煤炭低溫熱解技術及其多聯(lián)產發(fā)展方向

安承東，張大偉

（1.合肥工業(yè)大學化學工程學院，安徽合肥230009；2.東華工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

煤炭低溫熱解技術及其多聯(lián)產發(fā)展方向

安承東1，2，張大偉1

（1.合肥工業(yè)大學化學工程學院，安徽合肥230009；2.東華工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

針對我國煤炭資源以低階煤為主的特點，提出了今后我國煤化工的發(fā)展方向是以低溫熱解技術為主導，以煤、油、氣、電、化多聯(lián)產一體化為原則，實現(xiàn)煤炭分質分級清潔高效循環(huán)經濟的綜合利用和煤化工產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

低階煤;低溫熱解;多聯(lián)產

1 技術背景

煤炭是我國的主要能源，在能源結構中占70%左右。富煤、貧油、少氣是我國的能源稟賦現(xiàn)狀。在世界已探明的化工能源儲量中，我國的煤炭占世界總量的15%，石油占2.7%，天然氣占0.9%。我國煤炭資源儲量在5萬億噸以上，探明儲量達到1145億噸。其中低階煤在我國煤炭儲量及產量中占有很高的比例。根據(jù)我國煤炭地質總局第三次全國煤田預測，低階煤儲量占全國已探明煤炭儲量的55%以上，達5662億噸，其中褐煤占12.7%，低變質煙煤占42.5%。低階煤主要分布在我國西北、華北和東北地區(qū)，包括內蒙古鄂爾多斯、陜西榆林和新疆等主要地區(qū)。

近年來，我國煤炭工業(yè)取得了長足的發(fā)展，煤炭產量快速增長，生產水平也得到了大幅度提高，但是煤炭利用方式的單一粗放等問題沒有得到根本的改變，煤炭利用效率低，同時還引發(fā)了一系列生態(tài)和環(huán)境污染問題。特別是大量富含揮發(fā)分的低階煤未經分質利用便直接燃燒或氣化，造成大量高附加值的油氣資源浪費，煤炭利用效率低下。低階煤具有煤化程度低，化學結構中側鏈較多，氫、氧含量較高，揮發(fā)分高等特點，含油量高達10%以上，新疆哈密地區(qū)的低階煤油含量可達18%。因此，我國煤炭的分質分級清潔高效利用，是保障能源供應安全和推動能源結構調整的迫切需要和現(xiàn)實選擇。煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃指出：加強褐煤提質技術的研發(fā)和示范。國家能源科技“十二五”規(guī)劃將低階煤提質改性技術列入重大技術研究領域，要求積極開發(fā)具有自主知識產權、適應性廣的低階煤提質改性技術與工藝。2015年5月，國家能源局印發(fā)《煤炭清潔高效利用行動計劃（2015～2020年）》的通知，明確要求我國“穩(wěn)步推進煤炭優(yōu)質化加工、分質分級梯級利用、煤礦廢棄物資源化利用等的示范，建設一批煤炭清潔高效利用示范工程項目”，并提出了煤炭清潔高效利用的行動計劃時間表,要求2017年低階煤分級提質關鍵技術取得突破，2020年建成一批百萬噸級分級提質示范項目。

2 煤熱解技術綜述

低階煤分級提質的關鍵技術即在一定的溫度下對煤炭進行熱分解轉化，生成半焦、焦油和煤氣等產品的過程。根據(jù)熱解溫度和目標產品選擇的不同，一般又分為低溫熱解、中溫熱解和高溫熱解。低溫熱解工藝的反應條件相對溫和，產品中焦油的產率最高，煤氣熱值最大，半焦的活性也最強，最適合進行分質分級多聯(lián)產，是目前工業(yè)開發(fā)的主要方向，本文所述的熱解技術均指低溫熱解。

煤炭熱解技術經過多年的發(fā)展，已經形成了很多種生產工藝方法，但是大多數(shù)仍然處在實驗室研究階段。到目前為止，國內已實現(xiàn)中試和初步工業(yè)化生產的方法主要有固定床煤熱分解工藝、回轉爐煤熱分解工藝、移動床煤熱分解工藝、流化床煤熱分解工藝等。

