1、1 陕北长焰煤的综合利用 * 马燕星，马志超，王汝成，孙鸣， 马晓迅 （ 西北大学化工学院 陕北能源先进化工利用技术 教育部工程研究中心 陕西省洁净煤转化工程技术研究中心， 陕西 西安 710069） 摘要 ：陕北长焰煤弱粘结性、高挥发分的特性使该地区的煤干馏生产形成了具有地方特色的兰炭产业。本文分析了陕北长焰煤生产兰炭的产业现状，并分析了其中的不足。针对陕北现有的生产工艺中存在的问题，提出了陕北长焰煤利用的煤低温催化热分解 煤焦高温气化耦合技术、 低中温干馏为核心的多联产系统 ，对于陕北长焰煤综合利用具有较强的指导意义。 关键词 ：长焰煤，干馏，兰炭，综合利用 中图分类号 ： TQ523 文
2、献标识码 ： A Comprehensive Utilization of Long-flame Coal in Northern Region of Shaanxi Province Ma Yanxing, Ma Zhichao, Wang Rucheng, Sun Ming, Ma Xiaoxun （ School of Chemical Engineering, Chemical Engineering Research Center of the Ministry of Education for advanced use technology of Shanbei Energy, S
3、haanxi Research Center of Engineering Technology for Clean Coal Conversion, Northwest University, Xian, Shaanxi, 710069） Abstract: Coal carbonization industry in northern region of Shaanxi province has been formed with local characteristics， because of coal in this region with characters of weak bon
4、ding, high volatile. A brief introduction of the industry status of using the long-flame coal to produc ing char is given, and the shortage of it was analyzed. According to the existing problems in the carbonization process, integrated technology of coal low temperature catalytic pyrolysis combined
5、char gasification, and polygeneration based on coal low & medial temperature carbonization were proposed, and strong guidance was given to the comprehensive utilization of long-flame coal. Keywords： long-flame coal, carbonization, char, comprehensive utilization 引 言 陕北地区煤炭资源丰富，含煤总分布面积约 27140km2，截止 2
6、003 年底探明煤炭资源储量 1460 多亿 t，预测总量 6940 亿 t，占陕西省的 86.14%，占全国的 14%。陕北低变质煤煤田煤炭资源主要分布于榆林市府谷、神木、榆阳、横山、定边、靖边等县 （ 区 ） ，分布着榆神、榆横、神府 3 大矿区，是世界 8 大煤田之一。该煤田的主要煤种是侏罗纪煤，煤质具有低灰、低硫、低磷 、高发热量的特点，是优质低温干馏、工业气化、液化和动力用煤。 煤在隔绝空气下加热至高温 600 左右所发生的一系列复杂的物理、化学变化过程，称为煤的低温干馏。适合于低温干馏的煤是无粘结性的非炼焦用煤、褐煤或高挥发分烟煤。上世纪八十年代中后期，受全国性煤炭滞销的影响，在陕
7、北的神木、府谷、榆阳、横山等县区兴起了一种土法炼焦，主要产品为固体半焦，俗称 “ 兰 炭 ” 。因其具有低硫、低磷、低灰、固定碳高的特点，成为电石、铁合金、化肥造气、活性炭、高炉喷吹等的生产原料及还原剂。副产品煤焦油则主要作为燃油发动机的添加油以及加工轻 质油、成品油的原料；副产的荒煤基金项目： 以煤（催化）热解 煤焦气化耦合为核心的化工产品、燃料、电多 联产系统开发（ 2009ZKC04-06），陕西省洁净煤转化工程技术研究中心（ 2008ZDGC-13） 。联系人：马晓迅，电话： 029-88302633， E-mail：。 第一作者：马燕星（ 1984 ），男，硕士研究生。 2 气（焦炉
