低阶煤高效清洁分质利用问题研究

莫海燕

（巴音郭楞职业技术学院，新疆库尔勒 841000）

煤炭在我国的能源结构中占据了很大的比例，但是低阶煤约占据煤炭蕴藏量的一半。由于低阶煤煤化程度低，水分和发热量低，还具有低灰、低硫、高挥发分、高活性、易燃易碎等特点，且不宜直接燃烧和远距离运输，这些都是制约低阶煤利用效率的因素，对我国煤炭能源的开发和利用产生一定的影响。为了最大程度减少低阶煤的能源浪费，提高低阶煤的利用效率，可先对低阶煤进行分级，然后进行梯级利用，既能够提高能量的转化率，还能够降低能源的浪费和环境污染，这种方式可有效改善我国低阶煤利用效率低的现状。热解是低阶煤实现高效清洁分质利用的核心技术，在煤炭燃烧或者气化之前，先利用热解技术将煤中的桥键断裂、解聚生产轻质组分，主要有煤焦油、煤气和半焦的气、液、固三相物质，可实现对原料的分质，再根据每种产物的性质和结构对其进行深加工，实现梯级转化利用。这种分质利用方式，能够以低阶煤热解后的产物为原料延伸产业链，有效提升低阶煤分质产物的附加值，实现低阶煤的高效清洁利用，这对改善我国的能源利用结构具有重要意义，也是我国煤化工发展的方向之一。

1 低阶煤高效清洁分质利用的途径

根据煤炭的结构和物理化学性质，以高效清洁分质利用为目标，热解是低阶煤实现高效清洁分质利用的工艺路线的龙头。在热解工艺的指导下，通过各种方案的优化组合，最终能够实现物质的循环利用以及能量的梯级利用。低阶煤热解的主要产物有煤焦油、热解煤气和半焦，下面主要对这三种产物的利用途径进行分析。

1.1 煤焦油的利用途径

低阶煤通过热解获取的煤焦油呈黑褐色，具有较强的刺激性气味，形态较为黏稠。煤焦油本身的成分就较为复杂，由于煤种的不同以及热解工艺的不同，煤焦油的组分和性质也存在较大的差异性。低阶煤通过热解获取的煤焦油主要用于制取燃料油、化工原料、煤焦油沥青等。煤焦油通过加氢轻质化工艺，可生产清洁燃料，能够代替石油产品使用。通过煤焦油获取的汽柴油调和油具有较大的市场，这项技术也日趋完善，在我国已经成为投资的热点，所以相应的配套技术和工艺装置也会越来越完善。在利用煤焦油获取燃料油和石脑油的基础上，可以将工艺链进行延伸，生产酚类、橡胶溶剂等化合物，或者进行其他深加工。对煤焦油中的高附加值组分优先提取，在经济性方面会占有更大的优势。在煤焦油加工利用的过程中，重组分作为煤焦油切除轻质和中质馏分后的残余物，其含量最大，但是价值却最低，对于这部分物质的利用，可以将其制备成煤焦油沥青，通过相应的生产技术和改质技术，煤焦油沥青可应用于道路施工中，是对煤焦油加工产业链的另一种延伸。

1.2 热解煤气的利用途径

热解煤气的组成较为复杂，主要组分包括氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等，其中的有效组分占比较高，煤气热值也相对较高。根据热解煤气的组分不同，在用途方面就可以差异对待。高热值燃料是热解煤气应用的重要领域，主要应用于民用燃气、工业燃气和直接燃烧发电。通过净化后的热解煤气热值较高，因CO含量较少，环境污染小，所以便于长距离输送，可供城市居民用于燃气使用。工业燃气部分主要适用于焦化企业、冶金企业、炼钢企业等作为燃料。经过脱硫脱氮后的热解煤气可直接应用于蒸汽发电、燃气轮机发电等。化工原料或者产品也是热解煤气的主要用途，热解煤气中的甲烷经过催化后可转化为合成气，合成气与二氧化碳在催化剂的作用下可反应生成甲醇，也可将合成气制成二甲醚。

