外热式多管回转低阶煤提质半工业化装置试验研究

王宏耀，吴静，王瑞雪，曹明见，姜荣泉（山东天力干燥股份有限公司，山东 济南 250101）



应用技术

外热式多管回转低阶煤提质半工业化装置试验研究

王宏耀，吴静，王瑞雪，曹明见，姜荣泉
（山东天力干燥股份有限公司，山东 济南 250101）

摘要：提出了一种外热式多管回转低阶煤提质技术，建立了一套处理量50kg/h的半工业化试验系统。以黑龙江某地煤种为实验用煤，分析了提质温度和提质时间对提质效果的影响，获得了该系统运行的优化工艺参数，并分析了该工况条件下的提质产品指标。结果表明：随着提质温度的升高，半焦中挥发分含量逐渐减少，焦油的产率呈抛物线形式增加；随着提质时间延长，焦油中挥发分含量逐渐减少，焦油产率逐渐增加。在试验煤种及试验工况条件下的最佳提质工艺参数为：提质温度535℃，提质时间30min；焦油产率可达12.54%；焦油中的甲苯不溶物含量为1.65%，煤气热值可达5044kcal/m3。该装置的72h连续运行表明了该技术工业化的可行性，为工业化设计提供了参考。

关键词：外热式；回转；低阶煤；提质；半工业化

第一作者：王宏耀（1972—），男，本科，济南市青年学术带头人，长期从事干燥、节能、环保等技术及生产的研究开发工作，所参与研发的研究成果多次获得中国石油和化学工业协会科学技术一等奖、山东省科技进步一等奖等。联系人：吴静，高级工程师。E-mail wujingsd@163.com。

低阶煤干馏提质是一种利用煤炭本身组成与结构特征生产替代紧缺油气资源的煤温和转化过程。从生产替代油气的角度分析，虽然低阶煤干馏提质工艺的油气产率低于煤的液化和气化过程，但其转化条件温和、工艺流程短、煤种适应性宽、能效高、水耗低；同时，该种工艺方法也是利用煤本身结构特点联产芳香烃化学品（如BTX、PCX）的最有效途径［1-3］，因此，采用干馏提质方法从低阶煤中提取液体燃料和化学品的重要性和必要性已为世界各国所认知。

国内外已开展了大量有关低阶煤低温干馏提质技术的研究工作。依照加热方式的不同，低阶煤干馏提质技术可分为内热式和外热式两种。内热式低温提质技术依照热载体种类又分为气体热载体和固体热载体干馏提质技术。气体热载体干馏提质技术对原料煤的粒度要求较高，一般小于0.1mm，气液产品的收率比较低［4-5］；固体热载体干馏提质技术存在热载体与煤的混合不均匀、设备磨损严重以及气固难以分离等问题，使得系统难以放大［6-8］。

外热式低温提质技术可有效解决设备处理量小、磨损严重、高温荒煤气中粉尘含量高等问题，具有节能、安全、环保、能效高等特点，所得的半焦产品品质高，焦油和煤气中的含尘量低，便于后续处理和利用［9-11］。外热式低温提质技术的热反应器主要采用流化床和回转设备两种型式。流化床工艺操作较复杂，需兼顾流化床热反应器的热解温度、压力、流化状态和半焦排料等多方面因素，在操作弹性和规模放大等方面存在一定的困难［12-14］；回转设备虽在操作弹性及工业放大等方面具有一定的优势，但其动静结合处的高温密封是业界内普遍存在的技术难题［15-16］。

许多中试及工业性试验结果表明:高黏度的焦油与系统中夹带的粉尘难以实现有效分离，是造成一系列运行问题的重要原因，严重阻碍了干馏提质技术的工业化应用［17-18］。

山东天力干燥股份有限公司对目前国内外各种低阶煤干馏技术进行了认真、全面、科学的分析，认为:①外热式干馏技术与内热式干馏技术相比，更易于获得高质量的干馏产品；②实现高温气固分离是有效解决现有低阶煤提质技术大规模连续化工业运行的关键；③针对10mm以下的粉煤低温干馏无成熟技术；④解决高温动密封问题是实现大型回转类干馏设备推广应用的关键所在。

