蘭炭生產(chǎn)工藝及應(yīng)用研究

馬金霞，牛鴻權(quán)，張晉豪，屈桂洋，侯玲梅

（陜煤集團榆林化學(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，并對蘭炭的應(yīng)用領(lǐng)域進行了綜述。

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，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?，通過分離器后進入反應(yīng)器中，與高溫半焦進行換熱，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。將備煤工段運來的合格煤（粒徑在20 mm～80 mm）首先裝至煤槽內(nèi)，再進入干燥段的爐內(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，進入冷卻段冷卻再排出，進一步可制得蘭炭[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。由備煤工段運來的合格入爐煤通過儲煤斗進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)機送入干餾爐內(nèi)燃燒，對煤進行加熱干餾，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，被推焦機推入熄焦池內(nèi)，由刮板機刮出，出焦口設(shè)有烘干機烘干蘭炭。

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)濟效益好，缺點是設(shè)備龐大和復(fù)雜，不易維護；魯奇三段爐的工藝優(yōu)點是生產(chǎn)能力強、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；SJ熱解干餾工藝生產(chǎn)力強，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，更易操作維護，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，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)混合后可進行改性、活化，進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。蘭炭的結(jié)構(gòu)特點，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)。