煤热解技术研究进展

汪亚斌，胡金余，李增勃，李文选

（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西西安710065）

2016年，国内能源生产总量为34.3×108t标准煤，其中煤炭、原油、天然气分别占比为69.5%、8.3%、5.3%。能源消费结构中，煤炭、原油、天然气占比分别为：61.9%、18.6%、6.3%。根据能源结构特征，对于发展煤制油、煤制气及其它化工燃料来替代石油产品的技术尤为重要。基于低阶煤水分大、发热量低、挥发性高等特点，一直以来对低阶煤的利用率低，以及对环境的影响等多重因素，对低阶煤的分级分质利用研究，意在开发出清洁能源产品，缓解对石油、天然气的对外依存度。

1 国内外煤热解技术

煤热解技术，就是将煤在隔绝空气后，经过加热分解生成焦炭、煤焦油、煤气等产物的过程。煤的热解机理为［1］：

（1）产生的自由基结构→2自由基；

（2）自由基＋结构敏感物→中间产物；

（3）中间产物→产物＋自由基；

（4）2自由基→稳定产物。

根据煤热解机理，提高煤热解过程中焦油的收率，与煤的种类、煤的预处理、反应器的类型、升温速率、工艺条件有关。

国内外研究开发出各具特色的煤热解技术，根据加热方式、床型结构、载体形式不同，煤热解技术各具特色。目前有的处于试验室研究阶段，有的进入中试阶段，也有的达到工业示范阶段［2］。

国外的研究开发主要集中在二十世纪60～70年代，代表工艺主要包括：德国鲁奇—鲁尔煤气工艺、美国Toscoal 工艺、美国COED 工艺、澳大利亚CSIRO 工艺、日本快速热解工艺等，后来由于石油危机的解除及工艺操作稳定性等问题，各类技术没有实现深度开发和规模工业化应用［3］。

近年来，随着国内现代煤化工的发展，煤热解技术也进入快速发展时期，各类新技术不断涌现，典型的有：浙江大学循环流化床多联产技术、柯林斯达带式炉工艺、国电富通国富炉工艺、北京神雾集团蓄热式旋转床技术、河南龙成集团低温干馏技术等，国内典型热解技术概况见表1［4］。

1.1 日本煤炭快速热解技术

日本煤炭快速热解技术采用的反应器为2 段气流床形式，上段用于煤粉干馏，温度600～950 ℃；下段用于半焦气化，温度1 500～1 650 ℃。下部半焦气化段不仅为上部煤粉热解段提供热量，而且分离和排出半焦中的灰。其工艺是：原料煤经干燥后并磨细到指定的颗粒大小后，用氮气或热解产生的气体密相输送到反应器的上段即粉煤热解段；下段为半焦气化段，半焦气化段产生的高温气体上升到粉煤热阶段，在600～950 ℃和0.3 MPa 下快速热解，产生的气固液产物沿着热解段向上流动，经过旋风分离器，分离出来的半焦一部分返回到气化段与氧气水蒸气的混合气在1 500～1 650 ℃和0.3 MPa 下发生气化反应，一部分半焦经换热器回收余热后作为固体半焦产品。从旋风分离器出来的高温气体中含有气态和液态产物，经冷却、脱苯、脱硫、脱氨及净化处理后，分离出气态产品。高温煤气中回收的余热用来产生蒸汽。煤气冷却过程中产生的焦油和净化过程中产生的苯类为主要液态产品［5］。1段气流床反应器的结构见图1。

图1 日本煤炭快速热解反应器结构

表1 国内典型热解技术概况

1.2 LCC工艺技术

LCC 技术由中国五环工程有限公司和大唐华银电力股份有限公司联合开发，最大限度实现了对低阶煤资源的分级利用，对煤炭资源中的污染物进行有效去除或提取并利用，最大幅度提高煤炭利用率。延长产业链条，提高产品附加值［6］。

LCC 工艺特点［7］：（1）适应煤种能力强；（2）该项技术有丰富的经验，工艺成熟；（3）工艺流程简介，对设备的要求不高；（4）操作稳定；（5）LCC 工艺产品PMC为清洁能源。LCC工艺流程见图2。

图2 LCC工艺流程

1.3 褐煤固体热载体干馏新技术

大连理工大学研究所的固体热载体快速热解提油技术（DG 技术），以焦炭为热载体，其热值高于褐煤，产生的低温煤焦油可转化为发动机燃料及化工产品，产生的半焦用于发电或者气化合成化工产品等，能够实现煤的经济、高效、洁净利用。

DG 技术的主要工艺流程由备煤阶段、煤的干馏、流化提升加热焦炭、煤焦混合、流化燃烧、煤气冷却、输送及净化及组成［8］。褐煤固体热载体干馏新技术流程见图3。

图3 DG技术流程

2 延长石油煤热解和气化一体化（CCSI）技术

2.1 CCSI流程简介

CCSI是延长石油碳氢高效利用技术研究中心自主开发的新型煤热解技术，规模为36 t/d 投煤量的CCSI 中试装置于2017 年4 月23 日通过中国石油和化工联合会组织的技术鉴定，结论表明该技术整体上处于国际领先水平。CCSI技术主要解决了国内外主流煤炭分质利用技术及其工程化过程中所面临的煤焦油收率低、气态煤焦油与粉尘难分离、半焦转化利用难、产品同质化严重等问题。

