馬金霞，牛鴻權(quán)，張晉豪，屈桂洋，侯玲梅

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719400）

近年來，隨著優(yōu)質(zhì)高階煤資源的不斷消耗和減少，低階煤資源的應(yīng)用變得越發(fā)重要，但低階煤硬度低、發(fā)熱量低、含水量大、揮發(fā)分高、燃燒性好、直接燃燒會排放大量的硫化物及粉塵，因此如何實(shí)現(xiàn)低階煤的高效轉(zhuǎn)化與清潔利用是重中之重。利用低溫干餾將低階煤轉(zhuǎn)化為蘭炭，同時生成焦油、煤氣，可實(shí)現(xiàn)低階煤向固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的高效轉(zhuǎn)化利用，提高低階煤的附加值，是實(shí)現(xiàn)低階煤高效利用的有效途徑。同時，在某些應(yīng)用中用蘭炭替代原煤，使煤炭更為清潔的轉(zhuǎn)化，是治理霧霾、降低污染、改善環(huán)境狀況的有效手段[1]。因此，蘭炭的高效轉(zhuǎn)化不僅是煤炭資源高效轉(zhuǎn)化利用的一部分，也是我國實(shí)現(xiàn)煤炭清潔轉(zhuǎn)化、防治污染、改善環(huán)境的重大舉措。本文介紹了4 種主要的蘭炭生產(chǎn)工藝技術(shù)，對比了這幾種工藝的特點(diǎn)，并對蘭炭的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了綜述。

1 蘭炭生產(chǎn)工藝

在隔絕空氣或惰性氣體條件下，低階煤在600 ℃～700 ℃的溫度下進(jìn)行熱解干餾產(chǎn)生的固體產(chǎn)品叫作蘭炭（又稱為半焦）。蘭炭具有高固定碳、高化學(xué)活性、高發(fā)熱量、低灰分、低硫和低揮發(fā)分等優(yōu)點(diǎn)，且其比表面積與孔隙率較大。蘭炭產(chǎn)品特性和灰分組成見表1。

表1 蘭炭產(chǎn)品特性和灰分組成 %

目前低溫干餾制備蘭炭的工藝主要有：大連理工大學(xué)褐煤半焦提質(zhì)煤工藝(DG 熱解工藝)、AOSTRA Taciuk Processor 熱解工藝(ATP 熱解工藝)、魯奇三段爐熱解工藝與SJ 低溫干餾熱解技術(shù)。這些熱解工藝對進(jìn)料煤粒徑都有要求。

1.1 DG 熱解工藝

DG 熱解工藝流程示意圖見圖1。該工藝由大連理工大學(xué)自主研發(fā)，主要分為煤干燥、煤干餾熱解、半焦冷卻、流化燃燒、煤氣脫硫凈化等部分[2]，以自產(chǎn)半焦作為固體熱載體，原煤（粒徑小于6 mm）在提升管中經(jīng)高溫?zé)煔飧稍?，通過分離器后進(jìn)入反應(yīng)器中，與高溫半焦進(jìn)行換熱，發(fā)生熱解反應(yīng)，產(chǎn)生半焦和氣態(tài)產(chǎn)物，一部分半焦通過再次加熱升溫并經(jīng)提升管進(jìn)入熱半焦罐，另一部分經(jīng)冷卻后得到蘭炭；氣態(tài)產(chǎn)物經(jīng)后續(xù)分離、冷卻、脫硫等得到焦油和煤氣。

圖1 DG 熱解工藝流程示意圖

1.2 ATP 熱解工藝

ATP 熱解工藝由UMATAC 工程有限責(zé)任公司開發(fā)，最開始是以頁巖灰作為固體熱載體，ATP 熱解工藝流程主要包括ATP 反應(yīng)器、原料處理系統(tǒng)、燃燒空氣和燃燒爐系統(tǒng)、煙道氣處理系統(tǒng)、預(yù)熱蒸氣系統(tǒng)和烴蒸氣回收系統(tǒng)。ATP 熱解工藝流程示意圖見圖2，其中ATP 熱解工藝的核心是ATP 反應(yīng)器，分為原料預(yù)熱區(qū)、反應(yīng)干餾區(qū)和冷卻區(qū)。原煤（粒徑不大于12 mm）進(jìn)入ATP 反應(yīng)器，與燃燒后的半焦以及高溫?zé)岽汕驌Q熱后發(fā)生熱解反應(yīng)，生成半焦、氣體和焦油，半焦從反應(yīng)器排出，氣體產(chǎn)物冷卻后經(jīng)油品處理器處理得到焦油，剩余氣相經(jīng)脫硫后續(xù)處理后得到煤氣[3]。

