煤炭深加工技術(shù)及應(yīng)用

賈寶龍

(山西焦煤集團(tuán)西山煤電馬蘭礦選煤廠，山西 古交 030205)

煤炭深加工技術(shù)及應(yīng)用

賈寶龍

(山西焦煤集團(tuán)西山煤電馬蘭礦選煤廠，山西 古交 030205)

煤炭深加工技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中已得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，通過各種技術(shù)的利用可提高煤炭的能源利用率，實(shí)現(xiàn)煤炭能源的清潔、高效利用。

煤炭深加工；氣化技術(shù)；液化技術(shù)；應(yīng)用

煤炭深加工是實(shí)現(xiàn)我國高煤炭能源利用率的重要途徑，也是我國實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的主要措施之一，與石油資源開發(fā)及利用、水資源開發(fā)及利用和燃?xì)赓Y源開發(fā)及利用等一起構(gòu)成了我國節(jié)能降耗系統(tǒng)，不但有利于我國工業(yè)的發(fā)展，而且在很大程度上促進(jìn)了我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民群眾與自然生態(tài)環(huán)境的和諧相處及健康持續(xù)發(fā)展。所以，應(yīng)深入了解和掌握煤炭深加工技術(shù)，并將煤炭深加工技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際煤炭資源開發(fā)與利用中去。

1 煤炭氣化技術(shù)

煤炭氣化，簡單來說，是將固體的煤通過多種加工程序，將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式。具體是指，將固體煤放進(jìn)指定且經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的容器或設(shè)備中，放入氣化劑(如蒸汽、空氣和氧氣等)，并將設(shè)備中的壓力及溫度提高到固體煤氣化的壓力點(diǎn)及溫度點(diǎn)上，以促進(jìn)固體煤中有機(jī)物質(zhì)與氣化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終把固態(tài)的煤轉(zhuǎn)變成可燃?xì)怏w或者非可燃?xì)怏w的一個(gè)化學(xué)變化的過程。其中，可燃?xì)怏w主要包括CH4、CO、H2等，非可燃?xì)怏w包括CO2、N2等。在煤炭氣化的整個(gè)過程中有如下幾個(gè)必不可少的因素，即氣化爐(特定氣化設(shè)備)、氣化劑、熱量(實(shí)現(xiàn)壓力與溫度的提高)，三者缺一不可[1]。

煤炭氣化過程中會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)及物理反應(yīng)，通常情況下的反應(yīng)有熱解反應(yīng)、氣化反應(yīng)和燃燒反應(yīng)。其中，煤的熱解反應(yīng)是指固體煤轉(zhuǎn)變成氣化物、固化物、液化物的過程；煤的氣化反應(yīng)和燃燒反應(yīng)主要是指非均勻形態(tài)煤炭轉(zhuǎn)變成固態(tài)物和氣化物的過程?？傊煌禾吭蠈?duì)應(yīng)的氣化工藝不同，煤炭加工人員進(jìn)行加工時(shí)要充分考慮氣化用煤的特性及其影響。

1.1 固定床氣化技術(shù)

將煤和氣化劑分別從氣化爐的頂部和底部加入，使得原煤和氣化劑進(jìn)行逆流接觸，這個(gè)過程中，氣體上升速度急劇加快，固態(tài)的煤逐漸下降，兩者之間形成了高壓強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)煤炭氣化。

1.2 流化床氣化技術(shù)

先將0 mm～10 mm粒度的小顆粒煤炭放入氣化爐作為氣化原料，然后對(duì)懸浮分散且垂直在氣化爐內(nèi)氣流中的小顆粒煤炭進(jìn)行氣化反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)煤料層溫度的均勻，該溫度層的溫度易控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小顆粒煤炭的氣化，達(dá)到高氣化效率。

1.3 氣流床氣化技術(shù)

氣流床氣化技術(shù)是一種并流氣化過程，其煤炭氣化原理是，先采用氣化劑將<100 μm粒度的煤粉帶入氣化爐內(nèi)，然后使用泵將煤粉及氣化劑打入氣化爐內(nèi)，最后將氣化爐加溫到煤粉熔點(diǎn)處，促使煤粉與氣化劑發(fā)生燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)煤粉氣化。

1.4 熔浴床氣化技術(shù)

熔浴床氣化技術(shù)的原理是，使用切線方向高速噴入的方法，將粉煤和氣化劑噴入到熔池內(nèi)，該熔池里面溫度非常高且比較穩(wěn)定，此間熔融物就會(huì)進(jìn)行螺旋狀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行氣化反應(yīng)，最終達(dá)到粉煤氣化的目的。