CCSI技术的核心模块是热解—气化一体化反应器，该反应器由气化段、热解段（中心管和环隙）、内置气—固分离、外置气固分离、循环密封罐等组成，构成了下部气化、上部热解、不同属性固体颗粒内循环与外循环相耦合的工艺模式。在反应器内，上部热解段的最佳反应温度约为500～600 ℃，下部气化段的温度约为950～1 100 ℃，反应器操作压力1.0 MPa。CCSI 技术的工艺流程大致为：粉煤经过干燥，经磨煤机磨至粒径小于0.3 mm后，经CO2气力输送至热解段，热解半焦通过内置、外置颗粒循环返料系统返回气化段，并与由空气/氧气与蒸汽所组成气化剂混合物发生气化反应。气化段所产生的高温气—固混合热载体上行进入热解段，作为热源为上端热解段粉煤的热解提供热量，热解段的新鲜煤粉在温度约500～600 ℃，压力0.3～1.0 MPa及床层流态化的条件下迅速发生干燥脱气、软化、熔融、膨胀等1 系列复杂的物理、化学变化，产生由半焦颗粒、煤焦油蒸汽、高温CO+H2所组成粗合成气，粗合成气依次进入位于热解段上部的内置旋风分离器、1 级旋风分离器进行高温气-固分离，所分离出的热解不含碳惰性颗粒、热解半焦颗粒分别通过不同的循环返料系统返回底部的气化段，为气化反应提供碳源。

气化段热解半焦的气化反应为反应器上部新鲜煤粉热解反应提供热量，温度约950～1 100 ℃，压力0.3～1.0 MPa。经过高温气—固分离后含少量细颗粒的初级净化合成气再次经过后系统洗涤塔、间冷器等设备完成煤气和煤焦油组分的分离。

2.2 CCSI技术的优势与特点

2.2.1 工艺理念先进该技术无需外取热即可实现内部热量自平衡，真正意义上实现了煤热解与煤气化技术的一体化，在1个反应器内将煤炭转化为气（合成气）、液（煤焦油）、固（灰渣）3类物质，无半焦末产生，能源转化效率高，产物附加值高。

2.2.2 原料廉价易得原料为高挥发份低阶烟煤或褐煤，国内燃煤电厂用煤的60%都适合于该技术。且粉煤在煤炭机采生产中占比约70%，价格低廉，具有原料成本优势。

2.2.3 产物收率高，效益好该工艺低温煤焦油收率高达15%以上，合成气可直接进行燃烧发电，煤炭资源附加值大幅提升，经济效益明显提高。以转化煤炭1×108t/a 来计算，能够生产优质煤焦油1 500×104t，所产合成气直接进锅炉燃烧发电，可发电约1 700×108kWh以上。

2.2.4 易于大型化、能耗低CCSI 核心反应器借鉴了循环流化床反应器结构特性，反应器放大效应不明显，易于实现大型化，系统内热解段与气化段构成1 个内部循环封闭体系，高达50～200 倍的物料循环倍率从根本上保障了反应系统内物料、热量的自平衡。实现了“3高2低”，即总碳转化率高、能源利用效率高、产物收率高，系统能耗低、物料损失率低。

2.2.5 可实现与发电技术的高效集成空气+蒸汽做气化剂，吨煤产粗煤气约3 500 Nm3（低位热值5 034 kJ/Nm3），经过详细的技术核算，单套CCSI装置（投煤量3 600 t/d）所产的合成气可匹配1 套300 MW 级锅炉或350 MW 级燃气轮机联合循环发电机组。同时实现煤炭资源利用率、转化效率和附加值的最大化，改变了煤炭资源使用的传统模式，实现了煤炭燃料化到燃料+原料化的重大跨越。

3 煤热解技术发展趋势

3.1 传统工艺现状

传统的固体热载体煤热解工艺［9］如美国的Garrett研究与研发公司开发的Garrett工艺、美国油页岩公司开发的用陶瓷球作为热载体的TOSCOAL工艺、鲁奇和鲁尔公司研发的LR 工艺、大连理工大学开发的DG 工艺等都尚未进行产业化推广，主要不足在于系统热效率低、产物利用价值低、稳定运行差、能耗大等。

3.2 现代技术发展

相比于传统工艺，与循环流化床燃烧相结合的固体热载体煤热解工艺虽然在一定程度上可以提高煤炭资源的利用效率，实现热、电、油、气多联产，且具有煤种适应性宽、清洁高效、热效率高等优点。然而，目前所开发的基于固体热载体的煤热解工艺要实现多联产也存在一定的问题，诸如大连理工大学DG 工艺分就具有分离装置多、煤炭与焦炭混合时间长、排渣温度高的不足；济南锅炉厂热电煤气多联产工艺(BJY工艺)存在半焦循环利用率低、高温热灰的输送稳定性不强的缺点；浙江大学循环流化床热解联产工艺(ZDL 工艺)则暴露出容易结焦、气化炉温度不易控制等不足之处［10］。

从现代煤热解技术发展的趋势进行考量，基于粉煤热解的新型煤基多联产工艺将是今后煤化工产业实现多元产业耦合发展模式的主流方向。

4 结束语

基于国内资源现状及特点，以煤为主的能源结构在相当长的时间内不会变，传统的煤热解工艺普遍存在对煤种适应性窄、能效水平低下、焦油收率低、半焦利用困难、环境污染严重等问题。CCSI 技术多独创的快速、临氢、加压粉煤热解，从根本上解决了热解半焦的利用问题，且通过底部热解半焦的气化反应与顶部粉煤热解反应的耦合，实现了反应体系内部热量自平衡及物料互供。

基于CCSI 技术所构建的新型煤、油、化、电多联产耦合发展新模式通过对传统煤热解工艺进行颠覆性的技术创新，可大幅度的提高煤炭资源能源利用效率，大幅削减现阶段因煤炭利用方式所带来的一系列问题。符合现代煤化工产业模式的布局需要同时兼顾煤炭资源转化过程中的经济性及环保性的要求，最大限度实现产业结构节能、技术进步节能、管理机制节能。