煤热解技术研究与开发进展

摘 要：煤矿是目前我国工业生产中利用的主要能源，为提升煤炭的利用效率，煤热解技术一直在不断研究更新当中。下面围绕煤热解技术展开讨论，介绍几类典型的工艺技术，分别为气体热载、固体热载和无热载三种技术。从流程、显著特征以及应用场合对各项技术进行详细介绍，希望对新技术的开发起到一定的参考作用。

关键词：煤热解技术;研究;开发

引言：在建国初期，我国工业发展速度较慢，对煤矿的需求量不大，因此对煤矿的处理一直沿用传统的技术。但随着我国综合国力的增强，工业生产需要的煤矿数量剧增，传统的煤矿提纯技术会使煤矿大量浪费，较低的资源利用率，使得煤矿开采速度加快。在此情况下，煤热解技术应运而生，在提升煤化工企业工作效率的同时，减少资源浪费。

一、气体热载体技术探析

（一）COED工艺

该工艺是由美国的一家公司发明的，工艺过程依靠相应的流化床反应器来完成，反应器分为四部分。在第一阶段，加入破碎的原煤，直径需要在2mm以下，在硫化气体的作用下，煤粉被加热到一定温度。达到预定温度后，原煤进入其它阶段进行反应。在二、三阶段，原煤在高温下会发生流化，然后流化的煤气进入反应器的第四阶段进行反应。此时原煤呈现出半焦状态，在水蒸气、氧气的作用下，部分半焦会出现燃烧现象，燃烧后的热煤气承载着很多热量。将第四阶段生成的高温煤气，通过管道向其它几段反应器输送，从而实现煤粉的热解循环。最终取二阶段的热解气体，将其净化处理变成煤气和粗油。

该工艺过程，将热解过程分级进行，将二次反应的产物充分利用起来，保证煤矿的最大利用率。且能够将原矿石破碎成较小的颗粒。该工艺的难点在于对焦粒和焦油的分离，此过程比较复杂，因此不适宜大规模的工农业生产。此种热解工艺，能够承受的最大规模为500t/d。

（二）LFC工艺

此项工艺的主要流程为：原煤经过破碎之后，力度达到3mm-50mm的范围时，就可将其送入热解炉进行相应的反应，反应完成后将产物释放到冷却装置中。产物的温度接近常温时，将其加入精制反应炉，得到的产物为PDF。此反应过程会产生大量扬尘，为改善这一现象，通常在热解炉中添加MK物质，能够有效抑制粉尘，静电捕集装置接收经过除尘的热解炉反应气体，气体冷却后形成液体油。其中部分气体在捕集器中并未转化成液体，其分成两部分，分别作为燃料和热源使用。

该工艺过程针对的是低阶煤的热解反应，其产物是固体和液体的结合。通过对现场数据的采集可知，每吨原煤的热解效率大大提升，但该工艺需要借助大量的先进设备，需要较大的成本投入。且在系统运行中，热量平衡是难点，工厂需要额外补充热量[1]。该工艺12年在我国投产，最大规模可达30万吨/a。

（三）快速热解

该工艺是由两段气流床组成，将热解过程和半焦气化融合到一个反应器当中。此种反应器对煤粉的直径要求比较严格，一般情况下直径需要小于0.074mm，否则不能将其送入反应器。热解装置将煤粉加热，使其发生分解反应，反应后的产物既有固体又有气体。产物在压力作用下，同时朝上方流动，待其全部进入旋风分离装置后，开启装置。将产物分离成煤气、焦油等单独的物质，产物中的半焦又一部分会在压力作用下返回热解装置，剩下的冷却至室温，就变成半焦产品。

该工艺对原煤的溶解速度很快，只设置两段气流床，在不影响产品质量的条件下，减少热解环节，且减少设备占用的空间。但该工程需要额外向设备内部加压，这会增加工艺成本。该工艺流程的最大规模可达100t/d。

（四）ECOPRO工艺

该工艺过程需要的设备同样分为上部分和下部分，下部参与氧化反应，上部加入氢气加快原煤的热反应速率。将煤粉破碎成直径在50微米之下，将其送入下部，然后与上部产生的半焦进行反应。在高温情况下与水蒸气、氧气进行反应，生成气体产物，产物主要包括CO、H2。气化反应会产生大量热量，为热解反应提供充足的热能。热解反应会产生大量含氢气体，将其处理后为热解装置提供部分氢气，作为热解反应的催化剂。

