煤熱解技術(shù)概述及問題分析

劉巧霞， 張?jiān)旅鳎?黃 勇， 王汝成， 王武生， 汪良懷

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西 西安 710075；2.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心，陜西 西安 710075）

富煤、少氣、缺油是我國能源結(jié)構(gòu)的特征［1］。煤作為中國能源的主體，2007年，占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的比例分別76.6%和69.5%；1989年—2009年，煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)平均72.5%。近年來，煤所占消費(fèi)比例有所下降，2013年，中國煤炭消費(fèi)增長4%，是過去10年平均水平（8.3%）的一半，但消費(fèi)仍然維持在65%以上［2－3］。據(jù)預(yù)測，未來20年內(nèi)，煤炭仍將是我國主要的一次能源［4］。中國煤炭資源中，高揮發(fā)分煤占80%以上，包括約13%的褐煤、42%的次煙煤和33%的煙煤。其中，內(nèi)蒙古褐煤約占全國褐煤儲(chǔ)量的77.1%［5］。而在煤炭的實(shí)際開采過程中，滿足要求的塊煤只有30%～40%，70%左右是粒度小于20mm的粉煤，不能被有效利用［6］。而粉煤作為熱解的優(yōu)良原料正在被廣泛地研究和應(yīng)用。粉煤熱解在改變煤質(zhì)、降低污染的同時(shí)擴(kuò)大了低變質(zhì)煤的應(yīng)用范圍。

1 煤熱解技術(shù)優(yōu)勢

煤熱解主要產(chǎn)物是煤焦油（6%～25%）、半焦（50%～70%）及煤氣（80m3／t～200m3／t）。近年來，在我國新疆、內(nèi)蒙等地發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模煤田，主要以低階褐煤為主。如何在有效利用這些資源的同時(shí)最大限度地減輕對(duì)環(huán)境的污染，引起了眾多專家學(xué)者的關(guān)注［7］。煤的高效合理加工利用已逐步向著梯級(jí)轉(zhuǎn)化、逐級(jí)突破的方向進(jìn)行（如圖1所示），通過煤熱解提取具有高附加值的類石油產(chǎn)品、中熱值煤氣及高熱值半焦，與先進(jìn)的燃燒技術(shù)結(jié)合，或者與氣化技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，提高煤炭的整體利用效率。

圖1 基于煤熱解的梯級(jí)轉(zhuǎn)化工藝示意圖

郝麗芳等［8］對(duì)煤直接液化、F－T合成油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制甲醇、煤制乙二醇及煤熱解合成油等工藝從單位能耗、單位產(chǎn)品耗煤量、排入大氣碳比例及單位產(chǎn)品排CO2量進(jìn)行了對(duì)比，得出，以熱解為先導(dǎo)的煤綜合利用技術(shù)具有更高的利用效率和更低的碳排放，更具先進(jìn)性，是未來煤炭利用的重要發(fā)展趨勢之一。

2 國外煤熱解技術(shù)

煤熱解技術(shù)最早產(chǎn)生于19世紀(jì)，起源于德國。二戰(zhàn)前，煤低溫?zé)峤庵饕且灾迫∫后w燃料為目的，重點(diǎn)進(jìn)行焦油輕質(zhì)化的研究。二戰(zhàn)后，英國用于制取民用燃料。

美國Disco公司采用Disco－L工藝制取球型半焦，用作民用無煙燃料［9］。但是，這些工藝均因爐子結(jié)構(gòu)復(fù)雜而難以工業(yè)化，使得煤熱解陷入緩慢發(fā)展甚至停滯狀態(tài)。到20世紀(jì)70年代，煤熱解生產(chǎn)低溫焦油受到各國學(xué)者的廣泛重視，并開發(fā)出多種熱解工藝過程?，F(xiàn)在，煤熱解技術(shù)再一次受到追捧，原因是新型的煤熱解技術(shù)適合多種原煤的加工，包括低變質(zhì)煤，這為煤熱解技術(shù)注入新能量［9］。

