蘭炭生產工藝及應用研究

馬金霞，牛鴻權，張晉豪，屈桂洋，侯玲梅

（陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719400）

近年來，隨著優質高階煤資源的不斷消耗和減少，低階煤資源的應用變得越發重要，但低階煤硬度低、發熱量低、含水量大、揮發分高、燃燒性好、直接燃燒會排放大量的硫化物及粉塵，因此如何實現低階煤的高效轉化與清潔利用是重中之重。利用低溫干餾將低階煤轉化為蘭炭，同時生成焦油、煤氣，可實現低階煤向固態、液態、氣態的高效轉化利用，提高低階煤的附加值，是實現低階煤高效利用的有效途徑。同時，在某些應用中用蘭炭替代原煤，使煤炭更為清潔的轉化，是治理霧霾、降低污染、改善環境狀況的有效手段[1]。因此，蘭炭的高效轉化不僅是煤炭資源高效轉化利用的一部分，也是我國實現煤炭清潔轉化、防治污染、改善環境的重大舉措。本文介紹了4 種主要的蘭炭生產工藝技術，對比了這幾種工藝的特點，并對蘭炭的應用領域進行了綜述。

1 蘭炭生產工藝

在隔絕空氣或惰性氣體條件下，低階煤在600 ℃～700 ℃的溫度下進行熱解干餾產生的固體產品叫作蘭炭（又稱為半焦）。蘭炭具有高固定碳、高化學活性、高發熱量、低灰分、低硫和低揮發分等優點，且其比表面積與孔隙率較大。蘭炭產品特性和灰分組成見表1。

表1 蘭炭產品特性和灰分組成 %

目前低溫干餾制備蘭炭的工藝主要有：大連理工大學褐煤半焦提質煤工藝(DG 熱解工藝)、AOSTRA Taciuk Processor 熱解工藝(ATP 熱解工藝)、魯奇三段爐熱解工藝與SJ 低溫干餾熱解技術。這些熱解工藝對進料煤粒徑都有要求。

1.1 DG 熱解工藝

DG 熱解工藝流程示意圖見圖1。該工藝由大連理工大學自主研發，主要分為煤干燥、煤干餾熱解、半焦冷卻、流化燃燒、煤氣脫硫凈化等部分[2]，以自產半焦作為固體熱載體，原煤（粒徑小于6 mm）在提升管中經高溫煙氣干燥，通過分離器后進入反應器中，與高溫半焦進行換熱，發生熱解反應，產生半焦和氣態產物，一部分半焦通過再次加熱升溫并經提升管進入熱半焦罐，另一部分經冷卻后得到蘭炭；氣態產物經后續分離、冷卻、脫硫等得到焦油和煤氣。

圖1 DG 熱解工藝流程示意圖

1.2 ATP 熱解工藝

ATP 熱解工藝由UMATAC 工程有限責任公司開發，最開始是以頁巖灰作為固體熱載體，ATP 熱解工藝流程主要包括ATP 反應器、原料處理系統、燃燒空氣和燃燒爐系統、煙道氣處理系統、預熱蒸氣系統和烴蒸氣回收系統。ATP 熱解工藝流程示意圖見圖2，其中ATP 熱解工藝的核心是ATP 反應器，分為原料預熱區、反應干餾區和冷卻區。原煤（粒徑不大于12 mm）進入ATP 反應器，與燃燒后的半焦以及高溫熱瓷球換熱后發生熱解反應，生成半焦、氣體和焦油，半焦從反應器排出，氣體產物冷卻后經油品處理器處理得到焦油，剩余氣相經脫硫后續處理后得到煤氣[3]。

圖2 ATP 熱解工藝流程示意圖

1.3 魯奇三段爐熱解工藝

魯奇三段爐熱解工藝是一種直立式爐熱解工藝，其工藝流程示意圖見圖3。魯奇三段爐由干燥段、干餾段和冷卻段三部分組成。將備煤工段運來的合格煤（粒徑在20 mm～80 mm）首先裝至煤槽內，再進入干燥段的爐內，加入干燥段的塊煤向下移動，與送入爐內的加熱煤氣逆向接觸，并逐漸升溫，煤氣再從頂部排出。煤下落至干餾段，通過煤氣燃燒向干餾段提供熱量，進而發生煤熱解反應，伴隨反應產生半焦與粗煤氣，粗煤氣經初冷器冷卻后氣液分離出焦油，再經焦油捕捉器、冷卻器后得到煤氣，并在干燥段與干餾段作為氣體燃料進行循環，冷卻器冷卻下來的液體經分離器分離后得到焦油。干餾段生成的半焦因水分高，利用自產煤氣燃燒產生的熱來烘干后，進入冷卻段冷卻再排出，進一步可制得蘭炭[4]。

