唐宏青

(北京中科合成油工程有限公司，北京　101407)

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煤炭分質(zhì)利用探討

唐宏青

(北京中科合成油工程有限公司，北京101407)

摘要：煤炭的分質(zhì)利用及低品質(zhì)煤的提質(zhì)受到高度關(guān)注；介紹了煤炭分質(zhì)利用的定義、工業(yè)過程及流程，提出了“半”分質(zhì)利用沒有實(shí)際意義，深度分質(zhì)利用在示范廠建設(shè)成功前，不宜大規(guī)模推廣的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：煤炭；荒煤氣；焦油；半焦；分質(zhì)利用

近期，煤的分質(zhì)利用及低品質(zhì)煤的提質(zhì)受到人們的高度關(guān)注。

煤炭是主要能源，其燃燒后碳、氫元素分別轉(zhuǎn)化為CO2和H2O，同時(shí)也可以轉(zhuǎn)化成為化學(xué)品，但能量利用率并不高。因此，幾十年前科學(xué)家們提出的“分質(zhì)”利用，就是要既提高能量轉(zhuǎn)化率，又能利用它生產(chǎn)化學(xué)品的方法。

1分質(zhì)利用的定義

原煤經(jīng)過濕法選煤，盡管將其大量水分經(jīng)機(jī)械脫水，但水分還是很高，通常在12%～14%之間。為進(jìn)一步降低精煤水分，往往采用火力干燥的方法進(jìn)行深度脫水，然后去分質(zhì)利用(見圖1)。

圖1原煤的干燥

煤的分質(zhì)利用應(yīng)該包括3方面的內(nèi)容：中低溫干餾(也稱作熱解)，在500～650 ℃溫度下分解成氣體(荒煤氣)、液體(焦油)、固體(半焦或稱蘭炭)3種形態(tài)的產(chǎn)品，然后再根據(jù)各類熱解產(chǎn)物的性質(zhì)，進(jìn)行綜合利用(見圖2)。

圖2　煤的熱解

根據(jù)干餾溫度的不同，煤的熱解分為低溫?zé)峤?500～650 ℃)、中溫?zé)峤?650～800 ℃)和高溫?zé)峤?900～1 000 ℃)。

與高溫?zé)峤?即焦化)相比，低溫?zé)峤獾慕褂彤a(chǎn)率較高而荒煤氣產(chǎn)率較低。一般半焦為50%～70%，低溫焦油18%～25%，荒煤氣80～100 m3/t(原料煤)。國(guó)內(nèi)目前采取的低溫?zé)峤饧夹g(shù)路線是：將低變質(zhì)煤經(jīng)自然干燥，然后在熱解爐內(nèi)進(jìn)行炭化處理，在600～800 ℃條件下發(fā)生脫水、熱解、裂解等一系列反應(yīng)，最后產(chǎn)生荒煤氣、煤焦油和半焦。

對(duì)于荒煤氣，可按照C1化工中成熟的蒸汽轉(zhuǎn)化法得到CH4、CO和H2。煤低溫?zé)峤獾臍鈶B(tài)產(chǎn)物含有約55% ～60%的H2，23%～27%的CH4，另外還含有約5%～8%的CO、C2以上不飽和烴2%～4%、1.5%～3%的CO2、0.3%～0.8%的O2、3%～7%的N2。當(dāng)然，荒煤氣是常壓的，利用其能耗是很高的。

焦油可先提取酚，然后再加氫制成輕質(zhì)芳烴、石腦油等油品。酚類是化工中一種價(jià)值較高的產(chǎn)品，通常要回收，如果由于回收成本較高或因條件限制導(dǎo)致不能回收，將造成嚴(yán)重的水質(zhì)污染。

