煤低溫干餾工藝發(fā)展與環(huán)境保護(hù)

王曉云 張智鋒 雷 芬

(陜西中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，西安 710054)

煤低溫干餾指采用較低的加熱終溫，使煤在隔絕空氣條件下，受熱分解生產(chǎn)半焦、低溫煤焦油、煤氣等的過(guò)程。煤低溫干餾原料主要是侏羅紀(jì)不粘煤和弱粘煤，生產(chǎn)裝置多集中在我國(guó)陜蒙晉寧接壤區(qū)。陜西榆林是我國(guó)煤低溫干餾行業(yè)的發(fā)源地和目前最大的生產(chǎn)基地。

1 主要工藝對(duì)比及分析

煤低溫干餾工藝按干餾爐加熱方式可分為內(nèi)熱式和外熱式［1］。內(nèi)熱式爐的加熱介質(zhì)與原料直接接觸，因加熱介質(zhì)的不同分為氣體熱載體法和固體熱載體法兩種［1］;外熱式爐的加熱介質(zhì)與原料不直接接觸，熱量由爐壁傳入。

1.1 內(nèi)熱式爐

1.1.1 氣體熱載體內(nèi)熱式爐

氣體熱載體內(nèi)熱式立式爐能干餾20～80mm 塊狀褐煤和型煤，這種爐型不適用中等粘結(jié)性和高粘結(jié)性煙煤。目前，神府一帶煤低溫干餾多采用氣體熱載體內(nèi)熱式立式爐，典型爐有神木縣三江煤化工有限責(zé)任公司的SJ－Ⅲ低溫干餾內(nèi)燃內(nèi)熱式連續(xù)直立方型爐、陜西省冶金設(shè)計(jì)研究院研發(fā)的內(nèi)熱式SH 系列直立爐等。

加入干餾爐的塊煤首先裝入爐頂最上部的煤倉(cāng)內(nèi)，再經(jīng)進(jìn)料口和輔助煤箱裝入炭化室內(nèi)。加入爐內(nèi)的塊煤向下移動(dòng)，與布?xì)饣▔λ腿霠t內(nèi)的加熱氣體逆向接觸，并逐漸加熱升溫，煤氣經(jīng)上升管從爐頂導(dǎo)出，爐頂溫度應(yīng)控制在80～100℃。爐子分為三段，上部為干燥段，塊煤逐步向下移動(dòng)進(jìn)入中部的干餾段，此段被加熱到650～700℃，完成低溫干餾。半焦通過(guò)爐子下部的冷卻段時(shí)，被通入此段熄焦產(chǎn)生的蒸汽生成水煤氣，和熄焦水冷卻到80℃左右，通過(guò)推焦機(jī)、刮板機(jī)連續(xù)排除進(jìn)入烘干機(jī)。煤料在干燥段產(chǎn)生的水蒸氣、干餾過(guò)程中產(chǎn)生的煤氣、加熱燃燒后的廢氣以及冷卻焦炭產(chǎn)生的水煤氣的混合氣(荒煤氣)，通過(guò)爐頂集氣罩收集，通過(guò)上升管，進(jìn)入凈化回收系統(tǒng)。

1.1.2 固體熱載體內(nèi)熱式爐

固體熱載體快速熱解工藝(DG 工藝)是固體熱載體內(nèi)熱式爐的典型工藝，該工藝是由大連理工大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的，已在陜西省神木縣有示范裝置建成試車。其基本流程是將預(yù)熱過(guò)的煤(100～120℃)和800℃的熱載體半焦進(jìn)行混合，半焦是干燥煤量的2～6 倍。混合后加熱至500℃～700℃送入反應(yīng)器中進(jìn)行熱解，熱解產(chǎn)物經(jīng)除塵器去冷卻回收系統(tǒng)得焦油、煤氣，半焦部分排出，部分去提升管內(nèi)進(jìn)行部分燃燒，繼續(xù)作為熱載體進(jìn)行原料煤熱解。采用固體熱載體快速熱解工藝不僅可解決干餾時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，還可以解決干餾爐只能用塊狀原料的問(wèn)題。

1.2 外熱式爐

干餾所需熱量由加熱爐壁傳入稱外熱式，原料煤可以是弱粘性的煙煤，也可以用熱穩(wěn)定性好的塊狀長(zhǎng)焰煤。英國(guó)開(kāi)發(fā)的伍德?tīng)t、德國(guó)開(kāi)發(fā)的Koppers 爐、中國(guó)鞍山焦化耐火材料設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)了JLW、JLK、JLH－D 型立式爐均為外熱式爐。目前國(guó)內(nèi)投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的外熱式爐不多，本文以長(zhǎng)安大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種煤炭水平式干餾專利技術(shù)作為外熱式爐的典型工藝介紹，該技術(shù)小試已取得穩(wěn)定可靠的運(yùn)行效果，目前處于中試階段。