圖3 魯奇三段爐熱解工藝流程示意圖

1.4 SJ 低溫干餾熱解技術

SJ 低溫干餾技術是在魯奇三段爐的基礎上，經神木市三江煤化工有限責任公司改進研發的工藝技術[5]，該工藝主要以神木地區的塊狀煙煤為原料生產蘭炭，其工藝流程示意圖見圖4。和魯奇三段爐相似，SJ 低溫干餾爐也分為干燥段、干餾段和冷卻段三個部分，其中干餾段為干餾爐的主要部分。由備煤工段運來的合格入爐煤通過儲煤斗進入干餾爐并自上而下移動，干餾爐的上部為干燥段，塊煤在此段被加熱后進入中部的干餾段，在此發生干餾產生蘭炭和煤氣。干餾后的煤氣先后經文氏管塔、旋流板塔凈化冷卻后，一部分由鼓風機送入干餾爐內燃燒，對煤進行加熱干餾，另一部分放散。文氏管塔和旋流板塔分離出的液相焦油經沉降池脫水后由焦油泵送入焦油池，恒溫靜置后作為產品送出。沉降池分離出的氨水經氨水噴灑泵送至文氏管塔和旋流板塔對煤氣進行凈化冷卻。煤干餾固體產品蘭炭在干餾段下部通過冷卻段，經排焦箱冷卻，被推焦機推入熄焦池內，由刮板機刮出，出焦口設有烘干機烘干蘭炭。

圖4 SJ 低溫干餾工藝流程示意圖

對比這幾種工藝技術發現，DG 工藝的優點是焦油收率高，且更為環保，廢水少，但該過程氣固分離較為復雜；ATP 工藝煙道氣經過處理，環保性能提升，利用率高、經濟效益好，缺點是設備龐大和復雜，不易維護；魯奇三段爐的工藝優點是生產能力強、碳轉化率高，易于大型工業化，但存在環保成本高的缺點；SJ熱解干餾工藝生產力強，設備結構簡單，更易操作維護，工業化推廣應用比較成功。

2 蘭炭的應用

蘭炭因固定碳含量高、化學活性好、熱值高、燃燒后的灰分低、揮發分低且孔隙結構豐富等特點，已在多個行業得到應用。目前，蘭炭的應用市場主要包括電石、鋼鐵冶煉、化肥造氣、化工氣化、吸附劑、催化劑領域等，還可制備電極材料。

在電石領域，傳統的電石合成主要是依靠電熱法，但污染大和能耗高使得傳統以焦炭制備電石的方法面臨挑戰。已經有一些學者研究用蘭炭替換焦炭制備電石，林金元[6]將一部分蘭炭加入焦炭里制備電石，發現加入蘭炭后更易于電石爐的穩定以及增加產量、降低能耗；段賓等[7]通過將蘭炭粉與氧化鈣混合成型、經預炭化及高溫處理后制得電石，該工藝流程簡單，生產成本低，所制電石質量優，造成的環境污染小，企業效益高，有利于蘭炭產業的發展。

在化工氣化領域，蘭炭作為一種潔凈燃料，將其氣化生產出清潔的燃料氣，不僅能減少直接氣化煤所產廢水，還能降低對環境的污染。蘭炭與氣化劑（空氣與水蒸氣的混合物）在氣化爐中發生反應，生成煤氣，再經干燥、分離凈化得到合格煤氣；生成的煤氣能作為陶瓷用燃料氣，從而實現蘭炭作為燃料在陶瓷、玻璃、冶金、煅燒以及化工領域中的利用[8]。

在冶金領域，我國鋼鐵行業煉鐵多運用高爐噴煤工藝，高爐噴吹燃料主要使用的是無煙煤與煙煤，隨著高爐噴吹技術不斷發展與成熟，對煤的消耗巨大，無煙煤資源日趨緊張。蘭炭具有固定碳含量高和熱值高的特性，將蘭炭與無煙煤混合作為高爐噴吹燃料，不僅能夠節省成本，而且能提高企業利潤[9]。

在吸附劑領域，蘭炭固定碳含量高，灰分、揮發分低，有豐富的孔隙結構，符合作為吸附劑的條件。以蘭炭作為原材料制備活性炭吸附劑，用KOH 預處理后，再用水蒸氣活化，可制得超微孔活性炭[10]。

碳基材料是電極材料的重要組成部分，蘭炭具有豐富的孔隙結構，與其他物質混合后可進行改性、活化，進而制得性能良好的電極材料。江行國等[11]以蘭炭末為原料，加入硼粉，在高溫環境中反應，制備出的改性蘭炭粉末材料可用作鋰離子電池的負極材料，并表現出良好的電化學性能。

此外，以蘭炭焦粉作為原料，進行化學氧化、冷凍以及高溫處理后，制備出的半焦基類石墨烯材料既有豐富的孔隙結構和層狀結構，又表現出優異的光催化性能[12]。

3 結 語

通過低溫干餾工藝生產蘭炭，可實現煤炭資源的高效轉化和清潔利用。目前主要制備蘭炭的干餾工藝有DG 熱解工藝、ATP 熱解工藝、魯奇三段爐工藝以及SJ 低溫干餾熱解技術，各種工藝各具優缺點。蘭炭的結構特點，使其在冶金、造氣、電石、吸附劑、電極材料、半焦基類石墨烯材料等領域得到應用，為后期蘭炭新工藝技術的發展以及蘭炭新型應用的開發提供參考依據。