關(guān)于榆林市煤炭干餾綜合利用的思考

關(guān)于榆林市煤炭干餾綜合利用的思考

1煤炭的質(zhì)量煤炭干燥劑的主要產(chǎn)品是半焦，副產(chǎn)品是焦油和天然氣。榆林地區(qū)煤炭大多為特低灰、特低硫、特低磷、中高發(fā)熱量的優(yōu)質(zhì)煤,揮發(fā)分在37%左右,焦油產(chǎn)率在10%左右,特別適合干餾。用這種煤生產(chǎn)的半焦用途廣,市場容量大。1.1鐵合金專用焦榆林地區(qū)的半焦目前基本上用于鐵合金和電石行業(yè)。神木煤生產(chǎn)的半焦固定碳高、電阻率高、灰分低、硫分低、磷分低、三氧化二鋁含量低,適宜于在鐵合金生產(chǎn)中作為碳質(zhì)還原劑,使在鐵合金行業(yè)逐步代替焦炭。神木半焦的特點也被電石行業(yè)廣泛使用,代替焦炭和無煙煤生產(chǎn)電石。青海山川鐵合金股份有限責(zé)任公司通過3年多的生產(chǎn)實踐,認(rèn)為使用神木半焦冶煉FeSi75硅鐵,對降低電耗,增加產(chǎn)量,降低鋁含量,已取得了良好效果,神木半焦是一種優(yōu)質(zhì)的鐵合金專用焦,在硅鐵冶煉中具有廣闊前景。神木縣半焦與國家規(guī)定鐵合金用焦炭質(zhì)量指標(biāo)對比見表1。1.2半焦工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗1.2.1試驗結(jié)果及分析冶金工業(yè)高爐噴次煤粉是節(jié)能代焦,改善高爐冶煉,降低焦比和生產(chǎn)成本的主要途徑和方向。高爐噴吹料基本上都用無煙煤粉,質(zhì)量要求高,特別是對硫分要求要低于冶金焦。京西侏羅紀(jì)無煙煤、寧夏太西煤、山西陽泉煤都是很好的噴吹燃料。但符合高爐噴吹質(zhì)量要求的并不多,而且價格高,所以寶鋼、鞍鋼采用煙煤噴吹。1998年神木縣神通西部能源開發(fā)有限責(zé)任公司將神木焦粉給首鋼發(fā)運了2000余噸進(jìn)行試驗,取得了滿意效果。榆林地區(qū)半焦完全可以加工為高爐噴吹燃料。神木半焦與京西、太西噴吹煤理化性能對比見表2,煤灰成分對比見表3。試驗表明,神木半焦灰分明顯低于京西煤接近太西煤,固定碳高于京西煤和太西煤,揮發(fā)分在二者之間。從元素分析可以看出神木半焦全碳高于京西煤和太西煤,含氫低于二者,含硫與二者相近,適于高爐噴吹?；页煞謱Ρ壬衲景虢够曳值娜獕A度為0.25,京西煤為0.38,太西煤為0.34,灰熔點雖低于京西煤和太西煤,但高于1100℃,不會影響噴吹。神木半焦揮發(fā)分和著火點介于京西煤和太西煤之間,不存在噴吹安全問題。在相同條件下神木半焦燃燒性明顯高于現(xiàn)用高爐煤粉,從燃燒的性能考慮,神木半焦比京西煤、太西煤更適于高爐噴吹。但神木半焦可磨性明顯低于京西煤和太西煤,會給噴吹制粉帶來一定影響。首鋼技術(shù)中心經(jīng)過試驗認(rèn)為,從化學(xué)成分和燃燒性考慮,神木半焦優(yōu)于現(xiàn)用高爐煤粉,從制粉角度考慮神木半焦比現(xiàn)用噴吹煤粉差,但制備半焦粉在技術(shù)上是可行的。并提出:繼續(xù)進(jìn)行工業(yè)試驗,評估神木半焦代替太西煤和京西煤是否經(jīng)濟(jì),因此應(yīng)進(jìn)行以神木半焦代替京西煤和太西煤作為高爐噴吹燃料的較深入系統(tǒng)的試驗研究。1.2.2活性半焦高效半焦神木半焦已引起了一些活性炭生產(chǎn)廠家重視,最近一些廠家購買半焦作為活性炭的炭化料,與其它原料配合已用于活性炭生產(chǎn)試驗。