《煤化工工艺学》__煤的低温干馏

第二章煤的低温干馏§2-1概述一、定义及其分类1.煤干馏（炼焦、焦化，Carbonization）：煤在隔绝空气或者惰性气氛条件下受热分解生成煤气、焦油、粗苯、半焦或焦炭的过程，又称煤热解（Pyrolysis）或热分解（Thermaldecomposition）。2.分类：煤干馏（根据加热终温的不同）低温干馏：500~600oC中温干馏：700~900oC高温干馏：900~1100oC二、煤低温干馏的发展历程1.煤低温干馏始于19世纪初，当时主要用于制取灯油和蜡；2.19世纪末因电灯的发明，煤低温干馏趋于衰落；3.二战期间，德国用褐煤为原料利用低温干馏制备煤焦油，再高压加氢制取汽油和柴油；4.战后，大量石油的开采，低温干馏工业再次陷入停滞状态。三、煤低温干馏实质及其特点1.煤低温干馏仅是常压热加工过程，受热后煤的有机质随温度升高发生一系列变化，形成气态（煤气）、液态（焦油、粗苯）和固态（半焦或焦炭）。2.煤低温干馏实现了煤的部分气化和液化。3.与煤的气化和液化相比，其优点：工艺过程简单，加工条件温和，投资少，生产成本低，充分利用了煤分子中含氢的潜在优势。4.适于低温干馏加工的煤种：低阶煤（如褐煤、长焰煤和高挥发分的不黏煤等），这是因为：①低阶煤无黏结性，有利于在固定床或流化床干馏炉中处理。②最佳热解温度是随煤阶降低而降低的，低阶煤开始热解温度低。③低阶煤中挥发分含量较多，可得到较多的焦油和煤气。5.煤低温干馏产品：半焦、煤气、焦油§2-2低温干馏产品一、半焦1.半焦的性质①孔隙率/%：30~50；②反应性(于1050oC,CO2)/[mL/（g·s）]：比高温焦炭高；③比电阻/Ω·m：比高温焦炭高；注：煤的变质程度越低，其反应性和比电阻越高2.半焦的应用①做优质的民用和动力燃料；无烟、不生成焦油、反应性好、热效率高、有一定块度②铁合金的优良炭料；要求比电阻尽可能高③其他：冶金型焦中间产品、粉矿烧结、高炉炼铁的喷吹料二、煤焦油1.物理性质黑褐色液体，密度1g·cm-3，比高温焦油轻2.成分①酚类：35%②中性含氧化合物：20%~25%③芳烃：15%~25%④环烷烃：10%⑤沥青：10%⑥烷烃：2%~10%⑦烯烃：3%~5%⑧中性含氮化合物：2%~3%⑨有机碱：1%~2%二、煤焦油3.用途①发动机燃料，生产酚类和烃类。②提取的酚可以用于生产塑料、合成纤维和医药等产品。③褐煤焦油中含有大量蜡类，是生产表面活性剂和洗涤剂的原料。三、煤气1.性质密度/kg/m3：0.9~1.22.组成含有较多甲烷及其他烃类，因原料煤性质的不同有较大差异。§2-3干馏产品的影响因素一、原料煤1.产品产率①焦油：一般煤阶降低，焦油产率减少a)褐煤焦油产率介于：4.5%~23%；b)烟煤焦油产率介于：0.5%~20%；（从气煤到瘦煤随变质程度增加，焦油产率减少）c)腐泥煤焦油产率一般较高：可达40%。②煤气：一般煤阶降低，煤气产率减少（低温干馏温度为600oC时）a)泥炭煤气产率介于：16%~32%；b)褐煤煤气产率介于：6%~22%；c)烟煤煤气产率介于：6%~17%。③半焦：一般煤阶升高，半焦产率增加例如：9页表2-3，随煤阶升高，含碳量增加，半焦产率增加。一、原料煤2.产品成分①焦油成分a)酚类：煤阶升高，含O量下降，酚类含量降低；b)热解水：煤阶升高，含O量下降，热解水含量降低。②煤气成分氨和硫化氢含量与煤中氨和硫含量及形态有关；二、加热终温1.100~120oC水分脱出2.300oC析出挥发分、热解3.510~600oC低温干馏终温4.600oC半焦开始向焦炭转化（H2↑，CH4↓，半焦↓，焦油↓，煤气↑）三、加热速度1.快速低分子产物应当多，焦油产率高2.