煤干馏设计

第一章煤干馏概述
第一节煤干馏的目的及方法
煤干馏，是煤化工的重要过程之一。

指煤在隔绝空气条件下加热、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程。

按加热终温的不同,可分为三种：900～1100℃为高温干馏，即焦化；700～900℃为中温干馏；500～600℃为低温干馏（见煤低温干馏）。

煤干馏过程主要经历如下变化：当煤料的温度高于100℃时，煤中的水分蒸发出；温度升高到200℃以上时，煤中结合水释出；高达350℃以上时,粘结性煤开始软化，并进一步形成粘稠的胶质体（泥煤、褐煤等不发生此现象）；至400～500℃大部分煤气和焦油析出，称一次热分解产物；在450～550℃，热分解继续进行，残留物逐渐变稠并固化形成半焦；高于550℃，半焦继续分解,析出余下的挥发物（主要成分是氢气），半焦失重同时进行收缩，形成裂纹；温度高于800℃,半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。

当干馏在室式干馏炉内进行时，一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接触，发生二次热分解，形成二次热分解产物（焦炉煤气和其他炼焦化学产品）。

煤干馏的产物是煤炭、煤焦油和煤气。

低温干馏，煤干馏方法之一，指采用较低的加热终温（500～600℃）,使煤在隔绝空气条件下，受热分解生成半焦、低温煤焦油（见煤焦油）、煤气和干馏水过程。

低温干馏的设备称为低温干馏炉。

与高温干馏（即焦化）相比，低温干馏的焦油产率较高而煤气产率较低。

一般半焦为50％～70％，低温煤焦油8％～25％，煤气80～100m3/t（原料煤）。

低温干馏的方法，按加热方式可分为外热式、内热式及内热外热混合式。

在热载法中按加热介质的不同而有固体热载体法和气体热载体法两种。

分别介绍如下：
内热式气体热载体法鲁奇－斯皮尔盖斯低温干馏法是工业上已采用的典型方法。

此法采用气体热载体内热式垂直连续炉，在中国俗称三段炉，即从上而
下包括干燥段、干馏段和冷却段三部
分（图1）。

褐煤或由褐煤压制成的
型块（约25～60mm）由上而下移动，
与燃烧气逆流直接接触受热。

炉顶原
料的含水量约15％时，在干燥段脱除
水分至 1.0％以下，逆流而上的约
250℃热气体冷至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，得到焦油和干馏水。

德国、美国、
苏联、捷克斯洛伐克、新西兰和日本
都曾建有此类炉型。

中国东北也曾建此种
炉。

60年代初，在中国曾采用的气燃式炉
也属此类型，后因大量廉价天然石油的开
采而停产。

内热式固体热载体法鲁奇－鲁尔
盖斯低温干馏法（简称L－R法）是固体热
载体内热式的典型方法。

原料为褐煤、非
粘结性煤、弱粘结性煤以及油页岩。

20世
纪50年代，在联邦德国多尔斯滕建有一套
处理能力为10t/h煤的中间试验装置,使
用的热载体是固体颗粒（小瓷球、砂子或
半焦）。

由于过程产品气体不含废气，因
此后处理系统的设备尺寸较小,煤气热值?????
较高,可达20.5～40.6MJ/m3。

此法由于温
差大，颗粒小,传热极快，因此具有很大的处理能力。

所得液体产品较多、加工高挥发分煤时，产率可达30％。

L-R法工艺流程（图2）是首先将初步预热的小块原料煤，同来自分离器的热半焦在混合器内混合，发生热分解作用。

然后落入缓冲器内，停留一定时间，完成热分解。

从缓冲器出来的半焦进入提升管底部，由热空气提送，同时在提升管中烧去其中的残碳，使温度升高，然后进入分离器内进行气固分离。

半焦再返回混合器，如此循环。

从混合器逸出的挥发物，经除尘、冷凝和冷却、回收油类,得到热值较高的煤气。

煤干馏产物的产率和组成取决于原料煤质、炉结构和加工条件（主要是温度和时间）。

随着干馏终温的不同，煤干馏产品也不同。

低温干馏固体产物为结构疏松的黑色半焦，煤气产率低，焦油产率高；高温干馏固体产物则为结构致密的银灰色焦炭，煤气产率高而焦油产率低。

中温干馏产物的收率，则介于低温干馏和高温干馏之间。

煤干馏过程中生成的煤气主要成分为氢气和甲烷，可作为燃料或化工原料。

高温干馏主要用于生产冶金焦炭，所得的焦油为芳烃、杂环化合物的混合物，是工业上获得芳烃的重要来源；低温干馏煤焦油比高温焦油含有较多烷烃，是人造石油重要来源之一。

2008年中国的煤化工产业继续有序发展，煤化工产业发展政策逐步完善，煤基甲醇和煤基二甲醚的试点应用取得可喜进展，产能得到进一步释放，新型煤化工产品逐渐走向市场，并被市场接受。