將神木煤或半焦加熱到700～900℃進(jìn)行炭化、活化可得活性半焦。活性半焦是一種成本極為低廉的炭質(zhì)吸附劑。1997年煤炭科學(xué)研究總院北京煤化學(xué)所與神木焦化廠合作,利用內(nèi)熱式直立炭化爐進(jìn)行生產(chǎn)活性半焦試驗,產(chǎn)品取得成功。神木焦化廠活性半焦試驗產(chǎn)品指標(biāo)見表4?；钚园虢股a(chǎn)成本低廉,吸附SO2容量大,能達(dá)到90%,超過活性炭對SO2的吸附能力,是一種極有效的煙氣脫硫產(chǎn)品,填補國家環(huán)保產(chǎn)品一項空白?；钚园虢挂部梢源罅坑糜趶U水處理。1.3半焦應(yīng)用的擴(kuò)展方向1.3.1原料煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的對比中國中小型化肥廠大部分采用無煙塊煤(或焦炭)的含碳部分制成合成氨原料氣,但要求合成氨生產(chǎn)用無煙塊煤固定碳要高,灰分、水分、揮發(fā)分、硫分要低。神木半焦和小型合成氨廠原料煤國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對比見表5。神木半焦融點低,作為合成氨生產(chǎn)原料是一個缺點,但灰溶點在1100℃以上,預(yù)計不會影響造氣。抗碎強度未作試驗。其它各項指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中小型合成氨廠對原料煤的要求。神木半焦有可能作為合成氨生產(chǎn)原料的,這有待于進(jìn)一步研究。1.3.2半焦煤的生產(chǎn)神木半焦發(fā)熱量為30MJ/kg,各項指標(biāo)可與寧夏太西煤媲美,根據(jù)半焦的特性,可制成優(yōu)質(zhì)型煤,發(fā)熱量高、灰分低、硫分低將受到用戶歡迎。需加快半焦制備民用型煤的研究工作。1.3.3糠醛焦炭與木煤的配合性木炭主要用于紡織、化工,有色冶金工業(yè)作為原劑,制做1t木炭需消耗3～4t木材。神木煤通過精選灰分可以降到3%以下,用精選煤為原料進(jìn)行干餾,可獲得灰分小于4%的精制半焦,許多質(zhì)量指標(biāo)接近木炭。神木精制半焦與糠醛木炭代用品、木炭指標(biāo)對比見表6。中國森林資源缺乏,國家已明令停止森林采伐,研究神木半焦作為木炭代用品生產(chǎn)和應(yīng)用有極其重要的意義。2分析半焦市場前景2.1以焦炭、半焦為主配空1997年全國鐵合金產(chǎn)量為404.38萬t,根據(jù)中國工業(yè)發(fā)展速度,2010年鐵合金產(chǎn)量將突破450萬t,目前生產(chǎn)每噸鐵合金需要1.1t碳質(zhì)還原劑,2010年碳質(zhì)還原劑用量大約在500萬t以上。1997年電石產(chǎn)量為344.7萬t,預(yù)計2010年電石產(chǎn)量將在400萬t以上,每生產(chǎn)1t電石需焦炭(或無煙煤、半焦)0.55t,預(yù)計2010年全國電石用焦炭(無煙煤、半焦)為220萬t。1998年榆林地區(qū)半焦產(chǎn)量約140萬t左右,僅神木縣就生產(chǎn)75萬t,產(chǎn)品大部分銷售在西北、西南、中南、華東地區(qū),其次是東北、華北地區(qū)。西北地區(qū)最遠(yuǎn)銷售到甘肅省嘉峪關(guān)市。