8、煤气）主要用作燃料、燃烧发电或放散。经过 20 余年的发展，陕北的 兰 炭产业在历经土法式、平箱式及直立式的变迁，技术水平有所提高，成为上接原煤开采，下连载能、化工、电力等产业的重要环节，也是最大的地方煤炭转化产业。 1 现有的主要生产技术 1.1 生产工艺及设备 陕北 区现有 兰 炭生产工艺主要采用内热式低温干馏炉工艺。其技术路线大多采用先将低变质煤经自然干燥 ， 然后由斗式提升机提升到炉顶储煤仓 ， 并连续加入干馏炉。干馏段干馏温度为 750 20 ， 干馏所用热量主要由回炉煤气与空气 在火道内混合均匀后 ， 经火口进入干馏段燃烧 ， 干馏段下部成品 兰 炭落入水封槽冷却熄焦 ， 然后排出
9、。荒煤气在干馏室内沿料层上升 ， 通过煤气收集罩、上升管、桥管后经文氏管塔、旋流板塔洗涤 ， 部分煤气在风机的作用下回炉加热 ， 剩余部分放散。焦油进入沉淀池脱水 ， 脱水后的焦油即为成品焦油。 图 1 陕北 煤 干馏生产工艺流程图 Fig. 1 Production process flow diagram of coal carbonization in northern region of Shaanxi province 1、储煤 仓； 2、直立干馏炉； 3、熄焦池； 4、半焦刮板机； 5、文氏管塔； 6、旋流板塔； 7、鼓风机； 8、焦油氨水分离池； 9、焦油泵； 10、氨水泵； 1
10、1、焦油池； 12、斗式提升机； 13、回炉加热煤气管道 低温干馏工艺的关键设备是炭化炉。 陕北 地区目前广为采用的内热式直立炭化炉是在鲁奇三段炉基础上 ， 总结了当地内热式直立方炉和复热式直立炭化炉的技术优点及生产实践经验 ， 吸收了国内外有关炉型的长处 ， 并根据榆、神、府、东胜煤田和大同矿区挥发分高、灰熔点低、含油率高的煤质特点而研制开发出的一种新型炉型。榆林现有近 300 家低温干馏生产半焦的厂家 ， 主要采用这种内热式直立干馏炉。其主要工艺特点为：炉内采用大空腔设计 ，干燥段、干馏段没有严格的界限 ， 干馏、干燥气体热载体不分；炽热的半焦进入炉底水封槽 ，用水冷却息焦 ， 采用拉盘和
11、刮板机导出干馏产品；部分荒煤气和空气混合进入炉内花墙 ， 经花墙孔喷出燃烧 ， 生成干馏用的气体热载体将煤块加热干馏 ， 煤气由炉顶集气伞引出进入冷却系统。 和国内外先进炉型相比 ， 该干馏炉是采用气体热载体的内热式直立炉 ， 炉体工艺简单 ，可连续进料和连续出料 ， 属于简易型机械化炼焦炉。用这种内热式直立炉进行陕北低变质煤干馏 ， 其技术和当地煤种 特点相适应 ， 属于煤化工的领域 ， 从 陕北 地区煤低温干馏行业的发展现状来看 ， 其工艺水平与国内外相关技术相比具有自己的特点 ， 炉子的设计和使用都有着特殊性 ， 是国内仅有的几种技术中相对成熟的煤干馏技术 ， 在国内尚属首创。加上工艺简
12、便、投资少 ， 经济效益明显 ， 经多年的生产实践检验和改进 ， 在榆林及内蒙地区迅速发展 ， 形成了目前可观的工业规模。 1.2 现有的兰炭产业链 利用半焦的独特优势，近年来 陕宁蒙 地区已形电石、铁合金、化肥、清洁燃料油、金属3 镁等半焦下游产业集群。以陕西榆林地区为例，目前已形成原煤 半焦 电石、原煤 半焦 铁 合金、原煤 半焦 煤焦油 清洁燃料油、原煤 半焦 干馏炉煤气 金属镁、原煤 半焦 干馏炉煤气 发电等循环经济产业链。半焦产业带动了当地煤炭、电石、铁合金、金属镁、型焦、煤焦油加工、聚氯乙烯、电力等行业的快速发展，减缓了原煤外运的交通压力。 该干馏工艺 生产半焦的同时副产低温煤焦油
13、和干馏炉煤气。煤焦油密度为0.951.1g/cm3，其中酚类占 35%，有机碱 1%2%，烷烃 2%10%，烯烃 3%5%，环烷烃10%，芳烃 15%25%，中性氧化物 20%25%，中性含氮化合物 2%3%，沥青 10%，可用作生产油 毡纸、炭黑等，同时也可通过加氢改质制取清洁燃料油。干馏炉煤气中可燃气体的组分为： H2 12%17%， CO 7.0%10%， CH4 12%17%，热值达 7 1408 400kJ/m3，可用于发电、冶金等行业，同时也可作为合成氨、甲醇、苯等化工产品的原料以及工业炉窑用热源等。 近期，由陕西省煤业化工集团筹建的 300 万 t/a 兰 炭项目，除每年生产 3
