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        褐煤低溫干餾原理及工藝分析

        2015-08-09 02:29:52劉彥強
        河南科技 2015年12期
        關(guān)鍵詞:熱載體半焦褐煤

        劉彥強

        (中海油大同煤制氣項目組,山西 大同 037100)

        1 低溫干餾原理

        低溫干餾,是煤干餾方法之一,指采用較低的加熱終溫(500~600℃)使煤在隔絕空氣條件下,受熱分解生成半焦、低溫煤焦油、煤氣和熱解水的過程。

        1.1 煤干餾機理

        目前普遍認為煤的干餾過程是自由基反應(yīng)的過程[2]。煤的干餾首先是弱鍵受熱斷裂,主要是-CH2-、-CH2-CH2-、-O-、-S-S-和-CH2-O-等一些與結(jié)構(gòu)單元相連接的橋鍵發(fā)生裂解變成自由基。通過電子順磁共振的研究發(fā)現(xiàn),在不斷的加熱過程中,溫度達到300℃左右時,煤中就會產(chǎn)生自由基,且自由基的濃度隨著溫度的升高會不斷增多,這個過程與熱解低級烴的過程相似,都是按照自由基的鏈?zhǔn)綑C理進行的[3]。自由基緊接著與氫結(jié)合轉(zhuǎn)變成揮發(fā)分,如果反應(yīng)因缺少氫而不能進行,則自由基之間相互發(fā)生聚合生成半焦或者焦炭。

        1.2 煤干餾的一般特征

        褐煤干餾的大致分為三個階段,即干燥脫氣階段、第一次受熱熱分解的階段和第二次受熱熱分解的階段。

        1.2.1 干燥脫氣階段

        褐煤的干燥脫氣發(fā)生在常溫到300℃附近,褐煤中含有大量的水分,受熱時蒸發(fā)脫出,大部分水分在溫度達到200℃時已經(jīng)蒸發(fā)。一些附著在煤的孔隙中的氣體同時脫出,溫度超過200℃后,褐煤中發(fā)生脫羧基的反應(yīng),大量的CO2氣體在這個階段從煤中脫出。部分年輕的褐煤在此過程中由于脫水作用引起煤結(jié)構(gòu)的改變,崩裂導(dǎo)致細微粒度增多,產(chǎn)生大量的煤粉塵。

        1.2.2 第一熱分解階段

        褐煤在300℃到600℃左右發(fā)生劇烈的反應(yīng),此階段為褐煤的活潑分解階段,褐煤中的大分子結(jié)構(gòu)單元大量分解解聚,生成大量的揮發(fā)氣體,主要是H2、CO、CH4等可燃性氣體,半焦是第一熱分解階段的主要固體產(chǎn)物,另外,焦油也在這個階段大量生成。

        1.2.3 第二熱分解階段

        大約600~900℃是煤干餾的第二熱分解階段,這個階段的主要反應(yīng)有三類:即氫的脫落反應(yīng);芳香烴側(cè)鏈連接的小分子如甲基等的反應(yīng);聚合反應(yīng)。焦油蒸氣由于在高溫下發(fā)生了二次熱解,因此焦油產(chǎn)率在這一階段隨著溫度的升高反而下降,揮發(fā)分的析出在此階段也逐漸下降。在這個階段固定碳的含量不斷增加,煤氣濃度也大幅度的提高,其中以H2含量增加最快。這個階段的主要固體產(chǎn)品仍然是高固定碳含量、低揮發(fā)分的半焦,焦油產(chǎn)率降低,而煤氣產(chǎn)量有較大的提高。

        2 國內(nèi)外褐煤低溫干餾技術(shù)工藝

        2.1 DG工藝

        DG工藝是將熱解后的半焦作為熱載體,與煤混合后加熱,熱解得到半焦、煤氣和焦油的技術(shù),全稱為固體熱載體熱解工藝,是大連理工大學(xué)開發(fā)的,已經(jīng)進行了工業(yè)試驗,取得了巨大的成功,這種工藝的主要特點是:固體產(chǎn)物半焦的發(fā)熱量顯著提高,可用于水煤漿氣化;液體產(chǎn)物焦油的黏度和凝點都很低,有利用進一步加工;氣體產(chǎn)物煤氣的熱值很高,能夠用于合成氣;易于和其他煤化工加工技術(shù)配合實行多聯(lián)產(chǎn);對原料的利用效率相當(dāng)高,可有效解決褐煤利用效率低的問題。DG 工藝主要由三個系統(tǒng)組成,分別是脈沖氣干燥預(yù)熱系統(tǒng)、熱煙氣發(fā)生系統(tǒng)、熱載體提升循環(huán)和混合熱解反應(yīng)系統(tǒng)。