从工艺过程不难看出，装置对反应产物能够进行二次利用，且将装置设计成上下结构，减小占地面积的同时将空间充分利用起来。该工艺的最终产物是液态轻油，对煤矿的转化率高达90%[2]。20t/d是此项工艺的最大化规模。

（五）MRF工艺

该项工艺需要三台回转炉完成相应的热解工作，回转炉是串联连接的，该装置对煤粉的直径要求不高，保持在30mm以下即可。在第一台炉内，煤粉在炉内烟气和炉外烟气的共同作用下，快速发生热解反应，炉内温度最少要达到550摄氏度，反应才能正常进行。热解产生的主要物质是荒煤气，经过分离提纯后，就得到相应的煤气和焦油。若想得到固体物质，需要对半焦进行冷却处理。

在该工艺过程中，热解反应产生的热烟，能够为新进来的原煤提供反应热量，原煤不会出现严重的脱水现象，工业废水中的酚含量大大降低。炉外的热烟会补充炉内的热量，维持反应的正常进行，将直接加熱使得煤气被稀释的缺陷彻底改善，且对回转炉的加热原料形态不限。利用此工艺处理原煤，会产生粉尘阻塞现象，因此需要及时清理炉膛。该工艺在工厂生产中可使用的最大规模为5.5万吨/a。

（六）移动床热解

该工艺的实现，依靠的是热传导速率快，能够在高温环境下工作的内构件。构件形式通常为板式，一端连接热解装置，一端与装置中的含碳层直接接触。对热反应炉加热时，热量能够通过板式构件直接向含碳物质传递，加速热解过程，反应产物会从炉内壁和填充层的缝隙间，到达相应的收集装置。

该工艺过程实现对热量流向的控制，分解产生的气体会流向相应的装置，实现对原煤的高效率利用[3]。该工艺适用于规模较大的煤炭工厂，也是我国目前比较常见的煤解技术之一。

二、固体热载技术相关介绍

（一）Toscoal工艺

该原煤处理工艺如下：煤粉的直径需要保持在6mm之下，将破碎完成的原煤通入提升管中，管中的热烟气会对煤粉预热处理。然后进行旋风分离，接着将分离后的物质通入热解装置中，装置中事先放有热瓷球，煤粉与之混合并发生相应的热解反应，反应温度需要保持在500℃之下。反应产物全部进入回转筛，将半焦从中分离出来，气体产物在冷凝装置的作用下，冷却产生煤气、焦油。瓷球是固体热载体，将其引入加热器中再次进行加热处理，达到一定温度后重新回到热解装置当中，继续下一次反应过程。

该工艺使用的热解装置是转筒式，且将瓷球作为热能的载体。原煤能够迅速进行热解反应，且具有较高的原煤利用率。但该类设备内部结构比较复杂，检修难度大。瓷球在反复的热解反应过程中，会受到严重磨损。粘性较强的煤会粘在瓷球上，因此该工艺不适合对粘质煤进行热解。此工艺的规模最大可达到6.6万吨/a。

（二）LR工艺

该工艺需要保证煤粉直径在5mm之下，煤仓中的煤粉有提升管直接供给，然后在螺旋给料装置的作用下进入导管。此时会有冷煤气气流存在，煤粉顺着气流进入热解装置，与上部通入的热半焦充分混合并发生反应。分解产生的气体经过冷却、分离等步骤后，形成最终产物，同时产生的半焦会被送回到热解装置中，承载热量继续反应过程。

热解过程产生的半焦，成为该工艺的热载体，设备组成比较简单，易于维护。反应舱内的热能供应充足，不需要外加热源，对原煤具有较高的利用率。但此工艺最终得到的焦油中，含尘量很大，分离处理的难度较大。此工艺过程能够承受的最大生产规模为800t/d。

ETCH-175工艺的过程与LR工艺较为相似，不同的是反应温度需要在600℃-650℃范围内。且该工艺的最大规模远大于LR工艺，为4200t/d。对于此工艺的优点，在这里不一一赘述。

（三）DG工艺

利用此工艺流程对原煤进行处理，采用的热载体是褐煤固体。对煤粉直径的要求在6mm之下，煤粉的干燥在提升管中完成。在分离器中将干煤和水分进行分离，然后与上次反应生成的褐煤半焦充分混合，在热解装置中完成相关反应，反应温度与ETCH-175工艺相同，都保持在600℃-650℃范围。将产物中的固体分离出来，作为下次反应的热载体，剩下的气体经过处理变成可直接使用的煤气。