半焦作為清潔能源，可用于高爐噴吹和氣化原料。低灰分半焦型焦、活性炭等的原料，也期望可作為制備水煤漿的原料。

綜上所述，分質(zhì)利用基本流程是一個(gè)梯級(jí)利用過程。

實(shí)際上，這個(gè)想法在上世紀(jì)三四十年代已經(jīng)有了，只不過整體方案不如現(xiàn)在完善，沒有能夠?qū)崿F(xiàn)。但是，分質(zhì)利用的工藝路線符合能流和物流的合理利用，有利于實(shí)現(xiàn)能耗和排放的最小化。因此，國(guó)內(nèi)外理論界均認(rèn)為是煤炭轉(zhuǎn)化方式中可以使能耗、物耗最低的方法。

但是，這個(gè)理論大家都已經(jīng)懂得，為什么沒有實(shí)現(xiàn)呢？問題在于整個(gè)工藝路線中，還有技術(shù)上的難題沒有解決，但更主要的原因在于，沒有一個(gè)完整的示范廠和商業(yè)化裝置。

2分質(zhì)利用的工業(yè)過程

2.1煤的干餾或熱解

在熱解過程中，煤炭會(huì)經(jīng)歷軟化、熔融、流動(dòng)和膨脹再次固化這一系列特殊的形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，此時(shí)生成物為氣、液、固三相共存的狀態(tài)。

(1)按照加熱終溫、速度、方式、熱載體類型、氣氛、壓力等工藝條件，煤的干餾或熱解分可分為以下幾類：①最終溫度：低溫500～600 ℃，中溫700～900 ℃，高溫900～1 100 ℃，超高溫>1 200 ℃;②加熱速度：慢速<5 ℃/min，中速5～100 ℃/min，快速500～1 000 ℃/min，閃裂解>1 000 ℃/min;③加熱方式：外熱式、內(nèi)熱式、內(nèi)外并熱式;④熱載體類型：固體熱載體、氣體熱載體、氣-固熱載體 ;⑤氣氛類型：氫氣、惰性氣氛(氮?dú)?、水蒸氣、催化加氫;⑥壓力：常壓、加壓、高壓、隔絕空氣。

(3)環(huán)境污染問題是煤低溫干餾行業(yè)面臨的突出問題之一。原因有：①焦化行業(yè)的排污環(huán)節(jié)比較多，強(qiáng)度比較高，種類繁雜;②生產(chǎn)過程能耗大，荒煤氣是常壓的，利用時(shí)需要加壓，能耗高;③低溫干餾生產(chǎn)過程中排放的廢水、廢氣和廢渣中，含有大量有害污染物，不符合我國(guó)目前執(zhí)行的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，其后果是嚴(yán)重污染環(huán)境，同時(shí)還嚴(yán)重威脅生產(chǎn)地區(qū)的人群健康;④煤低溫?zé)峤夤に嚨慕?jīng)濟(jì)效益不佳。其產(chǎn)品——焦油的價(jià)格比較高，是項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益的主要來源。但目前的問題是：缺少完整的產(chǎn)業(yè)鏈，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的綜合利用;⑤半焦難以冷卻、儲(chǔ)存和運(yùn)輸，且含有大量焦渣，利用價(jià)值降低;⑥焦油與粉塵難以有效分離，易堵塞管路。

(4)陜煤集團(tuán)神木天元低階粉煤回轉(zhuǎn)熱解制取無煙煤技術(shù)(見圖3)是對(duì)熱解技術(shù)的進(jìn)一步完善，力求克服上述缺點(diǎn)。但其熱半焦噴水后變成無煙煤的做法，似乎沒有解決半焦的應(yīng)用問題。

圖3　粉煤回轉(zhuǎn)熱解制取無煙煤技術(shù)

2.2中低溫煤焦油輕質(zhì)化[5]

煤焦油是一種寶貴的資源，其組成復(fù)雜，已被鑒定的組分有500種左右。通過加氫將煤焦油中的金屬雜質(zhì)、灰分和S、N、O等雜原子脫除，并將其中的烯烴和芳烴類化合物進(jìn)行飽和成烷烴，從而得到質(zhì)量?jī)?yōu)良的石腦油餾分和柴油餾分。