针对上述情况，山东天力干燥股份有限公司结合多年来的干燥工程设计经验和褐煤提质技术试验研究，开发了外热式高温多管回转干馏技术，其主体设备采用自主研发的万向密封装置解决了高温动密封问题。该技术实现了褐煤的分级利用，有效解决了褐煤高温气固分离等问题，可获得高品质的焦油、半焦和煤气［19-22］。

本文作者建立了一套外热式多管回转低阶煤提质技术的半工业化试验装置，通过其长周期连续化试验研究，对外热式多管回转煤提质工艺的运行状况和工艺参数进行了验证和优化，以期为工业化设计提供可靠的理论支持和数据参考。

1 外热式多管回转低阶煤提质技术

外热式多管回转低阶煤提质技术是一种以高温烟气作为加热介质，与原煤在外热式多管回转干馏机内进行间接换热，以生产高品质煤焦油、半焦和煤气为目标的新型低温干馏技术。其工艺流程如图1所示。

该技术的主要设备为外热式多管回转干馏机，其结构原理如图2所示。

图1 外热式多管回转低阶煤提质工艺流程

图2 外热式多管回转干馏机结构示意图

外热式多管回转干馏机为一卧式的与水平成一定倾角的回转圆筒，回转圆筒内部设置诸多换热管，煤从干馏机进料端被分配到换热管内，在管内导料螺旋作用下向出料端推进，而热烟气从换热管外的壳程空间通过，与管内的低阶煤发生热量传递，使低阶煤发生热解。该干馏机具有以下优点。

（1）回转干馏机内加装多组换热管，大大增大了换热面积，与同等规格外热式回转干馏机相比，换热面积可增大5倍以上，处理量大大提高。

（2）高温烟气与煤间接换热，易于保证干馏过程安全。

（3）煤被限制在换热管内相对较小的空间中运动，在导料螺旋的推进下缓慢向出料端移动，降低了煤的粉化率，减小了扬尘量，同时减小了煤对换热管的磨损。

（4）采用万向旋转动密封装置，实现了高温回转类设备的动密封。

2 半工业化试验装置

为了考察外热式多管回转低阶煤提质技术的连续化运行状况，并对其重要工艺和关键技术进行验证和优化，建立了外热式多管回转低阶煤提质半工业化试验装置。装置的处理量为 50～100kg/h，试验系统的工艺流程如图3所示，现场实物装置如图4所示。

干燥后的低阶煤存入原煤仓内，经多级螺旋输送机按照一定的进料速率将煤送至外热式多管回转干馏机。在干馏机内部，原煤走管程，燃油烟气炉产生的高温烟气走壳程，原煤与烟气间接换热，使原煤升温并发生低温热解反应，产生半焦、焦油和煤气。高温半焦在干馏机尾部排出，进入冷焦机，经降温后在重力作用下落入半焦储槽。夹带粉尘的荒煤气进入金属膜过滤器，对粉尘进行捕集，较洁净的煤气进入后续煤气净化系统。排出干馏机的烟气进入冷却槽降温后经烟气引风机放空，热烟风旁路可实现进入提质系统的热量调节，多余的热烟气经冷却槽冷却后放空。

在金属膜过滤器后的管道上设置荒煤气微量取样口；分析所用半焦取自半焦储槽。试验系统连续稳定运行 2h后，开始对荒煤气和半焦进行取样分析。

3 试验及分析方法

3.1 试验方法

本研究采用黑龙江某地的煤作为试验原料，煤料粒度为 0～10mm（具体粒度分布见表 1）；烟气气量为38m³/h；干燥后低阶煤进料量50kg/h。

原煤的工业分析、元素分析和格金干馏分析结果如表2～表4所示。

图3 外热式多管回转低阶煤提质技术试验系统流程图

图4 外热式多管回转低阶煤提质半工业化试验装置实物图

通过改变提质温度、提质时间等试验条件，分析各因素对焦油产率、煤气产率及组分、半焦产品的挥发分含量等的影响规律。试验工况条件表如表5所示。

3.2 产品分析方法

3.2.1 气体组分分析

（1）傅里叶变换红外光谱分析 试验仪器为德

表1 原煤工业分析表

表2 原煤工业分析表

表3 原煤元素分析表

表4 格金干馏分析表

表5 试验工况条件表

国布鲁克 EQUINOX-55傅里叶变换红外光谱分析仪。测试条件:分辨率为4cm-1，扫描次数32，扫描范围4000～400cm-1，同时对比空白样的32次扫描背景，获得高质量的谱图。

