煤炭低温热解技术及其多联产发展方向

安承东，张大伟

（1.合肥工业大学化学工程学院，安徽合肥230009；2.东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

煤炭低温热解技术及其多联产发展方向

安承东1，2，张大伟1

（1.合肥工业大学化学工程学院，安徽合肥230009；2.东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

针对我国煤炭资源以低阶煤为主的特点，提出了今后我国煤化工的发展方向是以低温热解技术为主导，以煤、油、气、电、化多联产一体化为原则，实现煤炭分质分级清洁高效循环经济的综合利用和煤化工产业的可持续发展。

低阶煤;低温热解;多联产

1 技术背景

煤炭是我国的主要能源，在能源结构中占70%左右。富煤、贫油、少气是我国的能源禀赋现状。在世界已探明的化工能源储量中，我国的煤炭占世界总量的15%，石油占2.7%，天然气占0.9%。我国煤炭资源储量在5万亿吨以上，探明储量达到1145亿吨。其中低阶煤在我国煤炭储量及产量中占有很高的比例。根据我国煤炭地质总局第三次全国煤田预测，低阶煤储量占全国已探明煤炭储量的55%以上，达5662亿吨，其中褐煤占12.7%，低变质烟煤占42.5%。低阶煤主要分布在我国西北、华北和东北地区，包括内蒙古鄂尔多斯、陕西榆林和新疆等主要地区。

近年来，我国煤炭工业取得了长足的发展，煤炭产量快速增长，生产水平也得到了大幅度提高，但是煤炭利用方式的单一粗放等问题没有得到根本的改变，煤炭利用效率低，同时还引发了一系列生态和环境污染问题。特别是大量富含挥发分的低阶煤未经分质利用便直接燃烧或气化，造成大量高附加值的油气资源浪费，煤炭利用效率低下。低阶煤具有煤化程度低，化学结构中侧链较多，氢、氧含量较高，挥发分高等特点，含油量高达10%以上，新疆哈密地区的低阶煤油含量可达18%。因此，我国煤炭的分质分级清洁高效利用，是保障能源供应安全和推动能源结构调整的迫切需要和现实选择。煤炭工业发展“十二五”规划指出：加强褐煤提质技术的研发和示范。国家能源科技“十二五”规划将低阶煤提质改性技术列入重大技术研究领域，要求积极开发具有自主知识产权、适应性广的低阶煤提质改性技术与工艺。2015年5月，国家能源局印发《煤炭清洁高效利用行动计划（2015～2020年）》的通知，明确要求我国“稳步推进煤炭优质化加工、分质分级梯级利用、煤矿废弃物资源化利用等的示范，建设一批煤炭清洁高效利用示范工程项目”，并提出了煤炭清洁高效利用的行动计划时间表,要求2017年低阶煤分级提质关键技术取得突破，2020年建成一批百万吨级分级提质示范项目。

2 煤热解技术综述

低阶煤分级提质的关键技术即在一定的温度下对煤炭进行热分解转化，生成半焦、焦油和煤气等产品的过程。根据热解温度和目标产品选择的不同，一般又分为低温热解、中温热解和高温热解。低温热解工艺的反应条件相对温和，产品中焦油的产率最高，煤气热值最大，半焦的活性也最强，最适合进行分质分级多联产，是目前工业开发的主要方向，本文所述的热解技术均指低温热解。

煤炭热解技术经过多年的发展，已经形成了很多种生产工艺方法，但是大多数仍然处在实验室研究阶段。到目前为止，国内已实现中试和初步工业化生产的方法主要有固定床煤热分解工艺、回转炉煤热分解工艺、移动床煤热分解工艺、流化床煤热分解工艺等。

（1）固定床煤热分解工艺：包括内热式直立炉、外热式直立炉、内-外式直立炉等技术。固定床煤热解工艺是一种较传统的煤炭热解技术，特别是用来热解煤炭生产半焦，在国内应用非常广泛，其优点是技术成熟、流程简单、气相粉尘少、焦油品质好；缺点是原料煤需要一定粒度、焦油产率低、单套装置规模较小、对环境污染较大。目前该技术的发展受到一定限制，需要在工艺效率、环保效应等方面开展进一步的技术开发工作。

（2）回转炉煤热分解工艺：包括美国Toscol、Encoal、加拿大ATP、煤科院MRF等，其优点是对煤的粒度要求较小，可直接使用碎煤，缺点是存在大型转动部件，设备庞大，破损较严重，系统复杂，后处理难度大。目前，国内已有多家工程公司和研究院在多段回转炉工艺基础上进行研究和开发，并已经取得一些重要成果，有望很快建成一批回转炉窑式的热解工业化装置，但是还有不少工程化问题需要进一步的验证。

（3）移动床煤热分解工艺：包括美国LFC、德国Lurgi-Ruhr、前苏联ETCH-175、大连理工大学DG、中科院山西煤化所等技术。其中，大连理工大学在平庄建成了5.5万吨/年褐煤固体热载体干馏多联产工业试验装置，并通过煤炭工业部和国家教育委员会联合组织的技术鉴定。陕西煤化集团神木富油能源科技公司与大连理工大学合作建设的煤固体热载体干馏炉，单炉规模达到20万吨/年，2012年正式投产试运行。采用固体热载体快速热解工艺不仅解决了干馏时间长的问题，还可以解决干馏炉只能用块状原煤的问题[1]。其优点是热解反应器结构简单，运行稳定，缺点是热载体和煤混合不均匀，焦油中重质组分高，粉尘难以除尽，半焦产品活性差。