2 煤炭液化技術(shù)

煤炭液化技術(shù)，顧名思義就是指，將固態(tài)煤炭轉(zhuǎn)化為液體燃料、化工原料和產(chǎn)品潔凈煤的技術(shù)，包括直接液化和間接液化2種煤炭液化技術(shù)。

2.1 直接液化技術(shù)

煤炭直接液化法的原理是，將煤炭作為原料，通過增加液化設(shè)備中的溫度及壓強(qiáng)，將煤炭中固態(tài)氫元素直接液化成烴類化合物，最后通過精煉法制取潔凈、優(yōu)質(zhì)的汽油和柴油等燃料成品油。具體的液化過程是，先將煤磨成粉，然后將煤炭自身產(chǎn)生的液化重油直接配成煤漿，并在450 ℃高溫和30 MPa高壓下將氫加入其中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤炭向汽油和柴油等燃料成品油的轉(zhuǎn)化[2]。

2.2 間接液化技術(shù)

煤間接液化技術(shù)流程如下：先把煤放到氣化爐進(jìn)行煤氣化，然后將生成的煤氣轉(zhuǎn)化成合成氣，轉(zhuǎn)化的合成氣又作為下一環(huán)節(jié)的原料，通過合成費(fèi)-托(F-T)法將合成氣轉(zhuǎn)化為烴類化合物，最后通過精餾將相應(yīng)液體燃料及化學(xué)品產(chǎn)出。間接液化的技術(shù)特點(diǎn)是，1) 直接液化的煤種廣泛；2) 可以在已有氣化爐基礎(chǔ)上合成汽油；3) 反應(yīng)壓力低于直接液化，反應(yīng)溫度高于直接液化[3]。

3 煤炭深加工技術(shù)的應(yīng)用

3.1 煤炭氣化技術(shù)的應(yīng)用

3.1.1 制取工業(yè)燃?xì)?/p>

當(dāng)被轉(zhuǎn)化煤氣處于熱值4.60 MJ～5.65 MJ時(shí)，可以通過正常壓強(qiáng)下的固定床氣化爐和流化床氣化爐實(shí)現(xiàn)工業(yè)燃?xì)獾闹谱?。工業(yè)燃?xì)馐枪I(yè)中不可缺少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，沒有燃?xì)?，工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)就難以正常開展，所以，將煤炭氣化技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃?xì)獾闹谱鳎坏行У靥岣吡斯I(yè)燃?xì)馍a(chǎn)效率，滿足了工業(yè)發(fā)展對(duì)燃?xì)獾男枨?，而且使工業(yè)發(fā)展適應(yīng)了節(jié)能減排發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。目前，工業(yè)燃料不但被應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，而且被廣泛應(yīng)用在衛(wèi)生事業(yè)、建材產(chǎn)業(yè)、輕紡制造業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。

3.1.2 制取民用煤氣

煤氣還被廣大人民所需要，所以要積極利用煤炭氣化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)民用煤氣的大量和高效生產(chǎn)。民用煤氣的制作原理主要是，將已經(jīng)被生產(chǎn)出來的氣態(tài)煤放入焦?fàn)t(以魯奇爐最佳)，然后將熱值加至12.56 MJ～14.65 MJ，并保證加熱過程中φ(CO)<10%，進(jìn)而制作出民用煤氣。民用煤氣與直接燃煤相比，不但實(shí)現(xiàn)了煤效率的提高和環(huán)境污染的減輕，而且在很大程度上方便人民生活，充分體現(xiàn)出民用煤氣的良好社會(huì)效益與環(huán)境效益。另外，在民用煤氣制作中，要盡可能提高可燃?xì)怏wH2、CH4等的凈含量，降低CO等有毒氣體的凈含量，以提高煤氣熱值[2]。

3.1.3 用作化工合成和燃料油合成原料

煤炭氣化技術(shù)可用于化工原料的合成，也可以作燃料油原料的合成等。煤炭氣化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的原料合成包括氨原料合成、甲烷原料合成、烯烴原料合成、合成甲醇原料、醋酐原料合成、二甲醚原料合成和液體燃料合成等。

