劉玉鳳，楊利芳，郭小梅

(中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，陜西 西安 710054)

眾所周知，我國煤炭資源較為豐富，石油資源相對匱乏。在今后較長一段時(shí)間內(nèi)，煤炭在我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重仍將占主體地位。在我國已探明的煤炭資源中，低階煤(褐煤、長焰煤、不粘煤和弱粘煤等)資源豐富[1]。而低階煤因煤化程度低、揮發(fā)分高、水含量高，主要用于燃燒發(fā)電或煤氣化等領(lǐng)域，利用效率較低。通過煤熱解技術(shù)，發(fā)展煤制烯烴和芳烴等產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)對低階煤炭資源的高效清潔轉(zhuǎn)化，意義重大。

1 煤熱解技術(shù)基本情況

煤熱解指在隔絕空氣或在無氧條件下加熱煤，在一定溫度下發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，最終得到固體(半焦或焦炭)、液體(煤焦油)和氣體(煤氣)等產(chǎn)品的復(fù)雜過程[2]。煤熱解是一個(gè)相對簡單的熱加工過程，加工過程并沒有改變煤的基本性質(zhì)，經(jīng)過低溫干餾后，將煤分子中的含氧基團(tuán)逐步分解。通過煤熱解技術(shù)，可以從煤炭中獲得低溫焦油，低溫焦油在性質(zhì)上接近重質(zhì)原油，是對石油的一種有益補(bǔ)充，也可以看作另一種石油資源。

煤熱解技術(shù)始于20世紀(jì)初，最初主要是為了制取石蠟油和固體無煙燃料；20世紀(jì)50年代因石油、天然氣的開發(fā)有所停頓；20世紀(jì)70年代開始，新工藝逐漸被開發(fā)，被用來制取液體產(chǎn)品和芳烴化合物。

20世紀(jì)60年代之前，中國為了獲取石油替代品，也曾開發(fā)煤熱解工藝用來干餾油頁巖和長焰煤。近年來，為制取發(fā)熱值較高的固體半焦產(chǎn)品，國內(nèi)研發(fā)了多種煤熱解工藝，有的已經(jīng)達(dá)到工業(yè)應(yīng)用或工業(yè)示范水平。

2 主要煤熱解技術(shù)工藝分析

國內(nèi)外典型的煤熱解工藝包括：魯奇三段內(nèi)熱式爐、美國的Toscoa1工藝、德國的LR工藝、澳大利亞的流化床快速熱解工藝、DG熱解技術(shù)、LCC熱解技術(shù)、帶式爐熱解技術(shù)、國富爐煤熱解技術(shù)、無熱載體蓄熱式移動(dòng)床熱解技術(shù)、氣固熱載體雙循環(huán)快速熱解技術(shù)等工藝，以下將對上述煤熱解技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 魯奇三段內(nèi)熱式爐熱解工藝

魯奇三段爐始建于1925年，二次世界大戰(zhàn)期間德國利用該工藝使用褐煤生產(chǎn)液態(tài)烴，使用煙煤生產(chǎn)焦油和焦炭[3]。1950年之后，因能源結(jié)構(gòu)變化，該工藝使用較少。該工藝爐子分為干燥、干餾、焦炭冷卻等三段。

該工藝特點(diǎn)是：原煤粒度為20～80 mm；熱氣對塊煤加熱，加熱速度快而且均勻，生產(chǎn)效率高；熱解爐傳熱效果好，熱效率高；熱解爐技術(shù)成熟，操作簡便，投資相對較低；但產(chǎn)品品質(zhì)受限。

2.2 Toscoal工藝

Toscoal工藝是基于油頁巖開發(fā)的低溫干餾方法[4]。該工藝始于70年代，用瓷球作為熱載體，屬于內(nèi)熱式固體熱載體干餾工藝。該工藝主要是對煙煤等進(jìn)行提質(zhì)，增加熱值，制取半焦產(chǎn)物和煤氣產(chǎn)品。

該工藝特點(diǎn)：硫排放量降低；半焦產(chǎn)品實(shí)用性廣；粗焦油產(chǎn)品經(jīng)加氫可獲得輕質(zhì)合成原油。但存在設(shè)備復(fù)雜、投資較大、維修量大等缺點(diǎn)。

2.3 LR工藝

LR工藝始于60年代中期，是Lurgi和Ruhrgas公司聯(lián)合開發(fā)內(nèi)熱式固體熱解工藝[5]，主要用于褐煤、油頁巖(及油砂)生產(chǎn)高熱值煤氣，以及裂解生產(chǎn)烯烴。所產(chǎn)半焦用作煉焦?fàn)t的混摻原料，該工藝既可以處理非粘結(jié)性煤也可以處理粘結(jié)性煤。