該工藝采用粒徑＜30mm 的原煤作為原料。原煤干燥后通過(guò)溜管進(jìn)入緩沖倉(cāng)，由緩沖倉(cāng)經(jīng)雙翻板閥門進(jìn)入回轉(zhuǎn)干餾爐，與來(lái)自外返料裝置的650℃的數(shù)倍熱半焦進(jìn)行混合，原料煤被迅速升溫至400～600℃進(jìn)行熱解反應(yīng)，混合物料連續(xù)向爐尾流動(dòng)，并通過(guò)外部夾套循環(huán)熱煙氣對(duì)混合物料進(jìn)一步加熱干餾，將混合物最終加熱至600～700℃，熱解后得到半焦和含有焦油的高溫荒煤氣。熱裂解產(chǎn)生的半焦一部分由爐尾排出送入回轉(zhuǎn)冷卻爐熄焦冷卻，另一部分通過(guò)返料裝置返回爐頭與預(yù)熱煤進(jìn)行混合，并不斷在干餾系統(tǒng)中循環(huán)。熱裂解產(chǎn)生的含焦油的高溫荒煤氣由回轉(zhuǎn)干餾爐導(dǎo)氣管導(dǎo)出進(jìn)入凈化單元。

1.3 工藝對(duì)比

針對(duì)氣體熱載體內(nèi)熱式爐、固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐，其主要工藝參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 三種煤低溫干餾工藝主要參數(shù)比較

由表1 可以看出，目前國(guó)內(nèi)尤其是陜北地區(qū)廣泛采用的氣體熱載體內(nèi)熱式爐雖然具有投資少、工藝簡(jiǎn)單易控的優(yōu)點(diǎn)，但要求入爐煤為塊煤，實(shí)際煤礦生產(chǎn)中，塊煤僅有30%～40%，原料利用率較低，并且將面臨原料供應(yīng)問(wèn)題;由于干餾過(guò)程大量氮?dú)饣烊朊簹庵校瑢?dǎo)致出爐煤氣熱值低，增大了凈化系統(tǒng)的處理壓力，且后續(xù)加工利用受到限制;水熄焦方式需大量煤氣燃燒以烘干半焦等［2］。

固體熱載體內(nèi)熱式爐焦油產(chǎn)率高、質(zhì)量好，是生產(chǎn)燃料油的優(yōu)質(zhì)原料;在原料利用方面較氣體熱載體爐有所改進(jìn)，但該工藝氣固分離設(shè)備多、投資大，且存在煤與熱載體混合方面的技術(shù)問(wèn)題;反應(yīng)過(guò)程中雖然利用了熱載體的顯熱，但仍需要通過(guò)額外的燃料燃燒對(duì)其供熱，熱效率低;半焦產(chǎn)品是燃燒過(guò)的焦渣與新鮮焦渣的混合物，其作為優(yōu)質(zhì)燃料的利用價(jià)值較低［3］。

外熱式爐原料利用率高，煤氣熱值高，利用價(jià)值大，但外熱式供熱方式由于導(dǎo)熱系數(shù)小，煤料加熱不均勻，導(dǎo)致半焦質(zhì)量不均勻。

隨著工藝技術(shù)的不斷優(yōu)化改進(jìn)，不同的煤干餾工藝清潔生產(chǎn)水平也在不斷提高。無(wú)論內(nèi)熱式還是外熱式工藝，單臺(tái)設(shè)備產(chǎn)能都在不斷提高［4］，理論上可以達(dá)到50～60 萬(wàn)噸/年;改進(jìn)半焦?fàn)t型及加料、布料技術(shù)，使?fàn)t體封閉運(yùn)行，減少粉塵污染和煤氣泄漏;焦油捕收技術(shù)不斷改進(jìn)，提高焦油回收率［4］;采用干法熄焦，減少用水量及水污染物產(chǎn)生量等。

2 資源能源消耗及綜合利用分析

針對(duì)氣體熱載體內(nèi)熱式爐、固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐，其資源能源綜合利用對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 三種煤低溫干餾工藝資源能源消耗及綜合利用比較

由表2 可以看出，從資源能源消耗角度，三種工藝差異不大。但是，固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐由于干餾過(guò)程不直接接觸空氣，干餾產(chǎn)生的煤氣惰性氣體含量少，熱值高，氫氣組分高，是高附加值的化工原料，可用于制氫，也可生產(chǎn)甲醇、乙二醇、碳銨等化工產(chǎn)品，煤氣利用價(jià)值高。固體熱載體內(nèi)熱式爐提取的煤焦油富含脂肪烴、芳烴和酚類物質(zhì)，易于加氫生產(chǎn)燃料油，利用價(jià)值高。

