煤炭的微波干馏技术研究进展

2013-08-02 08:17方向晨张忠清翁延博张庆军
化工进展 2013年8期
关键词:半焦微波利用

方向晨,张忠清,翁延博,张庆军

(中国石油化工股份有限公司抚顺石油化工研究院,辽宁 抚顺 113001)

中国的煤炭作为一次能源的主要资源将会延续很长一段时间,但在CO2减排等目标越来越紧迫和石油资源战略化操控越来越严重的条件下,煤的转化和煤化工将会成为中国解决战略资源匮乏困境的有效途径。

煤的利用中迫切需要解决的问题按其急迫程度可分为3 类:一是SOx、NOx、PM2.5 等环保问题;二是CO2温室气体、水资源问题;三是化工利用问题。洁净化梯级利用是解决这些问题的一条可循序渐进的利用和技术发展途径。煤的梯级化利用[1-2]的基本路线是:煤层气的开采和利用、煤的干馏提油、干馏油加工和利用、低成本的煤焦富氧燃烧及多联产利用。

自19 世纪初,煤的低温干馏工业开始形成并得到发展。1805年,英国用低温干馏方法以烟煤制造半焦。1830年以后用褐煤制造灯油和石蜡。1860年德国开始建立较大型的褐煤低温干馏工厂,制取灯油和石蜡。煤干馏提油与煤的直接和间接液化[3]相比,虽然煤的液化程度低,但装置的投资和操作费用低,在CO2减排和水资源利用上具有更加明显的优势。在煤作为主要一次能源的条件下,梯级利用具有更大的竞争力。煤的干馏可以从煤中得到约10%~20%的煤焦油,如果80%的煤(无烟煤等低挥发分煤种除外)在出矿前都经过干馏,以平均得油10%计算,每年可为社会提供3亿吨以上的液体燃料,能对我国石油资源的匮乏形成重要补充[4]。

煤干馏的效率和环境等问题均产自于要处理的固体物料,传统的传热方式都难以解决这两个问题,微波等新型加热方式将有望彻底解决这两方面的问题。微波热解的原理是通过微波对极性分子的微波振荡使物料得以加热,因此其对固体物料的加热既不需要热载体,又不需要对固体颗粒进行深度破碎,且在相同干馏油收率的条件下干馏温度较传统的方式可以低100~200 ℃,这些特点使其具有能耗低、物耗低、环境友好等特点,值得加大研究开发的力度。

1 煤干馏技术发展简介

煤的组成以有机质为主体,主要是碳、氢、氧等元素,占95%以上。有机质在一定温度和条件下形成挥发分,煤化程度低的褐煤可达40%以上,而成煤年代最长的无烟煤则低至10%以下。煤在隔绝空气及氧气的条件下受热分解生成煤气、焦油、粗苯和焦炭的过程,通称为煤干馏(或称炼焦、焦化)。根据煤加热终温的不同,可分为低温(450~650℃)、低温和中温(600~800 ℃)、中温( 900~1000℃)、高温(1000 ℃) 几种干馏模式。低温干馏以煤焦油为主产品,干馏产品质量主要受原料煤种类、品质、加热终温,加热速度、热解气氛、压力等因素影响。

煤的干馏是一个复杂的过程,包括了许多物理和化学变化,大致可以分为3 个阶段:第一阶段为室温~300 ℃的干燥脱气阶段,析出吸附在煤中的水、二氧化碳和甲烷等;第二阶段为300~600 ℃,这一阶段以解聚和分解反应为主,形成半焦,生成和排出大量挥发物(煤气和焦油);第三阶段为600~1000 ℃,以缩聚反应为主,半焦变成焦炭,该阶段析出焦油量极少,挥发分主要是煤气,又称为二次脱气阶段。典型的传统煤干馏工艺见图1。