隨著運輸條件改善,榆林地區(qū)半焦預(yù)計2010年在鐵合金、電石行業(yè)至少市場份額占50%,銷售360萬t。前幾年,五礦公司用神木縣和府谷縣土焦出口,外商用于鐵合金、電石生產(chǎn),但由于土焦質(zhì)量不穩(wěn)定,出口未能持續(xù)下來。如能形成一個穩(wěn)定的工藝,保證半焦質(zhì)量,估計年出口量在40萬t以上。根據(jù)上述情況,榆林地區(qū)生產(chǎn)的半焦在國內(nèi)外鐵合金、電石行業(yè)預(yù)計到2010年有400萬t的市場份額。2.2比噴煤比t冶金行業(yè)要求,18家國家重點企業(yè)平均入爐焦比由1996年502kg/t降到2000年的400kg/t,噴煤比達(dá)到145kg/t,38家地方骨干企業(yè)平均入爐焦比由1996年的577kg/t,降到2000年的470kg/t,噴煤比達(dá)到110kg/t。這56家重點骨干企業(yè)占全國鋼產(chǎn)量的87%,到2000年全國噴煤比平均達(dá)到135kg/t,噴煤量由1996年502萬t增加到2000年1241萬t。在總的噴煤量中無煙煤大約需要1000多萬t,到2010年全國生鐵產(chǎn)量規(guī)劃為1.2～1.3億t,平均噴煤比達(dá)到160kg/t,高爐噴吹煤粉需要1700～1900萬t,半焦作為高爐噴吹料銷售范圍重點在西南地區(qū),預(yù)計銷售量至少在200萬t以上。2.3石灰混凝土用型煤中國大型化肥廠主要以石油天然氣為原料,中小型化肥廠大多以煤(包括無煙煤和焦炭)為原料。1990年合成氨產(chǎn)量為1880萬t,1994年產(chǎn)量達(dá)到2821萬t,略低于美國,居世界第2位,但仍不能滿足需要,每年還要進(jìn)口一部分。據(jù)規(guī)劃,2000年合成氨產(chǎn)量達(dá)3200萬t,2005年為3350萬t,2010年為3500萬t。其中以無煙煤為原料的中小化肥廠現(xiàn)在還有近千家,2000年合成氨產(chǎn)量規(guī)劃為1942萬t,需無煙塊煤3276萬t,2005年產(chǎn)量為2144萬t,需無煙塊煤3567萬t,2010年產(chǎn)量為2259萬t,需無煙塊煤3723萬t。據(jù)有關(guān)資料記載,中小化肥廠所用的無煙塊煤供應(yīng)量大約只能滿足用量的一半,為了解決塊煤不足,從60年代起中國發(fā)展合成氨造氣用型煤技術(shù),至今全國化肥系統(tǒng)有800套石灰碳化型煤裝置,10余條粘土型煤生產(chǎn)線,60余套清水煤棒生產(chǎn)線在運行。石灰碳化型煤石灰加入量高達(dá)20%～30%,型煤固定碳50%左右,強度不高,不僅影響產(chǎn)氣率和氣化效率,也給操作帶來困難,只能免強造氣。粘土型煤要加入6%～8%粘土作為粘結(jié)劑,由于粘土活性差,型煤氣化不完全。針對造氣型煤技術(shù)存在灰分高、不防水、造氣效果差等問題,國內(nèi)一些科研單位致力于開發(fā)高強、防水、低灰優(yōu)質(zhì)型煤,雖然目前造氣型煤產(chǎn)品很多,但仍然存在產(chǎn)品成本高,防水性差,活性低,熱態(tài)性質(zhì)差等問題。鑒于上述情況,神木半焦在化肥行業(yè)銷售半徑在1200km內(nèi)完全能與無煙塊煤、氣化型煤競爭,預(yù)計2010年的市場份額至少可達(dá)到300萬t。2.4半焦煤煉焦應(yīng)用前景分析無煙煤適宜作民用燃料,制成蜂窩煤適宜于小城鎮(zhèn)和農(nóng)村燃燒。