3 污染物產(chǎn)生及排放情況對(duì)比及分析

3.1 廢氣

煤低溫干餾主要廢氣污染物包括煤、焦儲(chǔ)存、破碎篩分等過(guò)程產(chǎn)生的粉塵，工藝過(guò)程無(wú)組織揮發(fā)的硫化氫、氨、苯并芘等特征污染物，煤氣燃燒產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等。

粉塵可通過(guò)防風(fēng)抑塵網(wǎng)、高效除塵器等有效控制。

理論上，由于固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐少了水熄焦過(guò)程無(wú)組織揮發(fā)的特征污染物，其污染物產(chǎn)生量要少于氣體熱載體內(nèi)熱式爐。

煤氣燃燒的污染物產(chǎn)生水平受煤氣脫硫效率的影響較大。目前應(yīng)用較多的是濕式氧化法脫硫工藝，該工藝僅對(duì)以硫化氫形式存在的硫脫除效果顯著，影響整體脫硫效率。目前，煤氣脫硫技術(shù)仍是煤低溫干餾產(chǎn)業(yè)亟待解決的環(huán)保問(wèn)題之一。對(duì)于用作燃料的煤氣，可考慮燃燒后煙氣脫硫的后脫硫工藝;對(duì)于用作工業(yè)原料的煤氣，建議采用干法脫硫工藝。

3.2 廢水

煤低溫干餾主要廢水為煤氣降溫洗滌過(guò)程產(chǎn)生的剩余氨水。由于固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐原料煤在入爐前先進(jìn)行烘干，減少了煤的帶入水量，相對(duì)于氣體熱載體內(nèi)熱式爐，剩余氨水產(chǎn)生量小。目前，剩余氨水一般用于熄焦或焚燒處理，但都會(huì)帶來(lái)二次污染的問(wèn)題。剩余氨水的治理也是煤低溫干餾產(chǎn)業(yè)亟待解決的環(huán)保問(wèn)題之一。

剩余氨水主要來(lái)自煤氣洗滌凈化過(guò)程，水質(zhì)復(fù)雜、難降解有機(jī)物含量高、毒性大，是一種典型的高濃度難生物降解的工業(yè)廢水。目前，根據(jù)廢水水質(zhì)特點(diǎn)，其治理技術(shù)路線主要由物化預(yù)處理、生物處理和深度處理三部分組成，其優(yōu)化組合是剩余氨水處理技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)［7］。

剩余氨水含油高濃度的氨、酚等有價(jià)物質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行資源化利用是煤干餾行業(yè)廢水處理的一個(gè)發(fā)展方向［8］。目前，榆林府谷某公司引進(jìn)專利技術(shù)在剩余氨水中成功提取了液氨、活性酚［5］，該技術(shù)有待進(jìn)一步研究和推廣。

3.3 固廢

無(wú)論內(nèi)熱式還是外熱式煤低溫干餾工藝，其主要固廢為焦油渣及煤氣濕法脫硫產(chǎn)生的脫硫殘液或干法脫硫產(chǎn)生的廢脫硫劑。焦油渣為危險(xiǎn)廢物，目前陜北地區(qū)已初步形成焦油渣蒸餾提輕油、剩余物配面煤生產(chǎn)型煤的綜合利用產(chǎn)業(yè)鏈。

目前陜北地區(qū)煤低溫干餾產(chǎn)生的煤氣多采用濕式氧化法脫硫，脫硫殘液多配煤燃燒或配煤干餾。由于脫硫殘液中硫化物濃度很高，配煤燃燒后存在二次污染問(wèn)題。應(yīng)結(jié)合煤氣脫硫技術(shù)進(jìn)一步完善脫硫工段固體廢物的處理措施。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)氣體熱載體內(nèi)熱式爐、固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐的對(duì)比結(jié)果，氣體熱載體內(nèi)熱式爐投資小，工藝成熟;但從資源及環(huán)境角度，固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐具有較為明顯的優(yōu)越性。因此，加快煤低溫干餾技術(shù)升級(jí)是該產(chǎn)業(yè)面臨的迫切任務(wù)，建議加大固體熱載體內(nèi)熱式爐和外熱式爐的研究，積極開(kāi)展試驗(yàn)示范和推廣。

無(wú)論哪種工藝，均應(yīng)進(jìn)一步研究煤氣脫硫及剩余氨水處理方式的研究，徹底解決煤低溫干餾行業(yè)環(huán)境污染問(wèn)題。

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