反应器改进对煤热解工艺的影响及其研究现状

安 斌

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

热解是低阶煤最重要的利用方式之一，通过热解可提取低阶煤中丰富的挥发分资源，从而得到高热值煤气和高附加值煤焦油。煤焦油中含有多种有机物(如萘、苯、甲苯等)，其均为重要的化工原料，加工后的煤焦油可得到多种油品[1]，因而对于缓解我国“贫油少气”的能源格局有一定的意义。热解技术自发展以来，国内外已开发出多种具有代表性的热解技术，如在移动床中使用块煤热解的Lurgi-Spuelgas技术[2]、在多级流化床中热解粉煤的COED技术[3]、固体热载体热解DG技术[4]、多段回转窑MRF热解技术[5]等，上述技术研究可对煤热解制取焦油的产业发展发挥重大作用。

大量示范装置的连续运行证明了热解技术的可行性，但目前还未有热解联产油气的商业化运行，现有热解技术工艺普遍存在油气产品收率低、焦油中重质成分(沸点高于360 ℃的组分)含量高等技术难题。热解油中的重质组分难以被加工利用,不仅降低焦油的品质和价值，且高黏度的焦油难于与系统中夹带的粉尘实现有效分离，易造成热解工艺难以稳定运行，阻碍了热解获取油品及化学产品技术的工业化应用[6]。导致热解众多问题产生的根源在于热解技术缺乏对煤热解反应的有效控制，热解反应过程的定向反应性能差[7]。而热解反应器作为热解工艺过程中最重要的组成部分，承载着煤热解反应的动量传递、热量传递、质量传递及化学反应即“三传一反”过程[8]，直接决定了热解工艺的条件(煤种、原煤粒度、受热方式、温度、压力、热解气氛等)，也决定了煤热解反应过程。

因此，揭示不同结构反应器对煤热解过程及结果的影响，有利于定向调控焦油产率、品质的热解技术开发。

以下总结现有热解技术的不同反应器类型及其应用，详细阐述不同类型反应器对煤热解过程的影响，并对最新热解工艺研究现状进行分析，旨在指出热解反应器开发的方向。

1 煤热解反应器分类及应用

自热解技术发展以来，国内外开发了众多的热解示范技术，热解反应器种类也较多。按照煤料在反应器内运动方式的不同，将热解反应器分为移动床、流化床、气流床和回转窑该4种类型。不同类型的热解反应器示意如图1所示。

在移动床反应器内，煤料在反应器内自上而下运动。移动床工艺通常采用内热式气体加热，热源一般使用热解产生的热烟气或二次加热后由反应器底部进入反应器内，与自上而下的煤料进行接触，并加热煤料、发生热解。之后上升的烟气与热解产生的挥发物混合，从反应器顶部排出并进入焦油回收装置，其热解气的热值较低。此外，该反应器只能使用块煤作为原料，因此产生的挥发物从煤颗粒内部逸出时间较长，焦油经历二次反应较为严重[9]，焦油品质较差(即焦油中重质组分含量高)，此类反应器代表工艺包括Lurgi-Ruhrgas(L-S)[2]、LFC[10]以及SJ系列[11]工艺。

粒度较小(一般小于0.2 mm)的煤料会随着流化介质在流化床反应器内流动，流化介质一般为热解产生的热烟气，通常由反应器底部进入反应器内。采用流化床的热解工艺常用热半焦或热烟气作为热载体:采用热半焦作为热载体时，热半焦和干燥后的煤料同时从反应器上部进入反应器内并快速发生混合，煤料迅速被加热后发生热解，焦油产率相对较高[12]，但热解时间较长导致焦油中重质组分含量较高[13]，此外，因与粉焦混合，焦油中粉尘含量较高，代表工艺有ETCH工艺；以气体作为热载体的流化床热解工艺能快速热解煤料并将其挥发分快速析出，故焦油产率高、焦油轻质组分含量高[12,13]。由于煤料在热解气气氛下热解，有助于提高焦油产率及品质[14]，代表工艺有COED工艺[3]。