近20年來，我國(guó)中低溫煤焦油加氫技術(shù)取得了明顯的進(jìn)展，先后開發(fā)出了多種加氫技術(shù)，根據(jù)各種技術(shù)的特點(diǎn)，可以歸納為如下4類。

2.2.1煤焦油加氫精制技術(shù)

煤焦油加氫精制技術(shù)的特點(diǎn)是采用固定床加氫方法。其優(yōu)點(diǎn)是：工藝流程比較簡(jiǎn)單，投資和操作成本較低；缺點(diǎn)是：石腦油和柴油的收率較低(取決于原料煤焦油中輕油的含量)，導(dǎo)致煤焦油資源的利用率低。

2.2.2煤焦油加氫裂化技術(shù)

煤焦油固定床加氫裂化工藝是用固定床加氫裂化方法，把煤焦油中的重質(zhì)油(>350 ℃)轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)油，從而提高輕油產(chǎn)品收率。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：把大部分煤焦油中的重油都轉(zhuǎn)化成了輕油餾分，提高了輕油產(chǎn)品的收率和煤焦油資源的利用率，即提高了柴油產(chǎn)品的十六烷值至40以上；該工藝的缺點(diǎn)是：工藝流程比較復(fù)雜，對(duì)原料油有一定的限制，要求原料油的干點(diǎn)<600 ℃。

2.2.3煤焦油懸浮床/漿態(tài)床加氫裂化技術(shù)

煤焦油懸浮床/漿態(tài)床加氫裂化技術(shù)是采用蒸餾的方法，將煤焦油分離為酚油、 柴油和重油(>370 ℃)3個(gè)餾分。酚油餾分采用傳統(tǒng)煤焦油脫酚方法進(jìn)行脫酚，得到脫酚油和粗酚；>370 ℃重油作為懸浮床加氫裂化的原料，反應(yīng)的產(chǎn)物為輕質(zhì)油和含催化劑的尾油。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：加氫之前先脫除酚類，既能得到一部分酚產(chǎn)品，又能降低后續(xù)加氫過程的氫耗；將煤焦油中的重油全部加氫裂化成了輕油產(chǎn)品；所得柴油產(chǎn)品質(zhì)量好，十六烷指數(shù)在40以上。

因此，該技術(shù)在資源利用、輕油產(chǎn)品收率和性質(zhì)方面，都有突出的優(yōu)勢(shì)。

2.2.4延遲焦化-加氫裂化聯(lián)合工藝技術(shù)

該技術(shù)是將煤焦油的全部餾分進(jìn)行延遲焦化，生成氣體、輕餾分油、重餾分油和焦炭4個(gè)部分，然后將輕餾分油進(jìn)行加氫精制，將重餾分油作為加氫裂化的原料，最后得到石腦油和柴油產(chǎn)品。該工藝投資較大，但液體產(chǎn)率較高。整個(gè)延遲焦化裝置的油收率約為80%，焦炭產(chǎn)率約為16%。

該工藝的優(yōu)點(diǎn)是：把一部分重質(zhì)煤焦油轉(zhuǎn)化成了輕質(zhì)油產(chǎn)品；該工藝的缺點(diǎn)是：工藝流程比較復(fù)雜，將一部分煤焦油轉(zhuǎn)化成了焦炭，焦油資源利用不夠充分。

近年來，國(guó)內(nèi)開展了延遲焦化-加氫裂化聯(lián)合工藝技術(shù)的工業(yè)化，例如在陜西神木建立了50萬t/a煤的焦油輕質(zhì)化裝置。

2.3半焦的利用2.3.1半焦的性質(zhì)

半焦也稱為蘭炭，是煤中低溫?zé)峤獾玫降墓腆w產(chǎn)品。

在煤的中低溫?zé)峤膺^程中，副產(chǎn)品半焦要占到整個(gè)反應(yīng)產(chǎn)物的約60%～90% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。如何合理利用半焦將決定整個(gè)煤中低溫?zé)峤膺^程的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的可能性。煤中低溫?zé)峤馑冒虢沟男再|(zhì)主要取決于煤種、灰含量和形成半焦的反應(yīng)條件等。

