扶 振，安英保，鄭 琪，張艷文

(中美新能源技術(shù)研發(fā)(山西)有限公司，山西 朔州 036032)

目前，中國的低階煤中很大一部分作為動力煤使用，煤中高附加值油氣資源沒有得到有效利用。國內(nèi)用于提取高附加值油氣資源的技術(shù)主要包括煤炭直接及間接液化和中低溫熱解。現(xiàn)有的熱解油氣提取技術(shù)主要存在焦油收率低、含塵高、重質(zhì)組分高等問題，同時高灰、高灰熔點半焦缺乏有效利用途徑。自郭慕孫院士提出“煤拔頭”思路后，煤炭梯級利用過程受到廣泛關(guān)注，該理念從煤炭化學結(jié)構(gòu)出發(fā)，充分利用煤自身含有的芳香族、脂肪族等官能團結(jié)構(gòu)，獲得高附加值芳烴油品，是實現(xiàn)煤清潔高效的利用有效途徑之一。國家最新出臺的《關(guān)于促進煤炭工業(yè)科學發(fā)展的指導(dǎo)意見》中也明確提出“鼓勵建設(shè)煤炭分級分質(zhì)梯級利用示范項目”，這使得煤炭梯級利用的研究方向成為當前煤炭工業(yè)的發(fā)展重點。

美國ACCT公司開發(fā)了高溫加氫熱解制備合成油技術(shù)并經(jīng)過了小試驗證，打通了工藝流程。中美新能源項目研發(fā)團隊根據(jù)煤熱解原理，先期研究了加氫閃式熱解抑制重質(zhì)組分聚合、輕質(zhì)組分二次裂解等關(guān)鍵技術(shù)，初步解決了焦油收率低、品質(zhì)差、含塵高、氣固分離難等技術(shù)難題，并為粉焦利用提出了高溫半焦氣化或發(fā)電的技術(shù)途徑，獲取了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為進一步中試研究的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

本項目經(jīng)初步研究發(fā)現(xiàn)，熱解產(chǎn)生的焦油收率約大于20%，遠高于普通熱解技術(shù)，有較強的競爭力。

1 粉煤加氫快速熱解研發(fā)歷程

針對煤炭分質(zhì)利用技術(shù)研發(fā)及工程化過程中存在的煤焦油收率低、氣固分離困難、半焦轉(zhuǎn)化利用難等核心問題，在美國ACCT公司煤炭快速加氫熱解實驗室的研發(fā)基礎(chǔ)上，中美新能源技術(shù)研發(fā)(山西)有限公司(以下簡稱中美新能源)自主研發(fā)、完善了粉煤加氫快速熱解技術(shù)。

粉煤加氫快速熱解技術(shù)經(jīng)歷加氫小試實驗研究、工業(yè)化實驗研究等階段，目前已完成千噸級/天投煤量裝置工藝包編制。

2 粉煤加氫快速熱解技術(shù)

2.1 技術(shù)概況

粉煤加氫快速熱解技術(shù)是將來自界外的原料煤通過磨煤及干燥至一定要求(煤粉粒徑85%控制在200目以上)，合格煤粉用氮氣加壓輸送進加氫反應(yīng)器中，與部分氧化爐過來的高溫富氫合成氣瞬速熱解反應(yīng)(核心反應(yīng)時間≤500ms，反應(yīng)物停留時間1～2s)，在加氫反應(yīng)器中，煤粉在臨氫的條件下轉(zhuǎn)化為油氣，油氣中的固體顆粒(焦)通過旋風分離器被分離出來，產(chǎn)生高附加值焦油、合成氣和潔凈的半焦。粉煤快速熱解技術(shù)是國內(nèi)首創(chuàng)氣流床加壓加氫熱解技術(shù)。該技術(shù)自2012年開始理論驗證研究，2015年開始建設(shè)50t/d中試實驗裝置，2017年8月正式試車投料，2019年4月突破氣固分離技術(shù)性難題，裝置正常運行81h，驗證了技術(shù)的可靠性、可行性、經(jīng)濟性和環(huán)保性，并于2019年6月通過國家科技成果鑒定。

