煤炭深加工技術及應用

賈寶龍

(山西焦煤集團西山煤電馬蘭礦選煤廠，山西 古交 030205)

煤炭深加工技術及應用

賈寶龍

(山西焦煤集團西山煤電馬蘭礦選煤廠，山西 古交 030205)

煤炭深加工技術在現代社會中已得到廣泛應用和發展，通過各種技術的利用可提高煤炭的能源利用率，實現煤炭能源的清潔、高效利用。

煤炭深加工；氣化技術；液化技術；應用

煤炭深加工是實現我國高煤炭能源利用率的重要途徑，也是我國實現節能降耗的主要措施之一，與石油資源開發及利用、水資源開發及利用和燃氣資源開發及利用等一起構成了我國節能降耗系統，不但有利于我國工業的發展，而且在很大程度上促進了我國社會經濟、人民群眾與自然生態環境的和諧相處及健康持續發展。所以，應深入了解和掌握煤炭深加工技術，并將煤炭深加工技術應用到實際煤炭資源開發與利用中去。

1 煤炭氣化技術

煤炭氣化，簡單來說，是將固體的煤通過多種加工程序，將其轉化為氣態形式。具體是指，將固體煤放進指定且經過特殊設計的容器或設備中，放入氣化劑(如蒸汽、空氣和氧氣等)，并將設備中的壓力及溫度提高到固體煤氣化的壓力點及溫度點上，以促進固體煤中有機物質與氣化劑進行化學反應，最終把固態的煤轉變成可燃氣體或者非可燃氣體的一個化學變化的過程。其中，可燃氣體主要包括CH4、CO、H2等，非可燃氣體包括CO2、N2等。在煤炭氣化的整個過程中有如下幾個必不可少的因素，即氣化爐(特定氣化設備)、氣化劑、熱量(實現壓力與溫度的提高)，三者缺一不可[1]。

煤炭氣化過程中會發生一系列化學及物理反應，通常情況下的反應有熱解反應、氣化反應和燃燒反應。其中，煤的熱解反應是指固體煤轉變成氣化物、固化物、液化物的過程；煤的氣化反應和燃燒反應主要是指非均勻形態煤炭轉變成固態物和氣化物的過程。總之，不同煤炭原料對應的氣化工藝不同，煤炭加工人員進行加工時要充分考慮氣化用煤的特性及其影響。

1.1 固定床氣化技術

將煤和氣化劑分別從氣化爐的頂部和底部加入，使得原煤和氣化劑進行逆流接觸，這個過程中，氣體上升速度急劇加快，固態的煤逐漸下降，兩者之間形成了高壓強，最終實現煤炭氣化。

1.2 流化床氣化技術

先將0 mm～10 mm粒度的小顆粒煤炭放入氣化爐作為氣化原料，然后對懸浮分散且垂直在氣化爐內氣流中的小顆粒煤炭進行氣化反應，以實現煤料層溫度的均勻，該溫度層的溫度易控制,進而實現小顆粒煤炭的氣化，達到高氣化效率。

1.3 氣流床氣化技術

氣流床氣化技術是一種并流氣化過程，其煤炭氣化原理是，先采用氣化劑將<100 μm粒度的煤粉帶入氣化爐內，然后使用泵將煤粉及氣化劑打入氣化爐內，最后將氣化爐加溫到煤粉熔點處，促使煤粉與氣化劑發生燃燒反應和氣化反應，最終實現煤粉氣化。

1.4 熔浴床氣化技術

熔浴床氣化技術的原理是，使用切線方向高速噴入的方法，將粉煤和氣化劑噴入到熔池內，該熔池里面溫度非常高且比較穩定，此間熔融物就會進行螺旋狀旋轉運動，進行氣化反應，最終達到粉煤氣化的目的。

2 煤炭液化技術

煤炭液化技術，顧名思義就是指，將固態煤炭轉化為液體燃料、化工原料和產品潔凈煤的技術，包括直接液化和間接液化2種煤炭液化技術。

2.1 直接液化技術

煤炭直接液化法的原理是，將煤炭作為原料，通過增加液化設備中的溫度及壓強，將煤炭中固態氫元素直接液化成烴類化合物，最后通過精煉法制取潔凈、優質的汽油和柴油等燃料成品油。具體的液化過程是，先將煤磨成粉，然后將煤炭自身產生的液化重油直接配成煤漿，并在450 ℃高溫和30 MPa高壓下將氫加入其中，進而實現煤炭向汽油和柴油等燃料成品油的轉化[2]。

2.2 間接液化技術

煤間接液化技術流程如下：先把煤放到氣化爐進行煤氣化，然后將生成的煤氣轉化成合成氣，轉化的合成氣又作為下一環節的原料，通過合成費-托(F-T)法將合成氣轉化為烴類化合物，最后通過精餾將相應液體燃料及化學品產出。間接液化的技術特點是，1) 直接液化的煤種廣泛；2) 可以在已有氣化爐基礎上合成汽油；3) 反應壓力低于直接液化，反應溫度高于直接液化[3]。