14、00 万 t 兰 炭外，同时利用焦炉气每年可生产 30 万 t 甲醇，并副产 36 万 t 燃料油，总投资不到 10 亿元。 日前，陕西神木锦界天元化工有限公司 50 万 t 中温 煤焦油轻质化项目以中温煤焦油为原料，采用煤干馏和 “ 二次加氢，尾油裂化 ” 技术，通过煤干馏产出半焦、焦油和煤气，对煤气进行加工转化提取高纯度氢气，再将氢气与煤焦油在催化剂的作用下进行加氢反应，生产燃料油、石脑油及液化气，现已取得成功。该工艺与间接法煤液化生产燃料油相比，具有投资少、耗能低、成本低、效益好等优势 。 低温干馏原 煤 兰 炭焦炉煤气煤焦油甲醇或合成氨 （ 30万吨 ）发电 、 工业燃料 （ 24万千
15、瓦时 ）金属镁 、 铁合金电石 、 气化原料冶金 、 高炉喷料活性炭汽 、 柴油 （ 28万吨 ）沥青 （ 6万吨 ）粗酚等化工产品 （ 1.2万吨 ）（ 300万吨 ）（ 18亿立方米 ）（ 36万吨 ）燃料气 （ 0.8万吨 ） 图 2 300万吨 /年兰炭生产及产品综合利用示意图 Fig.2 Production of 3 million tons/a char and comprehensive utilization of all products 1.2 现有工艺的不足 从 陕北 地区低温干馏煤行业的发展现状来看，其技术和当地煤种特点相适应，其工艺水平与国内外相关技术相比具有自己的
16、特点，经多年的生产实践检验和改进，已输出到国外。但 该低温焦化工艺流程简单，设备较为落后 ，而且 干馏炉和国内外先进炉型相比，炉体工艺简单，属于简易型机械化炼焦炉。 其干馏工艺过程中仍有许多不足。 干燥和干馏气体热载体部分不足，导致出炉煤气 N2 含量高， 热值低，难以符合工业和民用要求，对后续进一步 加工利用造成巨大影响 ，因此 大部分没有回收加工利用， 而是 放空燃烧，资源浪费严重； 采用水封冷却出焦方式，表面看起来避免了由于煤气泄漏造成的环境污染，实际在生4 产中，黑褐色的熄焦高温废水，向空气中会发出大量有毒有害的气体； 由于半焦是从水里捞出，还需要浪费大量的煤气燃烧去烘干半焦； 煤干馏
17、炉规模小，难以大型化。目前规模均为 3 5 万 t/a 的小型炉，属国家限制和淘汰的对象之一； 由于气体热载体必须由下向上穿过料层，要求料层有足够的透气性，并使气流分布均匀，所以入料粒度应为 20 80mm，需要由原煤破碎和筛分， 其产率不高，价格还高于原煤； 干馏炉加料过程粉尘问题未得到有效解决。 2 研究方向建议 针对陕北现有的生产工艺中存在的问题，可以从以下几方面开展研究，进行工艺及设备的改进。 （ 1）干馏炉的研究。干馏炉是煤低温干馏生产工艺中的主要设备，其直接影响着半焦的质量，同时也很大程度的影响着焦油的产率和后续工段对荒煤气的处理工艺。应重点加强固体热载体低温干馏炉的研究，努力提高
18、焦炉热效率、焦油产出率和煤气热值。 （ 2）干馏工艺的研究。煤低温干馏工艺是解决一切问题的关键。榆林当前生产的主要问题是设备简单、工艺落后，生产 工序不健全 ,从而导致资源利用率低、环境污染严重。现阶段必须在改造关键设备的同时，完善生产工艺流程，提高总体加工效率。 （ 4）煤气发电和综合利用新技术研究。例如以榆林煤低温干馏生产过程煤气为燃料的燃气 蒸汽联合循环发电技术。此外还应建设以干馏煤气为燃料的石灰生产企业、煤焦油深加工企业、粉煤气化生产企业等，以提高资源综合利用效率和环境保护能力。 3. 开展 多联产工艺研发 3.1 煤低温催化热分解 煤焦高温气化耦合技术 利用煤炭同时生产多用途合成气和
19、高附加价值的化学品的新型过程耦合，对开发将来用煤部分代替石 油系能源的洁净煤技术是非常有意义的尝试。 图 3 煤低温催化热分解 煤焦高温气化耦合制合成气及 BTX流程示意图 Fig.3 Process diagram of Integrated technology of coal low temperature catalytic pyrolysis combined char gasification to producing syngases and BTX 技术路线：如流程示意图所示，将煤粉经加料管加入到已预热至指定温度的粉 -粒流化床催化热解反应器中，使煤 在反应器内催化加氢热分解，
