劉佳　曹祖賓　韓冬云　李丹東　胡博馨

摘 要：煤炭是我國的主要能源，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)不會改變。到目前為止，探明煤炭儲量中一半以上為低階煤。低階煤清潔高效和科學(xué)分級利用的核心技術(shù)為低溫干餾技術(shù)，現(xiàn)已被國內(nèi)外廣泛關(guān)注。本文圍繞低階煤煤質(zhì)的特殊性進(jìn)行了分析；對國內(nèi)外低溫干餾工藝進(jìn)行了對比分析，重點分析了各類工藝的原料、干餾爐、工作原理和技術(shù)特點等方面；并提出了推進(jìn)我國低階煤低溫干餾工藝技術(shù)工業(yè)化進(jìn)程的相關(guān)建議。

關(guān) 鍵 詞：低階煤；干餾爐；低溫干餾

中圖分類號：TE 664 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）09-2151-04

Abstract： Coal is the main energy in China， which will not change for quite a long time in the future. So far，more than half of coal reserves has been proven low rank coal. The core technology for the low rank coal clean efficient and scientific classification and utilization is low temperature carbonization technology； it has been widely concerned at home and abroad. In this paper， characteristics of low rank coal were discussed； domestic and foreign low-temperature carbonization processes were compared and analyzed from the aspects of raw materials， carbonization furnace， working principle， technical characteristics and so on； and relevant suggestions about promoting China's low rank coal low temperature carbonization technology industrialization were put forward.

Key words： Low rank coal； Gas retort； Carbonization process

煤化作用比較低的煤（一般干燥無灰基揮發(fā)分>20%）稱為低階煤。從化學(xué)角度來看，低階煤在煤化過程中原始物料有機官能團上的氧和氫從芳香碳網(wǎng)絡(luò)骨架上脫去，并以H2O、CO2、CH4等多種氣體分子形式從煤基中逸出，因此碳含量相對較少[1]。低階煤是由芳環(huán)、脂肪鏈等官能團縮合形成的大分子聚集體。既含有以無定型碳與灰為代表的固體成分（60%～80%）（wt）、又含有高達(dá)10%～40%的由鏈烷烴、芳香烴、碳氧支鏈構(gòu)成的代表煤本身固有油氣成分的揮發(fā)分[2]。隨著國內(nèi)能源的需求日益增大以及優(yōu)質(zhì)煤炭資源量的銳減，所以在未來可預(yù)見，以低階煤為代表的轉(zhuǎn)化綜合利用將成為支撐未來能源需求的潛力所在[3]。針對這一情況，目前世界各國開發(fā)出諸多煤炭低溫干餾提質(zhì)工藝，以實現(xiàn)低階煤的氣-液-固組分分級轉(zhuǎn)質(zhì)轉(zhuǎn)化利用。

1 低階煤的特殊性

由于低階煤加熱時破碎嚴(yán)重，導(dǎo)致成煤時間較短，因此煤化的程度很低[3]。而這些情況對于其利用開發(fā)有很大的影響。

1.1 密度小

煤的密度由煤的分子空間立體結(jié)構(gòu)組成決定，煤的密度的變化隨煤的煤化程度的變化而改變，在礦物質(zhì)含量相同的情況下，煤的密度隨煤化程度的加深而增大。一般采用的是測量煤的真相對密度（TRD）[4]。煤化程度低的時候，真相對密度增加緩慢；接近無煙煤時，真相對密度增加很快。褐煤0.8～1.35 g/m3；煙煤1.25～1.50 g/m3；無煙煤1.3～1.9 g/m3。影響密度的主要因素還有很多，例如：煤巖組成、煤化程度、煤中礦物質(zhì)的成分和含量等等[5]。

1.2 含水量高

低階煤中含有大量的O2含量和大量酸性官能團，造成其含水量很高（40%～75%）。低階煤的高含水量是煤中基本有害無利的無機物質(zhì)，幾乎影響著低階煤利用的每個方面，如在運輸時，煤的水分增加了運輸負(fù)荷；對低階煤進(jìn)行機械加工過程中時，低階煤中過多的水分將造成粉碎和篩分的困難，從而造成了設(shè)備的損壞，生產(chǎn)效率也進(jìn)而降低了；煉焦過程中，煤中水分的蒸發(fā)需消耗大量熱量，結(jié)焦時間也就延長了，增加了焦?fàn)t的能耗，焦?fàn)t的生產(chǎn)能力從而降低[6]。

