低階煤高效清潔分質(zhì)利用問題研究

莫海燕

（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆庫爾勒 841000）

煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)了很大的比例，但是低階煤約占據(jù)煤炭蘊藏量的一半。由于低階煤煤化程度低，水分和發(fā)熱量低，還具有低灰、低硫、高揮發(fā)分、高活性、易燃易碎等特點，且不宜直接燃燒和遠距離運輸，這些都是制約低階煤利用效率的因素，對我國煤炭能源的開發(fā)和利用產(chǎn)生一定的影響。為了最大程度減少低階煤的能源浪費，提高低階煤的利用效率，可先對低階煤進行分級，然后進行梯級利用，既能夠提高能量的轉(zhuǎn)化率，還能夠降低能源的浪費和環(huán)境污染，這種方式可有效改善我國低階煤利用效率低的現(xiàn)狀。熱解是低階煤實現(xiàn)高效清潔分質(zhì)利用的核心技術(shù)，在煤炭燃燒或者氣化之前，先利用熱解技術(shù)將煤中的橋鍵斷裂、解聚生產(chǎn)輕質(zhì)組分，主要有煤焦油、煤氣和半焦的氣、液、固三相物質(zhì)，可實現(xiàn)對原料的分質(zhì)，再根據(jù)每種產(chǎn)物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對其進行深加工，實現(xiàn)梯級轉(zhuǎn)化利用。這種分質(zhì)利用方式，能夠以低階煤熱解后的產(chǎn)物為原料延伸產(chǎn)業(yè)鏈，有效提升低階煤分質(zhì)產(chǎn)物的附加值，實現(xiàn)低階煤的高效清潔利用，這對改善我國的能源利用結(jié)構(gòu)具有重要意義，也是我國煤化工發(fā)展的方向之一。

1 低階煤高效清潔分質(zhì)利用的途徑

根據(jù)煤炭的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，以高效清潔分質(zhì)利用為目標(biāo)，熱解是低階煤實現(xiàn)高效清潔分質(zhì)利用的工藝路線的龍頭。在熱解工藝的指導(dǎo)下，通過各種方案的優(yōu)化組合，最終能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)利用以及能量的梯級利用。低階煤熱解的主要產(chǎn)物有煤焦油、熱解煤氣和半焦，下面主要對這三種產(chǎn)物的利用途徑進行分析。

1.1 煤焦油的利用途徑

低階煤通過熱解獲取的煤焦油呈黑褐色，具有較強的刺激性氣味，形態(tài)較為黏稠。煤焦油本身的成分就較為復(fù)雜，由于煤種的不同以及熱解工藝的不同，煤焦油的組分和性質(zhì)也存在較大的差異性。低階煤通過熱解獲取的煤焦油主要用于制取燃料油、化工原料、煤焦油瀝青等。煤焦油通過加氫輕質(zhì)化工藝，可生產(chǎn)清潔燃料，能夠代替石油產(chǎn)品使用。通過煤焦油獲取的汽柴油調(diào)和油具有較大的市場，這項技術(shù)也日趨完善，在我國已經(jīng)成為投資的熱點，所以相應(yīng)的配套技術(shù)和工藝裝置也會越來越完善。在利用煤焦油獲取燃料油和石腦油的基礎(chǔ)上，可以將工藝鏈進行延伸，生產(chǎn)酚類、橡膠溶劑等化合物，或者進行其他深加工。對煤焦油中的高附加值組分優(yōu)先提取，在經(jīng)濟性方面會占有更大的優(yōu)勢。在煤焦油加工利用的過程中，重組分作為煤焦油切除輕質(zhì)和中質(zhì)餾分后的殘余物，其含量最大，但是價值卻最低，對于這部分物質(zhì)的利用，可以將其制備成煤焦油瀝青，通過相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)和改質(zhì)技術(shù)，煤焦油瀝青可應(yīng)用于道路施工中，是對煤焦油加工產(chǎn)業(yè)鏈的另一種延伸。