（2）气相色谱分析 试验仪器为日本岛津GC-2010 Plus气相色谱仪。测试条件如表6所示。

表6 色谱条件表

3.2.2 焦油和水产率分析

如图5所示，煤气和焦油等速取样装置主要由三部分组成:取样部分、冷却收集部分和抽取计量部分。取样部分由皮托管和取样管组成，皮托管可测量来样气体的总压和静压，计算出动压并转化为流速和流量，同时与取样系统面板上的流量进行对比，当二者基本一致时，认为达到等速取样条件，可进行取样操作。冷却收集部分由6个集气瓶组成，其中5个盛装有一定量的冰水，用于冷却收集荒煤气中的焦油，最后一个集气瓶装有吸水硅胶，防止带过量水的气体损害气泵。冷却收集部分由气泵和气体流量计组成，气泵是实现等速取样的动力装置，气体流量计用于测量气体的即时和累积流量。

荒煤气取样装置可分析焦油、煤气和水的质量比，根据原煤提质过程中释放的总挥发分计算出焦油、水和煤气的产率。使用二氯甲烷对收集下来的焦油和水的混合物进行萃取，分别计算得出焦油和水的产率。

在半工业化试验过程中，待试验装置运转稳定1h后，用上述装置对热解煤气和焦油产品取样，获得不同试验工况条件下的分析样品。

3.2.3 焦油物性及馏程分析

焦油黏度按照国标GBT 11137—1989进行检测。

图5 煤气和焦油取样系统示意图

焦油密度按照国标GBT 13377—2010进行检测。

焦油的甲苯不溶物按照国标GB/T 2292—1997进行检测。

采用蒸馏切割法，按沸点范围切取轻油（＜170℃）、酚油（170～210℃）、萘油（210～230℃）、洗油（230～300℃）、蒽油（300～360℃）和非蒸馏残渣（＞360℃）馏分。

3.2.4 半焦挥发分分析方法

焦炭试样按照国标 GB 1997—89 进行采取和制备。

焦化产品按照国标GB 6707—1993测定。

每个试验工况下均多次严格取样，按照国标测量，检测结果取均值以减小测量数据的误差。

4 试验结果及分析

不同试验工况条件下，各产品产率和半焦组分如表7所示。

4.1 提质温度对提质效果的影响

为分析提质温度对煤提质效果的影响，在提质时间分为20min和30min的试验条件下，改变提质温度（具体工况条件见表5），分析测试焦油产率和半焦中挥发分含量，结果如图6和图7所示。

由图6可以看出，焦油产率随提质温度的升高先增加后降低，在提质温度为 535℃时，焦油产率达到最大值。由图 7可以看出，随着提质温度从520℃升高至600℃，在提质时间为20min时，半焦中挥发分含量从17.16%下降到8.62%；在提质时间为 30min时，半焦中挥发分含量从15.98%下降到7.55%，降幅均达50%左右。分析原因，认为提质温度影响着煤提质过程中生成初级分解产物的反应深度及初级产物分解的二次反应。随着温度的升高，焦油产率升高；当温度超过 535℃时，焦油发生部分裂解的二次反应，且二次反应速率随温度的增加而增加。因此随着提质温度升高，焦油的产率呈抛物线规律变化，而半焦中挥发分含量逐渐减少。