1.3 揮發(fā)分高

揮發(fā)分是煤分類的重要指標(biāo)。煤的揮發(fā)分反映了煤的變質(zhì)程度，揮發(fā)分由大到小，煤的變質(zhì)程度由低到高。如泥炭的揮發(fā)分高達(dá)70%，褐煤一般為40%～60%，煙煤一般為10%～50%。煤的揮發(fā)分和煤巖組成有關(guān)，角質(zhì)類的揮發(fā)分最高，鏡煤、亮煤次之，絲碳最低。所以煤的揮發(fā)分是煤分類最重要的指標(biāo)。

1.4 熱穩(wěn)定性差

低階煤的熱穩(wěn)定性差，在燃燒或氣化過程中則迅速裂成小塊或煤粉。這樣，輕則爐內(nèi)結(jié)渣，增加爐內(nèi)阻力和帶出物，降低燃燒或氣化效率，重則破壞整個氣化過程，甚至造成停爐事故。因此，熱穩(wěn)定性直接關(guān)系到固定床氣化、燃燒等能否順利進(jìn)行及關(guān)系到帶出的粉塵量。

造成煤的熱穩(wěn)定性不良的原因很多，對于低階煤中的煙煤和褐煤而言是揮發(fā)分的數(shù)量和膠質(zhì)體的質(zhì)和量的關(guān)系[1]。

1.5 環(huán)境污染大

低階煤對環(huán)境的主要威脅表現(xiàn)在運輸過程中的揚塵和燃燒排放物。由于低階煤中含有大量硫、氮元素，所以在燃燒過程中會產(chǎn)生了大量的硫氧化物、氮氧化物以及汞等微量元素，尤其是汞元素，它在燃燒過程中會產(chǎn)生不同形態(tài)的物質(zhì)排放到空氣中，對環(huán)境產(chǎn)生較大的威脅。還有在轉(zhuǎn)運、裝卸等過程中低階煤會產(chǎn)生大量的揚塵顆粒物，對環(huán)境造成污染[3]。

2 低階煤的低溫干餾工藝技術(shù)

2.1 技術(shù)分類

世界歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)過很多的低溫干餾方法，但工業(yè)實踐上成功的卻只有寥寥幾種。這些低溫干餾方法按干餾爐的加熱方式的不同可分為外熱式加熱爐、內(nèi)熱式加熱爐及內(nèi)熱外熱混合式加熱爐。同樣由于加熱介質(zhì)的不同可分為有固體熱載體以及氣體熱載體干餾法兩種。

氣體熱載體干餾技術(shù)主要代表有巴西Petrosix干餾法、我國的樺甸式油頁巖干餾技術(shù)、撫順式油頁巖干餾技術(shù)和成大全循環(huán)干餾工藝。而對于固體熱載體干餾技術(shù)主要有澳大利亞ATP干餾工藝、德國LR干餾工藝、愛沙尼亞Galoter干餾工藝和大連理工大學(xué)的DG-Process干餾工藝[7，8]等。

2.2 國外低溫干餾技術(shù)

2.2.1 氣體熱載體干餾技術(shù)

Petrosix干餾爐是直立式圓筒爐，干餾所需熱量全部由加熱爐提供，半焦不被利用。處理粒徑在8～50 mm的塊狀原料自爐頂進(jìn)入爐內(nèi)，原料依靠自身重力作用在向下運動，運動中首先經(jīng)過預(yù)熱段100 ℃左右，這一階段主要是除去原料的表面水分，為干餾段節(jié)省一部分能量。然后經(jīng)過干餾段，700℃左右的熱循環(huán)瓦斯氣從爐體中部進(jìn)入到干餾段與預(yù)熱過的原料逆向接觸進(jìn)行干餾，原料的溫度逐漸升高，當(dāng)?shù)竭_(dá)450～500 ℃左右時，原料中的油母質(zhì)裂解生成干餾氣向上至預(yù)熱段與冷原料接觸換熱100 ℃左右，接著由干餾氣導(dǎo)出管導(dǎo)出并冷凝，冷凝下來的焦油進(jìn)入到油收集罐，冷凝下來的瓦斯氣分成幾部分：一部分作為燃料進(jìn)入加熱爐燃燒提供熱量；另一部分作為干餾爐爐體冷循環(huán)干餾氣由干餾爐體下部進(jìn)入與半焦換熱后與700 ℃熱循環(huán)瓦斯氣體混合一同進(jìn)入干餾爐干餾段進(jìn)行干餾換熱；還有一部分就是作為熱循環(huán)瓦斯氣體；最后一部分剩余的瓦斯氣進(jìn)入熱電場燃燒發(fā)電。干餾放出干餾氣后剩余的部分變成半焦，半焦在重力的作用下自干餾段繼續(xù)向下運動，與爐底進(jìn)入的冷瓦斯氣進(jìn)行逆向接觸換熱，溫度進(jìn)一步降低，然后進(jìn)入封水池，在刮泥板的作用下經(jīng)皮帶運送到半焦堆放場。干餾爐出口處溫度為100 ℃的干餾氣依次通過冷凝管飽和塔洗滌塔。干餾氣經(jīng)過分成以下幾部分：一部分為熱循環(huán)瓦斯用于與原料干餾換熱。另一部分作為冷循環(huán)干餾氣用于與干餾后的半焦換熱，還有一部分則進(jìn)入冷凝器回收氣體中含有的輕油，冷凝下來的冷干餾氣被送到儲氣柜，凈化后的干氣，除自用外送其他工廠使用。該干餾爐及工藝的缺點是未利用半焦中的固定碳的潛熱，影響了干餾爐的熱效率。圖 1為Petrosix干餾爐。