煤熱解工藝按加熱方式的不同可分為內(nèi)熱式和外熱式2類。外熱式工藝熱效率低，加熱不均勻，揮發(fā)產(chǎn)物的二次分解嚴(yán)重；內(nèi)熱式工藝克服了外熱式的缺點(diǎn)，借助熱載體（氣體熱載體、固體熱載體）將熱量傳遞給煤，煤受熱后發(fā)生熱解反應(yīng)。氣體熱載體代表性工藝有美國的CDED工藝、ENCOAL工藝和波蘭的雙沸騰床工藝等；固體熱載體工藝有Garrett、Toscoal、LR和ETCH－175等。

LR工藝由魯奇－魯爾煤氣公司開發(fā)，以高揮發(fā)分（35%～46%）的低煤化程度煤制取焦油為目的，其工藝流程如圖2所示。其熱解溫度為480℃～590℃；產(chǎn)生的半焦一部分用作燃料，一部分被循環(huán)使用；產(chǎn)生的煤氣和焦油蒸汽進(jìn)入氣液分離系統(tǒng)進(jìn)行分離。該技術(shù)利用部分半焦循環(huán)與煤進(jìn)行熱交換，煤氣用于煤干燥，整個(gè)過程具有較高的熱效率。但由于大量焦粉被帶入焦油，焦油中固體顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)40%～50%，給焦油的加工和利用帶來了困難；使用黏結(jié)性煤時(shí)會(huì)因焦油和固體粒子的凝集而引起故障；采用機(jī)械攪拌對(duì)煤和熱的半焦進(jìn)行混合，磨損較嚴(yán)重，設(shè)備放大也存在問題。

圖2 魯奇－魯爾熱解工藝流程圖

3 國內(nèi)煤熱解技術(shù)

煤熱解在我國起步較早，第1座煤氣廠于1865年9月在上海建立。20世紀(jì)50年代，我國對(duì)煤熱解工藝有了進(jìn)一步研究，北京石油學(xué)院、大連理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院山西煤化所等單位，先后開發(fā)了不同工藝的煤熱解技術(shù)。主要有內(nèi)熱式和外熱式2種，MRF熱解工藝為外熱式加熱，其余（如，DG工藝、BT工藝及ZDL工藝）都屬內(nèi)熱式加熱。

3.1 外熱式熱解工藝

多段回轉(zhuǎn)爐（MRF）熱解工藝是煤炭科學(xué)研究總院北京煤化所開發(fā)的一種新的煤轉(zhuǎn)化技術(shù)，它可以將年輕煤在回轉(zhuǎn)爐中熱解獲得半焦、焦油和煤氣。此工藝可以根據(jù)產(chǎn)品的用途調(diào)整工藝，從而得到粒度和揮發(fā)分不同的粒狀煤焦產(chǎn)品，從焦油中可回收酚類、燃料油、重油和瀝青等多種化工產(chǎn)品。其工藝流程見圖3所示。

圖3 多段回轉(zhuǎn)爐工藝流程圖

3.2 內(nèi)熱式熱解工藝

3.2.1 ZDL工藝

ZDL工藝是循環(huán)流化床熱解多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)工藝，在一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電、氣、熱和焦油的聯(lián)合生產(chǎn)。目前，12MW循環(huán)流化床正在建設(shè)，該示范裝置的典型結(jié)果為：熱解器加煤量10.4t／h，焦油產(chǎn)量1.17t／h，煤氣產(chǎn)量1 910m3／h，煤氣熱值23.11MJ／m3，所得焦油中瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.53%～57.31%。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于，冷卻產(chǎn)生的酚全部用于鍋爐焚燒，充分利用了資源，熱效率高，環(huán)保和節(jié)能效果好。但還需進(jìn)一步對(duì)新型煤種進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.2 BJY工藝