1.2 熱解煤氣的利用途徑

熱解煤氣的組成較為復(fù)雜，主要組分包括氫氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等，其中的有效組分占比較高，煤氣熱值也相對較高。根據(jù)熱解煤氣的組分不同，在用途方面就可以差異對待。高熱值燃料是熱解煤氣應(yīng)用的重要領(lǐng)域，主要應(yīng)用于民用燃氣、工業(yè)燃氣和直接燃燒發(fā)電。通過凈化后的熱解煤氣熱值較高，因CO含量較少，環(huán)境污染小，所以便于長距離輸送，可供城市居民用于燃氣使用。工業(yè)燃氣部分主要適用于焦化企業(yè)、冶金企業(yè)、煉鋼企業(yè)等作為燃料。經(jīng)過脫硫脫氮后的熱解煤氣可直接應(yīng)用于蒸汽發(fā)電、燃氣輪機發(fā)電等?；ぴ匣蛘弋a(chǎn)品也是熱解煤氣的主要用途，熱解煤氣中的甲烷經(jīng)過催化后可轉(zhuǎn)化為合成氣，合成氣與二氧化碳在催化劑的作用下可反應(yīng)生成甲醇，也可將合成氣制成二甲醚。

熱解煤氣中的氫含量相對較多，一般會采用變壓吸附的方式來提取純度較高的氫氣，或者是將熱解煤氣轉(zhuǎn)化為合成氣后再通過水煤氣變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣。提純后的氫氣可應(yīng)用于煤焦油輕質(zhì)化，提高物質(zhì)的循環(huán)利用，降低生產(chǎn)成本。天然氣是高效清潔能源之一，具有較大的市場需求。而熱解煤氣中的甲烷含量較高，通過中低溫?zé)峤饪上葘峤饷簹庵械碾s質(zhì)凈化脫離，然后再將氫、一氧化碳和二氧化碳甲烷化，最后將氫氣從混合物中分離出來，即可獲取天然氣。

1.3 半焦的利用途徑

半焦的用途較多，主要有工業(yè)和民用燃料、高爐噴吹燃料、水煤漿和型煤、碳質(zhì)吸附劑等。經(jīng)過熱解后得到的半焦，相對于原煤而言水分、揮發(fā)分、硫的含量都較低，反應(yīng)活性高，發(fā)熱量和燃燒效率高，燃燒過程中排放的污染物少，所以一般會直接作為窯爐和鍋爐的燃料。經(jīng)過熱解后的褐煤得到的半焦強度小，易磨碎，經(jīng)過相關(guān)的試驗分析，半焦應(yīng)用于高爐噴吹中各項指標(biāo)要優(yōu)于無煙煤，但是由于工藝以及供應(yīng)等原因的限制，還無法在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。對于褐煤熱解后得到的灰分含量少的半焦，可以用來制備水煤漿，以此作為氣化原料，成漿的濃度較高。在優(yōu)質(zhì)黏結(jié)劑的作用下，半焦成型后也可應(yīng)用于鐵合金冶煉的型焦，或者作為工業(yè)鍋爐燃料以及煉焦用煤。熱解后獲得的半焦具有較為豐富的微孔結(jié)構(gòu)，吸附催化性能較強，在熱解不完全的情況下具有易改性的特點，所以可作為吸附催化雙重特性的碳質(zhì)吸附劑，能夠代替部分活性炭。

2 低階煤高效清潔分質(zhì)利用技術(shù)

分質(zhì)利用能夠充分發(fā)揮低階煤的特點和優(yōu)勢，以低階煤的組成和結(jié)構(gòu)特點為基礎(chǔ)，通過熱解技術(shù)將低階煤轉(zhuǎn)化為煤焦油、熱解煤氣和半焦等物質(zhì)，可對污染物進行集中脫除，然后根據(jù)三種產(chǎn)物的特性進行深加工利用，是實現(xiàn)低階煤高效清潔利用的重要技術(shù)手段。受到技術(shù)、設(shè)備、裝置、工藝等方面因素的限制，不同企業(yè)所研發(fā)的熱解技術(shù)帶有特定的技術(shù)屬性，下面主要對低溫干餾和粉煤熱解技術(shù)進行簡要 分析。

2.1 低階煤低溫干餾技術(shù)