图1 气体热载体干馏工艺

煤干馏工业发展的百余年中,出现过百余种的干馏方法和干馏设备。干馏炉是低温干馏生产工艺中的主要设备,它应保证过程效率高,操作方便可靠。主要要求干馏物料加热均匀,干馏过程易控制,可用的原料煤类别宽,原料煤粒尺寸范围大,导出的挥发物二次热解作用小等。近年来,随着石油价格的不断攀升,煤干馏技术也相应得到了快速发展。表1 和表2 分别给出了国内外几种典型的煤干馏新技术[5-7]。这些技术按照干馏炉的供热方式可分为外热式(干馏所需热量由加热炉墙传给煤料)和内热式(借助热载体把热量传给煤料)。表3 比较了这两种供热方式的主要优缺点。

目前,最先进的低温煤干馏技术多采用内热式干馏炉,典型的技术如澳大利亚的流化床快速热解工艺,由澳大利亚联邦科学与工业研究院(CSIRO)自20 世纪70年代开始研究开发。对多种烟煤、褐煤进行了流化床快速热解研究,并着重对热解焦油的组成、性质、再加工特性进行研究试验。该工艺过程为低温或中温热解—闪裂解(反应时间小于1s)—内热式固-气热载体(砂子流化床)。浙江大学的煤热解干馏技术利用800 ℃的热炉渣作为载体将煤先进行干馏,产生的半焦送进锅炉燃烧,生产的蒸汽去发电。该工业示范装置的标定结果为:焦油产率12%,煤气产率180 m3/t,半焦产率65%~75%(淮南弱黏煤挥发分为26%~28%)。该技术的特点是:与流化床锅炉结合,充分利用锅炉热渣作为热载体将煤干馏,热半焦直接进锅炉燃烧,热利用非常合理,节能效果明显。

上述煤干馏工艺多采用固体热载体、半焦或循环热灰提供热量,所需反应及循环系统较大,能量利用效率还存在较大提升空间,存在油气多次裂解问题,回收油品的洁净度和质量也有待提高。近代正在兴起的电磁加热理念可解决上述问题,为开发新的煤干馏技术打下了良好的基础。

表1 国内煤低温干馏技术比较

表2 国外煤低温干馏技术比较

表3 煤炭低温干馏加热方式比较

2 微波法煤干馏新技术

2.1 微波加热机理

微波是介于红外和无线电波之间的一种电磁波,其波长范围为100~0.1 cm,相应的频率范围为300~300 000 MHz。与传统加热相比,由于微波加热直接作用于物质的分子或离子、引起分子或离子的振动产生热量,而不是通过传统方式(热传导、热对流、热辐射)传热,因此它具有更快的加热效率[8]。与常规电加热方式相比,它一般可以节电30%~50%[9]。

在微波加热的过程中,微波能转化为热能的机理主要是偶极子转动机理。偶极子转动机理是由微波辐射引起物体内部的分子相互摩擦而产生热能。自然界的介质都是由一端带正电荷、另一端带负电荷的分子(或偶极子)组成,在自然状态下,介质内的偶极子作杂乱无章的运动和排列,当介质处于电场中时,其内部重新进行排列,变成了有一定取向、有规则排列的极化分子。当电场方向以一定频率交替变化时,介质中偶极子的极化取向也以同样频率转变,在转变过程中,因分子间相互摩擦、碰撞而产生热能。电场变化频率越快,偶极子转动的频率也就越快,产生的热效应越强,而微波波段电磁场频率高达108数量级,所以在微波辐射下,偶极子转动产生的热量相当可观,从而使体系在很短的时间内达到很高的温度。偶极子转动产生的加热效率取决于介质的弛豫时间、温度和黏度。

微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波,通过波导输送到微波加热器,需要加热的物料在微波场的作用下被加热。理论分析表明,微波场的存在不但可以提高分子碰撞的概率和增加分子的碰撞能量,还可以改变分子能量的类型和分子碰撞的方位。人们在实验中发现微波不仅可以加快化学反应速率,还可以改变化学反应的途径。

微波加热和常规加热的传热传质机理不同。常规加热是通过热传导、对流和辐射原理由表及里对物料进行加热,物料中不可避免地存在温度梯度(物料表面温度高于中心温度),气相产物则从内向外扩散,其传热传质方向相反,内部热解产生的挥发分必须穿过外部的高温区,易引起产物的二次裂解。微波加热是通过电磁场与物质分子之间的相互作用引发分子内部的摩擦而产生的热量,物质内部与外部同时被加热,由于表面的散热作用,热量不断在物料内部累积并向外传递,导致物体中心温度高于表面温度,其传热和传质方向相同,均是从里向外传递,挥发分穿过低温区,可以减少不期望的二次反应。

