2.2　煤熱解與半焦活化耦合一體化

煤熱解與半焦活化耦合一體化的主要特點是：①將煤熱解與半焦活化在同一立式爐內(nèi)完成，可顯著降低建設(shè)費用；②實現(xiàn)了一爐兩用，可依據(jù)市場的需求，在不同時間生產(chǎn)不同的產(chǎn)品（半焦或活性半焦）；③能進(jìn)一步提高產(chǎn)物（焦油和煤氣）的產(chǎn)率和經(jīng)濟效果。目前已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)是煤先熱解-半焦后活化一體爐技術(shù)。

2.2.1　耦合一體爐技術(shù)

世界上最早利用煤炭生產(chǎn)碳基吸附-催化劑（活性半焦）的是德國。其最初開發(fā)了一種以硬煤為原料的專用活性炭基吸附-催化劑，命名為Activated Coke（活性半焦）；其做法是將有相當(dāng)細(xì)度的硬煤氧化處理后與黏合材料混合、成型，再通過炭化和活化后制成硬煤活性半焦。1987年7月，這種活性半焦被用于阿茨貝格（Arzberg）電廠5#、7#機組上（電功率分別為107MW和130MW）的聯(lián)合脫硫脫硝裝置中。1990年，又有1臺安裝了同樣的聯(lián)合脫硫脫硝裝置的機組在Hoechst3-4電廠（電功率70MW）投入運行。后來為了進(jìn)一步降低成本，又嘗試以萊茵褐煤為原料生產(chǎn)出了褐煤活性半焦。這種由萊茵褐煤制造的褐煤活性半焦被萊茵褐煤公司（Rheinhraun）稱為Herdofenkoks（HOK）。HOK采用一步法（Ⅰ-stage）制焦工藝，在這種工藝中，是將煤干燥、熱解、內(nèi)燃燒、加蒸汽活化完成的，并在波蘭煤化工研究院作了進(jìn)一步試驗。其試驗結(jié)果如表2-9所示。

北京國電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的GF立式爐結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。

GF立式爐采用外燃內(nèi)熱式氣體熱載體工藝，并實現(xiàn)炭化、活化連續(xù)運行。具體工藝流程：篩分后的褐煤經(jīng)過輸送帶被送入煤斗，在重力作用下依次經(jīng)過預(yù)熱段、干燥段、干餾段、活化段和冷卻段，最終活性半焦經(jīng)刮板機排出爐外。在整個過程中，原料煤首先被來自冷卻段的熱煙氣預(yù)熱到80℃，脫除部分水分；然后進(jìn)入干燥段被熱煙氣加熱到170℃左右，脫除全部水分；干燥后的煤進(jìn)入干餾段被熱煙氣與煤氣的混合氣體加熱到800℃左右，脫除大部分揮發(fā)分；完成干餾后的半焦進(jìn)入活化段，與高溫蒸汽發(fā)生活化反應(yīng)，形成發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，成為活性半焦；最后進(jìn)入冷卻段，被來自干燥段的凈化煙氣冷卻到100℃左右并排出爐外。在干燥段，出口煙氣分成兩部分，一部分作為配氣重新被送入干燥段，用于調(diào)節(jié)干燥段熱載體溫度；另一部分經(jīng)水洗凈化后被送入冷卻段吸收半焦中的熱量。在干餾段，出口煙氣分成三部分，一部分作為配氣重新被送入干燥段，用于調(diào)節(jié)干燥段熱載體溫度；另兩部分被分別送入干燥段和干餾段燃燒，提供所需熱量。在活化段，出口水煤氣經(jīng)冷卻后被送往鍋爐燃燒。在冷卻段，出口熱煙氣被送入預(yù)熱段與原煤進(jìn)行換熱，實現(xiàn)半焦顯熱回收，提高GF立式爐熱效率。

GF立式爐有以下主要特點：①干燥段與干餾段獨立設(shè)計，避免干燥過程產(chǎn)生的大量廢氣和煤塵進(jìn)入煤氣凈化系統(tǒng)，提高了煤氣熱值，降低了焦油中的含塵量；②采用多層布?xì)夥绞剑档土藲怏w阻力，熱載體流量大，保證大處理量對熱量的需求；③炭化、活化連續(xù)運行，減少了熱量損失，提高了活性半焦?fàn)t的熱效率；④采用廢煙氣作為冷卻介質(zhì)冷卻產(chǎn)品活性半焦，避免了水資源浪費；⑤沒有轉(zhuǎn)動部件，內(nèi)部構(gòu)件全部國產(chǎn)化，投資低，運行可靠。