（4）流化床煤热分解工艺：包括美国COED、澳大利亚CSIRO、浙江大学、中科院工程热物理所、中科院过程工程所等技术。浙江大学热能所是国内较早开发以煤热解气化为核心的煤分级转化综合利用的研究单位之一。早在1981年就提出了循环流化床煤热解气化热、电、气多联产综合利用方案。为了验证方案的可行性，在其实验室建立了一套1MW热态试验装置，并对不同的煤种和不同运行参数进行了大量试验，证实了技术上和工艺上的可行性，先后申请了两项国家发明专利。利用该技术开发了12 MW及25 MW循环流化床热解多联产装置。其优点是多段流化床，焦油产率高，品质好。缺点是需要大量热解气返回作为流化介质，焦油中含粉焦多，单段流化床焦油中重质组分高[2]。和其它热解技术相比，循环流化床热解技术的能源利用效率高、投资少、单系列规模更大，是今后煤炭热解工业化发展的重要方向。

3 多联产的发展方向

3.1 多联产发展的提出

当前，随着经济快速发展和环保要求的日益提高，难以单纯依靠包括热解在内的某一单项技术来解决低阶煤的高效利用问题，只有通过煤基多联产工艺，将多种先进技术进行有机集成，对产品方案和各环节优化组合，采用多原料多产品逐级分质、综合利用的方案，形成多种不同的具体工艺转化路线，才能真正实现煤炭的梯级和高效利用。所谓煤基多联产，就是以煤为原料，将热解技术与燃烧、气化、间接液化等一系列相关技术耦合起来。其核心是将煤化工生产与热电一体化有机地结合起来，使产品结构多元灵活，既提高能源转化率，降低生产成本，又能实现环境友好和循环经济[3]。

以煤炭热解为龙头，将热解技术与燃烧、气化、间接液化等一系列相关技术耦合起来，走热解、气化、热电等一体化之路，实现热、电、汽、化、油一体化多联产，是实现煤炭高效利用的重要途径。此多联产技术首先通过热解工艺将煤炭分质成煤气、焦油、半焦，再对煤气、焦油和半焦进行转化利用深加工，生产出清洁燃料、化工以及热电产品，合理地进行多领域交叉，兼顾动力、化工、环境等多领域问题，最大限度地多产品联产，具有能源资源综合互补、产品灵活、高附加值以及高市场需求变动适应性，从而达到对煤炭资源清洁高效利用，最大限度地将物质与能量转化过程和污染物控制过程一体化，低能耗、低成本控制有害物质排放。实现煤炭的清洁高效、分质分级、梯级利用，形成资源、能源、环境一体化的多联产系统[4]，如图1所示。

3.2 以煤热解为核心的多联产技术优点

以煤热解为核心的多联产技术具有以下优点：

（1）低阶煤占有我国煤炭储量的55%以上，其煤岩组分中凝胶化组分相对较高，工业分析中挥发成分较高，其有机化学结构中侧链较多，有机元素组成中氢氧含量较高。结构特点决定了可以用最小的能耗和物耗，通过热解转化方式，同步获得所需要的化学品和目标能源，最大程度地实现了煤炭的高效利用。

（2）可以通过优化组合，将煤燃烧和热解进行巧妙耦合，是实现煤炭资源综合利用的有效途径之一。

（3）煤炭中硫、氮等污染物绝大部分在煤的热解过程中就以H2S、NH3的形式析出，与直接燃烧产生的SO2、NOx等相比，脱除煤气中的H2S、NH3要容易得多，有效地解决了环保问题。

4 结论

采用煤炭热解为基础的多联产技术，可以从整体利用效率的角度来提高煤炭资源利用率，同时更好地解决资源与环境问题。煤炭热解分级转化及其多联产工艺是今后煤化工发展的重要方向，特别适合应用于以低阶煤为原料的大型煤化工项目，对大型低阶煤产地的原料煤炭综合利用有一定的推动作用，对我国煤炭高效清洁转化以及煤化工的可持续发展都具有重要的意义。

图1 煤炭分质分级转化利用示意图

[1]关君，何德民，张秋民.褐煤热解提质技术与多联产构想[J].煤化工，2011（6）：1-9.

[2]方梦祥，曾伟强，岑建孟，等.循环流化床煤分级转化多联产技术的开发及应用[J].广东电力，2011，24（9）：1-7.

[3]尚建选，马宝岐，张秋民，等.低阶煤分质转化多联产技术[M].北京：煤炭工业出版社，2013.

[4]白太宽.煤炭低温热解多联产技术——实现煤炭清洁高效利用的最佳途径[J].煤炭加工和综合利用，2014（12）：6-10.□

Discussion of Coal Low Temperature Pyrolysis Technology and Poly-generation Development Direction

AN Cheng-dong1，2，ZHANG Da-wei1
（1.School of Chemical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China；2.East China Engineering Science&Technology Co.，Ltd.，Hefei 230024，China）

Due to the low rank coal dominated coal resources in China，low temperature pyrolysis technology as the leading factor is the main direction of future development of coal chemical industry，as coal，oil，gas poly-generation as the principle，which helps to utilize coal in a clean，highly efficient recycling economy way by coal classification and staged and realize sustainable development ofcoal chemical industry.

low rank coal；low temperature pyrolysis；poly-generation

10.3969/j.issn.1008-553X.2016.01.006

TQ54

A

1008-553X（2016）01-0029-03

2015-10-09

安承东（1975-），男，安徽无为人，大学本科，注册化工工程师，高级工程师，从事煤化工工艺与工程设计及项目管理工作,18756060258, anchengdong@chinaecec.com。