煤炭低温干馏技术研究进展

煤炭低温干馏技术的研究进展
翟裕
西北大学化工学院 10069
摘要：概述了煤炭低温干馏技术的现状以及目前国内的应用情况，对迄今开发的主要工艺——西方热解(Garrett)法、TOSCOAL法和鲁奇一鲁尔煤气法的开发经过和其主要特点进行了介绍，并对国内煤低温干馏研究进展进行了详述，包括大连理工大学褐煤固体热载体新法干馏工艺，浙江大学热电气焦油多联产技术，气体热载体低温干馏技术等
关键词：煤低温干馏；热解；半焦；兰炭
煤炭低温干馏始于19世纪，当时主要用于制取灯油和蜡。

19世纪末因电灯的发明，煤低温干馏趋于衰落。

第二次世界大战前夕及大战期问，纳粹德国基于战争目的，建立了大型低温干馏厂，以褐煤为原料生产低温干馏煤焦油，再高压加氢制取汽油和柴油。

战后，由于大量廉价石油的开采，低温干馏工业再次陷于停滞状态。

煤低温干馏在隔绝窄气条件下，受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦炭的过程，称为煤干馏(也称焦化或热解)。

按加热终温的不同，可分为3种：500～600℃为低温干馏；700～900℃为中温干馏；900—1100℃为高温干馏⋯。

煤的干馏技术除了按干馏温度分类以外，还有其他多种分类方法：按照气氛可分为惰性气氛热解(不加催化剂)，加氢热解和催化加氢热解；按加热速度可分为慢速热解、中速热解、快速热解和闪裂解；按加热方式可分为外热式、内热式和内外并热式热解；按热载体的类型可分为固体热载体、气体热载体和气一固热载体热解；按同体物料的运行状态可分为固定床、流化床和气流床；按反应器操作压力可分为常压和加压等。