生產(chǎn)原料來自內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司勝利東二號露天煤礦褐煤，原煤和產(chǎn)品性質(zhì)如表2-10所示，生產(chǎn)系統(tǒng)的物料衡算見表2-11。

生產(chǎn)實踐表明，褐煤化學(xué)反應(yīng)活性高，經(jīng)過活化得到的活性半焦具有中孔發(fā)達(dá)、脫色能力強等特點。活性半焦由于灰分高，機械強度較差，對顆粒活性半焦的再生產(chǎn)生不利影響。經(jīng)檢測，其裝填密度為654g/L，強度值為87%，比表面積和孔容積分別為673m2/L和0.84cm3/g，碘吸附值為325mg/g。

進(jìn)行活性半焦吸附實驗時，當(dāng)吸附用水的COD為3106mg/L時，COD去除量為2183mg/L，單位活性半焦的吸附值為32.75mg/g，脫色效果明顯。褐煤價格低廉，生產(chǎn)的活性半焦用于廢水吸附處理可以降低成本，具有較好的市場應(yīng)用前景。

楊湛明等在專利CN105776208A中，公布了一種活性焦的生產(chǎn)方法，該專利技術(shù)已于2018年在府谷縣三聯(lián)煤電化工有限公司實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

目前生產(chǎn)中炭化和活化分別在各自專用爐型中進(jìn)行，而該發(fā)明將炭化（熱解）和活化在蘭炭（半焦）直立爐中同時進(jìn)行，簡化了工藝流程，避免了原料冷卻再加熱的過程，降低了能耗，更降低了活性半焦生產(chǎn)成本，并且使蘭炭直立爐一爐多用，擴大了蘭炭直立爐的適用范圍；通過該發(fā)明方法制備的活性半焦比表面積大、吸附能力強，具有較發(fā)達(dá)的大、中孔結(jié)構(gòu)，適合污水處理中去吸附對應(yīng)的大、中顆粒污染物，所得活性半焦揮發(fā)分由蘭炭時的約10%降低至3%以下，碘吸附值由蘭炭時的100mg/g升到現(xiàn)在的450mg/g以上，脫硫值達(dá)到6.7～18.05mg/g。該產(chǎn)品活性半焦，在排污水提標(biāo)治理中市場潛力非常大。

該發(fā)明采用粒度為3～15mm的長焰煤煤粉，相對于煤塊來說，其價格低廉，成本較低。

在生產(chǎn)過程中，將形成蘭炭過程中產(chǎn)生的荒煤氣和形成活化產(chǎn)物產(chǎn)生的水煤氣混合，經(jīng)煤氣凈化系統(tǒng)后得到煤焦油和凈化煤氣，不僅回收了化工產(chǎn)品，而且回用凈化煤氣，節(jié)約了大量能源。

該發(fā)明的生產(chǎn)工藝過程如圖2-3所示。

①將粒度為3～15mm的長焰煤裝入蘭炭直立爐頂部煤槽，然后經(jīng)放煤旋塞和輔助煤箱送入蘭炭直立爐；根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，每半小時打開放煤旋塞向蘭炭直立爐加煤一次。

②加入蘭炭直立爐的原煤自上向下移動，與燃燒室送入蘭炭直立爐的850～1000℃的高溫氣體逆向接觸換熱；蘭炭直立爐的上部為預(yù)熱段，中部為熱解段，下部為活化段，煤在熱解段被加熱到750～850℃形成蘭炭。

③蘭炭繼續(xù)向下移動進(jìn)入高溫蒸汽活化段，與輸送至蘭炭直立爐的850～1000℃的高溫蒸汽反應(yīng)，得到活化產(chǎn)物；步驟②形成蘭炭過程中產(chǎn)生的荒煤氣和步驟③形成活化產(chǎn)物產(chǎn)生的水煤氣混合后經(jīng)上升管、耐高溫煤氣傘以及橋管進(jìn)入集氣槽，送至煤氣凈化系統(tǒng)后得到煤焦油和凈化煤氣。

④將活化產(chǎn)物冷卻，即得到活性半焦，冷卻后的活性半焦由排焦裝置排出，經(jīng)帶式輸送機運出爐區(qū)產(chǎn)品庫；所產(chǎn)活性半焦的碘吸附值為496～540mg/g，脫硫值為16.7～18.05mg/g。

