褐煤低溫干餾原理及工藝分析

劉彥強

（中海油大同煤制氣項目組，山西 大同 037100）

1 低溫干餾原理

低溫干餾，是煤干餾方法之一，指采用較低的加熱終溫（500～600℃）使煤在隔絕空氣條件下，受熱分解生成半焦、低溫煤焦油、煤氣和熱解水的過程。

1.1 煤干餾機理

目前普遍認為煤的干餾過程是自由基反應的過程［2］。煤的干餾首先是弱鍵受熱斷裂，主要是-CH2-、-CH2-CH2-、-O-、-S-S-和-CH2-O-等一些與結構單元相連接的橋鍵發生裂解變成自由基。通過電子順磁共振的研究發現，在不斷的加熱過程中，溫度達到300℃左右時，煤中就會產生自由基，且自由基的濃度隨著溫度的升高會不斷增多，這個過程與熱解低級烴的過程相似，都是按照自由基的鏈式機理進行的［3］。自由基緊接著與氫結合轉變成揮發分，如果反應因缺少氫而不能進行，則自由基之間相互發生聚合生成半焦或者焦炭。

1.2 煤干餾的一般特征

褐煤干餾的大致分為三個階段，即干燥脫氣階段、第一次受熱熱分解的階段和第二次受熱熱分解的階段。

1.2.1 干燥脫氣階段

褐煤的干燥脫氣發生在常溫到300℃附近，褐煤中含有大量的水分，受熱時蒸發脫出，大部分水分在溫度達到200℃時已經蒸發。一些附著在煤的孔隙中的氣體同時脫出，溫度超過200℃后，褐煤中發生脫羧基的反應，大量的CO2氣體在這個階段從煤中脫出。部分年輕的褐煤在此過程中由于脫水作用引起煤結構的改變，崩裂導致細微粒度增多，產生大量的煤粉塵。

1.2.2 第一熱分解階段

褐煤在300℃到600℃左右發生劇烈的反應，此階段為褐煤的活潑分解階段，褐煤中的大分子結構單元大量分解解聚，生成大量的揮發氣體，主要是H2、CO、CH4等可燃性氣體，半焦是第一熱分解階段的主要固體產物，另外，焦油也在這個階段大量生成。

1.2.3 第二熱分解階段

大約600～900℃是煤干餾的第二熱分解階段，這個階段的主要反應有三類：即氫的脫落反應；芳香烴側鏈連接的小分子如甲基等的反應；聚合反應。焦油蒸氣由于在高溫下發生了二次熱解，因此焦油產率在這一階段隨著溫度的升高反而下降，揮發分的析出在此階段也逐漸下降。在這個階段固定碳的含量不斷增加，煤氣濃度也大幅度的提高，其中以H2含量增加最快。這個階段的主要固體產品仍然是高固定碳含量、低揮發分的半焦，焦油產率降低，而煤氣產量有較大的提高。

2 國內外褐煤低溫干餾技術工藝

2.1 DG工藝

DG工藝是將熱解后的半焦作為熱載體，與煤混合后加熱，熱解得到半焦、煤氣和焦油的技術，全稱為固體熱載體熱解工藝，是大連理工大學開發的，已經進行了工業試驗，取得了巨大的成功，這種工藝的主要特點是：固體產物半焦的發熱量顯著提高，可用于水煤漿氣化；液體產物焦油的黏度和凝點都很低，有利用進一步加工；氣體產物煤氣的熱值很高，能夠用于合成氣；易于和其他煤化工加工技術配合實行多聯產；對原料的利用效率相當高，可有效解決褐煤利用效率低的問題。DG 工藝主要由三個系統組成，分別是脈沖氣干燥預熱系統、熱煙氣發生系統、熱載體提升循環和混合熱解反應系統。

2.2 流化床熱解聯產工藝

此工藝由浙江大學開發，其典型特點是干餾得到的半焦和放熱后的循環灰一起進入循環流化床鍋爐，燃燒產生的過熱蒸汽用來供熱和發電。在氣化爐中干餾產生的煤氣經過處理后輸出作為產品出售。工藝程如圖3-1所示。

圖3-1 流化床熱解工藝流程圖

2.3 MRF工藝

此工藝由煤科總院北京煤化所研發，適用于塊狀低階煤的干餾。選取的原煤粒度為6～30mm，首先采用外部加熱干餾原煤，干餾產生的半焦再轉入到增碳爐中進行提質，得到低揮發分的半焦。該工藝典型特點是產物容易分離，且能得到高質量的煤氣、半焦。

2.4 魯奇-魯爾煤氣法

魯奇-魯爾煤氣法簡稱LR 工藝，由德國Lurgi 和Ruhrgas兩個公司聯合開發，是一種主要用于高揮發分的低階煤制取多量焦油的固體熱載體法工藝。它的工藝流程主要包括熱載體收集槽、提升管、干餾反應器和螺旋式的混合器所組成的循環系統，核心設備是雙螺旋式混合器。該工藝與其他工藝相比，優勢在于設備結構比較簡單，產油率較高且能耗很低。

2.5 西方熱解法

西方熱解法又稱作Garrett法，是Garrett公司開發。該工藝比較成熟，其特點是用干餾半焦作熱載體，快速干餾以防止焦油進行二次熱解，目的是提高焦油的產率。不過該工藝處理原煤量比較小，原因是原煤與半焦熱載體的充分熱接觸加劇了煤的微粉碎，從而使循環的半焦熱載體增多。

2.6 二段加熱改質工藝

二段加熱改質工藝是由日本日立公司和丸紅公司聯合開發，原煤經過干燥后先在250～450℃間進行輕度熱解，再進行冷卻，然后用熱解過程中產生的焦油進行涂敷，以減少煤表面的孔隙，大大改善了提質煤的自燃性。實驗發現二段加熱改質工藝使提質煤的工藝性質得到了明顯的改善。

2.7 TOSCOAL法

TOSCOAL法原先是為開發油頁巖資源而設計的，后來進行了改進，用于煤的干餾。與其他干餾工藝相比，TOSCOAL法的不同之處在于它使用的熱載體是陶瓷球，也是快速熱解以便得到液體產品焦油。但其明顯劣勢是煤在熱解過程中到達黏結性階段時會附著到陶瓷球上，使工藝能效降低。

2.8 3TX（ETCh）-175工藝

該工藝是由俄羅斯開發的固體熱載體粉煤干餾技術，其工藝流程為：低階煤首先破碎，然后用煙道氣進行干燥脫出大部分的水分，干燥后的粉煤送入氣流式預熱器中預熱后與熱載體混合干餾，分離處理得到產品煤氣和焦油，生成的半焦由干餾室排出用于發電。

3 結論

褐煤低溫干餾工藝較多，比對其優缺點發現選取何種工藝技術，需要綜合考慮褐煤原料煤質、目的產物產率、投資費用、工藝能耗和三廢排放等因素，褐煤低溫干餾工藝的優化和選取需要綜合工藝的技術性和經濟性。

［1］李春柱.維多利亞褐煤科學進展［M］.北京:化學工業出版社，2009.

［2］鄒繼軍.對褐煤綜合利用的幾點認識［J］.科技信息，2009，（25）:362.

［3］賀永德.現代煤化工技術手冊［M］.北京:化學工業出版社，2004.