3 煤炭深加工技術的應用

3.1 煤炭氣化技術的應用

3.1.1 制取工業燃氣

當被轉化煤氣處于熱值4.60 MJ～5.65 MJ時，可以通過正常壓強下的固定床氣化爐和流化床氣化爐實現工業燃氣的制作。工業燃氣是工業中不可缺少的生產環節，沒有燃氣，工業生產活動就難以正常開展，所以，將煤炭氣化技術廣泛應用于工業燃氣的制作，不但有效地提高了工業燃氣生產效率，滿足了工業發展對燃氣的需求，而且使工業發展適應了節能減排發展趨勢，實現工業的健康可持續發展。目前，工業燃料不但被應用在工業領域，而且被廣泛應用在衛生事業、建材產業、輕紡制造業、食品產業等領域。

3.1.2 制取民用煤氣

煤氣還被廣大人民所需要，所以要積極利用煤炭氣化技術，實現民用煤氣的大量和高效生產。民用煤氣的制作原理主要是，將已經被生產出來的氣態煤放入焦爐(以魯奇爐最佳)，然后將熱值加至12.56 MJ～14.65 MJ，并保證加熱過程中φ(CO)<10%，進而制作出民用煤氣。民用煤氣與直接燃煤相比，不但實現了煤效率的提高和環境污染的減輕，而且在很大程度上方便人民生活，充分體現出民用煤氣的良好社會效益與環境效益。另外，在民用煤氣制作中，要盡可能提高可燃氣體H2、CH4等的凈含量，降低CO等有毒氣體的凈含量，以提高煤氣熱值[2]。

3.1.3 用作化工合成和燃料油合成原料

煤炭氣化技術可用于化工原料的合成，也可以作燃料油原料的合成等。煤炭氣化技術可以實現的原料合成包括氨原料合成、甲烷原料合成、烯烴原料合成、合成甲醇原料、醋酐原料合成、二甲醚原料合成和液體燃料合成等。

3.1.4 制取聯合循環發電燃氣

利用煤炭氣化技術制取聯合循環發電燃氣(IGCC)的原理是，通過對煤進行加壓氣化，以實現煤氣凈化后燃燒為煙氣驅動燃氣輪機提供高溫，進而驅動燃氣輪機的發電，然后利用驅動燃氣輪機的余熱，形成高壓驅動蒸汽輪機發電的過程。在進行IGCC制取過程中，煤氣的熱值要求并不高，但對煤氣的凈化度要求非常高。與IGCC相對應的煤氣化技術包括固定床加壓氣化(魯奇爐)、氣流床氣化(德士古)、加壓氣流(Shell氣化爐)[4]。

3.1.5 制取煤炭氣化燃料電池

煤炭被氣化后，可直接作為燃料電池的制取原料，燃料電池的制取原料除了煤氣以外，還包括H2、天然氣等，其制取原理主要是，對這些燃料進行電化學反應，來實現燃料向電的轉化過程，是一種化學反應轉化技術。目前，主要的化學反應轉化類型包括磷酸鹽型(PAFC)、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固體氧化物型(SOFC)等。與煤氣化技術結合發電的技術包括IG-MCFC和IG-SOFC，使發電效率提高到55%。

3.1.6 煤炭氣化制氫

在電子、冶金、玻璃生產、化工合成、航空航天和氫能電池等領域，氫氣被大范圍應用。煤炭氣化技術也成了制取氫氣的主要技術手段。煤炭氣化制氫的原理是，先將煤炭轉化成CO和H2，然后通過變換反應將CO轉換成H2和CO2，最后通過低溫的方法將CO2分離，實現高純度氫氣的獲取[5]。

3.2 煤炭液化技術的應用

煤炭液化技術的應用，主要體現在煤炭液化后煤產物的應用，即液體燃料的應用，主要包括甲醇燃料的應用和甲醇下游產品的應用。

3.2.1 液體燃料的應用

1) 甲醇燃料的應用

甲醇是目前使用最多且使用效果最佳的替代燃料及基礎化工原料，具有常溫液態、方便運輸和易操作等特點和優勢，已經得到世界多數國家的認可和應用。在我國，隨著經濟及科學技術的發展，對甲醇的需求量日益增加，相應的市場也在不斷擴大，提高甲醇產量成為我國煤炭深加工的重要任務之一。據統計，我國甲醇產能與產量的增長速度每年高達15.23%和24.21%，2015年中國甲醇產能高達6 890萬t，主要甲醇生產企業分布在內蒙古、山東、河南、陜西等省[6]。

2) 醇-醚燃料的應用

醇-醚燃料的制作原理是，將甲醇和二甲醚按合理比例配制，具有清潔、完全燃燒、使用方便和燃燒效率高等特點和優勢，有效解決了甲醇燃料難以點燃的問題。主要缺點是，在燃燒時需要添加預熱器等。主要作用作為二甲醚、乙醇和乙二醇的生產原料，其用途在于摻入汽油作為汽車燃料。