热解煤气中的氢含量相对较多，一般会采用变压吸附的方式来提取纯度较高的氢气，或者是将热解煤气转化为合成气后再通过水煤气变换反应转化为氢气。提纯后的氢气可应用于煤焦油轻质化，提高物质的循环利用，降低生产成本。天然气是高效清洁能源之一，具有较大的市场需求。而热解煤气中的甲烷含量较高，通过中低温热解可先将热解煤气中的杂质净化脱离，然后再将氢、一氧化碳和二氧化碳甲烷化，最后将氢气从混合物中分离出来，即可获取天然气。

1.3 半焦的利用途径

半焦的用途较多，主要有工业和民用燃料、高炉喷吹燃料、水煤浆和型煤、碳质吸附剂等。经过热解后得到的半焦，相对于原煤而言水分、挥发分、硫的含量都较低，反应活性高，发热量和燃烧效率高，燃烧过程中排放的污染物少，所以一般会直接作为窑炉和锅炉的燃料。经过热解后的褐煤得到的半焦强度小，易磨碎，经过相关的试验分析，半焦应用于高炉喷吹中各项指标要优于无烟煤，但是由于工艺以及供应等原因的限制，还无法在工业中大规模应用。对于褐煤热解后得到的灰分含量少的半焦，可以用来制备水煤浆，以此作为气化原料，成浆的浓度较高。在优质黏结剂的作用下，半焦成型后也可应用于铁合金冶炼的型焦，或者作为工业锅炉燃料以及炼焦用煤。热解后获得的半焦具有较为丰富的微孔结构，吸附催化性能较强，在热解不完全的情况下具有易改性的特点，所以可作为吸附催化双重特性的碳质吸附剂，能够代替部分活性炭。

2 低阶煤高效清洁分质利用技术

分质利用能够充分发挥低阶煤的特点和优势，以低阶煤的组成和结构特点为基础，通过热解技术将低阶煤转化为煤焦油、热解煤气和半焦等物质，可对污染物进行集中脱除，然后根据三种产物的特性进行深加工利用，是实现低阶煤高效清洁利用的重要技术手段。受到技术、设备、装置、工艺等方面因素的限制，不同企业所研发的热解技术带有特定的技术属性，下面主要对低温干馏和粉煤热解技术进行简要 分析。

2.1 低阶煤低温干馏技术

2.1.1 低温干馏技术研发方向

煤炭热解也称煤炭干馏，低温干馏是低阶煤热解技术的一种，通过低温干馏能够提高资源的综合利用价值，提升低阶煤的附加值，是一种具有潜力的低阶煤热解技术发展方向。我国围绕低温干馏技术已经研发了多种干馏工艺和装置，比如内热式直立炉、外热式直立炉、外燃内热式、回转炉、带式炉等。目前应用规模较大的是内热式直立炉，在研发内热式直立炉的过程中，从技术层面主要是针对如下几个问题。在煤炭的机械化综采技术中，粒度在20mm以下的碎煤比例可达27%以上，而这部分煤不适合用于竖炉干馏，所以要对这部分煤进行低温干馏，需要采用流化床干馏或者套筒回转窑等间接加热干馏装置。对于外热式低温干馏以及气体热载体外燃内热式炉等需要制备高热值或化产用煤气，高效的低温干馏还需要与加氢热解、废塑料、废橡胶共热解等结合。

目前存在的这些技术问题受到各种原因的限制大多处于试验阶段，比如采用流化床作为碎煤低温干馏的反应器是最佳选择，但是在焦油捕收与分离环节却存在一定的难度。对于间接加热的低温干馏技术，换热速度慢还无法得到有效解决。

2.1.2 低温干馏技术存在的问题

低温干馏技术充分利用了低阶煤高焦油的特点，在提取分离焦油的同时还能够得到广泛应用于化工、铁合金等行业的兰炭，是低阶煤高效清洁分质利用的重要技术手段，但是还有如下问题需要解决。对于现阶段机械化综采技术而言，得到的粒度小于20mm的碎煤无法通过干馏实现分质利用；在低阶煤低温干馏过程中产生的热解水还缺乏较好的处理技术，现有技术手段无法解决成本、污染和质量的问题；在现阶段所采用的湿法熄焦会消耗大量的水资源，同时得到的产品品质不佳，还需要开发新型干熄焦技术；采用炉内空气与煤气燃烧加热的方式进行低温干馏，燃烧过程中产生的废气会混入煤气中，从而降低煤气的热值，同时还会产生环境污染问题；在很多企业中的低温干馏装置单炉产能低，自动化程度低，对经济效益和生产成本产生影响，焦油和粉尘分离难度高也是急需解决的问题。