20、获得气体产物（ CH4， CO， H2 等）、BTX 和固体煤焦等。煤焦经流化床旋风分离器分离收集后送入到已预热至气化温度的粉 -粒5 流化床气化反应器中，与 O2 和水蒸气在高温下发生气化反应，混合气经精制后得到 CO 和H2，为合成气。另外，由热分解炉出来的气体产物经热量回收、油洗、改质后转化为富含H2 的气体作为合成气。流程示意图中煤热分解器与煤焦气化器的位置是为了直观、阅图方便而确定的。实际情况是，煤热分解器在上，煤焦气化器在下，以实现二者间的热量耦合。由于煤的催化热分解采用粉粒流化床反应器，对于 今后放大至工业规模后，失活催化剂的回收、再生和循环补充成为可能。 除此之外，由于催化热分
21、解煤焦的高燃烧性，利用本项目的研究结果还可开发煤催化热分解 -煤焦锅炉燃烧的另一过程耦合技术，从而构筑新的燃气 /蒸汽联合循环发电系统，提高目前占绝大多数并还要制造和长期使用的粉煤锅炉发电系统的发电效率，提高能源利用率，减少总体排放。因此，本技术开发的实现将具有多重的现实意义。 3.2 以陕北长焰煤低中温干馏为核心的多联产系统 陕北煤的 低温干馏 可 获得高收率的焦油，而且所产半焦用途广泛；加之，对焦油进行深加工生产汽、柴油，对 焦炉煤气进行综合利用，合成甲醇或发电等，市场前景广阔。因此，依托陕北煤炭资源，发挥煤质优势；进一步提升低温干馏工艺技术水平；延长产业链条，综合利用半焦、焦油及焦炉煤气
22、；节能降耗、清洁生产，走循环经济的道路，是陕北地区煤炭转化产业健康有序发展的根本保证。为此，根据陕煤化集团建设 SJ-IV 方形炉低中温煤干馏和固体热载体低中温煤干馏两个工业示范装置在干馏工艺、原煤大小、焦炉煤气组成等的不同特点，进行优化组合，提出下图所示的以陕北长焰煤低中温干馏为核心的多联产系统。 图 4 以陕北长焰煤低中温干馏为核心的多联产系 统 示意图 Fig.4 polygeneration based on low & medial temperature carbonization of long-flame coal in northern region of Shaanxi p
23、rovince 4 结 论 1）半焦作为不同于冶金焦的一种新产品，已纳入正在修订的焦化行业准入条件，但无相应的国家级行业清洁生产标准，建议进一步开展煤干馏工艺的调研，尽快组织制定半焦行业清洁生产标准。 2）在稳步提升半焦产能的基础上，着力推进煤焦油深加工 和焦炉煤气的综合利用，延长产业链，提高附加值。 3）新建煤干馏项目走大型化、基地化、多联产的新型工业化道路，整合半焦产业，淘6 汰不符合节能减排及循环经济模式且环境污染严重的小半焦，力争做到资源合理利用和废物减量化，实现综合效益最大化和可持续发展。 4）要加强生产过程中的污染治理。 参考文献 1 王永军 . 煤干馏生产半焦、煤焦油及干馏炉煤气
24、的发展前景 J. 燃料与化工 , 2010,41(1): 9-11 2 张林生 . 神府煤干馏工艺研究 J. 洁净煤技术 , 2000, 6(2): 49-54 3 虎锐 , 李波 , 张秀成 . 榆林地区 兰 炭产业发展现状及其前景 J. 中国煤炭 , 2008, 34(5): 69-72 4 赵世永 . 榆林煤低温干馏生产工艺及污染治理技术 J. 中国煤炭 , 2007, 33(4): 58-60 5 崔乐平 . 内热式中低温煤热解炉的开发与应用 J. 煤气与热力 , 2006, 21(3): 225-228 6 郭树才 . 煤化工工艺学 (第二版 )M. 北京 : 化学工业出版社 , 2
25、006.4 陕北长焰煤的综合利用作者： 马燕星， 马志超， 王汝成， 孙鸣， 马晓迅作者单位： 西北大学化工学院 陕北能源先进化工利用技术教育部工程研究中心 陕西省洁净煤转化工程技术研究中心,陕西西安,710069本文读者也读过(10条)1. 裴贤丰 中国半焦(兰炭)生产技术状况和政策建议会议论文-20102. 贺根良.樊义龙.韦孙昌.门长贵 低阶煤低温热解技术进展会议论文-20113. 游勇.沈丽娟.陈建中 朱家峁煤矿长焰煤脱硫研究及综合利用期刊论文-煤炭加工与综合利用2010(3)4. 贺建忠.申峻 从低阶煤直接制取苯类产品的项目研究会议论文-20115. 马忠云.刘振强.苗文华 新型褐煤低温干馏工艺的设计与应用研究会议论文-20116. 田玉虎 兰炭煤气生产合成氨工艺探究期刊论文-纯碱工业2011(4)7. 毕方方 混凝处理兰炭废水生化出水的研究学位论文20118. 宋录生.SONG Lu-sheng 义马矿区长焰煤的资源与利用期刊论文-洁净煤技术2007,13(3)9. 张彩凤 催化湿式氧化处理兰炭废水的研究学位论文201110. 刘巧霞.王振宏.Liu Qiaoxia.Wang Zhenhong 榆林地区煤焦油加工产业现状及发展期刊论文-煤化工2011,39(3)引用本文格式：马燕星.马志超.王汝成.孙鸣.马晓迅 陕北长焰煤的综合利用会议论文 2010