2.2 工藝原理

煤加氫熱解聯(lián)產(chǎn)芳烴和半焦是在高溫高壓下，要求粒徑5～90μm、全水分小于2%～3%的煤粉與高溫富氫合成氣反應(yīng)生成芳烴油品和甲烷、半焦的過程。其過程如下：

在煤與氫氣的反應(yīng)中，首先煤發(fā)生自身脫揮發(fā)分反應(yīng)生成活性半焦，其揮發(fā)分加氫生成甲烷，煤中活性半焦一部分與氫氣反應(yīng)生成甲烷，另一部分未參與反應(yīng)的活性半焦失活生成惰性半焦。惰性半焦與氫氣反應(yīng)比較難，加氫熱解聯(lián)產(chǎn)芳烴和甲烷僅是脫揮發(fā)分和部分活性半焦加氫的反應(yīng)，因此，加氫熱解聯(lián)產(chǎn)芳烴和甲烷的碳轉(zhuǎn)化率比較低，僅有50%左右。

煤脫揮發(fā)分的產(chǎn)物焦油以及烷烴等與氫氣發(fā)生如下二次反應(yīng)：

由于上述反應(yīng)的發(fā)生，在煤加氫熱解聯(lián)產(chǎn)芳烴和甲烷的過程中生成大量的甲烷和芳烴油品。煤的快速熱解利用煤的揮發(fā)分和自由基形成的特點瞬間反應(yīng)(<1s)，在加氫的活性環(huán)境下，多環(huán)芳烴開環(huán)、斷鏈后飽和，可以有效地抑制在裂化過程中的縮合反應(yīng)，從而根本性地降低油品的碳氫比，提高油品中的H元素含量。脫硫、脫氮、脫金屬，烯烴飽和，加氫同時也進一步飽和芳環(huán)，使環(huán)烷烴開環(huán)，提高油品H元素含量。由此，煤的快速熱解、輕質(zhì)化基本已達最深，產(chǎn)品收率有效得到提高，經(jīng)濟效益顯著增加， 同時，正常氫氣的消耗量僅為1.8%左右。

2.3 粉煤加氫快速熱解工藝流程

直徑為30mm以下的碎煤，經(jīng)過皮帶輸送系統(tǒng)由煤場輸送到碎煤倉，碎煤倉中的沫煤經(jīng)過稱重給煤機進入磨煤系統(tǒng)，經(jīng)過磨粉干燥后得到符合要求的煤粉(含水≤3%，d90<100μm)。由氮氣或二氧化碳加壓送往煤加氫反應(yīng)器，氣化合成氣或焦爐尾氣在部分氧化爐中部分氧化后，產(chǎn)生的高溫富氫合成氣直接送往煤加氫反應(yīng)器中，高溫富氫合成氣與煤在瞬間(<1s)發(fā)生熱解反應(yīng)，煤的加熱速率越快，碳的轉(zhuǎn)化率越高，相應(yīng)所得氣態(tài)烴和輕質(zhì)芳烴產(chǎn)率越大，同時煤中的揮發(fā)分產(chǎn)出越徹底，此時粉煤在加氫反應(yīng)器中瞬間轉(zhuǎn)化為油氣和半焦，油氣中的固體顆粒(焦)通過旋風分離器、陶瓷過濾器被分離出來，油氣通過冷卻及減壓后，得到油水混合物及合成氣，合成氣可以在本系統(tǒng)循環(huán)利用或送往后序加工使用，油水混合物通過初步分離后得到輕油和重油。旋風和陶瓷過濾器分離下來的500℃左右高溫半焦通過氣力輸送到氣化爐直接氣化或電廠燃燒發(fā)電。該技術(shù)主要產(chǎn)品為合成氣、焦油、半焦。整個工藝過程真正實現(xiàn)了粉煤氣力輸送、快速熱解、加壓熱解、加氫熱解、快速分離、快速冷卻，提高了裝置的能效性，實現(xiàn)了氣化熱解一體化技術(shù)。目前，中美新能源已建成50t/d投料規(guī)模的粉煤加氫快速熱解工業(yè)化實驗中試裝置(技術(shù)工藝見圖1)，裝置工藝流程見圖1。該裝置包括7個單元：粉煤制備單元、煤粉加壓輸送單元、部分氧化單元、加氫熱解單元、氣固分離單元、油洗分離單元、公用工程單元。

