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1、煤热解技术研究开发进展随着石油资源的日趋紧张,煤炭转化为洁净气体、液体和固体燃料的相关技术已发展成为我国洁净能源研究开发的重要领域。煤转化为液体燃料的技术路线主要有三条：一是煤的间接液化，主要包括F-T合成油技术，甲醇和二甲醚合成技术等，二是煤的直接液化技术，三是低变质煤的低温热解技术。煤低温热解技术因具有工艺过程简单，加工条件温和，投资少，生产成本低等优势，其开发研究和推广应用受到了国内外学者和企业投资者的高度关注。煤热解技术开发研究始于19世纪，当时主要用于制取灯油和蜡。二次世界大战期间，德国建立了大型低温干馏工厂，用褐煤为原料生产低温煤焦油，再高压加氢制取汽油和柴油。后来，石油工业的发展
2、而停滞，到上世纪70年代，由于能源危机的出现，煤炭热解生产低温焦油又受到各国学者的广泛重视，并开发出多种热解新技术和新工艺。我国洁净煤技术研究是“863”计划能源技术领域设置的4个专题之一,其重点是开发煤炭的燃烧、加工、转化、污染控制、发电的技术,其中煤炭加工与转化技术主要包括了“褐煤与低变质煤提质、改质技术”、“低、中变质煤热解提取焦油技术”，因此，煤炭的低温热解技术作为一种洁净煤技术近年来再一次被赋予了新的发展活力。目前国内研究煤炭热解技术的单位众多,比较典型的技术有大连理工大学开发的褐煤固体热载体干馏多联产工艺、北京煤化所开发的MRF热解工艺、浙江大学和清华大学开发的以流化床热解为基础的
3、循环流化床热电多联产工艺、北京动力经济研究所和中国科学院工程热物理研究所开发的以移动床为基础的热电气多联产工艺、济南锅炉厂的多联供工艺、中国科学院山西煤化所和中国科学院过程工程研究所的“煤拔头工艺”，以及西北大学、西安科技大学等正开发的催化加氢热解及其新型多联产技术等。一、我国热解技术的发展历程我国煤炭热解技术开发和研究的第1个阶段始于20世纪5060年代，建造了上吸式炉、水平铁甑等热解装置。中国科学院与大连第一发电厂、长春汽车制造公司联合开发“燃烧与固体热载体炉前干馏半工业试验,并取得了初步试验成果。北京石油学院、上海电业局的研究人员也开发了流化床快速热解工艺,并进行了10t/d 规模的中试
4、。20世纪60年代中期到70年代末是我国煤炭热解工艺发展的第2个阶段。大连工学院聂恒锐等人研究开发了辐射炉快速热解工艺,经实验室研究和放大规模试验,于1979年建立了15t/d规模的工业示范厂,1983 年进行了以吉林舒兰褐煤为原料的连续运转试验,并对该工艺所产焦油和焦渣的组成及性质进行了分析研究。20世纪8090年代初期是我国煤炭热解技术发展的第3个阶段。这一阶段,从事煤炭热解的科研单位逐渐增多,大连工学院的郭树才等人研究开发了固体热载体新法干馏工艺。在实验室建立了10kg/h 规模的实验装置,并对平庄、大雁、黄县等多种褐煤和油页岩进行了大量的试验研究,并在内蒙古的平庄建起了515万t/a
5、规模的褐煤新法干馏工业示范厂。中国科学院山西煤化所曾对灵武煤进行了固体热载体快速热解的微型试验和评价,原华东化工学院进行了固定床加氢热解的实验研究。北京煤化所开发的MRF热解工艺,先后建立了1、10、100kg/h规模的一系列实验室热解装置,对先锋、大雁、扎莱诺尔、天祝、东胜等煤进行了大量的热解试验,系统地分析了半焦、焦油和煤气的性质,并对半焦和焦油的加工利用途径进行了研究,于20世纪90 年代初在内蒙古海拉尔建起了2万t/a规模的褐煤MRF热解工业示范厂。21世纪以来，国内煤炭低温热解技术开发进一步趋向工业化、大型化和多联产新技术方向发展。二、低温热解的方法和类型煤的低温热解按加热方式分为外