2.2 微波加热特点

微波加热作为一种独特的加热方式用于有机质的热解具有明显的优越性[10-11]。

(1)加热速度快 常规加热均为外部加热,是利用热传导、对流、热辐射将热量首先传递给被加热物料的表面,再通过热传导逐步使中心温度升高,需要一定的热传导时间才能使中心部位达到所需温度。微波加热则属于内部加热。电磁能直接作用于介质分子转换成热能,且透射使介质内外同时受热,不需要热传导,故可在短时间内达到均匀加热。

(2)加热均匀 用外部加热方式加热时,为提高加热速度,需升高外部温度,加大温差梯度,容易产生外焦内生现象。微波加热是电磁场中由介质损耗引起的体积加热,在电磁场作用下,分子运动由原来杂乱无章的状态变成有序的高频振动,分子动能转变成热能,达到均匀加热的目的,因此微波加热又称为无温度梯度的“体加热”。

(3)穿透能力强,能量利用效率高 穿透能力就是电磁波穿透到介质内部的本领。电磁波的穿透深度和波长是同一数量级,除了较大的物体外,微波可以直接穿透进入物料内部,对物料内外均衡加热。微波加热能量利用效率很高,物质升温非常快。

(4)选择性加热 由于物质吸收微波能的能力取决于自身的介电特性,因此可对混合物料中的各个组分进行选择性加热。一般说介电常数大的介质很容易用微波加热,介电常数太小的介质就很难用微波加热。

(5)节能高效 微波加热时,被加热物料一般都是放在用金属制成的加热室内,电磁波不能外泄,只能被加热物体吸收,加热室内的空气与相应的容器都不会被加热,所以热效率高,生产环境也明显改善。

(6)清洁卫生环保 一般工业加热设备比较大,占地多,周围环境温度也比较高,操作工人劳动条件差,强度大。而微波加热设备占地面积小,避免了环境高温,工人的劳动环境得到了大大的改善。微波本身不产生任何污染物,有利于环境保护。

(7)易于控制 微波功率的控制是由开关、旋钮调节,即开即用,热惯性极小,可以实现温度升降的快速控制,控制精度高,有利于连续生产、自动化控制。

综上所述,微波加热技术具有加热速度快、有选择性、加热源与加热材料不直接接触,易于自动控制、节约能源等特点。但是,目前微波加热机理的研究还很欠缺,即微波在热解有机质过程中,微波的热效应和非热效应的机理尚不清楚,需要做更深入的研究。微波加热装备仍处于试验、示范生产阶段,规模较小,工业化程度偏低。

2.3 国内外微波加热技术研究进展

国内外对于微波热解的研究及应用已有几十年的时间,主要集中在热解煤及油页岩等矿物燃料以及处理污泥、生物质等有机废弃物领域。

Parisa Monsef-Mirzai 等[12]采用CuO、Fe3O4和冶金焦炭作为微波吸收剂对煤粉进行微波热解试验,结果表明试样可在3 min 内从室温升至1200~1300 ℃;焦炭作为吸收剂时,可凝焦油产量达到20%;Fe3O4作吸收剂时产量达到27%;某些实验中用CuO 作为吸收剂甚至高达49%。焦炭呈一定石墨化形态,自身即是很好的微波吸收剂。Lester 等[13]初步研究了采用微波能加热挥发分烟煤制取焦炭的工艺,主要分析了停留时间对焦炭性能的影响规律,认为采用微波进行煤的干馏是一种有效的方法。马红周等[14]采用微波加热的方式对褐煤进行了热解实验研究,结果表明用微波可以对煤进行中低温热解,是一种中低温热解煤的有效方法,热解速度较常规方法快,热解煤气有效成分浓度高,可进一步作为化工原料进行处理。兰新哲等[15]在低变质煤微波热解方面进行了一些初步工作,前期研究结果表明,微波加热低变质煤在10 min 左右就可达到750 ℃,热解速度快,焦油收率比常规热解工艺提高4%,热解煤气中氢气、一氧化碳、甲烷含量高,半焦产品质量与商品半焦相同。Peng等[16]在超高纯氩的气氛下,测试了高挥发分的烟煤对微波的吸收能力。结果表明,当热解温度高于500 ℃后,随着温度的增加,挥发物持续释放,煤对微波的吸收能力增加。与此同时,对微波穿透深度的计算也表明,热解过程大大提高了煤在高温下的微波吸收能力。另外,在微波频率915 MHz 和2450 MHz,煤的厚度为0.14 m 和0.20 m时,煤对微波的最大吸收,即最大的微波反射损失为-41.25 dB 和−32.54 dB。这说明煤的尺寸对煤在热解过程中对微波的吸收有重要影响。Zahid 等[17]采用一种新的方法,以铜作为微波吸收剂,将聚苯乙烯和煤快速共热解,得到的产品中包括66%焦和油的混合油性液体、10%的硫化物、6%的气体和18%的残留物,通过GC-MS 分析了油性液体产品,发现它的主要成分是芳香族化合物。