3.1.4 制取聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃?xì)?/p>

利用煤炭氣化技術(shù)制取聯(lián)合循環(huán)發(fā)電燃?xì)?IGCC)的原理是，通過對(duì)煤進(jìn)行加壓氣化，以實(shí)現(xiàn)煤氣凈化后燃燒為煙氣驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)提供高溫，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電，然后利用驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的余熱，形成高壓驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電的過程。在進(jìn)行IGCC制取過程中，煤氣的熱值要求并不高，但對(duì)煤氣的凈化度要求非常高。與IGCC相對(duì)應(yīng)的煤氣化技術(shù)包括固定床加壓氣化(魯奇爐)、氣流床氣化(德士古)、加壓氣流(Shell氣化爐)[4]。

3.1.5 制取煤炭氣化燃料電池

煤炭被氣化后，可直接作為燃料電池的制取原料，燃料電池的制取原料除了煤氣以外，還包括H2、天然氣等，其制取原理主要是，對(duì)這些燃料進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)燃料向電的轉(zhuǎn)化過程，是一種化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化技術(shù)。目前，主要的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化類型包括磷酸鹽型(PAFC)、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固體氧化物型(SOFC)等。與煤氣化技術(shù)結(jié)合發(fā)電的技術(shù)包括IG-MCFC和IG-SOFC，使發(fā)電效率提高到55%。

3.1.6 煤炭氣化制氫

在電子、冶金、玻璃生產(chǎn)、化工合成、航空航天和氫能電池等領(lǐng)域，氫氣被大范圍應(yīng)用。煤炭氣化技術(shù)也成了制取氫氣的主要技術(shù)手段。煤炭氣化制氫的原理是，先將煤炭轉(zhuǎn)化成CO和H2，然后通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)換成H2和CO2，最后通過低溫的方法將CO2分離，實(shí)現(xiàn)高純度氫氣的獲取[5]。

3.2 煤炭液化技術(shù)的應(yīng)用

煤炭液化技術(shù)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在煤炭液化后煤產(chǎn)物的應(yīng)用，即液體燃料的應(yīng)用，主要包括甲醇燃料的應(yīng)用和甲醇下游產(chǎn)品的應(yīng)用。

3.2.1 液體燃料的應(yīng)用

1) 甲醇燃料的應(yīng)用

甲醇是目前使用最多且使用效果最佳的替代燃料及基礎(chǔ)化工原料，具有常溫液態(tài)、方便運(yùn)輸和易操作等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)得到世界多數(shù)國家的認(rèn)可和應(yīng)用。在我國，隨著經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)甲醇的需求量日益增加，相應(yīng)的市場(chǎng)也在不斷擴(kuò)大，提高甲醇產(chǎn)量成為我國煤炭深加工的重要任務(wù)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國甲醇產(chǎn)能與產(chǎn)量的增長速度每年高達(dá)15.23%和24.21%，2015年中國甲醇產(chǎn)能高達(dá)6 890萬t，主要甲醇生產(chǎn)企業(yè)分布在內(nèi)蒙古、山東、河南、陜西等省[6]。

2) 醇-醚燃料的應(yīng)用

醇-醚燃料的制作原理是，將甲醇和二甲醚按合理比例配制，具有清潔、完全燃燒、使用方便和燃燒效率高等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，有效解決了甲醇燃料難以點(diǎn)燃的問題。主要缺點(diǎn)是，在燃燒時(shí)需要添加預(yù)熱器等。主要作用作為二甲醚、乙醇和乙二醇的生產(chǎn)原料，其用途在于摻入汽油作為汽車燃料。

3) 甲醇制氫的應(yīng)用

甲醇還可以應(yīng)用在燃?xì)鈿涞闹谱髦?，其制作原理是，通過水蒸氣將甲醇進(jìn)行機(jī)理結(jié)構(gòu)的重組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氫氣的制取。主要作用在于，作為燃料電池氫源或燃料電池燃料，成為比較有潛力的甲醇燃料消費(fèi)市場(chǎng)。

3.2.2 甲醇下游產(chǎn)品的應(yīng)用

1) 制取二甲醚的應(yīng)用

作為甲醇的下游產(chǎn)品，二甲醚占據(jù)著比較重要的地位，制作二甲醚的過程中離不開甲醇，二甲醚可以作為汽車燃料的替代品，是比較優(yōu)質(zhì)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的替代品。與原甲醇燃料相比具有較高的十六烷值(50～55)，同時(shí)還具有良好的低溫啟動(dòng)性和加速性，所以其燃燒效果優(yōu)于甲醇燃料[7]。