此反应过程中煤气的热量较高，且反应后产生的废水较少，但产物的分离较为困难，在旋风分离过程中，半焦颗粒极易粘在装置内壁上[4]。目前采用此工艺进行原煤处理的最大规模为60万吨/a。

三、无热载体技术探析

该工艺过程没有相应的物质作载体，因此使用的装置是旋转床，在热辐射管的辅助下，完成相应的热解反应。辐射管还有蓄热功能，能够将燃烧烟气回收，处理后二次使用。无热载体的工艺流程如下图1所示：

图1 热分解流程

此工艺的优点较多，主要包括以下几方面：各项指标的要求都很低，例如煤粉直径、结焦性等;辐射管的数量可以根据旋转床的速度不断变化，始终将热解装置内部的反应环境保持在最佳水平内。针对不同的原煤材料，可以对分解周期进行调节，以达到煤粉的最大利用率;没有热载体参与反应过程，分解产物无需进行分离操作，有效缩短工艺时间;原煤转化率最低为86%，且热效率高达90%，极大的减少能源消耗;旋转床每次能够热解的原煤数量巨大，仅单炉规模就能达到100万吨/a[5]。因此该工艺除在煤化工企业使用，还对电力、钢铁等领域有所涉猎，突破煤热解技术的局限性。

四、分析热解技术存在的问题

针对不同的热解技术，研究者对上述技术的优缺点进行综合评价。气体热载的主要缺点包括：反应气体中含有大量粉尘，不利于后期焦油的提纯;外热工艺对热解装置的促进作用不大;高温烟气作为热量载体，会稀释热解气，且后期气体分离难度大。

固体热载主要缺点：对原煤的直径要求严格，前期处理耗时;为保证热传递性能良好，使用机械搅拌的方式，对设备的磨损较大;需要额外补充热量，增加经济成本。

与上述两种工艺相比，无热载体工艺的性能更加优越，且对原料的直径要求较低[6]。热解气体无需经过提纯就能使用，缩短生产周期的同时极大的提高企业的经济效益。

五、发展前景

对于上述技术，我国目前还处于试运营状态，还没有进行大规模生产，其原因如下：得到的焦油，其中含有大量的粉尘，且易粘在分离装置中，难以清洗;工艺过程繁杂，若大规模投产，不能很好的控制其稳定性。针对技术现状，做出如下展望：热解的规模会不断扩大，前提是解决其稳定性问题;将煤热解过程继续深化下去，将焦油、煤气等产物进一步提纯，得到新的产物，实现对煤的高效利用;将热解工艺不断简化，再将热解装置进行优化，在保证热解效率的同时缩短热解时间。

六、结束语

综上所述，是对煤热解技术的详细介绍，通过三类不同的热载体，对各项热解技术的原理、特点及规模进行阐述，并对各项技术的优缺点进行比较。通过比较可以发现，不同的工艺对煤粉的利用率各不相同，适用规模也有所差异。从整体来看，煤热解技术一种朝着对原煤的高效利用、提升工艺速度的方向发展，相信在科技的推动下，更先进的热解技术会被研发出来。

参考文献

[1] 王其成，吴道洪.无热载体蓄热式旋转床褐煤热解提质技术[J].煤炭加工与综合利用，2014，（6）：55-57.

[2] 張顺利，丁力，郭启海，等.煤热解工艺现状分析[J].煤炭加工与综合利用，2014，（8）：46-51.

[3] 谷小虎，周文生，李毛.煤炭热解特性研究及产物分析[J].煤化工，2017，（3）：66-68+84.

[4] 赵红霞.低阶煤脱水及热解提质技术研究现状[J].化学工程与装备，2017，（6）：224-226.

[5] 李爽，陈静升，冯秀燕，等.应用TG-FTIR技术研究黄土庙煤催化热解特性[J].燃料化学学报，2013，（3）：271-276.

[6] 孙任晖，高鹏，刘爱国，等.低阶煤催化热解研究进展及展望[J].洁净煤技术，2016，（1）：54-59，25.

作者简介：闫辉，（1974年9月），男，回族。宁夏银川，本科，讲师，研究方向，化学。