半焦在氣化反應(yīng)過程中受其活性的影響，其主要的影響因素有：原煤性質(zhì)、熱解溫度、熱解氣體停留時(shí)間、熱解壓力、熱解氣氛等。

總之，半焦的固定碳含量高，制成含碳量高的水煤漿用于煤氣生產(chǎn)，可提高利用率，降低氧耗、煤耗。半焦氣化對(duì)提高中低溫?zé)峤夤に嚫?jìng)爭(zhēng)力、真正實(shí)現(xiàn)煤的清潔、高效、環(huán)保利用有著重大的意義。

2.3.2半焦的處理

目前科學(xué)家試驗(yàn)的注意力集中在中低溫?zé)峤馍?，而半焦處理沒有成熟的技術(shù)可以應(yīng)用。

有的主張賣掉半焦。一個(gè)處理1 000萬t煤的工廠，產(chǎn)出500萬t半焦，等半焦從熱解處理后冷下來，費(fèi)時(shí)費(fèi)力、占地排污；如果賣不掉，半焦堆成山，導(dǎo)致資金積壓。

有的主張自建電站。用半焦發(fā)電，實(shí)際上是一個(gè)電站搞了一個(gè)很大的場(chǎng)地來處理買來的煤，費(fèi)很大的勁從煤中提了一點(diǎn)油，真不如IGCC技術(shù)成熟和環(huán)保。

有人認(rèn)為半焦氣化沒有問題，然而這只是推測(cè)性的紙上談兵，沒有工業(yè)化裝置來證明這一點(diǎn)。

因此，如果半焦氣化過不了關(guān)，整個(gè)分質(zhì)利用工廠就不能正常生產(chǎn)。

2.3.3在氣流床中半焦氣化

有的主張半焦氣化。認(rèn)為水煤漿或干煤粉氣化技術(shù)成熟，因此把半焦氣化后，做甲醇或再加工產(chǎn)品或油品，要比煤直接做化工產(chǎn)品效率高，成本低。但你怎么知道半焦在氣化的時(shí)候與煤的性能是一樣的，可以像水煤漿一樣氣化，可以像干煤粉一樣輸送且對(duì)管道、管件、噴嘴沒有磨損？長(zhǎng)期用水焦?jié){氣化或干焦粉氣化的裝置運(yùn)行的工廠能做到安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷生產(chǎn)嗎？

實(shí)際上，在氣流床中半焦氣化(制漿或干粉)是有難度的，對(duì)半焦能否在氣流床中使用仍有疑問，缺乏工業(yè)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn),其原因在于：①半焦硬度大，對(duì)爐內(nèi)壁的磨損較大；②一般水煤漿氣化的溫度在1 350 ℃上下；半焦的灰熔點(diǎn)有點(diǎn)低，氣化的反應(yīng)溫度過低，又不利于CO的生成；③半焦中揮發(fā)分低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)活性下降，碳轉(zhuǎn)化率也隨之較低；④半焦可磨性差，成漿相對(duì)困難，難以破碎，對(duì)磨機(jī)的要求高；⑤半焦的黏度比較大，制成的水煤漿流動(dòng)性不好，導(dǎo)致管道的臟堵很嚴(yán)重；⑥半焦易于吸水，內(nèi)水含量高，制漿濃度上不去；⑦半焦冷卻會(huì)帶來空氣污染。

2.3.4在固定床中半焦氣化

有的已經(jīng)開始在純氧常壓固定床氣化中試用，在UGI爐摻燒20%的半焦是有成功先例的[6]。

有人認(rèn)為，改造UGI爐使其用純氧在常壓下連續(xù)氣化，可以得到合成氣，再加壓進(jìn)行合成氣化工的凈化和各種加工工藝。這個(gè)辦法的壓縮能耗很高，將來產(chǎn)品的成本不會(huì)低。而且只能用塊焦，如果將粉焦再壓塊，成本又很高，容易在高溫下粉碎。

