【工艺技术】低阶煤分级分质利用

Moia藏经阁 2017-02-09

展开全文

低阶煤最大特点：水分大、发热量低、挥发分高，褐煤尤其是年轻褐煤当中往往含有褐煤蜡、腐植酸、锗等稀有资源。所谓的分级分质利用，就是依据煤自身的特点进行开发相关产品或清洁能源，使其资源、效益最大化。通常所说的分级分质利用是指以煤热解为先导，把煤当中的有机质分成两部分，挥发分（油和气）和固定碳（半焦），然后分别加以开发与利用。在获得清洁能源同时，可有效缓解我国对石油、天然气对外依存度，为保障国家能源安全起到良好补充作用。煤的分级分质利用是实现煤炭清洁高效利用，切实推动我国能源生产革命、煤炭供给侧改革、煤炭行业转型升级的重要有效途径，完全符合《国家“十三五”规划纲要》，将在“十三五”期间获得有力政策倾斜，迎来难得的发展机遇。

据笔者多年研究和生产实践，浅谈一下体会，供业内人士参考。

热解工艺技术的选择

如何选择和设计热解工艺技术，是实现煤炭分级分质利用核心所在，要结合自身煤质特性和目标产品来选择或设计热解工艺技术，尤其是干馏炉设计、选型及与其相对应的油气回收工艺技术。

1、按煤的粒度等级选择相适应的干馏技术

如按20-80mm、8-20mm、<>

2、入干馏炉前的煤必须干燥

干馏产生的废水为难降解的高浓度有机废水。入炉煤干燥主要目的就是降低工艺废水量，在干燥脱水过程中还可回收水资源。同时，也相对提高了废水回收酚、氨的经济性（工艺废水量，只是热解水在5%左右，所以酚、氨的浓度相对较高）。此外，也大大降低了干馏供热（若煤以15%水分入炉，热解温度为550℃。干燥脱水与热解供热大体相当，也就是说，煤的热解很大一部分热量消耗脱水上）。

3、干馏炉最好选择移动床渐温热解形式

移动床干馏炉，除出焦系统外，均为静体设备，设备磨损少、动力消耗低。热解又为渐温热解过程，热解产生的油气逐渐上升，遇冷煤重质焦油便凝析，随煤的下行又进入高温区，重质焦油会二次热解，产生轻质油；移动床，煤层之间有很好的过滤作用。渐温热解，煤的热崩碎几率小。所以油气当中的粉尘少，易于除去，确保油品质量。

4、油品按温度梯度进行回收

煤的热解，犹如焦油的常压蒸馏过程，所以油品的回收最好按温度梯度进行。如在油气除尘之后，水露点之前，采用直冷（油洗油）和电捕联合方式回收重油，该油为无水、无尘重油，无需进行油水分离（重油密度与水相当，油水分离效果差。也为后面的油水分离奠定了基础，因后面的油与水密度差大。如果重、中、轻油混在一起，进行油水分离，其效果远不如此，所以这样有利于油品质量提高）；在水露点之后，采用间冷和终冷方式回收中油，该油与水的密度差较大，油水分离相对容易；煤气当中的气体汽油回收，采用吸附和电捕方式回收轻油。该轻油可以用来洗涤干馏炉出口含尘油，稀释后的含尘油黏度低，便于液固（油尘）分离，以便回收含尘中的重油。轻油再通过蒸馏形式加以回收，或往复使用。

这种油气回收方式，把油分成重、中、轻三种油，有利于油品质量提高（含水少），也有利于企业经济价值提高，也有利于后续油品加工。如重油提蜡后，加氢形成重柴油组分，或直接作为工业燃料油，或直接作为炭黑原料油等；中油提取化学品（酚、吡啶等）后，加氢形成石脑油、轻柴油等；轻油为经济价值最高的油品，为汽油馏分，通过简单精馏或加氢，可获得溶剂油和优质汽油。

油水分离效果直接关系到油品质量，对焦油后续加工十分重要。

焦油脱水的程度和处理同量焦油的蒸馏时间关系：

含水量蒸馏时间

0.5—1.0% 16—20小时

2.0—3.0% 22—26小时

5.0—12% 36—48小时

5、热解应在富氢环境下进行

煤在热解过程中，是其本身的有机分子先受热分解生成不稳定的裂解自由基“碎片”，此时若有足够的氢（活性氢）存在与其发生反应，则自由基碎片就能饱和而稳定下来，生成液体产物；如果氢不够或没有，则自由基碎片之间相互结合转变为不溶性的焦。富氢环境下热解，就是通过外加氢来饱和煤热解产生的自由基，避免自由基间相互聚合发生二次反应，使自由基与氢结合生成轻质焦油，从而提高产油率；富氢环境下热解，另一大特点在于能明显提高油品质量，在临氢、催化及一定温度压力作用下，煤焦油发生加氢脱硫、加氢脱氮、加氢脱氧、加氢脱金属、烯烃和芳香烃加氢饱和以及加氢裂化（使没转化油进一步裂化成轻组分，提高轻油收率）等反应，达到除掉油品中的硫、氮、氧等杂质及金属杂质并使烯烃饱和的目的，大大提高油品质量和使用性能；此外，氢分子小，传热系数、效率高，有利于干馏过程供热。