圖2 ATP 熱解工藝流程示意圖

1.3 魯奇三段爐熱解工藝

魯奇三段爐熱解工藝是一種直立式爐熱解工藝，其工藝流程示意圖見圖3。魯奇三段爐由干燥段、干餾段和冷卻段三部分組成。將備煤工段運(yùn)來的合格煤（粒徑在20 mm～80 mm）首先裝至煤槽內(nèi)，再進(jìn)入干燥段的爐內(nèi)，加入干燥段的塊煤向下移動，與送入爐內(nèi)的加熱煤氣逆向接觸，并逐漸升溫，煤氣再從頂部排出。煤下落至干餾段，通過煤氣燃燒向干餾段提供熱量，進(jìn)而發(fā)生煤熱解反應(yīng)，伴隨反應(yīng)產(chǎn)生半焦與粗煤氣，粗煤氣經(jīng)初冷器冷卻后氣液分離出焦油，再經(jīng)焦油捕捉器、冷卻器后得到煤氣，并在干燥段與干餾段作為氣體燃料進(jìn)行循環(huán)，冷卻器冷卻下來的液體經(jīng)分離器分離后得到焦油。干餾段生成的半焦因水分高，利用自產(chǎn)煤氣燃燒產(chǎn)生的熱來烘干后，進(jìn)入冷卻段冷卻再排出，進(jìn)一步可制得蘭炭[4]。

圖3 魯奇三段爐熱解工藝流程示意圖

1.4 SJ 低溫干餾熱解技術(shù)

SJ 低溫干餾技術(shù)是在魯奇三段爐的基礎(chǔ)上，經(jīng)神木市三江煤化工有限責(zé)任公司改進(jìn)研發(fā)的工藝技術(shù)[5]，該工藝主要以神木地區(qū)的塊狀煙煤為原料生產(chǎn)蘭炭，其工藝流程示意圖見圖4。和魯奇三段爐相似，SJ 低溫干餾爐也分為干燥段、干餾段和冷卻段三個部分，其中干餾段為干餾爐的主要部分。由備煤工段運(yùn)來的合格入爐煤通過儲煤斗進(jìn)入干餾爐并自上而下移動，干餾爐的上部為干燥段，塊煤在此段被加熱后進(jìn)入中部的干餾段，在此發(fā)生干餾產(chǎn)生蘭炭和煤氣。干餾后的煤氣先后經(jīng)文氏管塔、旋流板塔凈化冷卻后，一部分由鼓風(fēng)機(jī)送入干餾爐內(nèi)燃燒，對煤進(jìn)行加熱干餾，另一部分放散。文氏管塔和旋流板塔分離出的液相焦油經(jīng)沉降池脫水后由焦油泵送入焦油池，恒溫靜置后作為產(chǎn)品送出。沉降池分離出的氨水經(jīng)氨水噴灑泵送至文氏管塔和旋流板塔對煤氣進(jìn)行凈化冷卻。煤干餾固體產(chǎn)品蘭炭在干餾段下部通過冷卻段，經(jīng)排焦箱冷卻，被推焦機(jī)推入熄焦池內(nèi)，由刮板機(jī)刮出，出焦口設(shè)有烘干機(jī)烘干蘭炭。

圖4 SJ 低溫干餾工藝流程示意圖

對比這幾種工藝技術(shù)發(fā)現(xiàn)，DG 工藝的優(yōu)點(diǎn)是焦油收率高，且更為環(huán)保，廢水少，但該過程氣固分離較為復(fù)雜；ATP 工藝煙道氣經(jīng)過處理，環(huán)保性能提升，利用率高、經(jīng)濟(jì)效益好，缺點(diǎn)是設(shè)備龐大和復(fù)雜，不易維護(hù)；魯奇三段爐的工藝優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力強(qiáng)、碳轉(zhuǎn)化率高，易于大型工業(yè)化，但存在環(huán)保成本高的缺點(diǎn)；SJ熱解干餾工藝生產(chǎn)力強(qiáng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，更易操作維護(hù)，工業(yè)化推廣應(yīng)用比較成功。