Elharfi 等[18]利用碳颗粒作为吸收剂热解油页岩。结果显示微波热解所需时间小于常规热解,热解产生的焦油比常规加热获得的焦油质量更好。王擎等[19]和折建梅等[20]都对油页岩在微波场中的升温特性及功率对页岩油、半焦、干馏气产率和组成的影响进行了考察。结果都表明,不同微波功率下干馏气组成不同,在一定的时间内,随着功率的增加,油产率增加,半焦产率减小,气体产率增加。

Menéndez 等[21-22]对微波热解污泥进行了系统研究。与常规热解相比,微波热解油产率高,气体产率低。热解油中多环芳香烃含量远少于常规热解,热值与常规热解相当;气体中合成气(CO+H2)含量高。方琳[23]进行了微波作用下污泥脱水与高温热解的研究,分别以SiC、Fe2O3、活性炭、炭化污泥为微波能吸收物质。结果表明,将污泥与吸波介质均匀混合,能够使污泥在微波场中快速升温至800 ℃的高温阶段,实现污泥在微波场中的高温热解。张健等[24]采用微波加热技术对深度干化含聚油泥的热处理过程进行了研究,实验结果表明,采用微波热解可提高油的回收率,800 ℃时得到的热解残渣完全符合排放标准,不会造成二次污染,热解气中含有可燃性烷烃和烯烃类物质,可以作为焚烧热源。

Masakatsu 等[25]使用微波热解木块和纤维素材料以制取左旋葡聚糖;万益琴等[26-27]使用微波裂解海藻制取生物燃油的技术进行试验研究,研究结果表明,微波加热可以实现纤维素、玉米秸秆等生物质材料的快速热解。Wang 等[28]采用单模微波热解装置热解稻壳,考察了不同微波功率下稻壳的升温特性,指出微波功率提高有助于提高物料的升温速率和最终的热解温度;热解得到的焦炭是很好的微波吸收剂,能够强烈吸收微波并成为“热点”,促进热解反应的进行。Yu 等[29]研究了微波功率及添加剂等对玉米秸秆微波热解产物及产率的影响,结果表明,玉米秸秆的分解随微波功率的增大而增强,大功率更易于热解气的生成;添加1%(质量分数)的热解木炭可以提高液体成分的产率,添加NaOH 作为催化剂可以大幅提高热解气的产率。罗爱香等[30]对竹废料的微波裂解进行了研究,研究发现,裂解温度对竹废料微波裂解的产物组成有着显著的影响,制取生物油的最佳反应温度发生在450~550℃,较快的升温速率可以加快裂解的反应速度,减少气相生物油在反应容器内的滞留时间,制备得到较多的生物油。