4.2 提质时间对提质效果的影响

提质时间对煤提质的影响与温度的影响密切相关。当反应速度为化学控制时，温度的影响将占据主导地位；当考虑到传热、传质总量时，温度决定传热、传质速度，而提质时间即为传热、传质时间长度［23-24］。为分析提质时间对煤低温提质效果的影件下，煤提质过程的焦油产率和半焦中的挥发分含响，在提质温度等其他试验条件相同的情况下，分析测试了不同提质时间（具体工况条件见表5）条量，结果如图6和图7所示。

图6 焦油产率与提质温度的关系

图7 半焦中挥发分含量与提质温度的关系

由图6可以看出，在相同的提质温度条件下，提质时间为30min时得到的焦油产率明显高于提质时间为20min的焦油产率，最高可提高0.98%（提质温度575℃时）；由图7可以看出，在相同的提质温度条件下，提质时间为30min时得到的半焦挥发分含量明显低于提质时间为20min的半焦中挥发分含量，以提质温度575℃为例，提质时间30min得到的半焦中挥发分含量比提质时间20min的结果低2.3%。上述情况说明当提质时间不足时，会影响提质过程发生的深度，导致气体产率降低。但当提质时间太长时，虽可使提质反应的程度加深，却会导致设备产能的降低，故实际生产中，应结合运行经济性，兼顾焦油产率和设备产能的需要，确定出与提质温度相匹配的合适的提质时间。

综上分析可知，对于该试验采用的原料煤，在提质温度535℃、提质时间30min时，焦油产率最高，可达 12.54%，相当于格金干馏焦油产率（13.6%）的92.2%。

4.3 煤气成分分析

4.3.1 傅里叶变换红外光谱分析

图8和图9分别为煤样热重过程释放气体的FTIR三维图和处理后的气体吸光度随温度的变化。

表7 不同试验条件下各组分产率

从图8和图9可以分析煤样热重分析过程中释放的气体中各成分析出随温度的变化情况。

（1）在100℃左右时H2O开始析出，大约在135℃时出现 H2O逸出峰。当温度高于 165℃时，H2O释放过程结束。

（2）CO2在大约150℃时开始析出。随着温度升高，CO2的逸出量也随之增加，且在 375℃左右时出现CO2逸出峰，300～600℃的温度范围内CO2逸出速度均较快。在此温度段内提质反应进行地最剧烈，煤中的脂肪键、部分芳香弱键、含氧羧基官能团的断裂都是CO2的主要来源，随着温度进一步升高至700℃，CO2的逸出量减少，该阶段CO2主要来自煤中醚、醌和煤中稳定的含氧杂环的分解。当温度达到大约800℃时，CO2释放过程结束。

（3）CO在300℃时开始析出，随着提质温度的升高，气体的逸出量逐渐增大。大约在 760℃时出现CO逸出峰。当温度达到900℃时，CO释放过程仍在进行。由此可以看出，CO的释放贯穿整个煤提质过程。

（4）CH4在300℃左右时开始生成，随着提质温度的升高，CH4的生成量逐渐增加，最大逸出峰大约出现在 470℃。在低温反应过程中，CH4主要来源于煤提质过程中脂肪侧链断裂，CH4的产率与煤中脂肪烃中—CH键含量有关，随着脂肪烃中—CH键含量的增加而增加；而在高温过程中，逸出的CH4气体主要是由一次提质生成的提质沥青和提质油再次裂解，即发生二次裂解而产生。当温度高于900℃时，CH4释放过程基本结束。

图8 煤样热重分析过程中释放气体组分FTIR光谱图

图9 煤样热重分析过程中不同气体吸光度随温度的变化

（5）芳香族化合物反映了焦油的生成情况。从图9可以看出，焦油在360℃左右时开始生成，在约 474℃时出现峰值，此时提质碎片从脂肪烃和氢化芳环抽出氢，形成大量的芳香族化合物。当温度高于600℃时，芳香族化合物释放过程基本结束。

由上述分析可知，该试验煤种的甲烷和焦油析出的最大峰值出现在450℃左右。随着温度的升高，CO比例略微增大，CO2比例逐渐降低，气体热值将略有提高，但当温度在550～700℃范围时，CO2比例小幅增加，热值降低。有文献研究表明，当温度较低时，煤提质所得焦油的热值较高，随着温度升高，焦油中的 H/C 比减小，热值降低。因此，从提高焦油产率的角度分析，建议该煤种的提质温度为500～600℃。