半焦各項指標(biāo)均優(yōu)于無煙煤(除太西煤外),神木半焦發(fā)熱量為30.30MJ/kg。根據(jù)1980年和1996年中國居民用能計算為標(biāo)準(zhǔn)煤量和煤炭在居民用能所占的比重以及煤炭實物用量進(jìn)行推算,1980年、1996年全國居民用煤平均發(fā)熱量為20.9MJ/kg,即1t半焦相當(dāng)于1.4t居民目前用煤的發(fā)熱量,且半焦灰分低,硫分低。所以榆林半焦在民用型煤開發(fā)上有很大前景。陜西省無煙煤資源短缺,在省內(nèi)也有極大市場。根據(jù)目前鐵路運輸現(xiàn)狀,神木半焦在800km范圍內(nèi)在民用煤領(lǐng)域是有競爭力的,預(yù)計2010年榆林地區(qū)半焦在民用煤領(lǐng)域有200萬t市場份額。2.5使用市場份額半焦作為活性炭炭化料,活性半焦、木炭代用品,也有大市場,再加上其它工業(yè)窯爐的使用,預(yù)計在2010年也有50萬t的市場份額。上述5個方面,榆林地區(qū)的半焦在2010年大致有1000萬t的市場份額,而且從產(chǎn)業(yè)上看,解決了國家煤炭品種短缺問題,此外可將榆林地區(qū)建成全國活性半焦基地,活性炭炭化料主要產(chǎn)地。3解決煤炭干燥工程是關(guān)鍵3.1基本焦?fàn)t型焦?fàn)t目前,榆林地區(qū)半焦生產(chǎn)方式以神木縣為例,大致有以下3種:(1)明火堆燒,將中、大塊煤在場地堆起1m左右,明火點燃,燃燒10～20h,待煤煙釋放干凈,用水澆滅后破碎、分篩為產(chǎn)成品。建廠基本無投入,工藝十分簡單,大約2～2.2t塊煤生產(chǎn)1t半焦,煤氣、焦油不回收,資源浪費嚴(yán)重,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,固定碳含量在75%～85%之間,環(huán)境污染也嚴(yán)重。這種方式生產(chǎn)的半焦約占半焦總產(chǎn)量的80%。神木縣政府已決定1999年底以前對這種生產(chǎn)方式予以取締。(2)89型焦?fàn)t,神木縣沙溝峁焦化廠、大柳塔新華焦化廠在采用山西介休89型焦?fàn)t技術(shù)基礎(chǔ)上改造了火道分布,吸收了山西榆次91型箱式爐組合密封頂蓋技術(shù)建起了箱式平爐,長為19.20m,寬為3.08m,高為1.80m,噸半焦投資約在80元左右。生產(chǎn)過程是將塊煤送入箱式爐點燃,煤煙從煙囪排出,炭化時間3～4天,用水熄焦。然后出焦、破碎、分篩為產(chǎn)成品。大約1.8t塊煤生產(chǎn)1t半焦;煤氣焦油不回收,資源浪費嚴(yán)重,環(huán)境污染嚴(yán)重。這種工藝生產(chǎn)的半焦約占半焦總產(chǎn)量6%。這種爐型在中國主要用于冶金焦生產(chǎn),據(jù)統(tǒng)計1997年這種焦?fàn)t生產(chǎn)的冶金焦占全國焦炭產(chǎn)量的49.2%,1997年國家經(jīng)貿(mào)委發(fā)出通知,在1999年底以前淘汰這種爐型,屆時是否全部淘汰,未見到新的規(guī)定。(3)內(nèi)熱式直立爐,這種爐型是神木縣焦化廠生產(chǎn)爐,由鞍山熱能研究設(shè)計院設(shè)計,炭化爐高6.70m,炭化室長2.10m,寬為0.45～0.55m。煤氣、焦油進(jìn)行回收,采用冷煤氣熄焦。工藝主要為:將25～70mm的塊煤送入焦?fàn)t頂部,煤料自上而下緩慢下移,逐步升溫炭化,然后逐漸降溫熄焦。