低階煤高效清潔分質(zhì)利用問(wèn)題研究

低階煤高效清潔分質(zhì)利用問(wèn)題研究

莫海燕（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆庫(kù)爾勒841000）煤炭在我國(guó)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(yùn)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(diǎn)，且不宜直接燃燒和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，這些都是制約低階煤利用效率的因素，對(duì)我國(guó)煤炭能源的開(kāi)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(fèi)，提高低階煤的利用效率，可先對(duì)低階煤進(jìn)行分級(jí)，然后進(jìn)行梯級(jí)利用，既能夠提高能量的轉(zhuǎn)化率，還能夠降低能源的浪費(fèi)和環(huán)境污染，這種方式可有效改善我國(guó)低階煤利用效率低的現(xiàn)狀。熱解是低階煤實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)其進(jìn)行深加工，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)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(shí)現(xiàn)低階煤的高效清潔利用，這對(duì)改善我國(guó)的能源利用結(jié)構(gòu)具有重要意義，也是我國(guó)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(shí)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(guò)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(jí)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(duì)這三種產(chǎn)物的利用途徑進(jìn)行分析。1.1煤焦油的利用途徑低階煤通過(guò)熱解獲取的煤焦油呈黑褐色，具有較強(qiáng)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(guò)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(guò)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(guò)煤焦油獲取的汽柴油調(diào)和油具有較大的市場(chǎng)，這項(xiàng)技術(shù)也日趨完善，在我國(guó)已經(jīng)成為投資的熱點(diǎn)，所以相應(yīng)的配套技術(shù)和工藝裝置也會(huì)越來(lái)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(jìn)行延伸，生產(chǎn)酚類(lèi)、橡膠溶劑等化合物，或者進(jìn)行其他深加工。對(duì)煤焦油中的高附加值組分優(yōu)先提取，在經(jīng)濟(jì)性方面會(huì)占有更大的優(yōu)勢(shì)。在煤焦油加工利用的過(guò)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(jià)值卻最低，對(duì)于這部分物質(zhì)的利用，可以將其制備成煤焦油瀝青，通過(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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?xì)?、工業(yè)燃?xì)夂椭苯尤紵l(fā)電。通過(guò)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(zhǎng)距離輸送，可供城市居民用于燃?xì)馐褂?。工業(yè)燃?xì)獠糠种饕m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(guò)脫硫脫氮后的熱解煤氣可直接應(yīng)用于蒸汽發(fā)電、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電等。化工原料或者產(chǎn)品也是熱解煤氣的主要用途，熱解煤氣中的甲烷經(jīng)過(guò)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(duì)較多，一般會(huì)采用變壓吸附的方式來(lái)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(guò)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(chǎng)需求。而熱解煤氣中的甲烷含量較高，通過(guò)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(lái)，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(guò)熱解后得到的半焦，相對(duì)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(guò)程中排放的污染物少，所以一般會(huì)直接作為窯爐和鍋爐的燃料。經(jīng)過(guò)熱解后的褐煤得到的半焦強(qiáng)度小，易磨碎，經(jīng)過(guò)相關(guān)的試驗(yàn)分析，半焦應(yīng)用于高爐噴吹中各項(xiàng)指標(biāo)要優(yōu)于無(wú)煙煤，但是由于工藝以及供應(yīng)等原因的限制，還無(wú)法在工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)于褐煤熱解后得到的灰分含量少的半焦，可以用來(lái)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(qiáng)，在熱解不完全的情況下具有易改性的特點(diǎn)，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(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以低階煤的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過(guò)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(duì)污染物進(jìn)行集中脫除，然后根據(jù)三種產(chǎn)物的特性進(jìn)行深加工利用，是實(shí)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(duì)低溫干餾和粉煤熱解技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)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(chēng)煤炭干餾，低溫干餾是低階煤熱解技術(shù)的一種，通過(guò)低溫干餾能夠提高資源的綜合利用價(jià)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(guó)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(guò)程中，從技術(shù)層面主要是針對(duì)如下幾個(gè)問(wèn)題。