2.4 粉煤加氫快速熱解技術(shù)工藝特點

粉煤加氫快速熱解技術(shù)的工藝特點如下：①加壓熱解(熱解壓力范圍為1.0～9.0MPa)； ②粉煤熱解(煤粉粒徑85%控制在200目)；③加氫熱解，煤的中高溫熱解在富氫條件下熱解；④快速熱解[1](核心反應(yīng)時間≤500ms，反應(yīng)物停留時間1～2s)；⑤工藝過程高能效(高溫半焦?jié)摕崽峁饣虬l(fā)電減少氧耗，提高能源轉(zhuǎn)化效率)；⑥單爐處理能力高(加氫反應(yīng)器采用氣流床柱塞式爐型，可以大幅度提高單爐的處理能力，同時降低設(shè)備造價)；⑦工藝環(huán)保，基本不耗水(整套工藝流程完全密閉，基本無“三廢”排放，超低二氧化碳排放(0.05t/t油品))；⑧整套工藝不使用催化劑，減少了催化劑因素對產(chǎn)油的影響；⑨該技術(shù)可以實現(xiàn)多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，如氣化熱解一體化、高熱值氣體部分氧化一體化。

圖1 粉煤加氫快速合成氣化技術(shù)工藝

2.5 粉煤加氫快速熱解工藝關(guān)鍵技術(shù)突破

粉煤加氫快速熱解工藝關(guān)鍵技術(shù)的突破體現(xiàn)在以下幾點：①核心裝置技術(shù)突破，實現(xiàn)加壓、富氫、快速熱解，與目前煤化工和電廠技術(shù)結(jié)合；②實現(xiàn)粉煤加氫快速熱解氣流床反應(yīng)器設(shè)計開發(fā)和使用[2]；③世界上首套穩(wěn)定運行50t/d規(guī)模的氣流床粉煤加氫熱解生產(chǎn)焦油、潔凈半焦、合成氣中試項目穩(wěn)定運行；④實現(xiàn)高溫熱解氣固產(chǎn)物的高效分離[3]，焦粉分離效率為97%以上；⑤粉煤加氫快速熱解實現(xiàn)熱解操作智能化、自動化控制；⑥粉煤加氫快速熱解技術(shù)中首次使用油洗冷卻工藝[4]；⑦粉煤加氫快速熱解實現(xiàn)高溫半焦氣力輸送工藝的技術(shù)開發(fā)和使用[5]；⑧粉煤加氫快速熱解技術(shù)焦油產(chǎn)率高，富氫氣體氛圍中，得到焦油產(chǎn)率為15%～30%。

3 中試實驗

3.1 中試裝置的典型運行特性

中美新能源研發(fā)的粉煤加氫快速熱解50t/d裝置于2019年4月完成81h連續(xù)穩(wěn)定運行，該中試裝置的典型運行特性見表1。81h連續(xù)運行期間，POX爐和加氫反應(yīng)器上、中、下3部分的整體運行溫度曲線見圖2，實驗期間POX爐和加氫熱解爐運行溫度分別在1 300℃，600℃左右。