谭瑞淀等[31]进行了微波辐照热解废电路板回收利用研究。研究表明,微波辐射热解处理废电路板在技术上可行;微波热解得到的气体产物是可燃性气体占70%(体积分数)左右的高热值燃料气;酚类化合物中苯酚、甲基苯酚和邻甲基苯酚高达70%以上;同时,通过微波热解还可以使固体产物中的金属元素得到回收利用。英国的一些工厂利用微波加热技术,将废旧轮胎橡胶进行软化处理,使橡胶分子结构中的C—C 键和C—S 键断裂,从而回收了36%的C(包括高质量的活性炭和石油烃等其它碳化产品),残余的甲烷、氢气等还可用于系统的加热[32]。据报道,微波技术是回收再利用建筑垃圾的有效方法[33],美国CYCLEAN 公司采用微波技术可100%地回收利用建筑垃圾,使旧沥青路面料再生,再生后的沥青路面料的质量与新拌沥青路面料相同,而成本降低了1/3,同时节约了垃圾清运和处理等费用。

目前,在微波热解生物质和处理有机废物方面已经取得了一定的成果,而微波加热用于煤干馏领域的技术研究尚属起步阶段。物料的特性、微波的功率、加热时间、热解温度等因素都能对微波热解过程有很大的影响,如生物质和污泥吸收微波的能力都比矿物燃料弱,若要实现微波热解,就需要添加微波吸收剂。所以,不同领域、运行条件下的微波热解过程也不相同。但是,微波加热的特殊机理使得物料具有独特的传热传质规律,因此与常规加热方式相比,微波加热能实现均匀、快速地热解,对有机质热解过程具有明显的优越性。大量研究表明,微波加热方式能够普遍提高目标产品的收率。例如,对于生物质热解来说,就是提高了气体和液体产品的产率;而微波热解煤更有利于提高优质油品的产率,使气相产物中的有效成分增加,同时能降低能耗。因此可以预计在煤的热解领域,微波快速加热技术具有较好的应用前景,值得进行系统的开发研究。

2.4 微波加热煤干馏技术的典型数据

结合国内外现有微波技术在能源转化领域的研究,抚顺石油化工研究院进行了微波法煤干馏新技术的探索试验,获得了肯定结果,已申报相应专利。在小试实验的基础上建设了一套每小时处理50 kg 煤的干馏中试装置(图2)。主要的实验结果见表4~表6。

从表4~表6 的数据可以看出,采用微波干馏技术,煤焦油和干馏煤气的收率更高;煤焦油的性质更好(如脂肪烃含量高和轻油收率高、沥青含量低,但氧含量高);微波干馏所产煤气中氢气含量超过50%,甲烷气含量超过10%,CO2含量明显低于常规干馏方法所得的煤气。这些都预示着微波干馏产品的利用价值要明显优于传统的干馏产品,同时微波干馏煤焦油的可加工性也要优于传统干馏技术所得的煤焦油。煤炭的微波干馏技术具有很好的发展前景。

图2 煤炭微波干馏中试装置(30~50 kg/h)

表4 微波干馏产品收率典型实验结果

表5 抚顺烟煤不同干馏方式所产煤焦油主要性质

表6 抚顺烟煤微波热解与常规干馏煤气成分对比

3 煤的清洁化梯级利用的方式探讨

在对煤炭资源综合利用的同时,贯穿了对能量的综合利用,通过原料、工艺、装备、过程组合与优化,达到物质与能量的集成利用,实现热能平衡、余热梯级利用,不仅降低了投资,还可以提高煤炭利用率,减少环境污染,实现经济与环境的和谐可持续发展。

从最大量获取优质油品角度提出煤分级加工及清洁化利用建议方案,见图3。高挥发分的褐煤等原料经微波快速或分级加热到脱水或干馏温度,首先获得干馏气体、煤焦油和半焦等物流;半焦进一步燃烧或气化用来发电或生产合成气,所产电力用于微波干馏过程所需或外供,合成气也可经F-T合成生产合成油,与干馏油品分别加工成轻质运输燃料,形成产品特性互补;加氢过程所需氢气可由干馏等过程的副产气体中廉价获得,从而实现煤分级加工及清洁化利用。

3.1 微波法煤干馏的主要优势

将微波加热技术应用到有机质热解中能够有效解决常规加热方式加热速率慢、换热效率低、加热不均匀等不足,并且由于微波加热的特殊机理,使得物料具有独特的传热传质规律,热解机理与传统热解相比有很大不同,热解产物具有更好的利用前景。