2.2.2 固體熱載體干餾技術(shù)

ATP干餾技術(shù)由加拿大人發(fā)明。20世紀(jì)80年代初，澳大利亞的南太平洋石油公司和中太平洋礦業(yè)公司在昆士蘭州發(fā)現(xiàn)了高品位油頁巖，選擇了ATP爐工藝在加拿大建設(shè)了80 t/d 的中試裝置，1987年完成試驗。年開工率50%。該油頁巖干餾裝置使用的是連續(xù)運轉(zhuǎn)的方式，可處理油頁巖的粒徑范圍0～16 mm，可以處理粉末狀原料，原料進(jìn)入干餾爐后，首先經(jīng)過干燥段，在這一階段是由熱煙氣進(jìn)行干燥除去油頁巖表面水分，接著油頁巖進(jìn)入到干餾段進(jìn)行熱解反應(yīng)，在干餾段經(jīng)過干燥后的油頁巖與熱的頁巖灰渣混合換熱進(jìn)行干餾，放出頁巖油氣和半焦，半焦進(jìn)入燃燒段與進(jìn)入的空氣相接觸，進(jìn)行換熱，燃燒生成頁巖灰和各種廢熱煙氣，廢熱煙氣去干燥段干燥新進(jìn)入的油頁巖，頁巖灰進(jìn)入到干餾段進(jìn)行干餾油頁巖的操作，如此循環(huán)往復(fù)的進(jìn)行。

該爐優(yōu)點是油收率高，生成的干餾氣熱值高，充分的利用了半焦的潛熱。缺點是設(shè)備龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修量大[8，9]，撫順礦業(yè)集團有限責(zé)任公司引進(jìn)了該項技術(shù)，正在建設(shè)中，還沒有投產(chǎn)。圖2為ATP干餾爐。

2.3 國內(nèi)低溫干餾技術(shù)

2.3.1 氣體熱載體干餾技術(shù)

撫順式爐處理原料的粒徑為10～75 mm的范圍之間的原料。油母頁巖自爐頂加入，依靠自身重力的作用進(jìn)入預(yù)熱段與混和干餾后產(chǎn)生的干餾氣（120℃）逆向接觸進(jìn)行換熱，預(yù)熱段的主要功能是出去油頁巖的表面水，以免增加干餾段的熱負(fù)荷。經(jīng)過預(yù)熱段加熱后較為較為干燥的油頁巖進(jìn)入干餾段，與爐體中部進(jìn)入的500～700 ℃的熱循環(huán)干餾氣體逆向混合完全接觸換熱，此時油頁巖頁巖中的油母質(zhì)開始裂解生成頁巖油氣向上進(jìn)入到預(yù)熱段與新進(jìn)入的油頁巖進(jìn)行換熱。干餾段的主要功能是高溫干餾油頁巖，使油頁巖中含有的油母質(zhì)裂解生成頁巖油氣。經(jīng)過干餾段后頁巖半焦繼續(xù)在自身重力的作用下進(jìn)入氣化段，氣化段是冷空氣由爐體下部進(jìn)入與高溫的頁巖半焦換熱，頁巖半焦中含有的固定碳和空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成大量CO、CO2及由此引發(fā)的一系列氧化還原反應(yīng)生成的H2等氣體進(jìn)入干餾段和熱循環(huán)干餾氣混合一同作為干餾段的熱干餾氣干餾油頁巖。頁巖半焦經(jīng)過氣化段后變成頁巖灰，進(jìn)入爐底水盆，氣化一部分水蒸氣進(jìn)入氣化段。頁巖灰經(jīng)過水封后由刮板排出干餾爐，送至半焦堆場。撫順式干餾爐的優(yōu)點是可以處理低品位級油頁巖，可以充分利用了頁巖半焦中的潛熱，并可以做到熱量供給自給自足，因此撫順爐的熱效率較高。另外撫順爐干餾設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，易于維修等特點并能保證長時間運轉(zhuǎn)。缺點是爐出口氣體的熱值較低，這是因為干餾爐爐底部進(jìn)入了大量的空氣，空氣中含有的大量氮氣稀釋了干餾氣導(dǎo)致爐出口氣熱值較低。另外氣化段中的氧氣如果不能完全消耗掉的話進(jìn)入到了干餾段就會發(fā)生燒油現(xiàn)象，進(jìn)而消耗掉了一部分瓦斯氣。另外氧氣的存在還無法進(jìn)行靜電補油。因而使得撫順式油頁巖干餾工藝的油收率較低，約為實驗室鋁甄干餾收率的65%[10]。圖3為撫順式干餾爐。