該工藝生產(chǎn)效率高，能耗低，設(shè)備簡單。但存在排料系統(tǒng)易堵塞、產(chǎn)品含塵量大等缺點(diǎn)。

2.4 流化床快速熱解工藝

流化床快速熱解工藝始于20世紀(jì)70年代，由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院(CSIRO)研究開發(fā)[6]。主要是用澳大利亞煤生產(chǎn)液體燃料，為低溫或中溫?zé)峤?。試?yàn)用煤全部在200目以下，裝置較小，屬于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模。

該工藝特點(diǎn)：褐煤的焦油生產(chǎn)率可達(dá)23%〔580 ℃時(shí)最高〕，褐煤半焦是優(yōu)質(zhì)和多孔的，剩余揮發(fā)分有利于其穩(wěn)定燃燒。但缺乏中試或工業(yè)試驗(yàn)。

2.5 DG熱解技術(shù)

DG熱解技術(shù)由大連理工大學(xué)開發(fā)，采用固體熱載體工藝，以自產(chǎn)半焦作為熱載體[7]。工藝流程大致分為磨煤、煤干燥、煤熱解、流化燃燒、半焦冷卻煤氣冷卻和凈化等部分組成。原煤粉碎(小于6 mm)后在熱煙氣(約550 ℃)作用下進(jìn)行氣流干燥預(yù)熱，與熱焦粉槽的粉焦混合，完成快速熱解反應(yīng)(550～650 ℃)，析出熱解氣，分離出重焦油和輕焦油，剩余煤氣經(jīng)脫硫后送出裝置。

該工藝特點(diǎn)：適用于粉煤，固體熱載體技術(shù)適用于粒徑小于6 mm粉煤；煤焦油產(chǎn)率較高，以神府煤為例焦油產(chǎn)率可達(dá)10%以上；熱解煤氣有效成分高、熱值高，熱解煤氣有效成分高達(dá)63.97%，熱值高達(dá)4200 kcal/Nm3以上；水耗低，生產(chǎn)過程采用干法熄焦，具有節(jié)水降耗環(huán)保優(yōu)勢；以粉煤作原料，原料來源廣，焦油收率高，工藝技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，可重點(diǎn)推廣。

2.6 LCC熱解技術(shù)

LCC工藝是一種內(nèi)熱式氣體熱載體工藝，由大唐和五環(huán)公司聯(lián)合開發(fā)。該工藝主要分為3步：干燥、輕度熱解和精制。煤被熱氣流脫除水分，加熱發(fā)生輕度熱解反應(yīng)，析出熱解氣，經(jīng)水冷終止熱解，固體輸送至精制塔，發(fā)生氧化、水合反應(yīng)得到固體半焦。熱解氣冷凝下來的焦油大部分返回激冷塔，剩余部分為焦油產(chǎn)品。

該工藝特點(diǎn)：LCC采用熱惰性煙氣對煤炭直接加熱，可保證煤炭在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到干燥或熱解的目的；在爐內(nèi)用犁式機(jī)械導(dǎo)流均布器把已干燥的煤鋪成薄層，使設(shè)備在有較大生產(chǎn)能力的同時(shí)保證有高的熱交換效率；模塊化設(shè)計(jì)，工藝參數(shù)動(dòng)態(tài)可調(diào)，操作簡便成熟；該技術(shù)在國內(nèi)處于示范運(yùn)行階段，商業(yè)化運(yùn)行需進(jìn)一步驗(yàn)證，目前主要針對低階煤熱解，對于其它煤種熱解效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證；本技術(shù)所產(chǎn)焦?fàn)t氣熱值較低，而且基本全部自己利用，整體副產(chǎn)焦?fàn)t氣較少。

2.7 帶式爐熱解技術(shù)

帶式爐熱解技術(shù)采用煙氣作為熱載體[8]，是北京柯林斯達(dá)科技發(fā)展有限公司開發(fā)的褐煤提質(zhì)工藝。塊煤(15～30 mm)由入爐端均勻分布在耐熱金屬材質(zhì)的輸送帶上，依次經(jīng)過干燥段、熱解段，與熱煙氣換熱完成脫水和熱解反應(yīng)，被冷煙氣冷卻成為提質(zhì)煤。熱量來自熱風(fēng)爐，熱源為自產(chǎn)煤氣，副產(chǎn)焦油。

