煤炭提质工艺技术方案

煤炭提质工艺技术方案

工艺技术概述

煤炭提质采用干馏（热解）工艺。煤的干馏是指在隔绝空气的条件下，原料煤受热分解为焦炭/半焦、煤气和焦油的过程。目前煤干馏（热解）工艺包括：外热立式炉工艺、内热立式炉工艺、美国的Toscoal工艺、德国的LR工艺，流化床快速热解工艺、多段回转炉工艺、固体热载体新法干馏工艺及其他工艺。

1、煤干馏工艺分类

煤干馏工艺按照加热终温、加热速度、加热方式、热载体类型、气氛、压力等工艺条件分为不同类型。

按加热终温可分为：低温(500～700℃)、中温(650～800℃)高温(900～1000℃)和超高温(>1200℃)煤干馏(热解)工艺。

按加热速度可分为：慢速(3～5℃/min)、中速(5～100℃/s)、快速(500～10000℃/s)、闪裂解(>10000℃/s)煤干馏工艺。

按加热方式可分为：外热式、内热式、内外并热式煤干馏工艺。

按热载体类型可分：为固体热载体、气体热载体、固-气配合热载体煤干馏工艺。

按气种可分为：氢气、氮气、蒸汽、隔绝空气煤干馏工艺。

按压力可分为：常压、加压煤干馏工艺。

2、内热式直立炉工艺

块煤或型煤低温干馏主要用气体热载体的内热式立式炉。气体热载体内热式立式炉低温干馏20～80mm块状褐煤和型煤，这种炉型不适用中等粘结性和高粘结性烟煤。低品质煤在立式炉中下行，气流逆向通入进行干馏。

图6.1内热式工艺干馏工艺流程图

内热式直立炉低温干馏工艺主要存在以下技术瓶颈：

（1）原料问题

目前通用的精煤炉用30至80毫米的块煤，实际煤矿生产中，这样的块煤只有30％到40％，将面临原料供应问题；

（2）煤气质量问题

由于工艺原因，煤气热值较低，含氢气、甲烷较低，氮气含量过高，达不到化工利用最佳条件，只能当燃料；

（3）焦油回收率问题

经低温干馏工艺后，焦油回收率偏低，现在只能达到6％，工艺提高后，可以达到9％。

（4）所产高品质煤含有大量水分，限制了其使用，增加了运输成本，需要耗费额外的能量对其进行干燥。废蒸汽含有大量的有毒有害物质，恶化现场操作环境，污染大气。含酚废水需耗费大量成本进行处理。

3、Toscoal工艺

1、原料槽  2、提升管  3、分离器  4、洗涤器  5、加热器

6、热解炉  7、筛  8、油气分离器  9、冷却器  10、提升管

图6.2Toscoal工艺干馏工艺流程图

Toscoal工艺是美国Tosco公司基于Tosco—Ⅱ油页岩干馏工艺开发的煤低温干馏方法。用瓷球作为热载体，在热解转炉内进行煤的干馏，属于内热式-低温-中速-固体热载体干馏工艺。该工艺开发的主要目的是对煤提质，增加其热值，并回收高价值气体和液体产品。所产高品质煤含有足够的挥发分，可用于现有的发电厂而不需改变设备或附加辅助燃料。存在的问题：设备复杂、投资高、维修量大。

4、流化床快速热解工艺

澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)研究开发了流化床快速热解工艺。煤粉用氮气从加煤器通过管道喷入流化床热反应器，反应器床层由0.3～1mm大小的砂粒组成,液化石油气和空气燃烧形成的烟气和电加热器预热的氮气通过反应器底部的分布板进入流化床，煤粉在热解反应器中快速热解（停留时间小于0.5s），离开反应器的气体通过温度约350℃的高效旋风分离器使大量半焦分离出来，气体则经过冷却器进入约80℃的电捕焦油器，分离出焦油并收集。

图6.3流化床快速热解工艺流程图

5、多段回转炉工艺

多段回转炉工艺是中国煤炭科学研究总院北京煤化工分院开发的低变质煤热解工艺。该工艺是低(中)温热解-中速加热-外热式-隔绝空气-常压。粒度为6～30mm的原料煤在回转干燥器中干燥后进入外热式回转热解炉中低温热解，所得高品质煤在冷却回转炉中用水冷却后得到高品质煤产品。

热解加热炉既可使用固体燃料，又可使用气体燃料，或二者同时燃用。当使用低热值煤气加热时，发热量较高的热解煤气经净化后可外供作民用或工业燃气。由于煤在热解前干燥并脱除了大部分水分，大大减少了酚水量，少量的酚水与净水掺合后作为工艺用水，从而使耗资较大的污水处理系统大为简化。