大約1.6t塊煤生產(chǎn)1t半焦,半焦固定碳在85%左右,這種爐型生產(chǎn)的半焦占半焦總產(chǎn)品的14%。這種工藝存在的主要問題是,投資高,噸半焦投資超過300元;干餾過程中大量吹入空氣,局部溫度過高,煤塊灰化,風(fēng)口結(jié)渣,影響運行,生產(chǎn)成本高,市場競爭力不強,附產(chǎn)品煤氣熱值低,不便利用。在內(nèi)熱式直立爐的基礎(chǔ)上,神木縣一些企業(yè)對焦化爐進(jìn)行了改進(jìn),減化了廠房設(shè)施,改變了炭化室容量和結(jié)構(gòu),將內(nèi)熱式改為炭化室上部內(nèi)熱式,下部再由回收煤氣加熱為外熱式,將用煤氣熄焦變?yōu)樗ń?。大量壓縮投資,噸焦投資大約100～130元,降低了生產(chǎn)成本,但內(nèi)熱式直立爐存在的其它問題仍未得到解決。3.2焦油回收干餾工藝的發(fā)展近年來,許多專家和生產(chǎn)單位對半焦生產(chǎn)提過許多建議,有內(nèi)熱式的,也有外熱式的,有回收煤氣焦油的,也有不回收煤氣焦油的各種干餾工藝,大約有十幾個方案,綜合起來,有代表性的可取的干餾方案有以下幾種。(1)臺煤調(diào)濕風(fēng)選系統(tǒng)這種爐型是廣東省茂名市用于處理油質(zhì)巖方型氣燃爐群。建議用在榆林煤干餾上。這種方案是將24臺爐并列為二行,使用同一爐架和上煤出焦系統(tǒng),分為2個爐群,每12臺為一組,共用一套循環(huán)系統(tǒng),爐頂采用魯奇爐煤倉結(jié)構(gòu),煤塊通過4個條型通道進(jìn)入干餾室,避免上下竄氣,全爐分為兩段上部為干燥干餾段,花墻噴孔以下為冷卻段,冷卻后的半焦進(jìn)入爐底水封,采用液壓拉焦盤和埋刮板水封出焦。煤氣和空氣在高文氏管內(nèi)混合均勻,噴入花墻內(nèi)燃燒,熱煙氣在花墻孔噴出,進(jìn)入爐內(nèi)與循環(huán)冷煤氣及水封產(chǎn)生的水蒸汽,混合成供干餾用的熱載體,將塊煤加熱,煤干餾后形成的半焦由出焦裝置排出爐外,煤氣由爐頂引出進(jìn)入冷卻回收系統(tǒng)。噸半焦投資大約需要240元。(2)窯壁熱解煤料的制備原料煤經(jīng)電磁振動給料機連續(xù)由回轉(zhuǎn)窯窯尾料斗加入窯內(nèi),煤料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)隨窯體緩慢旋轉(zhuǎn),下行,通過吸收窯壁熱量經(jīng)次預(yù)熱、干燥、熱解,生成半焦由窯頭卸入料管,落入窯下冷卻機內(nèi)噴水冷卻。窯內(nèi)煤料熱解的荒煤氣由窯尾焦氣管收集,冷卻后進(jìn)入氣液分離器,煤焦油分離后一部分煤氣送入回轉(zhuǎn)窯頭與空氣混合燃燒加熱窯壁,再傳熱給煤料。噸半焦投資大約200元左右。(3)尾出窯車的煤料利用裝好煤料的窯車從窯頭推入隧道窯中,依次通過預(yù)熱干燥段、干餾段、冷卻段后由窯的尾部出來,即窯頭進(jìn)一車,窯尾出一車。窯車中的煤料在預(yù)熱干燥段、干餾段吸收熱幅射進(jìn)行熱解,荒煤氣由窯頂集氣管進(jìn)行回收,冷卻后分離煤氣和煤焦油,回窯煤氣由煤氣總管、主管、支管引入干餾段各燃燒室進(jìn)行燃燒,再將熱傳給煤料。噸焦投資80元左右。(4)原料煤熱解的制備以半焦為原料是國際上比較成熟的干餾工藝,采用固體熱載體快速熱解最先用于生產(chǎn)城市煤氣和半焦,后來又用于熱解原油生產(chǎn)乙烯。