刘佳　曹祖宾　韩冬云　李丹东　胡博馨

摘 要：煤炭是我国的主要能源，在未来相当长的时间内不会改变。到目前为止，探明煤炭储量中一半以上为低阶煤。低阶煤清洁高效和科学分级利用的核心技术为低温干馏技术，现已被国内外广泛关注。本文围绕低阶煤煤质的特殊性进行了分析；对国内外低温干馏工艺进行了对比分析，重点分析了各类工艺的原料、干馏炉、工作原理和技术特点等方面；并提出了推进我国低阶煤低温干馏工艺技术工业化进程的相关建议。

关 键 词：低阶煤；干馏炉；低温干馏

中图分类号：TE 664 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）09-2151-04

Abstract： Coal is the main energy in China， which will not change for quite a long time in the future. So far，more than half of coal reserves has been proven low rank coal. The core technology for the low rank coal clean efficient and scientific classification and utilization is low temperature carbonization technology； it has been widely concerned at home and abroad. In this paper， characteristics of low rank coal were discussed； domestic and foreign low-temperature carbonization processes were compared and analyzed from the aspects of raw materials， carbonization furnace， working principle， technical characteristics and so on； and relevant suggestions about promoting China's low rank coal low temperature carbonization technology industrialization were put forward.

Key words： Low rank coal； Gas retort； Carbonization process

煤化作用比较低的煤（一般干燥无灰基挥发分>20%）称为低阶煤。从化学角度来看，低阶煤在煤化过程中原始物料有机官能团上的氧和氢从芳香碳网络骨架上脱去，并以H2O、CO2、CH4等多种气体分子形式从煤基中逸出，因此碳含量相对较少[1]。低阶煤是由芳环、脂肪链等官能团缩合形成的大分子聚集体。既含有以无定型碳与灰为代表的固体成分（60%～80%）（wt）、又含有高达10%～40%的由链烷烃、芳香烃、碳氧支链构成的代表煤本身固有油气成分的挥发分[2]。随着国内能源的需求日益增大以及优质煤炭资源量的锐减，所以在未来可预见，以低阶煤为代表的转化综合利用将成为支撑未来能源需求的潜力所在[3]。针对这一情况，目前世界各国开发出诸多煤炭低温干馏提质工艺，以实现低阶煤的气-液-固组分分级转质转化利用。

1 低阶煤的特殊性

由于低阶煤加热时破碎严重，导致成煤时间较短，因此煤化的程度很低[3]。而这些情况对于其利用开发有很大的影响。

1.1 密度小

煤的密度由煤的分子空间立体结构组成决定，煤的密度的变化随煤的煤化程度的变化而改变，在矿物质含量相同的情况下，煤的密度随煤化程度的加深而增大。一般采用的是测量煤的真相对密度（TRD）[4]。煤化程度低的时候，真相对密度增加缓慢；接近无烟煤时，真相对密度增加很快。褐煤0.8～1.35 g/m3；烟煤1.25～1.50 g/m3；无烟煤1.3～1.9 g/m3。影响密度的主要因素还有很多，例如：煤岩组成、煤化程度、煤中矿物质的成分和含量等等[5]。

1.2 含水量高

低阶煤中含有大量的O2含量和大量酸性官能团，造成其含水量很高（40%～75%）。低阶煤的高含水量是煤中基本有害无利的无机物质，几乎影响着低阶煤利用的每个方面，如在运输时，煤的水分增加了运输负荷；对低阶煤进行机械加工过程中时，低阶煤中过多的水分将造成粉碎和筛分的困难，从而造成了设备的损坏，生产效率也进而降低了；炼焦过程中，煤中水分的蒸发需消耗大量热量，结焦时间也就延长了，增加了焦炉的能耗，焦炉的生产能力从而降低[6]。

1.3 挥发分高

挥发分是煤分类的重要指标。煤的挥发分反映了煤的变质程度，挥发分由大到小，煤的变质程度由低到高。如泥炭的挥发分高达70%，褐煤一般为40%～60%，烟煤一般为10%～50%。煤的挥发分和煤岩组成有关，角质类的挥发分最高，镜煤、亮煤次之，丝碳最低。所以煤的挥发分是煤分类最重要的指标。