（1）固定床煤熱分解工藝：包括內熱式直立爐、外熱式直立爐、內-外式直立爐等技術。固定床煤熱解工藝是一種較傳統(tǒng)的煤炭熱解技術，特別是用來熱解煤炭生產半焦，在國內應用非常廣泛，其優(yōu)點是技術成熟、流程簡單、氣相粉塵少、焦油品質好；缺點是原料煤需要一定粒度、焦油產率低、單套裝置規(guī)模較小、對環(huán)境污染較大。目前該技術的發(fā)展受到一定限制，需要在工藝效率、環(huán)保效應等方面開展進一步的技術開發(fā)工作。

（2）回轉爐煤熱分解工藝：包括美國Toscol、Encoal、加拿大ATP、煤科院MRF等，其優(yōu)點是對煤的粒度要求較小，可直接使用碎煤，缺點是存在大型轉動部件，設備龐大，破損較嚴重，系統(tǒng)復雜，后處理難度大。目前，國內已有多家工程公司和研究院在多段回轉爐工藝基礎上進行研究和開發(fā)，并已經取得一些重要成果，有望很快建成一批回轉爐窯式的熱解工業(yè)化裝置，但是還有不少工程化問題需要進一步的驗證。

（3）移動床煤熱分解工藝：包括美國LFC、德國Lurgi-Ruhr、前蘇聯(lián)ETCH-175、大連理工大學DG、中科院山西煤化所等技術。其中，大連理工大學在平莊建成了5.5萬噸/年褐煤固體熱載體干餾多聯(lián)產工業(yè)試驗裝置，并通過煤炭工業(yè)部和國家教育委員會聯(lián)合組織的技術鑒定。陜西煤化集團神木富油能源科技公司與大連理工大學合作建設的煤固體熱載體干餾爐，單爐規(guī)模達到20萬噸/年，2012年正式投產試運行。采用固體熱載體快速熱解工藝不僅解決了干餾時間長的問題，還可以解決干餾爐只能用塊狀原煤的問題[1]。其優(yōu)點是熱解反應器結構簡單，運行穩(wěn)定，缺點是熱載體和煤混合不均勻，焦油中重質組分高，粉塵難以除盡，半焦產品活性差。

（4）流化床煤熱分解工藝：包括美國COED、澳大利亞CSIRO、浙江大學、中科院工程熱物理所、中科院過程工程所等技術。浙江大學熱能所是國內較早開發(fā)以煤熱解氣化為核心的煤分級轉化綜合利用的研究單位之一。早在1981年就提出了循環(huán)流化床煤熱解氣化熱、電、氣多聯(lián)產綜合利用方案。為了驗證方案的可行性，在其實驗室建立了一套1MW熱態(tài)試驗裝置，并對不同的煤種和不同運行參數(shù)進行了大量試驗，證實了技術上和工藝上的可行性，先后申請了兩項國家發(fā)明專利。利用該技術開發(fā)了12 MW及25 MW循環(huán)流化床熱解多聯(lián)產裝置。其優(yōu)點是多段流化床，焦油產率高，品質好。缺點是需要大量熱解氣返回作為流化介質，焦油中含粉焦多，單段流化床焦油中重質組分高[2]。和其它熱解技術相比，循環(huán)流化床熱解技術的能源利用效率高、投資少、單系列規(guī)模更大，是今后煤炭熱解工業(yè)化發(fā)展的重要方向。

3 多聯(lián)產的發(fā)展方向

3.1 多聯(lián)產發(fā)展的提出

當前，隨著經濟快速發(fā)展和環(huán)保要求的日益提高，難以單純依靠包括熱解在內的某一單項技術來解決低階煤的高效利用問題，只有通過煤基多聯(lián)產工藝，將多種先進技術進行有機集成，對產品方案和各環(huán)節(jié)優(yōu)化組合，采用多原料多產品逐級分質、綜合利用的方案，形成多種不同的具體工藝轉化路線，才能真正實現(xiàn)煤炭的梯級和高效利用。所謂煤基多聯(lián)產，就是以煤為原料，將熱解技術與燃燒、氣化、間接液化等一系列相關技術耦合起來。其核心是將煤化工生產與熱電一體化有機地結合起來，使產品結構多元靈活，既提高能源轉化率，降低生產成本，又能實現(xiàn)環(huán)境友好和循環(huán)經濟[3]。