有人認(rèn)為將塊狀半焦投入魯奇爐中，純氧加壓的工藝很成熟。這點(diǎn)沒有疑義，問題是不如將塊狀煤直接投入魯奇爐中，同樣能回收焦油，何必來個(gè)分質(zhì)利用，多此一舉。

3分質(zhì)利用的流程

從脫水的煤開始，進(jìn)行分質(zhì)利用的流程是怎樣的呢?目前國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)于分質(zhì)利用有兩種意見：一種是主張搞“半”分質(zhì)利用，即低品質(zhì)煤轉(zhuǎn)化為油品和半焦用作燃料；另一種是主張搞“深度”分質(zhì)利用，即低品質(zhì)煤全部轉(zhuǎn)化為油品。

3.1“半”分質(zhì)利用

“半”分質(zhì)利用廠實(shí)際上是一個(gè)焦化廠加焦油制油廠，產(chǎn)品為半焦和油品，還會(huì)有少量的液化氣和合成氣，半焦用作燃料，煤的“半”分質(zhì)利用流程見圖4。

圖4　煤的“半”分質(zhì)利用流程

煤經(jīng)過熱解得到荒煤氣、焦油和半焦。如前所述得到CH4、CO和H2，焦油然后制成輕質(zhì)芳烴、酚、半焦、石腦油等油品。

(1)半分質(zhì)利用是靠投入煤量的40%～50%生產(chǎn)半焦來維持的，把處理半焦的任務(wù)，交給社會(huì)去解決。

(2)焦油加氫后的柴油質(zhì)量欠佳，16烷值不夠高，接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的下限。

(3)有大量含酚污水需要處理。

(4)干餾后出來的煤氣中很難完全脫除焦油，容易黏結(jié)設(shè)備和管道。

(5)煤的干餾是常壓設(shè)施，設(shè)備巨大，千萬噸級(jí)的工廠占地驚人。

(6)轉(zhuǎn)化半焦是需要能量的，研究人員宣稱的半分質(zhì)利用的能量轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)為75%是毫無意義的。因此，在計(jì)算能量轉(zhuǎn)化率時(shí)，半焦的能量不能按熱值計(jì)算，必須將半焦全部轉(zhuǎn)化為下一層產(chǎn)品，也就是說它的熱值要打一個(gè)很大的折扣(約只有40%的能量可以利用)。因此，“半”分質(zhì)利用的能量轉(zhuǎn)化率能達(dá)到45%已經(jīng)是不錯(cuò)的了。

3.2深度分質(zhì)利用

“深度”分質(zhì)利用是真正的煤制油工廠。沒有半焦產(chǎn)品，主產(chǎn)品為柴油和石腦油，還會(huì)有少量的液化氣，煤的深度分質(zhì)利用流程見圖5。

圖5　煤的深度分質(zhì)利用流程

實(shí)際上它是一個(gè)低階煤制油的優(yōu)化流程，當(dāng)煤中揮發(fā)分比較高時(shí)，這個(gè)流程具有優(yōu)越性，能充分發(fā)揮煤中氣液固三相的全部?jī)?yōu)勢(shì)。但是實(shí)現(xiàn)這個(gè)流程的關(guān)鍵仍然是半焦能否大規(guī)模氣化。如果這一點(diǎn)做不到，這個(gè)流程仍然是空談。

4分質(zhì)利用的工程建設(shè)

煤炭分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用多聯(lián)產(chǎn)具有代表性的路線主要有：①陜煤化集團(tuán)的分質(zhì)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)路線，主要是圍繞著陜北低階煤中的長(zhǎng)焰煤展開；②大連理工大學(xué)分質(zhì)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)路線，主要圍繞著褐煤的分質(zhì)利用展開；③浙江大學(xué)分質(zhì)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)路線，主要是一條圍繞著熱電化多聯(lián)產(chǎn)展開的路線。