濟(jì)南鍋爐廠朱國防等開發(fā)了以循環(huán)流化床循環(huán)灰作為固體熱載體將煤熱解的“多聯(lián)產(chǎn)”工藝，于1992年建成了干餾煤量150kg／h的熱態(tài)試驗(yàn)裝置，并對(duì)包括煙煤和褐煤的5個(gè)煤種進(jìn)行了試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，濟(jì)南鍋爐廠與北京水利電力經(jīng)濟(jì)研究所等單位合作，于1995年在遼源市進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，工藝過程如圖4所示。

圖4 BJY工藝流程圖

用35t／h循環(huán)流化床鍋爐與移動(dòng)床干餾爐匹配，干餾爐的處理能力為6.5t／h，占鍋爐總耗煤量的80%。由于該工藝中熱解半焦要通過半焦絞龍向上輸送回燃燒室內(nèi)，往往會(huì)發(fā)生半焦輸送閥磨損、管路堵塞等故障。

3.2.3 LCC工藝

LCC工藝是中國五環(huán)工程有限公司和大唐華銀電力股份有限公司組建的技術(shù)聯(lián)合體對(duì)LFC工藝進(jìn)行創(chuàng)新性研究設(shè)計(jì)開發(fā)出來的。主要過程分為3步：干燥、輕度熱解和精制。LCC熱解工藝的特點(diǎn)在于，流程簡單，工藝成熟，適應(yīng)性強(qiáng)；干燥、熱解2段處理過程完全獨(dú)立，易于工業(yè)化控制；獨(dú)特的精制鈍化技術(shù)，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，且可通過工藝參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)獲得不同的半焦、焦油產(chǎn)率和品質(zhì)；工藝過程環(huán)保，不排放含油污水。東烏旗大唐華銀錫東能源開發(fā)有限公司采用該技術(shù)，建立了30t／a褐煤干燥示范項(xiàng)目［10］。湖南華銀能源技術(shù)公司于2013年11月25日宣布：截止2013年11月24日，作為國內(nèi)首套30t／a褐煤提質(zhì)示范項(xiàng)目，大唐華銀LCC煤凈化示范裝置實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)下全工況、長周期連續(xù)運(yùn)行24d，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)值［11］。這標(biāo)志著LCC技術(shù)已攻克制約滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸，取得了重大突破。

3.2.4 BT工藝

BT工藝是由中國科學(xué)院郭慕孫院士在20世紀(jì)80年代提出，研究人員對(duì)煤熱解技術(shù)的基礎(chǔ)理論、工藝和設(shè)備等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，采用下行床熱解反應(yīng)器與循環(huán)流化床耦合以實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)的集成。該工藝的優(yōu)勢在于，液體產(chǎn)率較高，可生產(chǎn)高附加值的化學(xué)產(chǎn)品，環(huán)保和節(jié)能效果好。圖5為在河北即將配套建成的10t／d的固體熱載體煤炭熱解中試平臺(tái)。但是，該工藝亟需解決的問題是，增加煤氣回收裝置并加快示范工程的建設(shè)。

圖5 BT工藝流程圖

3.2.5 DG工藝

DG工藝由大連理工大學(xué)開發(fā)。150t／d工業(yè)試驗(yàn)裝置流程由備煤、煤干燥、硫化提升加熱焦粉、冷粉煤與熱粉焦混合換熱、煤熱解、硫化燃燒、煤氣冷卻輸送和凈化等部分組成。流程示意圖見第43頁圖6。

DG工藝以熱解產(chǎn)生的半焦作為熱載體，將熱載體與原料煤在混合器里混合，發(fā)生低溫快速熱解反應(yīng)；產(chǎn)生的氣體經(jīng)分離后作為煤氣；一部分半焦進(jìn)入半焦提升管下部燃燒，一部分回收，繼續(xù)作為熱載體。利用該工藝對(duì)國內(nèi)許多褐煤進(jìn)行了試驗(yàn)，得到的半焦活性好，焦油量和煤氣產(chǎn)量較高。該工藝屬于快速熱解的范疇，具有工藝簡單、裝置時(shí)空效率高、煤氣熱值高等優(yōu)點(diǎn)。但焦油氣除塵不徹底、易堵塞的問題未得到徹底解決，給其工業(yè)化進(jìn)程造成阻礙。