2.1.3 低温干馏技术解决问题的方向

针对低温干馏技术存在的问题，可从如下几个方面进行技术研发。采用低温富氧干馏技术，在不改变现行低温干馏炉结构的情况下，用富氧甚至全氧代替空气，不仅提高路况的稳定性，还能够有效提高煤气热值，这套技术对于现行的工艺和设备具有较好的适用性，还可为过程煤气的综合利用奠定良好的基础；采用低温干馏干熄焦技术，将冷煤气作为冷却的介质，与半焦换热熄焦后再进入干馏段，这种方式是将熄焦与干馏相结合的重要手段，可有效提升干熄焦和热量的利用效率，能够达到节能节水的目的；对于粒度较小的低阶煤而言，可以按照粒径将其分成三个不同的等级，然后分级入炉，能够解决综采煤入炉干馏效率；除了以上技术的研发应用，还有其他技术正处于研发实验阶段，通过技术的改进，能够有效提升低阶煤低温干馏的效率，最终实现低阶煤的高效清洁利用。

2.2 低阶粉煤热解技术

随着我国煤炭综采率的不断提高，粉煤率已经达到了70%以上，而在很多热解技术中，对于粉煤的利用效率还比较低。无论是原料的适应性和产品结构，还是产品的附加值，都无法达到高效清洁分质利用的目的，所以粉煤热解技术是现阶段急需解决的问题，很多单位都开展了不同规模、多种炉型的试验，并且不同程度地获得了进展，下面对粉煤热解技术进行简要分析。

2.2.1 粉煤热解-气化一体化技术

这项技术主要是将煤的热解和半焦的气化在一个反应器内进行，煤粉在热解区发生热解会生成油气、半焦，半焦再返回到气化区气化产生合成气。因为在反应器中会形成独特的流化状态，并且温度会呈现梯级分布，所以会加快热解反应产物的扩散速率，能够减少焦油进行二次反应的机会，从而提升焦油的收率。

2.2.2 气化-低阶煤热解一体化技术

该项技术主要以25mm以下粒度的低阶煤为原料，在低温分级热解和粉焦常压气化有机耦合，在中低温条件下提取煤中的有机挥发组分，以此来制备煤焦油、半焦、热解煤气。这种热解技术获取焦油收率较高，热解气的品质较好，热解半焦品质优，生产过程中产生的废水较少，能源利用率高，可有效实现低阶煤高效清洁分级利用的目的。

2.2.3 其他热解技术

除了上述分析的热解技术，其他企业也根据自身的生产特点和技术实力，研发出了适宜本企业的新型热解技术。比如利用旋转床进行的低温热解技术，蓄热式无热载体旋转床热解技术、低阶粉煤气固热载体双循环快速热解技术、内构件移动床煤热解技术等。其中大多数都是针对粉煤特性而研发的热解技术，主要是解决综采中粒度较小的低阶煤而进行的技术改良，既能够提高对低阶煤的分质利用效率，又能够达到节能环保的目的。

3 结束语

能源紧缺是我国经济发展中面临的主要问题，提高低阶煤的利用效率是缓解能源紧缺的途径之一。低阶煤的性质影响了利用的价值，所以通过相应的技术对低阶煤进行分级，然后再分质利用，是实现低阶煤高效清洁利用的重要手段。热解是低阶煤实现分质利用的核心技术，热解主要是指煤在隔绝空气的系统中进行加热，在不同的温度下会发生相应的物理变化和化学变化，最终通过热解技术将低阶煤转化为煤焦油、热解煤气和半焦不同状态的物质，然后再采用相应的技术对每种物质进行深加工。实现对低阶煤的高效清洁分质利用，涉及多条产业链，所以需要技术、资金、工艺、政策等多方面的共同配合。同时随着低阶煤分质利用工艺和技术的改进优化，对低阶煤的利用效率会进一步提升，这也会是我国能源改革中的重要战略规划。