1.4 热稳定性差

低阶煤的热稳定性差，在燃烧或气化过程中则迅速裂成小块或煤粉。这样，轻则炉内结渣，增加炉内阻力和带出物，降低燃烧或气化效率，重则破坏整个气化过程，甚至造成停炉事故。因此，热稳定性直接关系到固定床气化、燃烧等能否顺利进行及关系到带出的粉尘量。

造成煤的热稳定性不良的原因很多，对于低阶煤中的烟煤和褐煤而言是挥发分的数量和胶质体的质和量的关系[1]。

1.5 环境污染大

低阶煤对环境的主要威胁表现在运输过程中的扬尘和燃烧排放物。由于低阶煤中含有大量硫、氮元素，所以在燃烧过程中会产生了大量的硫氧化物、氮氧化物以及汞等微量元素，尤其是汞元素，它在燃烧过程中会产生不同形态的物质排放到空气中，对环境产生较大的威胁。还有在转运、装卸等过程中低阶煤会产生大量的扬尘颗粒物，对环境造成污染[3]。

2 低阶煤的低温干馏工艺技术

2.1 技术分类

世界历史上曾经出现过很多的低温干馏方法，但工业实践上成功的却只有寥寥几种。这些低温干馏方法按干馏炉的加热方式的不同可分为外热式加热炉、内热式加热炉及内热外热混合式加热炉。同样由于加热介质的不同可分为有固体热载体以及气体热载体干馏法两种。

气体热载体干馏技术主要代表有巴西Petrosix干馏法、我国的桦甸式油页岩干馏技术、抚顺式油页岩干馏技术和成大全循环干馏工艺。而对于固体热载体干馏技术主要有澳大利亚ATP干馏工艺、德国LR干馏工艺、爱沙尼亚Galoter干馏工艺和大连理工大学的DG-Process干馏工艺[7，8]等。

2.2 国外低温干馏技术

2.2.1 气体热载体干馏技术

Petrosix干馏炉是直立式圆筒炉，干馏所需热量全部由加热炉提供，半焦不被利用。处理粒径在8～50 mm的块状原料自炉顶进入炉内，原料依靠自身重力作用在向下运动，运动中首先经过预热段100 ℃左右，这一阶段主要是除去原料的表面水分，为干馏段节省一部分能量。然后经过干馏段，700℃左右的热循环瓦斯气从炉体中部进入到干馏段与预热过的原料逆向接触进行干馏，原料的温度逐渐升高，当到达450～500 ℃左右时，原料中的油母质裂解生成干馏气向上至预热段与冷原料接触换热100 ℃左右，接着由干馏气导出管导出并冷凝，冷凝下来的焦油进入到油收集罐，冷凝下来的瓦斯气分成几部分：一部分作为燃料进入加热炉燃烧提供热量；另一部分作为干馏炉炉体冷循环干馏气由干馏炉体下部进入与半焦换热后与700 ℃热循环瓦斯气体混合一同进入干馏炉干馏段进行干馏换热；还有一部分就是作为热循环瓦斯气体；最后一部分剩余的瓦斯气进入热电场燃烧发电。干馏放出干馏气后剩余的部分变成半焦，半焦在重力的作用下自干馏段继续向下运动，与炉底进入的冷瓦斯气进行逆向接触换热，温度进一步降低，然后进入封水池，在刮泥板的作用下经皮带运送到半焦堆放场。干馏炉出口处温度为100 ℃的干馏气依次通过冷凝管饱和塔洗涤塔。干馏气经过分成以下几部分：一部分为热循环瓦斯用于与原料干馏换热。另一部分作为冷循环干馏气用于与干馏后的半焦换热，还有一部分则进入冷凝器回收气体中含有的轻油，冷凝下来的冷干馏气被送到储气柜，净化后的干气，除自用外送其他工厂使用。该干馏炉及工艺的缺点是未利用半焦中的固定碳的潜热，影响了干馏炉的热效率。图 1为Petrosix干馏炉。