气流床反应器对煤料粒度要求更细，通常要求粒度小于0.1 mm，因此制作煤粉时需耗费更多的机械能。气流床反应器内同样有热解气和热半焦该2种热载体，热解气从反应器底部进入加热煤料或热半焦与煤料同时进入流化床内发生热解，2种热载体的气流床反应器内煤热解特点相似，即煤粉被快速加热时热解速度快、焦油产率高、焦油品质相对较好，此类反应器的代表工艺有Garrett[15]工艺和日本的ECOPRO(Efficient Co-production with Coal Flash Partial Hydro-pyrolysis Technology)[16]工艺。

回转窑反应器的独特之处在于煤料在回转窑内翻动受热时受热较为均匀且对煤粉粒度要求不高，即可使用碎煤。回转窑受热方式分为外热式和内热式，其中内热式使用热烟气或热瓷球作为热载体。热烟气热解时，煤料升温快、热解速度快、焦油产率较高；瓷球作为热载体时，其煤气热值更高，代表工艺分别有Encoal[17]、Toscoal。外热式回转窑的传热效率相对较差、能耗较高，但煤料受热均匀、热解效果较好，代表工艺有MRF热解技术[5]。

各种类型反应器代表工艺的特点汇总见表1。

表1 不同类型反应器代表工艺对比

Table 1 Comparison of representative processes of different types of reactors

2 新型煤热解反应器研究现状

现有煤热解反应器存在较多不足之处，促使着科研工作者不断改进、开发新的热解反应器，目前已有众多新型煤热解反应器在实验室或中试平台取得良好的效果。按照反应器类型的不同，主要分为带有内构件的热解反应器、反应器内分段热解以及多种类型反应器耦合的热解系统，详述如下。

2.1 带有内构件的热解反应器

为了提高反应器内传热速率以改变热解挥发分产物的逸出途径，中国科学院过程所在外热式移动床基础上开发了外热式内构件移动床低阶碎煤热解技术[18]。该反应器内部均匀分布若干传热性能好、耐高温的金属板内构件，内构件一端连接反应器的加热壁，另一端置于反应器内部并与热解原料直接接触。热量可从高温加热壁快速传导至内构件，从而加热热解原料以提高热解传热速率；此外，热解发生时，内构件壁面与热解原料间构成间隙，该间隙成为热解挥发分产物的逸出通道，可避免挥发分在高温加热壁面发生更多的二次反应，提高了焦油产率及焦油中轻质组分含量[19]。在100 kg级的中试装置中，焦油收率达到葛金焦油产率的90.3%，焦油轻质组分含量约为71%，甲苯不溶物仅为1%[20]。目前，该工艺正在建设单套50万t/a规模的工业化装置。

除此之外，煤炭科学技术研究院有限公司自主研发针对粒径小于13 mm的内旋移动床低阶煤热解工艺，在移动床内设置带传动装置的回转内构件，不仅提高了传热效率，还可通过回转内构件控制煤料在炉中的移动速度以抑制粉尘产生。目前该工艺已实现干煤处理量 50 kg/h装置的连续 72 h 稳定运行，热解温度为 550 ℃～750 ℃，焦油收率达到葛金焦油产率的75%以上，焦油含尘量小于1%[21]。河南龙成热解工艺实际使用间热式回转炉工艺，其回转炉内筒上设有螺旋形凸块以增加煤粉的搅动和传动效率，从而达到提高热量向煤粉的传递效率及生产效率之目的。目前龙成公司的热解装置单系统处理量达50万t/a，热载体采用热煤气，油气分离实现4 mm 以上灰分离，能效转换率达 90.7%[22]。具体的工程应用表明反应器内的内构件存在可提高热解传热效率、调控热解反应过程。

2.2 反应器内分段热解

早在20世纪70年代美国就提出COED热解工艺[3]，其将热解过程分为低温热解段和中温热解段，即采用多级流化床分段控温，大部分焦油产生在低温区，焦油产率高、品质好，但工艺过程复杂，焦油中含粉焦多，导致该工艺一度搁置。随着技术的不断进步，分段热解工艺变得不再复杂，因而更多的研究目光又重新聚集于分段热解的优点。