随着金融危机影响的加剧，中国煤化工产业面临成本压力，行业发展趋缓。

由于国家政策总体上仍支持煤化工发展，节能减排已是大势所趋，故中国煤化工产业虽短期受困但前景仍十分可观。

新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工的产品为主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油气、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲醚）等，它与能源、化工技术结合，可形成煤炭——能源化工一体化的新兴产业。

煤炭能源化工产业将在中国能源的可持续利用中扮演重要的角色，是今后20年的重要发展方向，这对于中国减轻燃煤造成的环境污染、降低中国对进口石油的依赖均有着重大意义。

可以说，煤化工行业在中国面临着新的市场需求和发展机遇。

第二节三段煤干馏炉的组成和特征
干馏炉是低温干馏生产工艺中的主要设备，它应保证过程效率高，操作方便可靠。

其中主要要求干馏物料加热均匀，干馏过程易控制，可用的原料煤类别宽，原料煤粒尺寸范围大，导出的挥发物二次热解作用小等。

干馏炉的供热方式可分为外热式和内热式。

我设计的是气流内热式炉的一种炉型鲁奇三段炉，下面先介绍气流内热式炉：
气流内热式炉简介
内热式炉借助热载体把热量传递给煤料, 气体热载体直接进入干馏室, 穿过块粒状干馏料层, 把热量传递给料层。

气体热载体一般是燃料煤气燃烧的烟气。

内热式低温干馏与外热式相比, 有以下优点: 热载体向煤料直接传热, 热效率高, 低温干馏耗热量低; 所有装入料在干馏不同阶段加热均匀, 消除了部分料块过热现象; 内热式炉没有加热的燃烧室或火道, 简化了干馏炉结构, 没有复杂的加热调节设备。

气流内热式炉的主要缺点如下: 装入煤料必须是块状的, 并且希望粒度范围窄, 粒度为20mm~80mm 较为适合; 气体热载体稀释了干馏气态产物, 降低了其热值和品质, 使干馏煤气的应用受到限制。

同时由于容积增大, 增加了处理设备的容积和输送动力。

鲁奇三段炉是这种炉型的一种
鲁奇三段炉简介
图 1 是鲁奇三段炉的示意图, 它是一种技术成熟的气流内热式低温干馏炉型。

煤在竖式炉中下行, 热气逆向通入进行加热。

煤在炉上部向下部移动的过程中可分成三段: 首先是干燥段4; 其次是干馏段6; 最后是焦炭冷却段7, 故名鲁奇三段炉。

最上段, 循环热气流把煤干燥并预热到150℃ ; 中段, 热气流把煤气加热到500℃ ~800℃ ; 在下段, 焦炭被冷循环气流冷却到100℃~150℃, 最后排出。

排焦机构控制炉子的生产能力。

上部循环气流温度保持在280℃。

循环气和干馏煤气混合物由干馏段出口煤气管15 引出, 其中, 液态产物在后续冷凝冷却系统中分出。

大部分的净化煤气通过回炉煤气管16 送到干燥段燃烧炉12 和干馏段燃烧炉14, 有一部分直接送入焦炭冷却段。

一台处理褐煤型煤300t/d~500t/d 的鲁奇三段炉, 可得型焦150t/d~250t/d; 焦油10t/d~60t/d; 剩余煤气180m3/t~220m3/t 煤。

对含水质量分数5%~15%褐煤的耗热量为1 050kJ/kg~1 600kJ/kg。

鲁奇三段炉的主要操作参数如下: 干馏段混合气入口温度750℃; 干馏段气体出口温度240℃; 干燥段混合气体入口温度300℃; 干燥段排气温度70℃。

以鲁奇三段炉为基础炉型的冷却段改进措施
对于用焦炉荒煤气作为气体热载体实现低温干馏来说, 上述的两种炉型都无法不加任何改造直接应用。

由于鲁奇三段炉的干燥段和干馏段分别加热, 结构合理, 不但可以利用更多的焦化厂废热, 而且可以保证化工产品不流失, 因此, 以鲁奇三段炉为基础提出相应的改造即可。

为了保证冷却焦炭用煤气不对入炉热焦炉煤气的温度产生太大的影响, 这部分煤气要单独抽出, 就要求干馏段和焦炭冷却段也相对隔离。

其冷却段的结构可以参考和借鉴槽式干熄焦工艺流程中的干熄焦装置[1]。

以鲁奇三段炉为基础改造的适用于焦炉煤气加热原煤的低温内热式炉的示意图见图2。

焦炭冷却段采用图 2 中的型式后, 底部通入净化后的冷煤气, 冷煤气逐渐上行, 被下行的焦炭加热, 通过冷却室后被抽出。

冷却煤气经除尘净化后即可直接使用。

通过控制冷却煤气的温度和流量, 使焦炭冷却后温度降到200℃左右再排出。

这样, 即使有少量冷却煤气继续上行掺混入焦炉荒煤气中, 由于其量少,并在上行过程中被预存室的热焦炭加热到较高的温度, 也不会对荒煤气的温度产生太大的影响。

焦炭预存室的设置又相当于一个巨大的热容器, 能起到一定的稳定干馏终温的作用, 可以适当弥补焦炉煤气出炉温度易波动的不足。