F(xiàn)有的低溫干餾爐采用的煤料多為低階塊煤（15～80 mm），而目前機(jī)械化采煤的塊煤率約為20%～30%，這樣造成大量粉煤資源無(wú)法有效利用。氣態(tài)產(chǎn)物收集器、導(dǎo)氣墻和荒煤氣導(dǎo)出快速通道結(jié)構(gòu)由于氣體阻力小、導(dǎo)出速度快和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理等優(yōu)點(diǎn)將成為利用粉煤資源低溫干餾新的研發(fā)方向。

（6）低階煤低溫分級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù)。低階煤具有高化學(xué)反應(yīng)性的特點(diǎn)，低階煤低溫干餾采油-干餾半焦低溫氣化制合成氣的分級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù)，低階煤低溫干餾采油-干餾半焦低溫加氫制甲烷-加氫制甲烷殘?jiān)鼩饣茪洌溲h(huán)制甲烷）的分級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù)[43]正在成為研發(fā)的熱點(diǎn)。

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