4.3.2 气相色谱分析

为进一步定量分析煤气成分，在提质温度535℃、提质时间为 30min的工况条件下，对产生的提质气体进行取样分析，其主要成分及热值的分析结果见表8。

从表8可以看出，提质产生煤气中的有效成分（CH4，CO和H2）含量较高，达到77.66%，其中CH4含量接近50%，煤气的热值为5044kcal/m3，可作为化产原料或工业、民用燃气使用。

4.4 焦油理化特性及馏程分析

在提质温度535℃、提质时间30min的工况条件下，对煤提质得到的焦油样品的理化特性进行了分析，结果表明:所得煤焦油的密度较轻（976.5 kg/m3），黏度较低，焦油中的甲苯不溶物含量仅为1.65%，证明了本工艺良好的除尘效果。

同时，对上述工况条件下，煤提质得到的焦油样品的馏程进行了分析，结果见表9。

从表9中可以看出，轻质组分含量较高，产品经济价值可观。

该半工业化试验系统经过72h的长周期连续运行表明，系统运行稳定，安全可靠，产品品质高，与后续工艺耦合性好，达到了优良的运行效果。

4.5 粉尘的产出率分析

从金属膜除尘器底部收集到的粉尘质量约为原煤质量的1%，在提质温度535℃，提质时间30min的工况条件下，对粉尘用激光粒度分布仪测得的粒度分布进行了分析，结果见表10所示。

对表 10中金属膜除尘器产出粉尘的粒径分布结果表明:金属膜除尘器过滤下的粉尘粒径最低可达0.5μm，以上数据充分证明了所研发的金属膜除尘系统良好的除尘效果。

5 结 论

（1）本文提出了一种外热式多管回转低阶煤干馏提质技术，并建立了处理量为50kg/h的半工业化试验系统。

表8 提质煤气主要成分及热值

表9 煤焦油的馏程分析

表10 产出粉尘的粒径分布

（2）以黑龙江某地的煤种为试验用煤，对该技术的重要工艺参数进行了试验研究。试验结果表明:随提质温度的升高，焦油产率呈抛物线规律变化，半焦中挥发分含量逐渐减少；随着提质时间延长，焦油产率逐渐升高，半焦中挥发分含量逐渐降低。

（3）在本文试验煤种及试验工况条件下的最佳提质工艺参数为:提质温度535℃，提质时间30min。焦油产率可达12.54%；焦油中的甲苯不溶物含量为1.65%，煤气热值高达5044kcal/m3。

（4）该工业化装置的72h连续运行表明了该技术工业化的可行性。

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Experimental research on low-rank coal upgrading in a semi-industrialization units of external-heating multi-tube rotary machine

WANG Hongyao，WU Jing，WANG Ruixue，CAO Mingjian，JIANG Rongquan
（Shandong Tianli Drying Technology Co.，Ltd.，Jinan 250101，Shandong，China）

Abstract:This paper presents a low-rank coal （LRC） upgrading process by the external-heating multi-tube rotary equipment. In order to verify and optimize the operation conditions and process parameters，LRC from Heilongjiang was used for materials in the experiments. The results showed that: with the increase of process temperature，the volatiles in semi-coke decreased and the yields of tar increased in parabolic way，while the volatiles in semi-coke decreased and the yields of tar increased with time extension. The optimal process parameters based on the coal and test conditions were 535℃and 30min for upgrading，with which the tar yield reached 12.54%，toluene-insoluble content in the tar was 1.65%，and gas calorific value was as high as 5044kcal/m3. The industrial equipment was testified by 72h continuous experiment which proved the industrialization feasibility.

Key words：external heated；rotary；low-rank coal；upgrading；semi industrialization

中图分类号：TK173

文献标志码：A

文章编号：1000-6613（2016）05-1567-08

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.046

收稿日期：2015-11-02；修改稿日期：2016-01-14。

基金项目：中小企业发展专项资金项目（SQ2013Z0C600008）。