6、热式，内热式和内外热结合式；按煤料的形态有块煤、型煤与粉煤三种；按供热介质不同可分为气体热载体和固体热载体二种；按煤的运动状态可分为固定床、移动床、流化床和气流床等。外热式热效率低，煤料加热不均，挥发产物发生二次分解严重；内热式工艺克服了外热式的缺点，借助热载体（根据供热介质不同又分为气体热载体和固体热载体）把热量直接传递给煤料，受热后的煤发生热解反应。气体热载体热解工艺通常是将燃料燃烧的烟气引入热解室，代表性的有美国的 COED 工艺、ENCOAL 工艺和波兰的双沸腾床工艺等；固体热载体热解工艺则利用高温半焦或其他的高温固体物料与煤在热解室内混合，利用热载体的显热将煤进行热解。与气体热载体热
7、解工艺相比，固体热载体热解避免了煤热解析出的挥发产物被烟气稀释，同时降低了冷却系统的负荷。比较而言，在能获得高温固体热源的情况下，固体热载体热解工艺优势明显。1连续式外热立式炉烟煤连续地由炭化室顶部的辅助煤箱加入炭化室，生成的热半焦排入底部的排料箱，炭化过程中底部通入水蒸气冷却半焦，并生成部分水煤气，水煤气与干馏气由上升管引出，典型代表是伍德炉。2连续式内热立式炉 煤在炉中不断下行，热气流逆向通入进行加热。粉状褐煤和烟煤需预先压块。煤在炉内移动过程分成三段：干燥段，干馏段和焦炭冷却段，故又名三段炉。用于加热的热废气分别由上、下二个独立燃烧室燃烧净煤气供给、煤在干馏炉内被加热到500850。典型
8、代表是鲁奇低温干馏炉。3.连续式内外热立式炉 该干馏炉由炭化室、燃烧室及位于一侧的上下蓄热室组成。煤料由上部加入干馏室，干馏所需的热量主要由炉墙传入。加热用燃料为发生炉煤气或回炉干馏气，煤气在立火道燃烧后的废气交替进入上下蓄热室。在干馏室下部吹入回炉煤气，既回收热半焦的热量又促使煤料受热均匀，此炉的煤干馏热耗量较低。典型代表是考伯斯炉。4.固体热载体干馏法采用固体热载体进行煤干馏，加热速度快，单元设备生产能力大。美国Toscoal法用已加热的瓷球作为热载体，使煤在500进行低温干馏。德国鲁奇鲁尔煤气工艺采用热半焦为热载体，预热的空气在气流加热管让部分半焦燃烧，使热载体达到需要的温度。沉降分离室
9、使燃烧气体与半焦热载体分离，分离热半焦与原煤在混合器内混合，混合的煤料在炭化室内进一步进行干馏。部分热焦粉作为产品由炭化室排出，其余部分返回气流加热管循环。生产能力达1600t/d，产品半焦作为炼焦配煤原料。国内大连理工大学等单位开发的煤新法固体热载体干馏技术在原理上与国外技术相似。5.加氢干馏工艺加氢气化法的基础研究从1944年开始。1966年以后，美国煤炭科学研究院在美国煤气协会的支援下，开始从事煤加氢气化工艺的研究。他们建立了原料煤处理能力75t/d的半工业性试验装置，1971年秋开始运转。在工艺流程中，反应器分4段，各段的反应条件有严格的差别，分别进行干燥、干馏、加氢裂解和发生炉煤气反
10、应等。加氢热解可明显增加烃类气体和轻油的产率，代表工艺有Coalcon加氢干馏工艺与CS-SRT加氢干馏工艺。例如后一工艺是以生产高热值合成天然气为目的，同时可制取轻质芳烃（BTX），干馏残炭用于制氢。该工艺的煤转化率可达6065，其中甲烷和乙烷约30，BTX810，轻油13。三、国外典型热解技术开发与研究1.Garrent 工艺Garrent 工艺最初由美国 Garrent 公司开发，其工艺过程为：将煤粉碎至 200 目以下，用高温半焦（650-870）作为热载体，将煤粉在两秒钟内加热到 500以上，由于停留时间很短，有效地防止了焦油的二次分解。高挥发分的烟煤在此温度下的油产率最高可达干煤的
11、 35%。该工艺用部分半焦作为热载体实现煤的快速加热，有效地防止了焦油的二次分解；但生成的焦油和细颗粒的半焦附着在旋风分离器和冷却管路的内壁，影响系统的长期运行。2. TOSCOAL 工艺TOSCOAL 工艺是由美国油页岩公司开发的用陶瓷球作为热载体的煤炭低温热解方法，其工艺流程如图 1 所示。将 6mm 以下的粉煤加入提升管中，利用热烟气将其预热进入旋转滚筒与被加热的高温瓷球混合，热解温度保持在 300。煤气与焦油蒸气由分离器的顶部排出，进入气液分离器进一步分离；热球与半焦通过分离器内的转鼓分离，细的焦渣落入筛下，瓷球通过斗式提升机送入球加热器循环使用。由于瓷球被反复加热循环使用，在磨损性上