2.1.1 低溫干餾技術(shù)研發(fā)方向

煤炭熱解也稱煤炭干餾，低溫干餾是低階煤熱解技術(shù)的一種，通過低溫干餾能夠提高資源的綜合利用價值，提升低階煤的附加值，是一種具有潛力的低階煤熱解技術(shù)發(fā)展方向。我國圍繞低溫干餾技術(shù)已經(jīng)研發(fā)了多種干餾工藝和裝置，比如內(nèi)熱式直立爐、外熱式直立爐、外燃內(nèi)熱式、回轉(zhuǎn)爐、帶式爐等。目前應(yīng)用規(guī)模較大的是內(nèi)熱式直立爐，在研發(fā)內(nèi)熱式直立爐的過程中，從技術(shù)層面主要是針對如下幾個問題。在煤炭的機械化綜采技術(shù)中，粒度在20mm以下的碎煤比例可達27%以上，而這部分煤不適合用于豎爐干餾，所以要對這部分煤進行低溫干餾，需要采用流化床干餾或者套筒回轉(zhuǎn)窯等間接加熱干餾裝置。對于外熱式低溫干餾以及氣體熱載體外燃內(nèi)熱式爐等需要制備高熱值或化產(chǎn)用煤氣，高效的低溫干餾還需要與加氫熱解、廢塑料、廢橡膠共熱解等結(jié)合。

目前存在的這些技術(shù)問題受到各種原因的限制大多處于試驗階段，比如采用流化床作為碎煤低溫干餾的反應(yīng)器是最佳選擇，但是在焦油捕收與分離環(huán)節(jié)卻存在一定的難度。對于間接加熱的低溫干餾技術(shù)，換熱速度慢還無法得到有效解決。

2.1.2 低溫干餾技術(shù)存在的問題

低溫干餾技術(shù)充分利用了低階煤高焦油的特點，在提取分離焦油的同時還能夠得到廣泛應(yīng)用于化工、鐵合金等行業(yè)的蘭炭，是低階煤高效清潔分質(zhì)利用的重要技術(shù)手段，但是還有如下問題需要解決。對于現(xiàn)階段機械化綜采技術(shù)而言，得到的粒度小于20mm的碎煤無法通過干餾實現(xiàn)分質(zhì)利用；在低階煤低溫干餾過程中產(chǎn)生的熱解水還缺乏較好的處理技術(shù)，現(xiàn)有技術(shù)手段無法解決成本、污染和質(zhì)量的問題；在現(xiàn)階段所采用的濕法熄焦會消耗大量的水資源，同時得到的產(chǎn)品品質(zhì)不佳，還需要開發(fā)新型干熄焦技術(shù)；采用爐內(nèi)空氣與煤氣燃燒加熱的方式進行低溫干餾，燃燒過程中產(chǎn)生的廢氣會混入煤氣中，從而降低煤氣的熱值，同時還會產(chǎn)生環(huán)境污染問題；在很多企業(yè)中的低溫干餾裝置單爐產(chǎn)能低，自動化程度低，對經(jīng)濟效益和生產(chǎn)成本產(chǎn)生影響，焦油和粉塵分離難度高也是急需解決的問題。

2.1.3 低溫干餾技術(shù)解決問題的方向

針對低溫干餾技術(shù)存在的問題，可從如下幾個方面進行技術(shù)研發(fā)。采用低溫富氧干餾技術(shù)，在不改變現(xiàn)行低溫干餾爐結(jié)構(gòu)的情況下，用富氧甚至全氧代替空氣，不僅提高路況的穩(wěn)定性，還能夠有效提高煤氣熱值，這套技術(shù)對于現(xiàn)行的工藝和設(shè)備具有較好的適用性，還可為過程煤氣的綜合利用奠定良好的基礎(chǔ)；采用低溫干餾干熄焦技術(shù)，將冷煤氣作為冷卻的介質(zhì)，與半焦換熱熄焦后再進入干餾段，這種方式是將熄焦與干餾相結(jié)合的重要手段，可有效提升干熄焦和熱量的利用效率，能夠達到節(jié)能節(jié)水的目的；對于粒度較小的低階煤而言，可以按照粒徑將其分成三個不同的等級，然后分級入爐，能夠解決綜采煤入爐干餾效率；除了以上技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，還有其他技術(shù)正處于研發(fā)實驗階段，通過技術(shù)的改進，能夠有效提升低階煤低溫干餾的效率，最終實現(xiàn)低階煤的高效清潔利用。