凈化煤氣第一部分進(jìn)入燃燒室與空氣混合燃燒形成850～1000℃的高溫氣體；第二部分送入蒸汽鍋爐與空氣混合燃燒將水加熱形成飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)高溫蒸汽加熱爐換熱后形成850～1000℃的高溫蒸汽。高溫蒸汽加熱爐為兩臺，當(dāng)其中一臺通入飽和蒸汽時，另一臺進(jìn)行蓄熱，且高溫蒸汽加熱爐利用第三部分凈化煤氣燃燒進(jìn)行蓄熱；兩臺高溫蒸汽加熱爐每2～3h循環(huán)交換一次，目的是把蒸汽鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽換熱到850～1000℃的高溫蒸汽，通過高溫管道送進(jìn)蘭炭直立爐下部的高溫蒸汽活化裝置內(nèi)，保證蘭炭直立爐連續(xù)使用850～1000℃的高溫蒸汽。

2.2.2　耦合一體爐結(jié)構(gòu)

在專利CN205473585U中，對粉煤干餾活化一體爐的結(jié)構(gòu)和操作過程作了描述。該一體爐的結(jié)構(gòu)見圖2-4。

由圖2-4（a）～（c）可見，一種粉煤干餾活化一體爐包括料倉1，料倉1的下部設(shè)有若干下料嘴，下料嘴下部連接有粉煤預(yù)熱裝置3，下料嘴與粉煤預(yù)熱裝置3之間設(shè)有插板閥2；粉煤預(yù)熱裝置3下部連接至炭化室，粉煤預(yù)熱裝置3與炭化室之間設(shè)有煤氣集氣裝置，煤氣集氣裝置包括設(shè)置在炭化室上部的煤氣集氣陣傘5；煤氣集氣陣傘5的底部連接有若干并列設(shè)置的煤氣集氣通道，所述煤氣集氣通道包括若干串聯(lián)設(shè)置的煤氣集氣罩18，所述煤氣集氣罩18為圓臺形；炭化室的內(nèi)側(cè)還設(shè)有用于將煤氣輸送至煤氣集氣陣傘5的百葉窗磚30；煤氣集氣陣傘5的出口端通過橋管27和集氣管29連接至煤氣凈化系統(tǒng)，且橋管27和集氣管29之間設(shè)有氨水噴淋裝置28；炭化室的下部設(shè)有高溫蒸汽布?xì)庋b置13，高溫蒸汽布?xì)庋b置13的入口端連接至用于提供與粉煤反應(yīng)的850～100℃高溫蒸汽管道31；炭化室的底部設(shè)有活性半焦排料閥，活性半焦排料閥包括在豎直方向上平行設(shè)置的上段定量排料閥14和下段定量排料閥15，活性半焦排料閥的底部設(shè)有刮板輸料機16；炭化室的兩側(cè)均設(shè)有用于將粉煤加熱至750～800℃的粉煤加熱裝置，粉煤預(yù)熱裝置3的一側(cè)連接有熱廢氣進(jìn)氣管道4，另一側(cè)連接有廢氣排出管17，且熱廢氣進(jìn)氣管道4連接至粉煤加熱裝置。

粉煤加熱裝置包括上行加熱裝置和下行加熱裝置，所述上行加熱裝置包括上蓄熱室22以及與上蓄熱室22并列設(shè)置的若干空廢氣預(yù)熱道8，上蓄熱室22的上部設(shè)有連通空廢氣預(yù)熱道8頂部的上水平氣道7，上蓄熱室22的下部連接有上行空廢氣交換器23；所述下行加熱裝置包括下蓄熱室25以及與下蓄熱室25并列設(shè)置的若干立火道10，所述立火道10與空廢預(yù)熱道8上下對應(yīng)設(shè)置，且上下對應(yīng)的立火道10與空廢氣預(yù)熱道8連通，下蓄熱室25的上部設(shè)有連通立火道10底部的下水平氣道12，下蓄熱室25的下部連接有下行空廢氣交換器26；上行空廢氣交換器23與下行空廢氣交換器26之間連接有廢氣管道24，所述廢氣管道與熱廢氣進(jìn)氣管道4相連；立火道10的頂部設(shè)有能夠?qū)⒚簹鈴牧⒒鸬?0頂部通入的上行富煤氣燒嘴9，所述上行富煤氣燒嘴9連接至上行煤氣進(jìn)口管32，立火道10的底部設(shè)有能夠?qū)⒚簹鈴牧⒒鸬?0底部通入的下行富煤氣燒嘴11，所述下行富煤氣燒嘴11連接至下行煤氣進(jìn)口管33；上水平氣道7的頂部設(shè)有用于對空廢氣預(yù)熱道8與立火道10進(jìn)行測溫及檢查的探火孔6。