圖6 DG工藝流程圖

4 煤熱解技術(shù)存在的問題

將幾種熱解技術(shù)從原理、粒度、溫度、產(chǎn)品及存在的問題進(jìn)行比較，如表1所示。從工藝技術(shù)對(duì)比可知，困擾粉煤熱解的主要問題集中在，原料粉煤輸送、氣固分離不徹底造成的管道結(jié)焦堵塞及焦油產(chǎn)品含粉量高等問題。

4.1 原料粉煤輸送

粉煤的輸送作為煤化工技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一受到研究學(xué)者的高度重視，氣力輸煤技術(shù)流程簡單、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸煤目的。然而，粉煤易燃、易爆、粒度細(xì)微、含水量少，容易因?yàn)檩斔拖到y(tǒng)密封性不佳而造成飛灰、揚(yáng)塵、氣流反吹現(xiàn)象，因輸送力不足造成粉煤架橋、堵塞輸送中斷，最終造成粉煤的輸送不均勻、流量不穩(wěn)定，難以與煤化工后續(xù)工藝穩(wěn)定銜接。目前，一般是在輸送料斗錐部分布適當(dāng)數(shù)量的松動(dòng)氣口，避免粉煤在料斗內(nèi)壓實(shí)。同時(shí)，增加氣力振蕩器，持續(xù)進(jìn)行振動(dòng)。但這些方法不能完全解決粉煤輸送問題。隨著經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，技術(shù)人員對(duì)粉煤輸送技術(shù)也有一些新的見解，相關(guān)專利技術(shù)不斷涌現(xiàn)，但要找到切實(shí)可行且有效的方法還需不斷地摸索。

表1 幾種熱解工藝對(duì)比

4.2 管道結(jié)焦

管道堵塞結(jié)焦是困擾煤熱解技術(shù)發(fā)展的主要問題之一。原料煤經(jīng)過熱解爐發(fā)生反應(yīng)生成焦油氣攜帶半焦一起進(jìn)入后續(xù)分離系統(tǒng)，一般為一級(jí)旋風(fēng)分離器或多級(jí)旋風(fēng)分離管。雖然旋風(fēng)分離器的分離效率很高，但還是有一部分細(xì)焦粉會(huì)隨著焦油氣帶到后系統(tǒng)。這些細(xì)小的粉塵顆粒粒度細(xì)、密度小，容易漂浮且隨氣流流動(dòng)，密度與熱解油氣接近，黏結(jié)性較強(qiáng)，容易與熱解氣中冷凝出的少量焦油一同黏附在容器壁上，堵塞除塵設(shè)備和管道。隨著裝置運(yùn)行的持續(xù)，部分重質(zhì)焦油與粉塵會(huì)出現(xiàn)冷凝、掛壁現(xiàn)象，累計(jì)到一定程度就會(huì)影響裝置的運(yùn)行，甚至導(dǎo)致停車。目前，國外開發(fā)的粉煤熱解工藝，如，Garrett工藝、LR工藝和國內(nèi)開發(fā)的DG新法干餾工藝雖然都完成了過程的放大，但均未得到大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。其中，焦油氣除塵技術(shù)是上述粉煤熱解工藝普遍遇到的技術(shù)難題。目前，靜電除塵技術(shù)、金屬過濾材料除塵技術(shù)及顆粒床除塵技術(shù)都得到了相應(yīng)的發(fā)展。過濾除塵是常用的除塵器，包括陶瓷、顆粒床、金屬網(wǎng)、金屬燒結(jié)管的過濾器。而剛性陶瓷過濾器（包括燭狀過濾器、交叉流式過濾器、蜂房式過濾器等）應(yīng)用更加廣泛［12］。

