西安建筑科技大学硕士论文
1绪论
1.1引言
伴随着我国国民经济的迅速发展，能源与经济消费的日益增加，煤炭的地位显得日趋重要，在我国能源生产与消费结构中发挥着不可代替的作用。因此，煤炭洁净生产、合理开发以及充分有效的利用将会是国家工业发展的又一重要的课题[1,2]。
全世界的低阶褐煤地质储量大约有4万多亿吨，大约占到全球煤炭总储量的40%，其主要分布在亚洲、北美洲和欧洲、[3-5]。我国的褐煤资源相比于其他国家较
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为丰富，资源总量3194.38亿吨，占煤炭总量的12.69%，其主要分布于内蒙古、
云南等地。特别是陕西低阶长焰煤资源丰富，如渭北侏罗纪煤田属于弱粘结性长焰煤，其主要分布于黄陵、彬县、榆林、府谷、横山、靖边等地[6-8]。
低阶煤的缺点是易风化，水分含量较高，容易发生自燃，在煤质的分选与储存中比较复杂，最终使得其有效的利用率受到了很大限制。由于低阶煤具有独特的化学利用价值像如化学的活性高、化学反应性强，很大的提升了其附加值产品的加工与利用价值。因此，如何有效而合理的利用、开发丰富的低阶煤资源，使其生产效益发挥出最大的价值，一直是科技工作者们研究煤深加工技术的课题。常见的低阶煤干馏技术主要有以下几种：入炉煤的直接加热、原料煤的冷加工与热加工，还包括在低阶煤热加工技术的基础上研发新的化工产品、提炼成分等技术。
近年来低阶煤技术的有效利用得到了长足的发展，主要在煤液化、煤汽化以
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及电厂依托原煤发电项目。煤干馏通常是指原煤在隔绝空气或惰性气氛条件下，
进行持续的加热升温并且保证没有催化作用，在这一过程中发生的一系列物理和化学的变化。煤经过干馏反应，生产的化工产品包括干馏的煤气、焦油或酚类产物、焦炭或者兰炭[10]。研究表明，原煤在干馏反应中通常要经历三个阶段。包括干燥段、第一热阶段、第二干馏段。干馏过程的初期温度较低，水分容易受热而蒸发。当温度达到500℃左右时，主要发生大分子缩聚和分解反应，当温度达到800℃左右时会发生脱氢反应
[11，12]
。
在低阶煤的加工技术中，煤的低温干馏技术是一种行之有效的方法。煤的干馏包括煤的低温干馏、中温干馏和高温干馏，最终得到的干馏化学产品有半焦（又称兰炭）、焦油和煤气产品[13,14]。经研究表明，低阶煤的成分中氧元素含量较高，
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干馏后可以得到含量较多的酚类化合物，同时干馏煤产生的煤气可以作为品质优良的燃料或者是化工生产中的原料，而且干馏产生的半焦孔隙比较发达，可以作为吸附材料和过渡材料在化学工艺中使用。所以说低温干馏技术的发展使得低阶煤技术转化的产品呈现出种类多样、用途广泛等特点。
1.2 低温干馏技术发展情况
1.2.1 国外低温干馏技术研究现状
煤的低温干馏技术最早开始于18世纪初，主要是英国和德国为了制取方便、高效的家用燃料，以及初期的煤气照明，开发的烟煤和褐煤干馏技术。随着时间的发展在19世纪中后期，科学家发明了直立式干馏炉和新的干馏技术，煤气在这一时期被广泛的当作燃料气使用。同一时期煤的干馏工艺也相继出现在法国、俄国、美国等国家。20世纪初至20世纪40年代，由于液体燃料的需求量迅速增大，煤的低温干馏工艺实现了空前的发展，人们也开始进一步探索如何用煤干馏的方法制取可用的燃料油，这时候相继出现了德国的Lurgi—Spuelgas、Lurgi—Ruhrlgas、美国的Disco和前苏联的固体热载体快速干馏等工艺[15，16]。在20世纪70年代，较为典型的是美国的Toscoal、COED、Coalcon、Schroeder以及澳大利亚的CSIRO等干馏工艺[17，18]。以下为国外常见的干馏技术：
（1）Lurgi—Ruhrlgas法