一般的加氢热解需要纯氢作为热解反应气，昂贵的氢气原料以及制氢所必需的气体分离、净化与循环等复杂的工艺过程，增加了加氢热解工艺的成本与投资费用。所以，寻找廉价的富氢气氛代替纯氢进行煤加氢热解以降低其成本已成为加氢热解工艺发展方向，如热解自产的煤气、气化产生的煤气、焦炉煤气、热解炭黑尾气等。在高压下热解，油气在富氢环境下停留时间长，也有利于轻质油产生。所以，高压富氢环境下热解，有利于产油率和油品质量提高。在热解过程中，还可添加适当催化剂，实现催化加氢热解，会使其更加完美。煤加氢热解成了介于气化和液化之间的第三条具有吸引力的煤转化途径。

目前煤的热解技术主要存在问题：

1、块煤气体热载体热解技术相对比较成熟，如鲁奇三段炉、三江炉等，主要问题，热解煤气被惰性气体冲稀，热解煤气热值低，不好利用。若以自产热解煤气作为热载体，需要解决循环煤气带油问题，否则加热炉积碳、结焦很难保证装置正常连续进行。

2、小颗粒热解大部分采用固体热载体或气固热载体方式，如大连理工的半焦热载体、浙江大学的循环流化床热灰热载体等，最大技术瓶颈就是油气除尘问题。该热解为等温热解，热解速度快，煤中的水分、挥发分瞬间逸出，煤的热崩碎现象十分严重，无形当中又给油气除尘增加了难度。此外，该热解技术设备磨损、动力消耗也比较大。

如何解决小颗粒热解油气除尘问题？笔者认为采用“预防、控制、把关”三原则，便可有效解决。预防，也就是说，设计干馏炉时要把所有问题要考虑清楚，在设计当中得以解决。如采用间接加热渐温热解方式，以防热崩碎。多层加热、集气、导出、布料，集气具有除尘功能，设计油气导出行走路线等等；控制，<><>

细煤粉可作为气化原料，或动力燃料。最好，作为腐植酸、土壤改良剂原料，可省去破碎环节。因低阶煤尤其是褐煤，活性好，腐植酸含量较高，通过氧化、催化水解形成小分子有机肥。我国农业土壤问题到了一个非治不可的关头，同时全面构建土壤环境治理体系也具备了“社会有共识，中央有决心，转型有要求，粮食有保障，食品有安全”的绝佳条件，煤制有机肥（腐植酸、土壤改良剂等）是一个非常有朝阳产业，市场前景广阔。同时，也有利于项目整体经济性的提高。

煤的干馏与半焦气化相结合形成煤制油、煤制气产业链

工艺技术：半焦气化获得气化煤气，再以气化煤气作为干馏热源，对煤进行热解获得油和气。从热解煤气、气化煤气分离出甲烷等轻烃物质，形成LNG（或CNG）、LPG等产品。热解煤气当中甲烷等轻烃物质含量较多，非常适合煤制气。解析气，再通过变换、变压吸附等获取氢，对提取化学品后的煤焦油进行加氢，便形成了煤制油。也就是说，通过煤热解、半焦气化便可形成煤制油、煤制气的产业链。

技术主要特点：

充分利用了半焦气化煤气显热及富氢特点，实现煤的富氢环境下热解。气化煤气不含有油，所以很容易在高温下进行气固分离（除尘），可为热解提供良好的热载体。

半焦气化，采用多元料浆气化。改变了低阶煤，尤其是褐煤成浆性差先天不足问题。关键是有效解决煤化工废水、废料老大难问题，使产业链废水、废渣处理简单化。不但节省大量投资，而且也大幅度降低成本。

与现代单独煤制油或煤制气相比优势明显：充分体现低阶煤特点，资源实现了阶梯利用，褐煤本身热解就可得到油和气（挥发分）。现代煤化工以煤气化为龙头，再合成油或合成气，岂不是走了弯路。热解与气化相结合、气化与环保相结合，便可形成煤制油、煤制气完整产业链。并且解决了煤化工废水、废渣处理难技术问题；节省大量投资及降低了成本。若以年处理1000万吨干煤为例，煤先干馏，半焦后气化，则气化装置只需650万吨便可，也就是说气化装置减少了35%的规模。而同等规模的干馏装置投资，只是气化装置的20%左右。其过程仅是一个热加工过程，常压生产，不用加氢，不用氧气，既可制得煤气和焦油，所以成本低；煤的热解不需要水，而且还可以回收水资源，有效缓解煤化工水容量大矛盾。

总结与建议

低阶煤分级分质利用首先要根据自家煤特点，制定总的开发工艺路线，尤其是要考虑褐煤（特别是年轻褐煤）富含蜡、腐植酸、锗等稀有资源特点。要把这些有机结合起来，如褐煤蜡、腐植酸、提完蜡煤低温干馏、半焦气化（详见笔者的《年轻褐煤商业开发价值》一文）相结合，煤低温干馏、锗提取、半焦气化相结合，煤热解、半焦气化、腐植酸相结合等等，形成一个以煤热解、半焦气化为主线的煤制油、煤制气现代煤化工循环经济产业链，完全可以规避目前现代煤化工低油价、效益差、环境压力大、水资源容量大等诸多不利因素影响，为煤炭行业目前转型升级、去产能化提供了新的思路，也充分体现了国家“煤炭分级分质利用”真正含义。