該一體爐的操作過程是：由備煤單元運來的粒度0～25mm粉煤首先裝入爐頂最上部的料倉1，然后打開插板閥2裝入粉煤預(yù)熱裝置3進(jìn)行預(yù)熱脫水，煤在此段被加熱到80～250℃左右；粉煤繼續(xù)緩慢向下移動進(jìn)入爐內(nèi)干餾段19，煤通過此段被加熱到750℃，并炭化成蘭炭；熱量來自煤氣在立火道10內(nèi)燃燒產(chǎn)生的廢氣，熱量通過爐墻傳遞至炭化室中。750～800℃的高溫蘭炭繼續(xù)向下移動進(jìn)入蒸汽活化段20與高溫蒸汽布?xì)庋b置13出來的850～1000℃左右的高溫蒸汽相遇，通過高溫蒸汽管道31送進(jìn)來的高溫蒸汽，與高溫蘭炭進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。隨著活化反應(yīng)的進(jìn)行，高溫蘭炭的碳原子不斷與高溫蒸汽反應(yīng)，使得活化性半焦的產(chǎn)品堆積密度逐漸減小，同時產(chǎn)生比較多的微孔和中孔，因而產(chǎn)品碘吸附值≥650mg/g、強度≥96%；反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水煤氣通過耐高溫的煤氣集氣罩18及炭化室內(nèi)側(cè)的百葉窗磚30導(dǎo)出，進(jìn)入煤氣集氣陣傘5，再進(jìn)入橋管27，并通過氨水噴淋裝置28降溫除塵后進(jìn)入集氣管29，送到煤氣凈化系統(tǒng)回收煤焦油和凈化煤氣。產(chǎn)生的活性半焦由上段定量排料閥14及下段定量排料閥15同時經(jīng)刮板輸料機16輸送到爐區(qū)產(chǎn)品庫。

該一體爐采用上下交換加熱的方式對炭化室中的粉煤進(jìn)行加熱，每小時循環(huán)交換加熱一次。上蓄熱室22和下蓄熱室25均采用蓄熱體，蓄熱體為高鋁耐火格子磚，以拓展燃燒室高溫區(qū)域，提高上下整體加熱均勻性。設(shè)置上蓄熱室22和下蓄熱室25的目的為回收廢氣熱量，因此熱效率較高，加熱強度高。

當(dāng)上部加熱時，從煤氣凈化系統(tǒng)送過來的煤氣由上行煤氣進(jìn)口管32從干餾爐的炭化側(cè)上部送入爐內(nèi)，經(jīng)上行富煤氣燒嘴9進(jìn)入各立火道10；空氣從上行空廢氣交換器23進(jìn)入上蓄熱室22，經(jīng)上蓄熱室22高鋁耐火格子磚預(yù)熱后，再通過上水平氣道7進(jìn)入各空廢氣預(yù)熱道8預(yù)熱爐墻，再進(jìn)入立火道10；在立火道10上入口處，煤氣與空氣相遇燃燒。燃燒后的廢氣下行到下水平氣道12匯集后，進(jìn)入下蓄熱室25與格子磚換熱；然后經(jīng)由下行空廢氣交換器26、廢氣管道24送到爐頂熱廢氣進(jìn)氣管道4，進(jìn)入粉煤預(yù)熱裝置3進(jìn)行預(yù)熱粉煤；預(yù)熱后的廢氣經(jīng)廢氣排出管17送到煙囪排入大氣。

當(dāng)下部加熱時，從煤凈化系統(tǒng)送過來的煤氣由下行煤氣進(jìn)口管33從干餾爐的炭化側(cè)下部送入爐內(nèi)，經(jīng)下行富煤氣煤嘴11進(jìn)入各立火道10；空氣從下行空廢氣交換器26進(jìn)入下蓄熱室25，經(jīng)下蓄熱室25高鋁耐火格子磚預(yù)熱后，再通過下水平氣道12進(jìn)入立火道10；在立火道10下入口處，煤氣與空氣相遇燃燒。燃燒后的廢氣上行到空廢氣預(yù)熱段8加熱爐墻，再經(jīng)過上水平氣道7匯集后，進(jìn)入上蓄熱室22與格子磚換熱；然后經(jīng)由上行空廢氣交換器23、廢氣管道24送到爐頂熱廢氣進(jìn)氣管道4，進(jìn)入粉煤預(yù)熱裝置3進(jìn)行預(yù)熱粉煤；預(yù)熱后的廢氣經(jīng)廢氣排出管17送到煙囪排入大氣。

粉煤干餾活化一體爐爐體由炭化室、燃燒室、蓄熱室等組成，燃燒室包括空廢氣預(yù)熱道和立火道。炭化室與燃燒室占據(jù)爐體一側(cè)，炭化室沿爐體縱向貫通，其兩側(cè)為燃燒室。蓄熱室占據(jù)爐體另一側(cè)，沿爐體豎向分成兩個蓄熱室，一端分別與燃燒室相通，另一端與廢氣開閉器相連。炭化室為雙排布置，采用凈化后的煤氣加熱。