在煤炭的機(jī)械化綜采技術(shù)中，粒度在20mm以下的碎煤比例可達(dá)27%以上，而這部分煤不適合用于豎爐干餾，所以要對(duì)這部分煤進(jìn)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(duì)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(wèn)題受到各種原因的限制大多處于試驗(yàn)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(duì)于間接加熱的低溫干餾技術(shù)，換熱速度慢還無(wú)法得到有效解決。2.1.2低溫干餾技術(shù)存在的問(wèn)題低溫干餾技術(shù)充分利用了低階煤高焦油的特點(diǎn)，在提取分離焦油的同時(shí)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(wèn)題需要解決。對(duì)于現(xiàn)階段機(jī)械化綜采技術(shù)而言，得到的粒度小于20mm的碎煤無(wú)法通過(guò)干餾實(shí)現(xiàn)分質(zhì)利用；在低階煤低溫干餾過(guò)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(wú)法解決成本、污染和質(zhì)量的問(wèn)題；在現(xiàn)階段所采用的濕法熄焦會(huì)消耗大量的水資源，同時(shí)得到的產(chǎn)品品質(zhì)不佳，還需要開(kāi)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(jìn)行低溫干餾，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣會(huì)混入煤氣中，從而降低煤氣的熱值，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題；在很多企業(yè)中的低溫干餾裝置單爐產(chǎn)能低，自動(dòng)化程度低，對(duì)經(jīng)濟(jì)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(wèn)題。2.1.3低溫干餾技術(shù)解決問(wèn)題的方向針對(duì)低溫干餾技術(shù)存在的問(wèn)題，可從如下幾個(gè)方面進(jìn)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(duì)于現(xiàn)行的工藝和設(shè)備具有較好的適用性，還可為過(guò)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(jìn)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(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的；對(duì)于粒度較小的低階煤而言，可以按照粒徑將其分成三個(gè)不同的等級(jí)，然后分級(jí)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(shí)驗(yàn)階段，通過(guò)技術(shù)的改進(jìn)，能夠有效提升低階煤低溫干餾的效率，最終實(shí)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(guó)煤炭綜采率的不斷提高，粉煤率已經(jīng)達(dá)到了70%以上，而在很多熱解技術(shù)中，對(duì)于粉煤的利用效率還比較低。無(wú)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(wú)法達(dá)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(wèn)題，很多單位都開(kāi)展了不同規(guī)模、多種爐型的試驗(yàn)，并且不同程度地獲得了進(jìn)展，下面對(duì)粉煤熱解技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。2.2.1粉煤熱解-氣化一體化技術(shù)這項(xiàng)技術(shù)主要是將煤的熱解和半焦的氣化在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，煤粉在熱解區(qū)發(fā)生熱解會(huì)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?yàn)樵诜磻?yīng)器中會(huì)形成獨(dú)特的流化狀態(tài)，并且溫度會(huì)呈現(xiàn)梯級(jí)分布，所以會(huì)加快熱解反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散速率，能夠減少焦油進(jìn)行二次反應(yīng)的機(jī)會(huì)，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(xiàng)技術(shù)主要以25mm以下粒度的低階煤為原料，在低溫分級(jí)熱解和粉焦常壓氣化有機(jī)耦合，在中低溫條件下提取煤中的有機(jī)揮發(fā)組分，以此來(lái)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(guò)程中產(chǎn)生的廢水較少，能源利用率高，可有效實(shí)現(xiàn)低階煤高效清潔分級(jí)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(diǎn)和技術(shù)實(shí)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(jìn)行的低溫?zé)峤饧夹g(shù)，蓄熱式無(wú)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(dòng)床煤熱解技術(shù)等。其中大多數(shù)都是針對(duì)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(jìn)行的技術(shù)改良，既能夠提高對(duì)低階煤的分質(zhì)利用效率，又能夠達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。3結(jié)束語(yǔ)能源緊缺是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中面臨的主要問(wèn)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(jià)值，所以通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)對(duì)低階煤進(jìn)行分級(jí)，然后再分質(zhì)利用，是實(shí)現(xiàn)低階煤高效清潔利用的重要手段。熱解是低階煤實(shí)現(xiàn)