以煤炭熱解為龍頭，將熱解技術與燃燒、氣化、間接液化等一系列相關技術耦合起來，走熱解、氣化、熱電等一體化之路，實現(xiàn)熱、電、汽、化、油一體化多聯(lián)產，是實現(xiàn)煤炭高效利用的重要途徑。此多聯(lián)產技術首先通過熱解工藝將煤炭分質成煤氣、焦油、半焦，再對煤氣、焦油和半焦進行轉化利用深加工，生產出清潔燃料、化工以及熱電產品，合理地進行多領域交叉，兼顧動力、化工、環(huán)境等多領域問題，最大限度地多產品聯(lián)產，具有能源資源綜合互補、產品靈活、高附加值以及高市場需求變動適應性，從而達到對煤炭資源清潔高效利用，最大限度地將物質與能量轉化過程和污染物控制過程一體化，低能耗、低成本控制有害物質排放。實現(xiàn)煤炭的清潔高效、分質分級、梯級利用，形成資源、能源、環(huán)境一體化的多聯(lián)產系統(tǒng)[4]，如圖1所示。

3.2 以煤熱解為核心的多聯(lián)產技術優(yōu)點

以煤熱解為核心的多聯(lián)產技術具有以下優(yōu)點：

（1）低階煤占有我國煤炭儲量的55%以上，其煤巖組分中凝膠化組分相對較高，工業(yè)分析中揮發(fā)成分較高，其有機化學結構中側鏈較多，有機元素組成中氫氧含量較高。結構特點決定了可以用最小的能耗和物耗，通過熱解轉化方式，同步獲得所需要的化學品和目標能源，最大程度地實現(xiàn)了煤炭的高效利用。

（2）可以通過優(yōu)化組合，將煤燃燒和熱解進行巧妙耦合，是實現(xiàn)煤炭資源綜合利用的有效途徑之一。

（3）煤炭中硫、氮等污染物絕大部分在煤的熱解過程中就以H2S、NH3的形式析出，與直接燃燒產生的SO2、NOx等相比，脫除煤氣中的H2S、NH3要容易得多，有效地解決了環(huán)保問題。

4 結論

采用煤炭熱解為基礎的多聯(lián)產技術，可以從整體利用效率的角度來提高煤炭資源利用率，同時更好地解決資源與環(huán)境問題。煤炭熱解分級轉化及其多聯(lián)產工藝是今后煤化工發(fā)展的重要方向，特別適合應用于以低階煤為原料的大型煤化工項目，對大型低階煤產地的原料煤炭綜合利用有一定的推動作用，對我國煤炭高效清潔轉化以及煤化工的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義。

圖1 煤炭分質分級轉化利用示意圖

[1]關君，何德民，張秋民.褐煤熱解提質技術與多聯(lián)產構想[J].煤化工，2011（6）：1-9.

[2]方夢祥，曾偉強，岑建孟，等.循環(huán)流化床煤分級轉化多聯(lián)產技術的開發(fā)及應用[J].廣東電力，2011，24（9）：1-7.

[3]尚建選，馬寶岐，張秋民，等.低階煤分質轉化多聯(lián)產技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

[4]白太寬.煤炭低溫熱解多聯(lián)產技術——實現(xiàn)煤炭清潔高效利用的最佳途徑[J].煤炭加工和綜合利用，2014（12）：6-10.□

Discussion of Coal Low Temperature Pyrolysis Technology and Poly-generation Development Direction

AN Cheng-dong1，2，ZHANG Da-wei1
（1.School of Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.East China Engineering Science&Technology Co.，Ltd.，Hefei 230024，China）

Due to the low rank coal dominated coal resources in China，low temperature pyrolysis technology as the leading factor is the main direction of future development of coal chemical industry，as coal，oil，gas poly-generation as the principle，which helps to utilize coal in a clean，highly efficient recycling economy way by coal classification and staged and realize sustainable development ofcoal chemical industry.

low rank coal；low temperature pyrolysis；poly-generation

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.01.006

TQ54

A

1008-553X（2016）01-0029-03

2015-10-09

安承東（1975-），男，安徽無為人，大學本科，注冊化工工程師，高級工程師，從事煤化工工藝與工程設計及項目管理工作,18756060258, anchengdong@chinaecec.com。