3) 甲醇制氫的應用

甲醇還可以應用在燃氣氫的制作中，其制作原理是，通過水蒸氣將甲醇進行機理結構的重組，進而實現氫氣的制取。主要作用在于，作為燃料電池氫源或燃料電池燃料，成為比較有潛力的甲醇燃料消費市場。

3.2.2 甲醇下游產品的應用

1) 制取二甲醚的應用

作為甲醇的下游產品，二甲醚占據著比較重要的地位，制作二甲醚的過程中離不開甲醇，二甲醚可以作為汽車燃料的替代品，是比較優質的柴油發動機燃料的替代品。與原甲醇燃料相比具有較高的十六烷值(50～55)，同時還具有良好的低溫啟動性和加速性，所以其燃燒效果優于甲醇燃料[7]。

2) 制取MTBE、TAME及碳酸二甲酯的應用

MTBE(甲基叔丁基醚)、TAME(甲基叔戊基醚)和碳酸二甲酯都是利用甲醇制作而成。其中，MTBE的制作原理是利用甲醇和異丁烯進行化學反應，可作為汽油的含氧添加劑和溶劑，不但有效提高了汽油的抗爆性，而且在很大程度上提高了汽油辛烷值，曾被稱為“第3代石油化學品”。據相關統計及報道顯示，我國2015年MTBE的制取平均每年要消耗215萬t甲醇。

3) 用于生產甲醛、醋酸等相關化學品

甲醇除了能夠制取二甲醚、MTBE、TAME及碳酸二甲酯以外，還能夠制取很多化工用品、醫療藥物及農藥等，已經被廣泛應用于化工業、醫療事業和農業。如，醫療事業中用于尸體保存的藥物——福爾馬林，其功能在于殺菌和防腐，甲醇含量高達40%。另外，還被用于各種樹脂原料生產、民用材料生產、塑料材料生產、膠粘劑生產和涂料生產、螯合劑EDTA生產、紡織物整理劑生產、醋酸生產、醋酸乙烯生產、醋酸纖維生產、苯二甲酸二甲酯(DMT)生產、甲基丙烯酸甲酯(MNA)生產、聚乙烯醇生產和硫酸二甲酯等生產[8]。

4 結語

隨著全球石油需求量劇增及石油供給問題的出現，使石油供應量呈現不斷下降趨勢，致使全球各國面臨嚴重的能源危機，并對世界各國經濟安全產生了強烈的影響，這引起了各國對新能源、可再生能源和替代燃料的深入探索，希望能夠緩解日益嚴重的能源危機。所以，煤炭深加工技術理應在現代社會發展中得到廣泛應用和發展，更應該受到人們的高度重視。煤炭深加工技術的利用，不但提高了煤炭能源的利用率，而且有效地提高了煤炭能源的純度及質量。

[1] 周國有.依托煤炭深加工技術,提升煤礦生產質量[J].質量探索,2016(2):62-63.

[2] 馬志宏.試論煤炭深加工技術及應用[J].機械管理開發,2016(7):145-146,174.

[3] 傅海峰.煤氣化技術在煤炭深加工示范項目中的應用[J].化工管理,2016(16):211.

[4] 劉祥.探討煤炭深加工示范項目中的煤氣化技術[J].中國石油和化工標準與質量,2016(16):97-98.

[5] 徐振剛，張飛.煤炭深加工示范項目中的煤氣化技術[J].煤炭加工與綜合利用,2014(2):22-28,9.

[6] 劉致強，董睿敏.我國煤炭深加工產業發展現狀述評[J].煤炭加工與綜合利用,2014(4):7-17,1.

[7] 韓紅梅.我國煤炭深加工產業發展現狀及形勢分析[J].煤炭加工與綜合利用,2014(8):1-10,14.

[8] 溫亮，杜善明.“十三五”期間煤炭深加工產業發展探討[J].科技和產業,2014(11):33-37,65.

Coal deep processing technology and its application

JIA Baolong

(Shanxi Coking Coal Group Xishan Coal Electricity Malan Coal Preparation Plant, Gujiao Shanxi 030205, China)

In recent years,with the increasing demand for oil in worldwide, there are some problems in oil supply. The amount of oil supply is decreased, and the world is facing a serious energy crisis, and the world’s economic security has been strongly affected. Various countries have begun to explore renewable energy and alternative fuels in order to relieve the increasingly serious energy crisis. Therefore, with the wide application and development of coal deep processing technology in modern society, people pay more attention to coal deep processing technology and improve the energy utilization of coal by using a variety of techniques to achieve the clean and efficient use of coal energy.

coal deep processing; gasification technology; liquefaction technology; application

2016-12-15

賈寶龍，男，1976年出生，1997年畢業于山西西山煤電技校選煤專業，從事煤炭深加工技術及應用工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.02.26

TQ53

A

1004-7050(2017)02-0080-03

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