2.2.2 固体热载体干馏技术

ATP干馏技术由加拿大人发明。20世纪80年代初，澳大利亚的南太平洋石油公司和中太平洋矿业公司在昆士兰州发现了高品位油页岩，选择了ATP炉工艺在加拿大建设了80 t/d 的中试装置，1987年完成试验。年开工率50%。该油页岩干馏装置使用的是连续运转的方式，可处理油页岩的粒径范围0～16 mm，可以处理粉末状原料，原料进入干馏炉后，首先经过干燥段，在这一阶段是由热烟气进行干燥除去油页岩表面水分，接着油页岩进入到干馏段进行热解反应，在干馏段经过干燥后的油页岩与热的页岩灰渣混合换热进行干馏，放出页岩油气和半焦，半焦进入燃烧段与进入的空气相接触，进行换热，燃烧生成页岩灰和各种废热烟气，废热烟气去干燥段干燥新进入的油页岩，页岩灰进入到干馏段进行干馏油页岩的操作，如此循环往复的进行。

该炉优点是油收率高，生成的干馏气热值高，充分的利用了半焦的潜热。缺点是设备庞大，结构复杂，维修量大[8，9]，抚顺矿业集团有限责任公司引进了该项技术，正在建设中，还没有投产。图2为ATP干馏炉。

2.3 国内低温干馏技术

2.3.1 气体热载体干馏技术

抚顺式炉处理原料的粒径为10～75 mm的范围之间的原料。油母页岩自炉顶加入，依靠自身重力的作用进入预热段与混和干馏后产生的干馏气（120℃）逆向接触进行换热，预热段的主要功能是出去油页岩的表面水，以免增加干馏段的热负荷。经过预热段加热后较为较为干燥的油页岩进入干馏段，与炉体中部进入的500～700 ℃的热循环干馏气体逆向混合完全接触换热，此时油页岩页岩中的油母质开始裂解生成页岩油气向上进入到预热段与新进入的油页岩进行换热。干馏段的主要功能是高温干馏油页岩，使油页岩中含有的油母质裂解生成页岩油气。经过干馏段后页岩半焦继续在自身重力的作用下进入气化段，气化段是冷空气由炉体下部进入与高温的页岩半焦换热，页岩半焦中含有的固定碳和空气中的氧气发生氧化反应生成大量CO、CO2及由此引发的一系列氧化还原反应生成的H2等气体进入干馏段和热循环干馏气混合一同作为干馏段的热干馏气干馏油页岩。页岩半焦经过气化段后变成页岩灰，进入炉底水盆，气化一部分水蒸气进入气化段。页岩灰经过水封后由刮板排出干馏炉，送至半焦堆场。抚顺式干馏炉的优点是可以处理低品位级油页岩，可以充分利用了页岩半焦中的潜热，并可以做到热量供给自给自足，因此抚顺炉的热效率较高。另外抚顺炉干馏设备结构简单，操作容易，易于维修等特点并能保证长时间运转。缺点是炉出口气体的热值较低，这是因为干馏炉炉底部进入了大量的空气，空气中含有的大量氮气稀释了干馏气导致炉出口气热值较低。另外气化段中的氧气如果不能完全消耗掉的话进入到了干馏段就会发生烧油现象，进而消耗掉了一部分瓦斯气。另外氧气的存在还无法进行静电补油。因而使得抚顺式油页岩干馏工艺的油收率较低，约为实验室铝甄干馏收率的65%[10]。图3为抚顺式干馏炉。

2.3.2 固体热载体干馏技术

以固体热载体为供热方式的油页岩干馏工艺有大连理工大学开发的新法油页岩干馏工艺，它采用被加热的页岩灰与油页岩混合换热进行干馏的方式，干馏后生成页岩油气以及页岩半焦[9]。图4为大工新法干馏工艺简图。

3 结 语

低阶煤加工的一个主要途径就是低温干馏，但现有的低温干馏技术存在一些缺点，例如：加热炉对原料粒度的要求苛刻、废气中氮氧化物对环境的污染等问题，所以对于低温干馏炉及干馏技术的研究应根据实际情况进行选择应逐步关注以下几个方面[3]。

（1）干馏炉应向大型化、高效化和自动化方面发展。未来需更加优化低温干馏技术，开发更具有新型加热方式以及炭化结构的加热炉；

（2）由单一的内热或外热加热方式逐步向内外热结合的混热式方向发展[11]。充分利用能源，探索低阶煤高能效开发利用的新途径；

（3）提高半焦的利用。对于半焦显热利用干熄焦技术进行回收，从而提高半焦质量，然后利用半焦进行陶粒等产品的下一步加工。

（4）低阶煤低温分级转化技术。结合工业示范装置，实现煤-电-热多联产技术，解决所发电能与下游用户衔接的问题，提高能源整体利用效率。

参考文献：

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