Lurgi-Ruhrgas法最早是由德国Lugi GmbH公司与美国一家公司联合开发并用于实际生产。最初的研发目的是为了从低阶煤中提炼焦油。主要工艺特点：在干馏过程中为了避免焦油的凝聚，干馏实验的煤种一般选取弱粘的褐煤或者型煤，原煤的粒度控制在低于5mm以内。干馏反应装置主要由提升管、收集仓、搅拌器、干馏器、分离器、废热回收系统和冷凝分离系统组成。入炉的原煤经过预热后与加热的半焦在干馏反应器中发生干馏反应。反应器中压力为常压态。产生的半焦与热空气混合以后再次进入分离器中，按照固有的反应模式依次进行循环反应。一般为了得到热值较高的煤气，将干馏反应中的挥发物送入净化除尘系统进行除尘、冷却[19]。
（2）德国的Lurgi—Spuelgas法
Lurgi—Spuelgas是由德国Lugi GmbH公司研发的一种低温干馏工艺。原料煤一般选取粒度在20至60mm之间的烟煤和褐煤。干馏工艺中干燥段与干馏段区分明显，上下两段各有燃烧器混合空气与循环气。燃烧产生的烟气至下而上流动，
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与入炉煤接触以后加热使其分解，在500℃左右时发生干馏反应。生成的半焦被冷气体冷却，最后经过冷却与洗涤后得到焦油
（3）Toscoal法
70年代初期美国油页岩公司（Oil Shale Crop）和Rocky Flats研究中心为了研究油页岩低温干馏工艺，建立了20t/d试验示范基地，最终发明了Toscoal法，全名为美国Toscoal瓷球固体热载体干馏工艺。主要工艺特点：干馏原煤选用弱粘或者不粘的烟煤。瓷球加热器中产生的高温烟气对制备好的原煤进行预热、加热，原煤受热分解发生干馏反应。瓷球与产生的半焦机械分离后，再次进入提升管进行循环加热。最后对干馏产物进行净化、回收。干馏反应装置主要由原料槽、提升管、分离器、洗涤器、瓷球加热器、干馏炉、筛、半焦冷却器和油气分离器组成[21]。
（4）LFC法
在80年代末至90年代初美国的SGI公司与SMG公司在科罗拉多州建立了第一座以LFC法为干馏基础的1000t/d示范厂。LFC法属于一种温和汽化干燥干馏工艺。主要特点：干馏炉的中部有一个细格子转鼓，将入料煤与热循环气体进行对流混合。原煤经过干燥后在干馏器中发生干馏反应。干馏产物经过冷却、洗涤进入回收系统[22，23]。
（5）CSIRO法
CSIRO法是一种由澳大利亚科学家发明的流化床快速干馏工艺，于上世纪70年代由澳大利亚联邦学院与工业学院联合开发并在实践中推广使用。反应器中的流化床层由1mm厚的砂粒组成，入炉的原煤经过液化氮气由水喷的冷煤气喷入干馏反应器中，经过预热的氮气由反应器底部进入流化床。原料煤粉末在干馏反应中受热膨胀，加热前需要进行除尘处理，经过多次实验后利用石油焦、加氢流化替代砂粒层
[24]
[20]
。
。
1.2.2国内低温干馏技术研究现状
我国低温干馏技术的发展最自始于20世纪50年代，在研究初期研究者只是对煤干馏工艺的基础进行研究。在50年代末建造了上吸式炉、水平铁甑等干馏装置，随着干馏技术的进一步发展相应的出现了流化床快速干馏工艺，并且进行了10t/d规模的中间试验[25,26]。
60年代中期，大连工业大学的科研工作者们开发了辐射炉快速煤干馏工艺，于1979年建立了15t/d规模的工业示范厂。
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80年代，大连工学院研究出了固体热载体煤干馏工艺，在内蒙古地区建起了新的干馏工艺生产基地，开展褐煤干馏技术的研究和新型工艺的开发。固定床干馏实验在华东理工大学的实验室中有序开展。北京化工研究部门开展了MRF干馏工艺的研究，并在内蒙古海拉尔建立起了2×104t/d规模的褐煤MRF干馏工业示范厂。下面介绍几种国内常见的干馏技术：
（1）MRF干馏工艺