1、引风机  2、分离器  3、煤仓  4、送料器  5、干燥炉  6、送料器  7、燃烧炉  8、热解炉  9、送料器  10、冷却炉  11、皮带输送机  12、除尘器

图6.4多段回转炉干馏工艺流程图

6、固体热载体低温干馏工艺

德国LurqiGmbH公司和美国RuhurgasAG公司联合开发的固体热载体低温干馏工艺。

初步预热的小块原料煤同来自分离器的热半焦在干馏器内混合，发生热分解反应。从干馏器出来的半焦进入提升管底部，由热空气提送，同时在提升管中烧除其中的残碳，使温度升高，然后进入分离器内进行气固分离，半焦再返回干馏器，如此循环。从干馏器逸出的挥发物，经除尘、冷凝、回收焦油后，得到热值较高的煤气。

1、提升管  2、收集仓  3、搅拌器  4、干馏器  5、分离器  

6、分离器  7、废热回收系统  8、冷凝分离系统

图6.5多段回转炉干馏工艺流程图

7、外热式回转炉干馏工艺

外热式回转炉工艺主要目标是制备煤低温煤焦油、高热值煤气及高品质煤为主要目标。借鉴多段回转炉技术，采用干燥炉、回转干馏炉、冷却炉串联使用，分别对原煤进行干燥、干馏，半焦进行间接冷却。

此工艺为低(中)温热解-中速加热-外热式-隔绝空气-常压，在处理末煤上有很大优势，原料适宜粒度在40mm以下。回转干馏炉的供热：由净化后的煤气在燃烧炉中，通过空气风机供给适量的经预热的空气并进行完全燃烧，热烟气在燃烧炉的尾段与高温循环风机供给部分循环热烟气进行混合，由热风管道经翻板阀门调控后进入回转干馏炉的夹套为炉体供热。热烟气大部分在供热系统内进行循环，一部分预热空气后经高温风机送到回转干燥炉干燥原煤，实现热量的回收利用。

焦油产率在7%左右，煤气200±20dm3/kg，热值：4300kcal/h，且其中甲烷、氢气、一氧化碳有效成分达到90%以上，是理想的化工原料气。采用间接冷却精煤，成品质量好，节约能源，无有害气体和污水产生，装置运行稳定可靠。

工艺技术选择

煤干馏工艺类型选择取决于获取的目标产品的要求，并综合考虑原料煤质特点、设备制造、工艺控制水平及最终的经济效益。慢速热解目的是获得最大产率的高品质煤或焦炭；而中速、快速和闪速热解包括加氢热解的主要目的是获得最大产率的挥发产品—焦油或煤气等化工原料，从而达到通过煤的热解将煤定向转化的目标。下表列出了目标产品与相应的工艺条件。

表6.1目标产品与相应的工艺条件

目标产品 热解温度℃ 加热速度 加热方式 挥发物导出及冷却速度

焦油 500～600 快、中 内、外 快

较快煤气 700～800 快、中 内、外 较快

高品质煤 550～700 慢 内、外 慢

焦炭 900～1000 慢 外 慢

气态烃 750 快 内 快

不饱和烃 ＞1000 闪裂解 内 较快

本项目煤炭提质生产装置包括备煤工段、干馏工段、筛煤工段、煤气净化等工段。所生产的高品质煤约80万吨，低温焦油5万吨，干馏碳产生的副产煤气一部分做为燃料使用，另一部作为后端甲烷化工艺用气进行使用。

在生产工艺流程和设备选型上，充分考虑了当地煤炭资源和本项目的资金筹集、投入等情况，选择了工艺成熟、技术先进、操作可靠、装备水平较先进的工艺流程及设备。

本项目是以石嘴山地区次烟煤、褐煤以及泥煤为原料进行煤炭提质，同时得到焦油以及甲烷化用煤气为目标产品。

因此选用工艺为：低(中)温热解-中速加热-外热式-隔绝空气-常压干馏工艺。

本项目设计所选工艺技术为低(中)温干馏外热式回转炉炉生产工艺技术，单台生产能力为10万t/a，共8台。

本生产工艺技术以“节约能源，提高效益，保护环境”为原则，体现了清洁生产和循环经济的思路，与现有的低品质煤提质工艺相比，具有技术装备水平较高工艺设计思路创新，环保节能思想贯穿始终，体现了项目的示范性和优越性。该技术特点：