        2.2 流化床熱解聯(lián)產(chǎn)工藝

        此工藝由浙江大學(xué)開發(fā),其典型特點是干餾得到的半焦和放熱后的循環(huán)灰一起進入循環(huán)流化床鍋爐,燃燒產(chǎn)生的過熱蒸汽用來供熱和發(fā)電。在氣化爐中干餾產(chǎn)生的煤氣經(jīng)過處理后輸出作為產(chǎn)品出售。工藝程如圖3-1所示。

        圖3-1 流化床熱解工藝流程圖

        2.3 MRF工藝

        此工藝由煤科總院北京煤化所研發(fā),適用于塊狀低階煤的干餾。選取的原煤粒度為6~30mm,首先采用外部加熱干餾原煤,干餾產(chǎn)生的半焦再轉(zhuǎn)入到增碳爐中進行提質(zhì),得到低揮發(fā)分的半焦。該工藝典型特點是產(chǎn)物容易分離,且能得到高質(zhì)量的煤氣、半焦。

        2.4 魯奇-魯爾煤氣法

        魯奇-魯爾煤氣法簡稱LR 工藝,由德國Lurgi 和Ruhrgas兩個公司聯(lián)合開發(fā),是一種主要用于高揮發(fā)分的低階煤制取多量焦油的固體熱載體法工藝。它的工藝流程主要包括熱載體收集槽、提升管、干餾反應(yīng)器和螺旋式的混合器所組成的循環(huán)系統(tǒng),核心設(shè)備是雙螺旋式混合器。該工藝與其他工藝相比,優(yōu)勢在于設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單,產(chǎn)油率較高且能耗很低。

        2.5 西方熱解法

        西方熱解法又稱作Garrett法,是Garrett公司開發(fā)。該工藝比較成熟,其特點是用干餾半焦作熱載體,快速干餾以防止焦油進行二次熱解,目的是提高焦油的產(chǎn)率。不過該工藝處理原煤量比較小,原因是原煤與半焦熱載體的充分熱接觸加劇了煤的微粉碎,從而使循環(huán)的半焦熱載體增多。

        2.6 二段加熱改質(zhì)工藝

        二段加熱改質(zhì)工藝是由日本日立公司和丸紅公司聯(lián)合開發(fā),原煤經(jīng)過干燥后先在250~450℃間進行輕度熱解,再進行冷卻,然后用熱解過程中產(chǎn)生的焦油進行涂敷,以減少煤表面的孔隙,大大改善了提質(zhì)煤的自燃性。實驗發(fā)現(xiàn)二段加熱改質(zhì)工藝使提質(zhì)煤的工藝性質(zhì)得到了明顯的改善。

        2.7 TOSCOAL法

        TOSCOAL法原先是為開發(fā)油頁巖資源而設(shè)計的,后來進行了改進,用于煤的干餾。與其他干餾工藝相比,TOSCOAL法的不同之處在于它使用的熱載體是陶瓷球,也是快速熱解以便得到液體產(chǎn)品焦油。但其明顯劣勢是煤在熱解過程中到達黏結(jié)性階段時會附著到陶瓷球上,使工藝能效降低。

        2.8 3TX(ETCh)-175工藝

        該工藝是由俄羅斯開發(fā)的固體熱載體粉煤干餾技術(shù),其工藝流程為:低階煤首先破碎,然后用煙道氣進行干燥脫出大部分的水分,干燥后的粉煤送入氣流式預(yù)熱器中預(yù)熱后與熱載體混合干餾,分離處理得到產(chǎn)品煤氣和焦油,生成的半焦由干餾室排出用于發(fā)電。

        3 結(jié)論

        褐煤低溫干餾工藝較多,比對其優(yōu)缺點發(fā)現(xiàn)選取何種工藝技術(shù),需要綜合考慮褐煤原料煤質(zhì)、目的產(chǎn)物產(chǎn)率、投資費用、工藝能耗和三廢排放等因素,褐煤低溫干餾工藝的優(yōu)化和選取需要綜合工藝的技術(shù)性和經(jīng)濟性。

        [1]李春柱.維多利亞褐煤科學(xué)進展[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

        [2]鄒繼軍.對褐煤綜合利用的幾點認識[J].科技信息,2009,(25):362.

        [3]賀永德.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

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