煤热解工艺的选择取决于对产品的要求，并综合考虑煤质特点、设备制造、工艺控制水平及最终的经济效益等。

到目前为止，国内外研究开发出多种各具特色的煤干馏技术，有的处于试验室研究阶段，有的进入中试阶段，也有的达到了工业化阶段。

1.国外主要煤低温干馏技术
1．1外热式炉
外热式炉(如考伯斯炉)是指供给
煤料的热量是由炉墙外部传人的。

煤料装在干馏室内，热量通过炉墙导人，炉墙外部燃烧加热【1-2】。

其主要优点是干馏室与燃烧室不相通，干馏挥发产物不被稀释，干馏煤气热值较高。

但外热式炉也有其严重缺点，即由于原煤导热系数小，煤料加热不均匀，导致半焦质量不均匀，焦油产率低。

1．2 内热式炉
内热式炉(如鲁奇三段炉)借助热
载体把热量传给原煤，热载体直接进入干馏室，穿过块状干馏料层，把热量传给料层。

热载体可以是气体，如烟气，也可以是固体，如用热半焦或其他物料。

热载体与原煤在干馏系统相混合，热载体把煤料加热进行干馏。

与外热式炉相比，内热式炉的优点包括热效率高、干馏耗热量低；煤料加热均匀，消除了部分料块过热现象；内热式炉结构简单等。

其不足之处在于：必须使用块状原煤(15～80 mm)；干馏煤气热值低；不适合处理粘结性较高的煤等【1-2】。

1．3 固体热载体低温干馏技术
(1)西方热解(Garret)法
该工艺本来是由Garrett研究与开
发公司独自开发的，所以称为Garrett 法。

但是后来，西方石油公司又共同对原工艺进行了改进和发展。

该工艺的特点是，用半焦做热载体，用气流床使煤在短时间内进行快速热解，防止焦油的二次分解以提高其收率。

将粉碎至200目以下的煤与高温半焦一起进入反应炉内，约在ls内快速升到约280 其反应压力最高达344 kPa。

由于在炉内的停留时间很短，不到2s，因此，可以抑制焦油的二次分解。

非凝集性的煤气，将煤送入炉内，循环使用。

见图I。

旋流器捕集的部分半焦与燃烧煤气热交换后，在很短的时阀内被加热。

因此，该过程可以最大限度地抑制CO 的生成。

这有利于降低热损失和实现过程的热平衡。

本工艺的特点是:①短时间的快速加热，防止焦油的二次分解，提高了焦油的收率，②部分半焦做热载体，并在气流床下进行循环。

该工艺取决于煤的种类，但生成的焦油和粉尘半焦会附着在旋风器和管路的内壁。

另外，由于循环的半焦和入料煤间的接触，以及充分进行的热交换会加剧煤的微粉碎，增加了循环的半焦量，使系统煤的处理能力无法增加太多【2】。

(2)Toscoal工艺
Toscoal工艺是美国油页岩公司开发的技术，是基于Tosco—II油页岩干馏工艺发展起来的煤低温干馏方法。

粉碎好的干燥煤在预热提升管内，用来自瓷球加热器的热烟气加热。

预热的煤加入干馏转炉中，在此煤和热瓷球混合，煤被加热至约500℃，进行低温干馏。

瓷球在加热器中被加热。

低温干馏产生的粗煤气和半焦在同转筛中分离，热半焦去冷却器。

瓷球经提升器到加热器循环使用。

焦油蒸汽和煤气在分离系统中冷凝分离，分成焦油产品和煤气，煤气净化后出售或作为瓷球加热用燃料【2】。

该工艺的特点是：用陶瓷球做热载体，将煤粉快速加热干馏以得到焦油。

由于瓷球经常被加热到500℃左右进行循环，因此，其热容量和磨损性上存在题。

此外，如煤加热成粘结性的状态时会附着在瓷球上，所以，对于膨胀序数为3．0～4．5的煤，要通过氧化处理，使其降到1．O～1．5后再用。

（3）鲁奇鲁尔煤气工艺
该工艺是用热半焦作为热载体由高挥发分(35～46 )的低煤化度煤制取多量焦油为目的，由鲁奇一鲁尔煤气公司所开发。

该工艺可用粘结性煤为原料，但是，易发生后述的焦油的附着和凝集，因此，最好使用非粘结煤和弱粘结性煤的煤干馏方法。

此工艺于1963年在前南斯拉夫建有生产装置，单元系列生产能力为800 t／d，建有2个系列厂，生产能力为1600 t／d。

产品半焦作为炼焦配煤原料。

煤经四个平行排列的螺旋给料器，再通过导管进入干馏槽。

导管中通入冷的干馏煤气使煤料流动，煤从导管呈喷射状进入干馏槽，与来自集合槽的热半焦相混合，进行干馏过程。

空气在进入提升管前先预热到390 oC，与煤气、油或部分地与半焦燃烧，使半焦达到热载体需要的温度【1】
2.国内煤低温技术开发应用现状
作为一种区域性的产业模式，近十几年来，受一定的市场需求推动，在中国陕北、内蒙等地区建设了一大批煤炭低温干馏厂(当地称兰炭厂)，总生产能力3500～4000万t，其中陕西榆林地区约2000万t，年产半焦约1200万t。

半焦生产主要采用内热式方形干馏炉。

由于其设备规模小、焦油但收率低、环境污染严重，不符合国家有关节能降耗、保护环境以及发展循环经济的政策要求，属于逐步关停和淘汰的范围【3】。

目前，国内有许多企业、高校以及科研院所正致力于低温干馏技术升级及创新研究工作，现将部分技术研究进展情况介绍如下。

2．1 内热式方形干馏炉的技术升级2006年陕西神木县三江煤化工有
限责任公司与西安交通大学、西安建筑科技大学合作，共同承担了陕西省重大科技专项——《洁净兰炭生产与资源综合利用成套设备及装备开发示范项目》。

设计规模为年产半焦60万t，煤焦油7万t，干馏煤气5．94亿m3，并预留干馏煤气发电机组。

设计采用改进的sJ 低温干馏方形炉，单炉年生产半焦5万t。

一期30万t已于2007年6月初建成投产口。

目前已通过省级鉴定验收，并获得多项专利，技术水平达到国内领先，国际先进，对现有兰炭装置的升级换代意义重大。

SJ低温干馏方炉是神木县三江煤化工有限责任公司在鲁奇三段炉
的基础上，总结了当地内式直立方炉的生产实践经验，吸收了国内外有关炉型的长处，并根据当地煤质特点而研发出的一种新型炉型。

该炉型具有物料下降均匀、布料均匀、布气均匀、加热均匀等特点，增大了焦炉的有效容积，提高了焦炉的生产能力。

另外，装置实现了焦油废水的环保处理及煤气的
资源化利用，解决了现有装置的煤气放空和焦油废水的环境污染问题。

除此之外，当地许多企业同相关科研院所进行合作，不断对现有落后的兰炭装置进行技术升级和改造，以期满足兰炭装置规模及环保要求。

2．2 固体热载体低温干馏技术
(1)大连理工大学褐煤固体热载体新法干馏工艺
大连理工大学郭树才等人开发的
固体热载体干馏新技术主要实验装置
有混合器、反应槽、流化燃烧提升管、集合槽和焦油冷凝回收系统等。