該工藝主要是將預(yù)熱過的煤(100～120℃)和800℃的熱載體半焦進(jìn)行混合,半焦是干燥煤量的2～6倍?；旌虾蠹訜嶂?00～700℃送入反應(yīng)器中進(jìn)行熱解,熱解產(chǎn)物經(jīng)除塵器去冷卻回收系統(tǒng)得焦油、煤氣。半焦部分排出,部分去提升管內(nèi)進(jìn)行部分燃燒,繼續(xù)作為熱載體進(jìn)行原料煤熱解。大連理工大學(xué)煤化所在總結(jié)國內(nèi)外多種干餾工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)了這項熱解技術(shù),1991年5月用實驗裝置以神府礦區(qū)大柳塔礦原煤為原料進(jìn)行了實驗,取得了較為理想的效果。3.3煤干餾工藝的研究建議(1)煤炭干餾投資必須少、產(chǎn)品成本必須低、質(zhì)量必須穩(wěn)定。內(nèi)熱式直立爐投資高,其重要原因是產(chǎn)量低,內(nèi)熱直立式爐爐內(nèi)溫度不均勻,煤料粒度不均勻,煤料從爐頂部進(jìn)入炭化室到出焦,即從干燥段、干餾段、冷卻段到出焦在爐內(nèi)停留6～7h,而神木縣焦化廠將馬弗爐分別加溫到660℃和800℃以30～40mm的煤塊為原料進(jìn)行干餾試驗,得出下列2組數(shù)據(jù)。神木焦化廠對煤塊在馬弗爐干餾試驗數(shù)據(jù)見表7。從表7中可以看出溫度分別在660、800℃對煤料進(jìn)行干餾從半焦揮發(fā)分看,15min完全可以滿足要求。因此,改進(jìn)工藝,保證干餾段溫度均勻,也就保證了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,提高了產(chǎn)量。這方面工作潛力大,完全有可能將半焦投資降到80元/t以下。提高了產(chǎn)量、降低了投資,生產(chǎn)成本隨之而降,就可以克服榆林半焦產(chǎn)品運距遠(yuǎn)、運費高這一劣勢,在市場上增強了競爭力。(2)煤炭干餾必須充分考慮副產(chǎn)品煤氣和煤焦油的加工利用。根據(jù)計算和實踐得出榆林地區(qū)煤干餾后主產(chǎn)品半焦占干餾煤料的68%,副產(chǎn)品煤氣占25%,煤焦油占7%,副產(chǎn)品比重大。煤氣是一種很好的產(chǎn)品,可以供城市煤氣也可以作化工原料和其它工業(yè)燃料,要提高煤氣質(zhì)量,干餾爐型研究選擇上要特別注意。神木焦化廠煤氣和冶金焦?fàn)t煤氣對比見表8。神木焦化廠煤氣中H2、CH4、CmHn只占26.7%,所以熱值低只能作為工業(yè)燃?xì)饫?。煤焦油也是一種很好的化工原料,經(jīng)分析神木焦化廠煤焦油是低溫和中溫焦油的混合體,雖可提取輕油0.23%,酚油0.18%,工業(yè)萘6.16%,洗油23.82%,蒽油40.11%,中溫瀝青28.5%,但在加工上由于有低油焦油存在,可能增加一定困難。所以在研究煤炭干餾工藝過程中,必須綜合考慮有利于副產(chǎn)品加工利用。(3)煤炭干餾研究必須在工藝上考慮環(huán)境保護(hù),特別是污水處理,煤干餾過程中產(chǎn)生的污水主要是含酚污水,人們長期飲用受酚污染的水,會引起頭暈、出疹、騷癢、貧血和精神系統(tǒng)病癥。對含酚污水治理投資也大,運行費用也高,會加大建廠投資和生產(chǎn)成本。所以在干餾工藝選擇上,在熄焦方式的選擇上應(yīng)綜合考慮,工業(yè)廢水要在不影響產(chǎn)品質(zhì)量情況下進(jìn)行工業(yè)利