表1 裝置典型運行特性

圖2 連續(xù)運行工況下燃燒爐和熱解爐的溫度曲線

3.2 產(chǎn)物分析結(jié)果

3.2.1合成氣組分

粉煤加氫快速熱解工藝生產(chǎn)的煤氣成分見表2。H2、CO和CH4的體積分數(shù)分別為43.64%、31.99%和3.43%，合成氣熱值在12.16MJ/m3以上。該工藝生產(chǎn)的合成氣既可作為優(yōu)質(zhì)的化工原料，也可作為城市煤氣。

表2 合成氣組分分析

3.2.2焦油分析

粉煤加氫快速熱解工藝生產(chǎn)的焦油物性與組分含量見表3。焦油中的水分0.73%，低于高溫煤焦油中水分≤3%的指標要求；密度1127kg/m3，低于煤焦油密度為1 150～1 210kg/m3的指標要求，H元素含量為11.72%，焦油組分中瀝青質(zhì)含量僅5.46%，表明焦油品質(zhì)好，是焦油深加工的優(yōu)質(zhì)原料。

表3 焦油物性和組分含量分析

3.2.3半焦分析

粉煤加氫快速熱解工藝生產(chǎn)的半焦和焦粉的工業(yè)分析、元素分析、熱值和比表面積分別見表4。本工藝生產(chǎn)的半焦產(chǎn)品揮發(fā)分均小于10%，固定碳大于85%，半焦比表面積8.19m2/g，平均孔徑4.95nm；可作為有色金屬還原劑、電極材料、制取活性炭原料，又可作為煉焦配煤瘦化劑、型焦原料或直接500℃高溫氣化或發(fā)電等。

表4 產(chǎn)品半焦和焦粉的工業(yè)分析、元素分析、熱值和比表面積

3.3 實驗物料平衡與系統(tǒng)能效

50t/d粉煤加氫快速熱解中試裝置81h連續(xù)運行物料平衡與能效計算見表5。焦油產(chǎn)率為23.1%，為原料煤格金焦油產(chǎn)率的187%；半焦作為產(chǎn)品輸出，半焦產(chǎn)率為55.2%，合成氣的產(chǎn)率為5.9%。輸入輸出物流的質(zhì)量偏差為1.79%，系統(tǒng)能效為94.6%。

表5 系統(tǒng)的物料平衡與能效

5 結(jié)語

(1)本文針對低階粉煤的分質(zhì)清潔利用，提出了一種粉煤加氫快速熱解工藝，并對該工藝的技術(shù)特點等進行總結(jié)。該工藝的50t/d中試裝置實現(xiàn)了81h連續(xù)穩(wěn)定運行，試驗期間可連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)出焦油、半焦和合成氣。同時，驗證了該工藝技術(shù)試驗的進出口物料偏差為1.79%、系統(tǒng)能效為94.6%。

(2)50t/d粉煤加氫熱解工藝氣體熱值較高(12.16MJ/m3)，品質(zhì)好，可以用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品，也可用作燃氣；油品產(chǎn)率高(15%～30%)，灰分低(0.08%)，密度較高溫煤焦油低(1 127kg/m3，高溫煤焦油1.15～1.21)，芳烴類化合物較多，并且含有產(chǎn)率較多、高附加值、市場緊缺的多種化學原料(如鄰甲酚等)。

(3)粉煤加氫快速熱解工藝生產(chǎn)的半焦產(chǎn)品揮發(fā)分均小于10%，固定碳大于85%，半焦比表面積8.19m2/g，平均孔徑4.95nm；即可作為有色金屬還原劑、電極材料、制取活性炭、型煤原料，500℃高溫半焦又可作為氣化造氣原料，也可燃燒進行二次能源的潔凈發(fā)電，并且采用富氧發(fā)電可以節(jié)約20%～30%的原煤量。

(4)粉煤加氫快速熱解技術(shù)能夠促進煤化工、石油化工、電力等多產(chǎn)業(yè)的深度耦合集成，打造新型的煤、油、電、化多聯(lián)產(chǎn)模式，最終實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境保護的協(xié)同發(fā)展。