2.2 低階粉煤熱解技術(shù)

隨著我國煤炭綜采率的不斷提高，粉煤率已經(jīng)達到了70%以上，而在很多熱解技術(shù)中，對于粉煤的利用效率還比較低。無論是原料的適應(yīng)性和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還是產(chǎn)品的附加值，都無法達到高效清潔分質(zhì)利用的目的，所以粉煤熱解技術(shù)是現(xiàn)階段急需解決的問題，很多單位都開展了不同規(guī)模、多種爐型的試驗，并且不同程度地獲得了進展，下面對粉煤熱解技術(shù)進行簡要分析。

2.2.1 粉煤熱解-氣化一體化技術(shù)

這項技術(shù)主要是將煤的熱解和半焦的氣化在一個反應(yīng)器內(nèi)進行，煤粉在熱解區(qū)發(fā)生熱解會生成油氣、半焦，半焦再返回到氣化區(qū)氣化產(chǎn)生合成氣。因為在反應(yīng)器中會形成獨特的流化狀態(tài)，并且溫度會呈現(xiàn)梯級分布，所以會加快熱解反應(yīng)產(chǎn)物的擴散速率，能夠減少焦油進行二次反應(yīng)的機會，從而提升焦油的收率。

2.2.2 氣化-低階煤熱解一體化技術(shù)

該項技術(shù)主要以25mm以下粒度的低階煤為原料，在低溫分級熱解和粉焦常壓氣化有機耦合，在中低溫條件下提取煤中的有機揮發(fā)組分，以此來制備煤焦油、半焦、熱解煤氣。這種熱解技術(shù)獲取焦油收率較高，熱解氣的品質(zhì)較好，熱解半焦品質(zhì)優(yōu)，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水較少，能源利用率高，可有效實現(xiàn)低階煤高效清潔分級利用的目的。

2.2.3 其他熱解技術(shù)

除了上述分析的熱解技術(shù)，其他企業(yè)也根據(jù)自身的生產(chǎn)特點和技術(shù)實力，研發(fā)出了適宜本企業(yè)的新型熱解技術(shù)。比如利用旋轉(zhuǎn)床進行的低溫?zé)峤饧夹g(shù)，蓄熱式無熱載體旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)、低階粉煤氣固熱載體雙循環(huán)快速熱解技術(shù)、內(nèi)構(gòu)件移動床煤熱解技術(shù)等。其中大多數(shù)都是針對粉煤特性而研發(fā)的熱解技術(shù)，主要是解決綜采中粒度較小的低階煤而進行的技術(shù)改良，既能夠提高對低階煤的分質(zhì)利用效率，又能夠達到節(jié)能環(huán)保的目的。

3 結(jié)束語

能源緊缺是我國經(jīng)濟發(fā)展中面臨的主要問題，提高低階煤的利用效率是緩解能源緊缺的途徑之一。低階煤的性質(zhì)影響了利用的價值，所以通過相應(yīng)的技術(shù)對低階煤進行分級，然后再分質(zhì)利用，是實現(xiàn)低階煤高效清潔利用的重要手段。熱解是低階煤實現(xiàn)分質(zhì)利用的核心技術(shù)，熱解主要是指煤在隔絕空氣的系統(tǒng)中進行加熱，在不同的溫度下會發(fā)生相應(yīng)的物理變化和化學(xué)變化，最終通過熱解技術(shù)將低階煤轉(zhuǎn)化為煤焦油、熱解煤氣和半焦不同狀態(tài)的物質(zhì)，然后再采用相應(yīng)的技術(shù)對每種物質(zhì)進行深加工。實現(xiàn)對低階煤的高效清潔分質(zhì)利用，涉及多條產(chǎn)業(yè)鏈，所以需要技術(shù)、資金、工藝、政策等多方面的共同配合。同時隨著低階煤分質(zhì)利用工藝和技術(shù)的改進優(yōu)化，對低階煤的利用效率會進一步提升，這也會是我國能源改革中的重要戰(zhàn)略規(guī)劃。