2 蘭炭的應(yīng)用

蘭炭因固定碳含量高、化學(xué)活性好、熱值高、燃燒后的灰分低、揮發(fā)分低且孔隙結(jié)構(gòu)豐富等特點(diǎn)，已在多個行業(yè)得到應(yīng)用。目前，蘭炭的應(yīng)用市場主要包括電石、鋼鐵冶煉、化肥造氣、化工氣化、吸附劑、催化劑領(lǐng)域等，還可制備電極材料。

在電石領(lǐng)域，傳統(tǒng)的電石合成主要是依靠電熱法，但污染大和能耗高使得傳統(tǒng)以焦炭制備電石的方法面臨挑戰(zhàn)。已經(jīng)有一些學(xué)者研究用蘭炭替換焦炭制備電石，林金元[6]將一部分蘭炭加入焦炭里制備電石，發(fā)現(xiàn)加入蘭炭后更易于電石爐的穩(wěn)定以及增加產(chǎn)量、降低能耗；段賓等[7]通過將蘭炭粉與氧化鈣混合成型、經(jīng)預(yù)炭化及高溫處理后制得電石，該工藝流程簡單，生產(chǎn)成本低，所制電石質(zhì)量優(yōu)，造成的環(huán)境污染小，企業(yè)效益高，有利于蘭炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在化工氣化領(lǐng)域，蘭炭作為一種潔凈燃料，將其氣化生產(chǎn)出清潔的燃料氣，不僅能減少直接氣化煤所產(chǎn)廢水，還能降低對環(huán)境的污染。蘭炭與氣化劑（空氣與水蒸氣的混合物）在氣化爐中發(fā)生反應(yīng)，生成煤氣，再經(jīng)干燥、分離凈化得到合格煤氣；生成的煤氣能作為陶瓷用燃料氣，從而實(shí)現(xiàn)蘭炭作為燃料在陶瓷、玻璃、冶金、煅燒以及化工領(lǐng)域中的利用[8]。

在冶金領(lǐng)域，我國鋼鐵行業(yè)煉鐵多運(yùn)用高爐噴煤工藝，高爐噴吹燃料主要使用的是無煙煤與煙煤，隨著高爐噴吹技術(shù)不斷發(fā)展與成熟，對煤的消耗巨大，無煙煤資源日趨緊張。蘭炭具有固定碳含量高和熱值高的特性，將蘭炭與無煙煤混合作為高爐噴吹燃料，不僅能夠節(jié)省成本，而且能提高企業(yè)利潤[9]。

在吸附劑領(lǐng)域，蘭炭固定碳含量高，灰分、揮發(fā)分低，有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，符合作為吸附劑的條件。以蘭炭作為原材料制備活性炭吸附劑，用KOH 預(yù)處理后，再用水蒸氣活化，可制得超微孔活性炭[10]。

碳基材料是電極材料的重要組成部分，蘭炭具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，與其他物質(zhì)混合后可進(jìn)行改性、活化，進(jìn)而制得性能良好的電極材料。江行國等[11]以蘭炭末為原料，加入硼粉，在高溫環(huán)境中反應(yīng)，制備出的改性蘭炭粉末材料可用作鋰離子電池的負(fù)極材料，并表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。

此外，以蘭炭焦粉作為原料，進(jìn)行化學(xué)氧化、冷凍以及高溫處理后，制備出的半焦基類石墨烯材料既有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，又表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化性能[12]。

3 結(jié) 語

通過低溫干餾工藝生產(chǎn)蘭炭，可實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效轉(zhuǎn)化和清潔利用。目前主要制備蘭炭的干餾工藝有DG 熱解工藝、ATP 熱解工藝、魯奇三段爐工藝以及SJ 低溫干餾熱解技術(shù)，各種工藝各具優(yōu)缺點(diǎn)。蘭炭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其在冶金、造氣、電石、吸附劑、電極材料、半焦基類石墨烯材料等領(lǐng)域得到應(yīng)用，為后期蘭炭新工藝技術(shù)的發(fā)展以及蘭炭新型應(yīng)用的開發(fā)提供參考依據(jù)。