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块煤中低温干馏工艺 一、概述 陕北地区煤炭资源丰富，总分布面积约27140平方公里，探明储量约1460亿吨，预测总量达6940亿吨，占陕西省煤炭资源的86.4%，占全国煤炭资源的14%。陕北煤田主要分布在榆林市的府谷、神木、榆阳、横山、定边、靖边等县（区），是世界八大煤田之一。陕北煤田主要煤种是侏罗纪煤，属弱粘、不粘的低变质煤，具有低灰、低硫、低磷、高挥发分、高发热量、高活性等特点，是优质的低温干馏、工业气化、液化和动力用煤。低变质煤加工技术主要包括煤直接燃烧、煤冷加工和煤热加工技术。其中，热加工技术又分为煤转化、煤化学品的制取和煤热提质技术三大类。在热加工技术中，煤低温干馏技术是提高煤炭资源综合利用水平行之有效的方法。这是因为煤低温干馏技术的投资与运行费用较低，效益高，无风险，生产规模可大可小，且资金回收期短，焦油产率虽然不高，但半焦和干馏煤气用途广泛。因此，煤低温干馏技术很适宜在我国发展推广。 1.1 煤干馏的基础理论 1.1.1 煤干馏 煤干馏是指煤在隔绝空气的条件下受热分解，生成焦炭或半焦、煤焦油、粗苯、煤气等产物的反应过程。按加热终温的不同，煤干馏可分为三种： （1）低温干馏，干馏温度范围：400~700℃； （2）中温干馏，干馏温度范围：700~900℃； （3）高温干馏（或炼焦），干馏温度范围：900~1100℃。 煤干馏产物的产率和组成取决于原煤煤质、炉型结构和热加工条件（主要是干馏温度和干馏时间）。随着干馏终温的不同，煤干馏产品也不同。低温干馏固体产物为结构疏松的黑色半焦，煤气产率低而焦油产率高；高温干馏固体产物为结构致密的银灰色焦炭，煤气产率高而焦油产率低；中温干馏产物的产率则介于低温干馏和高温干馏之间。 高温干馏主要用于生产冶金焦炭，所得的焦油为芳烃、杂环化合物的混合物，是工业获得芳烃的重要来源；低温干馏焦油比高温干馏焦油含有较多的烷烃，是人造石油的重要来源之一。煤干馏过程中生成的煤气主要成分是氢气和甲烷，可作为燃料或化工原料。 1.1.1.1 煤的干馏过程 煤在隔绝空气的条件下加热时，煤中有机质随温度的提高而发生一系列变化，形成气态（煤气）、液态（焦油）和固态（半焦或焦炭）产物。典型烟煤受热发生的变化过程见图1-1。 图1-1 典型烟煤的热解过程示意图 可见，煤热解过程大致可分为三个阶段： 第一阶段（室温~300℃）：在此阶段，煤的外形无变化，脱水发生在120℃前，而脱气（CH4、CO2和N2）大致在200℃前后完成。褐煤在200℃以上发生脱羧基反应，近300℃时开始热解反应，烟煤和无烟煤在这一阶段一般没有变化。 第二阶段（300~600℃）：这一阶段以解聚和分解反应为主，煤粘结成半焦，并发生一系列变化。煤从300℃左右开始软化，并有煤气和焦油析出，在450℃前后焦油量最大，在450~600℃气体析出量最多。煤气成分除热解水、CO和CO2外，主要是气态烃，故热值较高。烟煤（特别是中等变质程度的烟煤）在这一阶段经历了软化、熔融、流动和膨胀直到再固化等一系列特殊现象，产生了气、液、固三相共存的胶质体。液相中有液晶或中间相存在。胶质体的数量和质量决定了煤的粘结性和成焦性的好坏。固体产物半焦与原煤相比，有一部分物理指标（如芳香层片的平均尺寸和氦密度等）变化不大，说明半焦生成过程中的缩聚反应还不是很明显。 第三阶段（600~1000℃）：这是半焦向焦炭转变的阶段，以缩聚反应为主。析出的焦油较少，挥发分主要是煤气，700℃后煤气成分主要是H2。焦炭的挥发分小于2%，芳香晶核增大，排列规则化，结构致密、坚硬并有银灰色金属光泽。从半焦到焦炭，一方面析出大量煤气，半焦挥发分降低，另一方面焦炭的密度增加，体积收缩，导致产生许多裂纹，形成碎块。焦炭的块度与强度和收缩情况有直接关系。若将最终加热温度提高到1500℃以上，则为石墨化阶段，用于生产石墨碳素材料。 1.1.1.2 煤干馏过程中的化学反应 煤热解的产物（常称为一次热解产物）在流经高温焦炭、炉墙和炉顶空间时，不可避免地要发生进一步的化学变化，常称为二次热解。煤热解过程中的化学反应时非常复杂的，包括煤中有机质的裂解、裂解产物中轻质部分的挥发、裂解残留物的缩聚、挥发产物在析出过程中的分解和化合、缩聚产物的进一步分解、再缩聚等过程。总的来讲，包括裂解和缩聚两大类反应。从煤的分子结构看，可认为热解过程是基本结构单元周围的侧链和官能团等对热不稳定成分的不断裂解，形成分子化合物并挥发出去，而基本结构单元的缩合芳香核部分对热稳定成分互相缩聚形成固体产品（半焦或焦炭）的过程。 煤热解中的化学反应可分为以下几种： （1）煤热解中的裂解反应 ①结构单元之间的桥键断裂生成自由基，主要是：-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-O-、-O-、-S-、-S-S-等桥键断裂生成自由基