慢速固体残渣产率高3.提高煤的加热速度，可使产品产率发生如下变化：半焦↓，焦油↑，煤气略微↓四、压力1.提高压力，可使产品产率发生如下变化：半焦和气态产物↑，焦油↓，半焦强度↑§2-4低温干馏主要炉型一、干馏设备的要求效率高加热均匀操作方便、可靠过程易控原料煤类宽粒度尺寸范围大二次热解作用小二、干馏供热方式1.外热式（由炉墙外部传入热量）缺点：热导率小、加热不均匀、半焦质量不均、二次热解加深、焦油产率降低外热式供热示意图二、干馏供热方式2.内热式（借助热载体传热，载体和煤料直接接触）I.热载体包括：固体热载体（热半焦、热瓷球）和气体热载体（热烟气）II.优点：热效率高、耗能低、加热均匀、简化干馏炉结构I.缺点：煤料要求高（必须是块状，粒度范围窄）、气体载体稀释干馏气态产物。内热式供热示意图三、气流内热式炉1.沸腾床干馏炉（气流床/沸腾床）①原料：6mm粉煤；黏结性煤：气流吹入法加料不黏结性煤：螺旋给料器燃料气和空气燃烧②供热热烟气③产品煤粉满流管焦粉气体旋风分离器煤气气体冷却系统粉尘焦油、中油三、气流内热式炉2.鲁奇三段炉（固定床）①原料：褐煤块、型煤，20~80mm，非黏结性煤；②流程：（三段：干燥段、干馏段和冷却段）气流内热式炉干馏流程（另见框图）三段炉结构图§2-5立式炉生产城市煤气一、原料煤弱黏结性、一定块度75mm炉型：外热式立式炉1—干馏室；2—上部蓄热室；3—下部蓄热室；4—煤槽；5—焦炭槽；6—加热煤气管二、立式炉生产城市煤气流程§2-6固体热载体干馏工艺一、外热式及气流内热式的缺点1.外热式干馏传热慢，生产能力小2.气流内热式只能处理块状煤料，干馏气态产物混入惰性气体，降低了煤气的质量二、托斯考（Toscoal）工艺1.由美国油页岩公司（TheOilShaleCorporation）开发，基于Tosco-II油页岩干馏工艺发展而来。2.原料：非黏结性煤和弱黏结性煤（预先破黏）3.产品：煤气：热值高，符合中热值城市煤气需求焦油：加氢可转化为合成原油半焦：有一定挥发分，可作为发电厂原料或制成无烟燃料二、托斯考（Toscoal）工艺4.Toscoal法干馏非黏结性煤的工艺①流程（另见框图）②工艺特点及要求I.原料及产品：粒度12.7mm，瓷球粒度略大于此值，半焦6.3mmII.干燥预热：预热温度热解温度III.干馏温度：430~540oC430oC：焦油和煤气产率显著↓430~540oC：T↑，则焦油差率↑540oC：焦油产率↓（二次热解↑），半焦挥发分16%二、托斯考（Toscoal）工艺三、ETCH粉煤快速热解工艺1.ETCH-175工艺流程三、ETCH粉煤快速热解工艺2.工艺特点及要求①煤干燥阶段（110~150oC）和煤预热阶段（300~400oC）之前采用气体热载体②由热解开始到600~650oC采用固体热载体③固体热载体温度为800oC左右④原料：褐煤⑤产品：焦油中含有较多含氧化合物，其性质不稳定四、鲁奇鲁尔煤气工艺（LR工艺）1.原料：褐煤2.LR褐煤干馏流程五、中国褐煤干馏试验1.工艺特点及要求①原料：褐煤，粒度0~5mm②热载体：焦粉，温度700~750oC③热载体提升气：燃烧炉的热烟气④干馏温度范围：450~670oC⑤产品：半焦：灰分不高，热值高，反应性好，比电阻大五、中国褐煤干馏试验1.实验装置：包括原料煤处理、干馏、流化半焦提升、焦油煤气回收系统2.实验流程半焦煤气焦油本章结束中国煤炭分类褐煤（HM）、烟煤、无烟煤（WY）其中烟煤又分为长焰煤（CY）、不黏煤（BN）、弱黏煤（RN）、气煤（QM）、肥煤（FM）、焦煤（JM）、瘦煤（SM）、贫煤（PM）返回气流内热式炉干馏流程框图返回Toscoal法干馏非黏结性煤的工艺框图返回