1）原料的适用范围广：根据产品最终用途，外热式回转炉可以处理40mm以下的原煤，包括8mm以下末煤；

2）焦油产率高、质量好：采用外热式干馏工艺，加热终温及温升速度可控性好，所产焦油比重低、轻质组分高，质量优于内热式炉所产低温焦油。

3）工艺装置操作灵活、弹性大：可以随时改变工艺参数，满足客户对不同产品品质、产率的要求。也可以根据市场的变化情况，对各项产品的收率进行调整。

4）热效率高：由于采用高温烟气循环、富裕外排烟气用于预热原料工艺，使干馏炉热效率低的问题得以彻底改变

5）成品水分低：由于采用连续干法熄料，可将产品水分控制在较低的水平。提高了成品的品质，节约能源，减少了有害气体及工业污水的生成，减少了相应的治理装置及费用。

6）煤气便于进行深加工利用：由于采用外热式工艺，煤气未混入惰性气体，提高了煤气的热值，且成分稳定，使后续深加工工艺设备得以简化；

低温干馏煤气不仅可以作为工业和民用燃料，而且可以作为化工原料气，用于甲烷化制取天然气，合成甲醇、提取氢气等。以合成天然气为例，相比煤气化制天然气，干馏煤气制天然气平均能耗低、投资少，生产成本、原料成本、安全成本都相对较低。

提质工艺流程

1、备煤工段

原料煤由自卸汽车运输进厂后进入汽车卸车间卸车，自卸汽车将煤卸入受煤地槽。受煤地槽有十个车位可同时卸车。受煤地槽中的煤经下部叶轮给煤机带式和输送机输出料后，由带式输送机输运入全封闭圆形料库贮存。在全封闭圆形料库中由扒料机将煤扒到料场中心出料口，经给料机将煤送给下部带式输送机输运出，由带式输送机输送到筛分间进行筛分，筛分后分两路，一路筛下物（合格粒度）由带式输送机输送到回转炉前的煤仓；而另一路大粒度煤，由带式输送机输送到煤仓储存，再进行破碎回用或外运销售。

2、干馏工段

（1）干馏原理

干馏是有机物的热分解过程，热分解反应和热缩聚反应，它分三个阶段进行，一是脱水、脱气（300℃～400℃），二是热分解（270℃～450℃），三是缩聚反应（600℃左右），原料通过干馏使其中的挥发组分降低在6～13%，并形成初始较大的孔隙。产品形成过程图见下：

图6.6干馏原理图

（2）干馏工艺流程

整个干馏流程分为煤干燥、热解（干馏）、成品冷却和热烟气循环系统。

●原煤干燥系统

原料煤由原料储仓经皮带输送机计量后，经双翻版阀门送入回转干燥炉，使原料煤温度在100～300℃的环境下进行干燥和脱吸20～40分钟（根据原料煤含水量不同，对干燥停留时间进行调整），除去煤中的水份以及吸附在煤的毛孔中的气体，经过干燥煤中的水分可以降低至2%以下。干燥后的煤通过一级旋风分离器和一级布袋除尘器进行分离、收集。

●热解（干馏）系统

干燥后的煤通过溜管进入双翻板阀门，经双翻板阀门进入回转干馏炉进行热解（干馏），在物料温度550～650℃下热裂解60min左右，热裂解后得到高品质煤和含有焦油的高温煤气。通过热裂解后产生的成品由回转干馏炉炉尾经双翻版阀门排出，送入回转冷却炉冷却。通过热裂解后产生的含焦油的高温煤气由回转干馏炉导气管导出，进入煤气净化单元。

●高品质煤冷却系统

由回转干馏炉底部排出的精煤进入冷却器，用水间接换热，使温度降至80℃以下。冷却后用皮带送往储场，作为固体产品。

●热烟气循环系统

回转干馏炉的供热：由净化后的煤气在燃烧炉中，通过空气风机供给适量的经预热空气并进行完全燃烧，热烟气在燃烧炉的尾段与高温循环风机供给部分循环热烟气进行混合，由热风管道经翻板阀门调控后进入回转干馏炉的夹套为炉体供热。热烟气大部分在供热系统内进行循环，一部分预热空气后经高温风机送到回转干燥炉干燥原煤。

燃烧炉在试车及初次开车阶段可以用天然气或煤气发生炉煤气进行供热，待系统平稳后，切换至净化单元过来的自产煤气进行燃烧供热。

4、筛选储存单元

经回转冷却炉冷却后的成品经皮带输送机将成品焦输送至振动筛，成品经振动筛分离为粒度在6mm～40mm之间及6mm以下两种规格。粒度在6mm～40mm之间的成品，分别由斜桥皮带送至高架皮带，由高架皮带分别卸至大块堆场及中块堆场。粒度在6mm以下的成品由皮带输送至堆场堆放。