煤炭储量丰富的能源特点决定我国在一段时期内仍以煤炭作为能源主体。在“双碳”战略目标下,实现煤炭的清洁高效转化是煤化工发展的必然趋势。中低温热解技术是煤炭高效热转化的手段之一。以储量大的低阶煤为原料,通过中低温热解技术获得的兰炭性能优异、价格低廉、应用广泛,可缓解我国能源分布不平衡的压力;副产的煤气和焦油,可弥补我国“贫油、少气”的能源结构缺陷,但我国工业化兰炭生产中普遍存在末煤资源利用率低、煤气热值低和环境污染严重等问题。为此,本文提出了末煤生产兰炭新工艺,以末煤分级与干燥过程为纽带,将粉煤气化过程和粒煤热解过程耦合,同时将气化煤气热除尘与粒煤热解过程集成于移动床热解器,以提高煤炭资源利用率、产物附加值和综合能效,降低环境污染。针对新工艺的过程评价、工艺中末煤的分级与干燥、煤的热解、干熄焦等关键问题采用模拟和实验相结合的方法进行了研究。利用Aspen Plus模拟软件构建了包括末煤分级与干燥、粉煤气化和粒煤热解等单元的新工艺模拟流程,通过各单元的灵敏度分析确定了工艺实现能量自热平衡的参数范围并优化了工艺条件。物料和能量衡算结果表明,在粉煤与粒煤的质量比为1.8～4.2时,通过调整工艺参数可使热解温度为500～800℃的兰炭生产工艺实现能量自平衡,说明新工艺在采用末煤为原料制备兰炭的同时可充分利用其中的粉煤,有效提高了煤炭资源的利用率。具体地,在粉煤与粒煤的质量比为2.07,气化温度为800℃,H2O/C为0.87,O2/C为0.39,燃烧温度为1000℃和循环比为3.77时,600℃热解生产兰炭工艺能量自平衡。此时,粉煤气化所需热量的80.1%由循环半焦提供,粒煤热解所需热量的57.7%由气化煤气提供,能量转化效率为69.5%,热解煤气热值为10.07 MJ/Nm~3。与工业化的内热式直立炉生产兰炭工艺比较,煤气热值高。新工艺以末煤的分级与干燥为转化纽带。为了实现末煤有效分级及分级获得的粉煤与粒煤干燥程度的灵活调控,本文构建了分级与干燥一体化装置,该装置同时具备兰炭干熄焦与除尘同步功能。利用Fluent模拟软件分析了装置的流场分布特性并借助双循环反应系统的颗粒分级单元对煤的分级、干燥和干熄焦过程进行了实验研究。冷态模拟结果表明,输送气驱动的旋风分离和分级气驱动的沉降分离相互协同可实现混合颗粒的快速、有效分级和切割粒径的有效调控。冷态分级实验结果表明,颗粒终端速度决定的沉降分离气速是影响分级性能的主要因素,装置对混合颗粒煤的牛顿分级效率达到98.6%。干燥和干熄焦实验结果表明,通过调控输送气和分级气兼作干燥介质或熄焦介质的气速和温度,装置可实现不同粒径煤干燥程度的灵活调控,可实现有效干熄焦。利用回转炉考察了惰性气氛下,热解温度、加热速率、煤料粒径和恒温时间对煤热解特性的影响,同时对目标产物兰炭的性质进行了分析。实验结果表明,热解温度是影响热解产物分布和兰炭特性的主要因素。当热解温度为750℃,恒温时间为60 min时,加热速率和煤料粒径引起的温度梯度最终对热解产物分布及兰炭的特性几乎无影响。在热解温度为550～750℃,加热速率为3～10℃/min,煤料粒径为0.60～7 mm,停留时间为30～90 min时,制备的兰炭灰分、挥发分、固定碳、比电阻、铝、磷和硫含量满足其作为冶金还原剂的质量指标,为新工艺中移动床煤热解过程提供了技术参数。新工艺中粒煤以粉煤气化煤气为热载体在移动床热解制备兰炭,气化煤气提供反应热量同时作为反应气氛。利用气固逆流移动床热解器,以N2气氛作为参照,考察了500～800℃时,水蒸气、CO2和气化煤气气氛下煤的热解特性。实验结果表明,活性气氛与挥发分和兰炭的相互作用影响了热解产物分布和兰炭性质。500℃时,水蒸气、CO2和气化煤气对气体产率、气体组成、兰炭产率和兰炭性质几乎无影响。高于此温度,活性气氛增加了气体产率,降低了兰炭产率。其中,水蒸气和气化煤气增加了气体中H2、CO和CO2产率,CO2气氛主要增加了CO产率。同时,这些活性气氛均降低了兰炭的电阻率、增加了兰炭的比表面积和微晶尺寸。活性气氛对上述产物分布和兰炭性质的影响程度大小顺序为:水蒸气＞气化煤气＞CO2,与气氛的反应活性相一致。另外,低于700℃,水蒸气通过强化水煤气变换反应和促进极性小分子化合物的快速脱除提高了焦油产率;500℃时,水蒸气气氛下的焦油产率为N2气氛下焦油产率的1.32倍。600～700℃时,CO2气氛提高了焦油产率,可能是其抑制了煤灰分中方解石的分解。