12、存在问题；此外，粘结性煤在热解过程中会粘附在瓷球上，因此仅有非粘结性煤和弱粘结性煤可用于该工艺。图1 TOSCOAL工艺流程示意图3. 鲁奇和鲁尔公司开发的 LR 工艺鲁奇和鲁尔公司开发的 LR 工艺流程如图 2 所示。煤与循环热半焦一起在机械搅拌的干馏炉中混合，干馏温度为 480-570，产生的半焦一部分用作燃料，一部分被循环使用，煤气与焦油蒸气进入分离系统进行分离。该工艺利用部分循环半焦与煤进行热交换，而且燃烧热解气体用于煤的干燥，因此整个过程具有较高的热效率。但由于大量焦渣颗排出，如用粘结性煤，则会因焦油和粒子的凝集而引起故障；该工艺采用机械搅拌对煤和热半焦进行混合，磨损和设备放大等方面
13、存在问题。该工艺也适合于用砂子作为热载体将重油热解的过程，并在德国、日本、中国等国家已建成使用。图 2 鲁奇和鲁尔公司的 LR 工艺流程示意图4. 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两段气流床，上段用于煤粉干馏，下段用于半焦气化。下部半焦气化段的作用是为上部煤粉热解提供热量，以及分离和排出半焦中的灰（主要是以液态排渣形式排出），其结构如图3所示。日本煤炭快速热解工艺流程如图4所示。原料经干燥，并被磨细到80%小于0.074mm后，用氮气或热解产生的气体密相输送，经加料器喷入反应的热解段，由下段所生高温气快速加使之在600950和0.3MPa下于几秒内快速热解，产生气态和液态
14、产物和固体半焦。在热解段内，气态和固态产物同时向上流动，固体半焦经高温旋风分离器从高温气体中分离出来后 ，部分返回反应器的气化段与氧气和水蒸15001650和0.3MPa下发生气化反应。其余半焦经换热器回收余热，作为固体半焦产品。高温气体经间接式换热器回收余热后，再经脱苯、脱硫、脱氨以及其它净化处理后，作为气态产品。煤气冷却过程中产生的焦油和净化过程中产生苯类作为主要液态产品，工艺流程见图4。该技术的特点是可最大限度的从煤中获得气态和液体产物。于2001年已完成中间试验研究。 图3 日本煤炭快速热解反应器图4 日本煤炭快速热解工艺流程示意图5. 英国的Cranfield 大学耦合多联产工艺英国
15、的Cranfield大学设计了气化/燃烧/热解耦合的多联产系统用来处理油页岩,如图5所示。一定量的油页岩(粒径大于6mm)分别送到气化炉和干馏炉,气化炉用空气气化,产生低热值煤气送往燃气轮机发电。未气化的油页岩及小于6mm 的细颗粒油页岩被送到循环流化床燃烧炉,产生蒸汽带动蒸汽轮机发电。干馏炉的热量来自循环流化床的循环灰,干馏温度通过循环倍率和循环灰温度控制。干馏炉产生的中热值煤气(2024MJ/kg)可用于燃气轮机发电或作为合成气源,也可代替天然气用作电站燃料。干馏产生的油页岩半焦送到循环流化床燃烧。该工艺遇到的技术难题为:来自旋风分离器的循环物料的流动控制技术;煤气的高温净化技术等。虽然难
16、度较大,但已计划建立一座40MW的试验性电站,用于验证这种油页岩电站系统(OSITGS)的可行性。图5 油页岩的多联产系统示意图四、国内典型热解技术开发与研究1. 气体热载体直立炉工艺国内在鲁奇三段炉的基础上,开发了不同类型的内热立式干馏炉，主要用于低变质煤低温热解,热载体以气体为主,不适用于中等粘结性或高粘结性的烟煤。三段炉流程如图6所示。2080mm的褐煤或型煤沿炉中下行,气流逆向通入进行热解。对粉状的褐煤和烟煤要预先压块,热解过程分为上、中、下三段即干燥和预热段、热解段、半焦冷却段。在上段循环热气流把煤干燥并预热到150;在中段热气流把煤加热到500850,进行热解。在下段半焦被循环气流冷却到100150,最后排出。图6 三段炉流程图在我国的对三段炉的改造设计中,比较有代表性的是陕西神木县三江煤化工有限责任公司设计的SJ低温干馏方炉，其工艺流程如图7所示。图7 SJ 低温干馏工艺