微波法煤干馏新技术具有的优势有以下方面。

①微波加热速率快,加热均匀,所产油气快速离开干馏系统,快速冷凝,有效防止多次裂解,从而提高焦油收率,提高产物品质。

②微波穿透能力强,对原料煤尺寸大小无特殊要求,可以是粉煤,也可以是块煤,提高了粉煤的利用效率。

③微波加热能量利用率高,易于控制,有利于节能降耗。

图3 煤炭分级加工及清洁利用建议方案

④微波加热属于非接触选择性加热,与常规干馏技术相比,不需要气固分离、半焦燃烧、热载体与煤混合、热载体提升等复杂设备,工艺流程大大简化,容易工业放大。

⑤微波加热煤气热值高,氢气、一氧化碳和甲烷含量高,有利于进一步综合利用。

3.2 微波法煤干馏新技术半焦的利用

干馏后半焦得以净化,热值提升,其利用途径可根据总体流程需要作多种选择,如燃烧发电、气化生产合成油、制备冶金焦等。

半焦燃烧发电技术早已成熟[34],可结合现有发电厂选用。合成油生产技术也已成熟,可以获得更多的石油替代品。本文作者正在探索半焦高温气化工艺技术,见图4。将半焦加入气化反应器中,与水蒸气和氧气在高温下发生气化反应生产合成气,合成气经除尘净化后可以制清洁燃料、化工产品或氢气,氢气可用于燃料电池发电;净化后的合成气也可直接进入燃气轮机发电。

半焦高温气化工艺技术路线充分利用半焦的显热,实现了热解-气化热量耦合,能量利用率高;该技术路线有利于集合半焦气化、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电以及合成气合成化学品等单元过程,能够使能量得到循环利用,还能够实现燃煤污染物的近零排放,代表了21 世纪煤化工的发展方向,是解决能源供应不足、液体燃料短缺、环境污染以及温室气体排放的重要途径。

4 微波法煤干馏新技术工业应用前景

文献[35]也对各种煤转化路线的相关数据进行分析,见表7。能源利用效率依次为煤热解加氢制油>煤制甲醇>煤直接液化制油>煤间接液化制油。热效率是评价原料能量利用率的一项重要指标,目前较为成熟热解技术的热效率一般在80%以上。微波法煤干馏新技术对煤质的要求比较低,对泥炭、褐煤和烟煤均可实现有效利用,且粉煤和块煤均可作为原料直接加入反应炉。此外,微波法煤干馏新技术的反应温度可控,可在常压或微负压下操作,省去了大量的热能和动力消耗。

图4 FRIPP 半焦高温气化工艺技术路线

表7 各种煤代油路线技术经济指标比较

煤炭最高效的利用途径就是以物质和能量消耗最少的方式,实现气-液-固态清洁能源和有机化工原料的同步获取。微波法煤干馏新技术首先实现煤的气-液-固组分的分级转化,进而对气-液-固三相物质进一步分级利用,属目前煤利用效率较高的途径之一。

在煤转化过程中,热解制油用水最少,约3.5 t水/t 油。而微波法煤干馏可采用分级加热方式将煤中所含水等脱出,经简易处理后即可回用,相对于常规干馏油气冷却等过程耗费大量水资源而言,对解决煤化工的水制约因素有重要贡献。

微波法煤干馏新技术易与现有电厂、钢厂等用煤大户企业结合,形成煤分级加工及清洁利用组合体,有利于资源的高效利用。与现有石油加工企业组合,更能优化产品的加工利用方案。

5 结 语

开发高效低成本的煤分级加工及梯级利用新技术,获取大量高品质的煤焦油,会对快速增长的石油和轻质运输燃料需求形成重要补充,而采用或开发适宜的半焦等相关产物的清洁化利用技术,可实现煤的多级联产,近零排放。

与其它的煤干馏技术相比,微波干馏煤焦油的性质更好,更适合于加工生产化工产品和汽、柴油产品。所产煤气中氢、甲烷等高价值组分含量高,利于综合利用。微波干馏技术具有能耗水耗低、CO2等温室气体和污染物排放低等优势,值得对其科学理论、工艺流程及方案选择、操作参数优化、设备开发及放大等方面进行系统研究。

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