煤炭分质利用进展

1产业技术现状及进展1.1技术概况煤炭分级分质综合利用产业是煤炭深加种产业中的重要内容，也是哈密地区重点发展的产业方向，其核心技术为煤的低温热解。煤热解工艺方法和类型很多，按加热方式分有外热式、内热式和内外热结合式；按煤料的形态分有块煤、型煤与粉煤三种；按供热介质不同又有气体热载体和固体热载体二种；按煤的运动状态又分为固定床、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。（1）Lurgi-Ruhrgas低温热解工艺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工艺流程简图见图8.1-2。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:①产油率高；②能耗较低；③设备结构较简单。图8.1-1Lurgi-Ruhrgas流程简图图8.1-2德国Lurqi-Spuelgas流程简图（2）Lurqi－Spuelgas低温热解工艺（又称鲁奇三段炉工艺）德国LurqiGmbH公司开发的Lurgi-Spuelgas低温热解工艺法是工业上已采用的典型内热式气体热载体工艺。其工艺是：低阶煤或由褐煤压制成的型煤（约25～60mm）由上至下移动，与燃烧气逆流直接接触受热。当炉顶进料水分约15％时，在干燥段可脱除至1.0％以下，逆流而上约250℃的热气体则冷至80℃～100℃，干燥后原料在干馏段被600℃～700℃不含氧的燃烧气加热至约500℃，发生热分解，热气体冷至约250℃，生成的半焦进入冷却段被冷气体冷却，半焦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。（3）美国LFC工艺LFC热解提质工艺由美国SGI公司1987年研发（随后壳牌矿业公司（SMC）加入共同研发），现为MR&E,Ltd.公司拥有。LFC热解提质工艺是以低阶煤提质为目的，生产液体燃料和固体燃料。LFC热解提质工艺见图4。本工艺采用怀俄明州的怀俄达克次烟煤为原料，将煤筛分成3-50mm，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540℃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。这种半焦易产生粉尘，而且易吸附水分。为此，SMC公司开发MK添加剂，可以防止粉尘飞扬和吸附水分。CDL贮存CDL贮存电除尘风机热解燃烧器空气成品至PDF贮存干燥燃烧器烟囱烟气脱硫风机旋风除尘器冷却器钝化淬冷气化器干燥器旋风除尘器筛分原煤至卡车和铁路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。该示范厂得到了美国能源部清洁煤技术示范项目的支持，采用波德河煤田生产的次烟煤，处理能力1000t/d。该工艺固体产品PDF（即半焦）发热量比原煤提高50%，所得半焦燃烧稳定性好，且没有自然发火的问题。采用MK粉尘抑制剂，有效地抑制了微粉尘的量，添加半焦质量的0.2%，可以使微粉尘的量降低到10%以下。该工艺还得到液态产品称为CDL（也就是煤焦油）该工艺以低阶煤提质为目的，CDL（煤焦油）产率并不高。工厂通过近5年的运行，对LFC热解提质工艺进行了完善，成功生产出新燃料产品，完成了燃烧应用。2006年开始与中国大唐华银发电股份有限公司合作。采用该工艺的项目有：大唐华银东乌褐煤干燥示范装置项目。年处理褐煤30万吨，已备案，总投资3.44亿元。图8.1-3LFC工艺流程示意图图8.1-4美国Toscoal热解工艺流程（4）Toscoal煤低温热解技术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，于1970年至1976年间在25t/d的中试厂先后对次烟煤、粘结性烟煤进行了试验。主要流程：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。（5）澳大利亚流化床快速热解工艺澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)自上世纪70年代开始研究开发了流化床快速热解工艺，见图6。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0.5s），离开反应器的气体通过温度约350℃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80℃的电捕焦油器，分离出焦油并收集。我国中科院过程所研发的喷动-载流床工艺与之类似。图8.1-5澳大利亚流化床快速热解装置图8.1-63TX(ETCH)-175工艺（6）俄罗斯3TX(ETCH)-175工艺3TX(ETCH)-175工艺是由俄罗斯开发的固体热载体粉煤干馏技术。建有处理能力为4t/h和6t/h煤的中试装置。4t/h的中试装置建在加里宁。在中试装置上进行了多灰、多硫煤、褐煤及泥煤试验。在克拉斯诺雅尔建成了每小时处理175t煤的3TX-175(即ETCH-175)工业化装置。褐煤经破碎后，用烟道气干燥。干燥粉煤再在气流式预热器中预热。预热的粉煤与固体热载体相混合，达到干馏温度进行干馏。热解室中析出的油、煤气经除尘后冷凝分离，得到焦油、轻质油和煤气。