原料煤粉碎干燥后加入原料槽。

干馏产生的半焦为热载体，存于集合槽，煤和半焦按一定的焦煤比分别经给料器进入混合器。

由于混合迅速而均匀，物料粒度小，高温的半焦将热量传给原料粒子，加热速度很快，煤即发生快速热分解。

由于煤粒热解产生的挥发物引出很快，二次
热解作用较轻，故新法干馏煤焦油产率较高。

经混合器混匀的物料进入反应槽，在此完成干馏过程，析出干馏气态产物，即挥发产物。

反应槽固态产物半焦经给料器进入燃烧器。

半焦或加入的燃料与预热的空气进行燃烧，使半焦达到热载体规定的温度，在提升管中被提升到一级旋风分离器，半焦与烟气分离。

热半焦自一级旋风分离器人集合槽，作为热载体循环。

多余的半焦经排料槽作为干馏产物外送。

烟气在二级旋风分离器除尘后外排。

干馏气态产物自反应槽导出后，经过除尘器、空冷器和水冷器析出焦油和水。

煤气经干燥脱去水分，在－30℃左右条件下进行冷冻，回收煤气中的汽油。

净煤气经抽气机及计量后送出。

(2)浙江大学热电气焦油多联产术
浙江大学热电气焦油多联产技术是将循环流化床锅炉和流化床干馏煤气发生炉紧密结合，实现在一套系统中焦油、煤气、热力、制冷和电力的联合生产。

干馏炉用循环煤气作流化剂，运行温度为650—750℃。

原煤经给料机给入干馏炉，原煤受热裂解，析出于馏煤气，干馏热源为燃烧炉的高温炉煤炭渣。

半焦送入燃烧炉燃烧，空气鼓风，运行温度为850—900℃，燃烧炉产生的蒸汽可供汽轮机发电、供热以及制冷。

干馏煤气经冷却、净化系统回收煤。

焦油，煤焦油进一步深加工成为油品，净煤气输出供民用或合成化工产品。

浙江大学在淮南矿业集团建设的12 MW循环流化床热电气焦油多联产工程已于2008年成功示范。

在此基础上，其承担的其他多联产工程还包括：淮南矿业集团135 MW循环流化床热电气油多联产工程、云南小龙潭300 MW循环流化床热电气油多联产工程以及开滦矿业集团270 t热电气油多联产工程等。

2．3 气体热载体低温干馏技术
陕西华祥能源科技集团有限公司开发的流化床粉煤气同热解技术，是将其控股公司陕西秦能天脊科技有限公司、陕西秦晋煤气化科技有限公司开发成功并已进行市场推广的灰融聚流化床粉煤气化技术(CAGG)与快速流化床技术(HSB)相耦合，以气化煤气作为气体热载体，对0～8 mm的低变质粉煤进行低温干馏，回收煤气和焦油。

干馏后的半焦作为灰融聚流化床气化的原料，半焦气化后产生的煤气进入快速流化床以及提升管，对原料粉煤进行低温干馏，产生的热解气和气化煤气一起进入后续系统，并对煤焦油进行回收，净化煤气可作为合成气或燃料气，从而实现了对低变质粉煤的清洁、高效利用，其工艺流程简图如图所示。

该技术已完成工艺包的编制工作，工程示范单位及项目资金已落实，即将进入工程设计和建设阶段【4】。

除以上所述技术外，国内还有许多高校、科研院所也在积极研究开发新的煤低温干馏(多联产)技术，如中科院过程工程研究所正在开发的下行床热解拔头工艺技术、中科院山西煤化所正在开发的循环流化床锅炉燃烧一热解多联供技术以及西安科技大学的低变质煤热解活化耦合多联产新技术等。

以上技术大都处在实验室或中试研究阶段，有的已进入到工程示范阶段，相信在不久的将来会进入到产业化推广阶段。

结语：
结合中国能源开发和利用现状，开发推广符合国情的低温煤千馏技术，是中国贮量巨大的低变质煤清洁、高效、环保利用的有效途径。

国内外已成功开
发或正在开发的煤低温干馏技术种类
繁多，装置效能和技术指标各有利弊，
不可能有一种“万能型”技术来适应所
有适用煤种，满足各项指标要求。

但其
原则要求应是：煤低温干馏技术应满足
规模大型化以及高效、环保要求，能够
充分利用大量粉煤资源，并向提高油收率、改善油品质以及实现多联产方向努力，提高能源转化效率。

参考文献：
[1] 郭树才．煤化工工艺学[M]．北京：化学工业出版社。

1992．
[2]贺永德．现代煤化工技术手册[M]．北京：化学工业出版社，2004．
[3]孙健．油页岩综合利用集成技术与循环经济[J]．现代电力，2007，24(5)：59—67．
[4]虎锐，李波，张秀成．榆林地区兰炭产业发展现状及其前景[J]．中国煤炭，2008，34(5)：69—73．
[5]赵世永．榆林煤低温干馏生产工艺及污染治理技术[J]．中国煤炭，2007，33(4)：58—60．。