4.3 煤焦油中粉塵的脫除

煤焦油中粉塵等雜質(zhì)含量過多會(huì)嚴(yán)重妨礙煤焦油中高附加值產(chǎn)品的提取，同時(shí)容易造成煤焦油深加工設(shè)備的堵塞，從而影響深加工產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，對(duì)煤焦油中灰分的凈化脫除是必要的。焦油中粉塵含量的多少與前系統(tǒng)除塵效率直接相關(guān)。煤焦油中粉塵難以分離是煤熱解技術(shù)面臨的又一難題，含粉塵量的多少直接影響焦油的品質(zhì)和后續(xù)深加工利用的途徑。高灰分的煤焦油色澤度差，黏度大，流動(dòng)性較差，品質(zhì)較低。此外，過多的灰分還會(huì)嚴(yán)重干擾回收裝置的正常運(yùn)行，容易引起管道及初冷器等設(shè)備的堵塞［13］。目前，煤焦油中灰分的分離方法主要有靜置沉降分離、熱溶過濾分離、高溫離心分離、溶劑抽提分離及表面活性劑即添加劑分離法等［14］，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此，經(jīng)濟(jì)有效的煤焦油凈化處理方法有待于進(jìn)一步開發(fā)研究。

5 結(jié)語

煤熱解技術(shù)是煤炭后續(xù)利用的源頭，如何開好頭至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外已開發(fā)或正在開發(fā)的煤熱解技術(shù)形式多樣，各有利弊，尚沒有一種技術(shù)可以滿足不同煤種的有效利用需求。但是，熱解技術(shù)總體應(yīng)該向著規(guī)模大型化、高效、環(huán)保及能夠充分利用大量粉煤資源的方向努力。同時(shí)，以提高油品收率、改善油品品質(zhì)以及實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)為終極目標(biāo)。

1）加強(qiáng)煤熱解技術(shù)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室小試—中試示范—工業(yè)化放大一體化的研發(fā)應(yīng)用模式，真正將產(chǎn)、學(xué)、研有效結(jié)合起來；增強(qiáng)高校及科研院所與企業(yè)的有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，齊力促進(jìn)新熱解技術(shù)的有力開發(fā)。同時(shí)，企業(yè)應(yīng)該大力引進(jìn)人才，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專有熱解技術(shù)。

2）國內(nèi)外各種煤熱解技術(shù)存在的共性問題是，熱解裝置設(shè)備管路結(jié)焦、堵塞；液體產(chǎn)品煤焦油中粉塵含量超標(biāo)，嚴(yán)重影響煤焦油中高附加值物的提取、利用；對(duì)煤焦油加氫制取清潔油品技術(shù)及裝置提出了更高的要求。究其原因，管路結(jié)焦、堵塞及焦油含塵高主要是前系統(tǒng)除塵不徹底，而單一的傳統(tǒng)一級(jí)旋風(fēng)分離器已經(jīng)不能滿足除塵技術(shù)的需要。因此，更多的除塵技術(shù)的有機(jī)耦合備受青睞，如一級(jí)除塵與多管除塵器的組合及一級(jí)除塵與不同材質(zhì)的過濾除塵裝置的結(jié)合。尤其是陶瓷過濾器備受關(guān)注。

3）隨著新型煤熱解技術(shù)對(duì)不同原料的廣泛適應(yīng)，尤其是對(duì)低變質(zhì)煤種的適用性，使得煤熱解技術(shù)重新受到關(guān)注。進(jìn)而，與煤熱解技術(shù)相關(guān)的共熱解也被提上日程。眾多文獻(xiàn)［15－17］報(bào)道的生物質(zhì)（稻殼、秸稈、核桃殼等）、廢舊輪胎、塑料、油泥等與煤共熱解技術(shù)也被關(guān)注。與煤共熱解不僅可以有效地利用各種原料的碳?xì)鋬?yōu)勢，以制取優(yōu)質(zhì)的液體產(chǎn)品，更有益于變廢為寶，創(chuàng)造“雙贏”甚至是“多贏”的環(huán)境友好型局面。但是，這些技術(shù)目前還只是停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚沒有放大示范裝置。

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