装置系统中生成的多余的半焦从热解室排出，回收热量后作为电站燃料。装置能量（考虑电、蒸汽及产品净化能耗)效率为83-87%。干馏产品也用于其他方面，0-0.05mm的半焦细粉(代替工业炭黑作为橡胶制品及热塑性塑料的填充剂)；0.05-0.25mm的炭粉，热值27.24MJ/kg，作为电站、高炉和其他炉子燃料，试验结果表明，用此燃料每吨生铁消耗的冶金焦可以降低20kg或更多；大于0.25mm的细粒半焦，用来净化电站和其他工厂的含油废水，以代替昂贵的吸附剂，试验表明，这种半焦在上述废水处理中是一种良好的吸附剂。煤气热值为20.95MJ/m3，作为能源、家用和化学原料。焦油分离得到燃料油(汽油、柴油)、筑路沥青、浸渍油、酚及同系物（包括酚、甲酚、二甲苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、萘酚）、吡啶碱，还有一些芳香族碳氢化合物及其他物质。（7）中国多段回转炉工艺多段回转炉工艺是中国煤炭科学研究总院北京煤化所开发的低变质煤热解工艺，该工艺分类特征是低(中)温热解—中速加热—外热式—隔绝空气—常压。多段回转炉工艺对原料煤的适宜粒度要求是6-30mm。热解加热炉既可使用固体燃料，又可使用气体燃料，或二者同时燃用。当使用低热值煤气加热时，发热量较高的热解煤气经净化后可外供作民用或工业燃气。由于煤在热解前干燥并脱除了大部分水分，大大减少了酚水量，少量的酚水与净水掺合后作为熄灭半焦用水，从而使耗资较大的废水处理系统大为简化。多段回转炉热解工艺规模为60t/d，达到工业试验规模。煤料在热解炉中最终热解温度约为750℃时，半焦产率为湿原料煤的42.3%，是干热解煤(送入热解炉的干煤)的69.3%，产油率为干热解煤的2.5%，约为该煤葛—金焦油产率的44%。该工艺的主要目标是制备优质半焦。多段回转炉工艺是中国煤炭科学研究总院北京煤化工分院开发的低变质煤热解工艺。其流程（图8）是将粒度为6～30mm的褐煤在回转干燥器中干燥后进入外热式回转热解炉中低温热解，所得半焦在冷却回转炉中用水冷却熄焦后得到提质半焦产品，由热解炉排出的热解气体进一步处理利用。图8.1-7中国多段回转炉热解工艺流程图8.1-8DG煤固体热载体流程（8）中国的DG工艺中国的DG工艺（也称煤固体热载体法快速热解技术）是由大连理工大学开发。DG工艺是将煤通过与热的载体（热解后的热焦）快速混合加热使煤热解（干6mm0-50mm图18平庄褐煤大工新法干馏技术工业试验工艺流程简图煤气鼓风机；烟气引风机；煤气间冷器；机除焦油器；脱硫箱；空气鼓风机；焦渣分离槽；气液分离器；洗气管；旋风分离器；反应器；加热提升管；热半焦贮槽；流化燃烧炉；混合器；干煤贮槽；干燥提升管；原料煤贮槽；烟气半焦粉灰渣空气焦油煤气原料馏）得到低温焦油、煤气和半焦的技术。DG工艺应用于褐煤的低温干馏过程称为大工法褐煤热解提质技术。图9为日处理150吨平庄褐煤固体热载体干馏新技术工业试验工艺流程图。包括脉冲气流干燥预热、热烟气发生系统、热载体提升循环和混合热解。DG工艺特点：1）油收率高。油收率达到铝甑干馏含油率值的75%-90%，油收率高是快速热解的特点；2）原料利用率高，可达100%。理论上，煤都可以处理成的粉粒原料；与使用块煤的工艺比较，直接使用粉粒状原料煤，成本降低；3）可有效处理易热粉碎原料，对处理易碎的褐煤尤其有利；4）可与多个过程实现多联产。可以与煤发电配套，可以与煤焦油加氢配套，也可以与煤气化配套等；5）油质量好，凝点低、粘度低，有利于深加工；6）半焦发热量高；与原煤相比，单位热量半焦的硫含量降低20%-40%，有利于节能减排；褐煤半焦可制成水煤浆,可用于水煤浆气化。7）产品煤气热值高；可用于转化制氢或合成气；8）生产过程耗水量少；废水量少，SO2和NOx排放量少。（9）中国的BT工艺煤炭的BT工艺（拔头工艺）是在煤炭发电燃烧之前经过快速热解、快速分离和快速冷却，提取出焦油和煤气，剩余固体产品（半焦）发电。该工艺属于煤电化多联产工艺。中科院过程研究所开发了“煤拔头——煤炭综合利用新工艺”，完成了小试，取得了技术路线、工艺特点、关键技术和工艺参数实验室阶段的研究成果。该工艺由下行床与循环流化床的耦合实现。煤粉从下行床的顶部加入，与来自提升管的循环热会强烈混合升温，在常压、较低温度（550-700℃）、无氢气、无催化剂的条件下，实现快速热解。生成的气相产品在下行管的底部通过快速分离器分离后，进入急冷器进行快速冷却，最终得到液体产品。煤拔头技术的工艺特点是：条件温和，工艺简单，在常压与中温条件下从煤中提取煤焦油；系统集成，使目前国际循环流化床的快速床与下行床有机结合应用在一起；能够最优地转化提取煤中有效组分，实现高价值产品的加工。关键技术体现在快速热解、快速分离与快速冷却三方面，提高热解温度、加热速率，降低停留时间，实现液体产品的轻质化与气固快速分离。中科院过程研究所在完成8kg/h实验室实验基础上，与哈尔滨工业大学能源科学与工程学院进行中试合作，在设备制造方面与哈尔滨红光锅炉集团进行合作进行35t/h循环流化床配套“煤拔头——煤炭综合利用新工艺”开发。此外浙江大学、中科院山西煤化所等，也开展了研究类似的工艺开发，取得了中间试验或工业试验的成功。图8.1-9BT工艺流程图8.1-10西煤化所煤热解多联产工艺流程（10）中国神华模块化固体热载体热解工艺神华煤制油化工研究院正在开发的低阶煤热解工艺。将褐煤