目前，各地對(duì)分質(zhì)利用的建設(shè)熱情比較高，國(guó)家對(duì)分質(zhì)利用持支持態(tài)度，一些企業(yè)也正在開展這樣的項(xiàng)目前期工作，如陜煤化集團(tuán)、廣匯能源、酒鋼等集團(tuán)。通常是將半焦用作發(fā)電的燃料，只能說是“半”分質(zhì)利用。

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有一個(gè)集團(tuán)(京能)在把這件事做到底，建了一個(gè)完整的分質(zhì)利用煤制油廠，半焦氣化用的是水焦?jié){，把半焦制成合成氣，把荒煤氣也制成合成氣，合成氣全部制成油品，這算是一個(gè)深度分質(zhì)利用的示范廠。看來，這件事做得很完整，效果有多好或多壞，現(xiàn)在不宜下結(jié)論，等開車后再來總結(jié)不遲。

5結(jié)語

(1)“半”分質(zhì)利用沒有實(shí)際意義，費(fèi)了很大力氣，無非是從低階煤中得到一些煤焦油而已；焦炭的冷卻、荒煤氣的轉(zhuǎn)化、煤焦油的加氫等加工仍然很費(fèi)力；工廠進(jìn)煤出焦，運(yùn)輸很費(fèi)力，把半焦的處理交給社會(huì)作為燃料；半焦的價(jià)格比煤價(jià)高，不容易推銷；而宣稱75%的能量轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)是計(jì)算錯(cuò)誤，根本不可能。

(2)“深度”分質(zhì)利用是近百年來煤化工的美好理想，我們應(yīng)該嚴(yán)格努力去實(shí)現(xiàn)。首先應(yīng)該有一個(gè)示范廠，這里的難點(diǎn)還不少。若要實(shí)現(xiàn)“深度”分質(zhì)利用，先解決半焦的利用。水煤漿氣化是很成熟的技術(shù)，不能就推理水焦?jié){氣化也是很成熟技術(shù)的結(jié)論。要證明水焦?jié){氣化是可行的，不僅需要實(shí)驗(yàn)室制漿數(shù)據(jù)，更需要一套能夠達(dá)到“安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷”運(yùn)行的半焦氣化生產(chǎn)裝置來證明，這個(gè)問題的成敗決定了深度分質(zhì)利用的命運(yùn)。

(3)常壓下半焦的固定床氣化只能用于碎煤，合成氣利用需要加壓的能耗很高，應(yīng)用范圍受到限制，難以在大化工上使用。

(4)我們歡迎有這樣的企業(yè)來獻(xiàn)身“深度”分質(zhì)利用事業(yè),建成一個(gè)示范廠。在沒有成功之前，筆者提醒大家，不宜大規(guī)模推廣。

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Discussion on Coal Quality-based Utilization

TANG Hong-qing

(SynfuelsChinaInc.,Beijing101407China)

Abstract：Coal quality-based utilization and low rank coal conversion have attracted higher attentions.This paper introduces the definition of coal quality-based utilization and industrial process and presents a viewpoint that ‘half’ coal quality-based utilization has no practical significance and it is inadvisable to promote coal in-depth quality-based utilization in a large scale before success of a demonstration plant.

Keywords：coal; raw gas; tar; semi-coke; quality-based utilization

收稿日期：2015-08-12

中圖分類號(hào)：TQ 536

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8901(2016)02-0001-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.001 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.001

作者簡(jiǎn)介：唐宏青(1941年-)，男，上海人，1965年畢業(yè)于北京大學(xué)，教授級(jí)高級(jí)工程師，1989年獲中國(guó)石化首批“突出貢獻(xiàn)科技管理專家”稱號(hào)，2008年受聘于中科合成油技術(shù)公司，長(zhǎng)期從事化學(xué)工程與煤化工的開發(fā)和設(shè)計(jì)工作。