MRF干馏工艺是由中国煤科总院研发的多段回转低温干馏工艺。原料煤以低变质的褐煤为主，入炉煤粒度控制在6～30mm。主要干馏设备包括：燃烧炉、干馏炉、干燥炉和半焦冷却炉。工艺特点：入料煤经过干燥器干燥以后，首先在外热式干馏炉中发生低温干馏反应，干馏温度控制在600～700℃。得到的半焦以及其他干馏产物经过脱灰、除尘、冷却以后进行回收储存。
（2）固体热载体干馏工艺
大连理工大学于1981年开始研究提升管固体热载体干馏工艺，于1990年在平庄建成了5.5万t/a褐煤固体热载体工业试验基地。工艺流程：入炉的褐煤首先经过提升管干燥，与加热的半焦混合后在500℃时发生低温干馏反应，热载体半焦的温度可以达到800℃。主要特点：实验操作简单，易于控制，焦油产量高。
（3）HPU干馏工艺
HPU热压成型干馏工艺是由神华集团与中国矿业大学联合研究开发的一种新型干馏方法。破碎的入炉褐煤经过气流干燥和旋风分离器，在反应器中发生干馏反应，最后由成型机压制成型。目前已经建立了50万t/a的工业示范基底。
（4）神华固体热载体干馏工艺
该工艺是由神华集团煤制油化工研究院研发的，属于模块化的固体热载体干馏方法，目前已经建立了6000t/a的实验示范基地。主要工艺流程：将符合粒度要求的入炉褐煤送入煤回转干燥器，与经过半焦加热回转窑的热半焦混合后进入干馏器中发生干馏反应。主要特点：入料粒度宽；采用固体载热加热；干馏产率高；
近年来我国煤干馏技术的发展趋势主要有以下两种：
（1）研究低阶煤干馏的基本变化规律，对干馏工艺进行优化。
（2）煤干馏设备的大型化。通过设备大型化，提高煤干馏的生产效率，实现低阶煤干馏的燃烧。
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1.3 课题研究的背景、意义及内容
1.3.1 陕北地区煤低温干馏技术应用现状
陕北地区有着丰富的煤炭资源优势，近年来煤干馏工艺技术的发展速度非常快，同时也带动了金属镁冶炼以及相关化工产业的发展，对当地的经济建设做出了突出的贡献。在陕北地区，煤种多属于长焰煤（弱粘或者不粘）主要特点就是三高三低：含碳量高、挥发性高、活性高，低硫、低磷、低灰
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。利用低阶煤作
为原料进行干馏反应，将得到的化工产品包括兰炭、煤气和焦油进行有效利用。
在榆林地区低温干馏技术的发展中JS 方形干馏炉已经成为主要的干馏生产炉。JS 方形干馏炉主要采用内热式燃烧工艺，炉内为大空腔结构，炉体主要由干燥段、干馏段、冷却段三部分组成。原料煤主要来自榆林地区的低阶煤。燃烧时利用支管混合器输入助燃空气与燃气，采用水封冷却熄焦技术。榆林地区低温干馏技术经过近年来的长足发展已经形成60万t/a兰炭生产基地，低温干馏技术也得到了有效地推广。
由于榆林地区的兰炭企业起步较晚，发展中遇到了一系列的问题。首先污染比较严重，荒煤气得不到有效利用。企业的生产效率相比国外先进水平偏低，部分中小企业兰炭的质量不达标，干馏后产生的荒煤气热值偏低，不能有效地回收利用，这些问题都直接影响着榆林地区能源化工项目的发展与建设[30,31]。 1.3.2陕北地区低温干馏技术存在的问题
JS 方形干馏炉具有炉体结构简单易于操作、炉内加热均匀，热工效率高等特点，但是由于采用内热式加热方法，炉型结构需要进一步优化改进，热工参数有待于进一步优化处理。
（1）内热式低阶煤低温干馏，采用了助燃空气和煤气混合燃烧加热的方式，助燃空气中含有大量的N2，燃烧后的热气体进入出炉煤气中，由于煤气中含有大量的N2和CO2，煤气的有效成分相对含量较低，使得煤气热值偏低，煤气合理利用受到限制，所以煤气以直接燃烧排放为主，造成资源浪费，环境污染严重。 （2）由于对低阶煤干馏过程及机理研究不够深入，有些工艺参数的确定及控制主要是依据经验制定，很难保证合理的干馏工艺参数，这样使得干馏工艺参数控制及设备操作系统也很难优化运行。
（3）在内热式低阶煤低温干馏工艺中焦油产率受到冷却水洗涤的影响，不能有效的分离焦油
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