2.3.2 固體熱載體干餾技術(shù)

以固體熱載體為供熱方式的油頁巖干餾工藝有大連理工大學(xué)開發(fā)的新法油頁巖干餾工藝，它采用被加熱的頁巖灰與油頁巖混合換熱進(jìn)行干餾的方式，干餾后生成頁巖油氣以及頁巖半焦[9]。圖4為大工新法干餾工藝簡圖。

3 結(jié) 語

低階煤加工的一個主要途徑就是低溫干餾，但現(xiàn)有的低溫干餾技術(shù)存在一些缺點，例如：加熱爐對原料粒度的要求苛刻、廢氣中氮氧化物對環(huán)境的污染等問題，所以對于低溫干餾爐及干餾技術(shù)的研究應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇應(yīng)逐步關(guān)注以下幾個方面[3]。

（1）干餾爐應(yīng)向大型化、高效化和自動化方面發(fā)展。未來需更加優(yōu)化低溫干餾技術(shù)，開發(fā)更具有新型加熱方式以及炭化結(jié)構(gòu)的加熱爐；

（2）由單一的內(nèi)熱或外熱加熱方式逐步向內(nèi)外熱結(jié)合的混熱式方向發(fā)展[11]。充分利用能源，探索低階煤高能效開發(fā)利用的新途徑；

（3）提高半焦的利用。對于半焦顯熱利用干熄焦技術(shù)進(jìn)行回收，從而提高半焦質(zhì)量，然后利用半焦進(jìn)行陶粒等產(chǎn)品的下一步加工。

（4）低階煤低溫分級轉(zhuǎn)化技術(shù)。結(jié)合工業(yè)示范裝置，實現(xiàn)煤-電-熱多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，解決所發(fā)電能與下游用戶銜接的問題，提高能源整體利用效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝克昌，趙煒.煤化工概論[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012：41.

[2] 王建國，趙曉紅.低階煤清潔高效梯級利用關(guān)鍵技術(shù)與示范[J].中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，2012，3（27）：382-387.

[3] 劉思明.低階煤熱解提質(zhì)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究[J].化學(xué)工業(yè)，2013，31（1）：7-13.

[4] 黃戒介，房倚天.現(xiàn)代煤氣化技術(shù)的開發(fā)與進(jìn)展[J].燃燒化學(xué)學(xué)報，2002，30（5）：385-391.

[5] 鄭國敏，官學(xué)貴.淺談煤的視密度數(shù)據(jù)在資源估算中的使用[J].神話科技，2010，8（6）：35-37.

[6] 馮治宇.吸附劑制備及其脫硫脫氮性能研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2005：5.

[7] 郭樹才.褐煤新法干餾[J].煤化工，2000，8（3）：6-8.

[8] 劉志遜.國內(nèi)油頁巖干餾技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].煤炭加工與綜合利用，2007，1：45-49.

[9] 張秋民，關(guān)珺，何德民.幾種典型的油頁巖干餾技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2006，36（6）：1019-1026.

[10]錢家麟，尹亮，等.油頁巖-石油的補充能源[M].北京：中國石化出版社，2008：144.

[11]陳磊，張永發(fā)，劉俊等.低階煤低溫干餾高效采油技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013，10（32）：2343-2351.