周琦等[23,24]提出多层流化床低阶煤多段分级热解与气化耦合提质新工艺，发现多层流化床热解能够有效抑制焦油中重质组分的生成，通过延长煤在低温下的热解停留时间，减少高温下的焦油裂解，利用低温半焦对重质焦油的捕集和原位催化作用，并在合成气气氛下发生热解，可抑制焦油中重质组分的生成，从而提高焦油的品质。煤炭科学技术研究院有限公司新开发的立式折流移动床热解技术[25]，其将移动床反应器分为四段，煤料自上而下在四段不同条件反应器内被热解并将每段产生的挥发分及时析出，极大减少了挥发物质的二次反应，得到的焦油产率比同条件移动床的焦油产率高28.43%。为了提高焦油收率以及降低焦油中粉尘含量，国家能源集团(原神华集团)开发了多段回转窑热解技术[26]，将热解回转窑划分为预热段、第一热解段和第二热解段，第一热解段为焦油释出的位置，并在第一热解段和第二热解段中设置油气出口以缩短焦油在系统中的停留时间并减少焦油二次裂化和结焦，极大地提高了焦油收率。多种反应器的分段热解设置均表现出减少焦油二次反应、提高焦油产率的特征，此为热解新工艺开发的方向之一。

2.3 多种类型反应器耦合的热解系统

随着技术的不断发展，科研工作者在单一热解工艺之外积极探索更多以热解为基础的多联产系统及工艺，多种类型反应器的耦合作用取得了良好的效果。

浙江大学开发的热、电、气、焦油多联产工艺[27]采用提升管内煤燃烧并结合流化床热解的方式，将管内燃尽灰作为热载体进入流化床内与煤共热解，从而提高热量的利用效率。在云南国电小龙潭电厂建成与300 MW循环流化床锅炉配套的工业示范装置，使用小龙潭褐煤完成1 025 t/h锅炉、40 t/h热解煤 72 h运行考核，其焦油产量1 t/h、收率2.5%。中国科学院过程所研发的下行床热解结合提升管燃烧的IPE工艺[28]，同样将燃烧而得的热灰作为下行床内热解的热载体，使用小于3 mm的弱黏结煤为原料，在河北藳城天意热电厂建成与75 t/h锅炉配套的中试装置，热解煤120 t/d，在发电的同时还得到焦油和煤气，运行效果良好。陕西煤业化工技术研究院主要从能源与产业优化方向定义了热解气化多联产体系，采用常压气化炉反应器和带式炉热解反应器以实现热解气化的耦合，利用高温气化气为热解单元的热载体，冷煤气作为熄焦介质，系统能源转化效率达92.50%[29]，目前正在编制 CGPS技术的百万吨级工艺包，将其逐级放大后可考察系统的稳定性与装置的可靠性。

由以上可见，以热解为基础的多联产系统及工艺耦合多种类型反应器，集多种用途为一体，既得到了热解产物，也可提高能量的利用效率。

3 结 论

以上对不同热解反应器原理及特征进行分析，总结不同类型热解反应器的应用现状并结合当下新型煤热解反应器的研究利用现状，认为未来煤热解工艺反应器改进或开发应焦聚以下3个方向:

(1)带有内构件的反应器。多种带内构件的热解反应器实验证明了内构件不仅能提高反应器内传热效率，还可起到增强反应器内物料传动、改变挥发分逸出途径等作用，对煤热解调控有积极的作用。增加内构件适用于移动床、回转窑等多种反应器内，因此，在热解反应器内设置适合反应器的内构件，将是反应器发展的简便、有效手段之一。

(2)反应器的分段设置。一般在较低的温度下煤热解能得到品质较好的焦油，较高的热解温度则能够释放煤中更多的挥发分。为了更好地调节煤热解过程，需合理改造热解反应器、将热解分段进行、分段提取煤中挥发物质，以有利于热解焦油产率及品质的提升并实现热解产物的定向调控。

(3)多种类型反应器耦合。从能源高效利用的角度分析，多种类型反应器耦合可形成以热解为基础的多联产工艺，该工艺能够结合多种反应器的作用及优点从而实现能量的最大化利用。基于多联产工艺具备分质产品、物流简化、回热循环、结构紧凑等优点，多种类型反应器耦合是煤炭提质利用以及煤炭热解未来较好的发展方向。