該工藝特點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)能力大，單爐生產(chǎn)能力可超過100萬噸/年；可操作性強(qiáng)，出爐產(chǎn)品溫度可控制在60 ℃以下，進(jìn)爐熱風(fēng)中氧含量控制在5%以下，生產(chǎn)安全性高；運(yùn)行費(fèi)用低，保溫裝置可以有效的減少熱量散失，提高生產(chǎn)中的熱利用率；廢氣可以進(jìn)行循環(huán)使用，降低運(yùn)行成本；該工藝采用了煤料干燥與熱解分離，煤中全水分以低溫水蒸汽形式排入大氣，采用油冷、空冷新技術(shù)，進(jìn)行煤氣余熱回收，環(huán)保效益明顯；工藝簡單，操作方便，單爐生產(chǎn)能力可超過100萬噸/年，技術(shù)基本成熟。

2.8 國富爐煤熱解技術(shù)

國富爐熱解技術(shù)(GF)為外燃內(nèi)熱式熱解工藝，由北京國電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司自主開發(fā)[9]。該工藝熱解爐自上而下分為預(yù)熱段、干燥段、熱解段和冷卻段，原煤粉碎至一定粒徑后，自預(yù)熱段初步預(yù)熱，再通過熱煙氣加熱原料，產(chǎn)生的高溫?zé)峤鈿膺M(jìn)入冷卻凈化系統(tǒng)回收焦油和煤氣，剩余煤氣返回作為干燥段和熱解段的燃料。半焦在冷卻段經(jīng)冷卻送出裝置。

該工藝特點(diǎn)：對物料粒度適應(yīng)范圍廣，可實(shí)現(xiàn)全粒徑原煤直接入爐，提高原煤利用率，降低生產(chǎn)成本；干燥段與干餾段獨(dú)立設(shè)計(jì)，提高了煤氣熱值，大大降低了酚水產(chǎn)生量，同時(shí)保證了焦油品質(zhì)；采用多層布?xì)夥绞剑ＷC大處理量對熱量的需求，單臺處理原煤達(dá)到100萬噸/年；采用沉降式設(shè)計(jì)，出口粉塵含量低，避免了干餾出口焦油、粉塵結(jié)焦及積塵問題；多層布?xì)鈧愫图瘹鈧愕脑O(shè)計(jì)，產(chǎn)品均勻性好，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定；采用廢煙氣冷卻產(chǎn)品半焦，避免水資源浪費(fèi)和廢水的產(chǎn)生，提高了系統(tǒng)熱效率；工藝靈活，產(chǎn)品多樣化，并采用外燃內(nèi)熱式加熱方式，保證焦油和煤氣產(chǎn)率的最大化；廢水處理工藝可靠，出水達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)，CODCr≤50 mg/L；具有工藝可靠、投資省、運(yùn)行成本低、占地面積小等特點(diǎn)。

2.9 氣固熱載體雙循環(huán)快速熱解技術(shù)

低階粉煤氣固熱載體雙循環(huán)快速熱解技術(shù)是由上海勝幫化工技術(shù)股份有限公司自主研發(fā)[10]，借鑒了催化裂化技術(shù)的工藝原理，采用雙循環(huán)氣流床反應(yīng)器進(jìn)行粉煤快速熱解，實(shí)現(xiàn)秒級反應(yīng)時(shí)間，并通過氣固熱載體技術(shù)保障固體的充分混合接觸，實(shí)現(xiàn)粉煤完全熱解。

該工藝特點(diǎn)：采用小于200目的粉煤為原料，滿足秒級反應(yīng)時(shí)間的快速熱解原料要求，采用雙循環(huán)氣流床反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)秒級反應(yīng)時(shí)間，并通過氣固熱載體技術(shù)保障固體的充分混合接觸，實(shí)現(xiàn)粉煤完全熱解；采用氣固快速分離技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣固分離，降低焦油含固量；用油氣急冷技術(shù)，減少焦油進(jìn)一步聚合生焦，保證裝置 長周期運(yùn)行；采用粉焦燃燒加熱熱載體，以流化床燒炭模式保證熱載體溫度均一；油氣采用分餾技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品分離，并回收熱量降低能耗；采用干熄焦熱回收技術(shù)，具有節(jié)能節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 語

煤熱解技術(shù)始于20世紀(jì)初，至今已發(fā)展了近百年，20世紀(jì)70至今經(jīng)歷了高速發(fā)展。本文列舉了國內(nèi)外較有影響力的9種工藝，并對每種工藝的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。