2) 制取MTBE、TAME及碳酸二甲酯的應(yīng)用

MTBE(甲基叔丁基醚)、TAME(甲基叔戊基醚)和碳酸二甲酯都是利用甲醇制作而成。其中，MTBE的制作原理是利用甲醇和異丁烯進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，可作為汽油的含氧添加劑和溶劑，不但有效提高了汽油的抗爆性，而且在很大程度上提高了汽油辛烷值，曾被稱為“第3代石油化學(xué)品”。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)及報(bào)道顯示，我國2015年MTBE的制取平均每年要消耗215萬t甲醇。

3) 用于生產(chǎn)甲醛、醋酸等相關(guān)化學(xué)品

甲醇除了能夠制取二甲醚、MTBE、TAME及碳酸二甲酯以外，還能夠制取很多化工用品、醫(yī)療藥物及農(nóng)藥等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于化工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)和農(nóng)業(yè)。如，醫(yī)療事業(yè)中用于尸體保存的藥物——福爾馬林，其功能在于殺菌和防腐，甲醇含量高達(dá)40%。另外，還被用于各種樹脂原料生產(chǎn)、民用材料生產(chǎn)、塑料材料生產(chǎn)、膠粘劑生產(chǎn)和涂料生產(chǎn)、螯合劑EDTA生產(chǎn)、紡織物整理劑生產(chǎn)、醋酸生產(chǎn)、醋酸乙烯生產(chǎn)、醋酸纖維生產(chǎn)、苯二甲酸二甲酯(DMT)生產(chǎn)、甲基丙烯酸甲酯(MNA)生產(chǎn)、聚乙烯醇生產(chǎn)和硫酸二甲酯等生產(chǎn)[8]。

4 結(jié)語

隨著全球石油需求量劇增及石油供給問題的出現(xiàn)，使石油供應(yīng)量呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)，致使全球各國面臨嚴(yán)重的能源危機(jī)，并對(duì)世界各國經(jīng)濟(jì)安全產(chǎn)生了強(qiáng)烈的影響，這引起了各國對(duì)新能源、可再生能源和替代燃料的深入探索，希望能夠緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)。所以，煤炭深加工技術(shù)理應(yīng)在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，更應(yīng)該受到人們的高度重視。煤炭深加工技術(shù)的利用，不但提高了煤炭能源的利用率，而且有效地提高了煤炭能源的純度及質(zhì)量。

[1] 周國有.依托煤炭深加工技術(shù),提升煤礦生產(chǎn)質(zhì)量[J].質(zhì)量探索,2016(2):62-63.

[2] 馬志宏.試論煤炭深加工技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),2016(7):145-146,174.

[3] 傅海峰.煤氣化技術(shù)在煤炭深加工示范項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].化工管理,2016(16):211.

[4] 劉祥.探討煤炭深加工示范項(xiàng)目中的煤氣化技術(shù)[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2016(16):97-98.

[5] 徐振剛，張飛.煤炭深加工示范項(xiàng)目中的煤氣化技術(shù)[J].煤炭加工與綜合利用,2014(2):22-28,9.

[6] 劉致強(qiáng)，董睿敏.我國煤炭深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀述評(píng)[J].煤炭加工與綜合利用,2014(4):7-17,1.

[7] 韓紅梅.我國煤炭深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及形勢(shì)分析[J].煤炭加工與綜合利用,2014(8):1-10,14.

[8] 溫亮，杜善明.“十三五”期間煤炭深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展探討[J].科技和產(chǎn)業(yè),2014(11):33-37,65.

Coal deep processing technology and its application

JIA Baolong

(Shanxi Coking Coal Group Xishan Coal Electricity Malan Coal Preparation Plant, Gujiao Shanxi 030205, China)

In recent years,with the increasing demand for oil in worldwide, there are some problems in oil supply. The amount of oil supply is decreased, and the world is facing a serious energy crisis, and the world’s economic security has been strongly affected. Various countries have begun to explore renewable energy and alternative fuels in order to relieve the increasingly serious energy crisis. Therefore, with the wide application and development of coal deep processing technology in modern society, people pay more attention to coal deep processing technology and improve the energy utilization of coal by using a variety of techniques to achieve the clean and efficient use of coal energy.

coal deep processing; gasification technology; liquefaction technology; application

2016-12-15

賈寶龍，男，1976年出生，1997年畢業(yè)于山西西山煤電技校選煤專業(yè)，從事煤炭深加工技術(shù)及應(yīng)用工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.02.26

TQ53

A

1004-7050(2017)02-0080-03

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