我国煤炭热解技术研究现状X李　云(包头师范学院化学学院,内蒙古包头　014030) 摘　要:20世纪初,由于世界工业迅猛发展,石油开采已经不能满足液体燃料快速增长的要求,21世纪世界石油危机和对清洁能源需求的增长,引起对煤热解技术的重视。

本文通过对气体热载体直立炉技术、固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术、多段回转炉热解技术、以移动床热解为基础的循环流化床多联产技术进行技术原理和优缺点的对比研究;得出,我国的煤炭热解技术仍处于不断发展之中,且要继续从技术难点、能源利用率、环境友好性和工业化程度等方面进行进一步改造和发展。

为我国煤炭资源的利用和清洁能源的生产提供技术支持。

关键词:煤炭;热解技术;技术原理;研究现状 中图分类号:T Q530.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)02—0079—051　研究背景中国正处于工业化、城镇化、快速发展阶段。

可以预期的是,在未来较长时期内,中国经济仍将会保持较快的发展速度,并逐步完成工业化和城市化,在2030年左右将达到中等发达国家的水平。

在这一过程中,公众对生活质量、居住环境、城市状况等将提出越来越高的标准,生活方式和消费方式将会发生越来越显著的变化。

汽车保有量的持续增长、住房面积的扩大,以及在此基础上形成的衍生需求将成为经济和社会持续发展的最主要动力。

这将导致经济结构的一系列变化,也将带来能源消费总量的持续增长,特别是对石油和天然气消费的增长。

根据国内外有关研究机构的预测,到2030年,我国的能源需求总量将会达到50—60亿吨标煤。

从中国的资源条件和现有的技术发展看,能源自给率的保障只能来自于煤炭资源的大规模使用,以煤为主的能源战略是不可避免的选择。

首先,中国缺乏油气资源是一个公认的事实。

至2010,剩余技术可开采储量为石油23亿吨,天然气2.01万亿立方米。

2010年的石油产量为2亿吨,消费量为其次,中国的煤炭资源储量相对丰富,已探明的煤炭资源储量在一万亿吨以上居世界第三位,随着勘探工作的深入,煤炭资源经详查储量将会有较大幅度的增长。

从近年来内蒙、新疆和陕西煤炭储量迅速增长的趋势,清晰地体会到能源问题的实质是油气资源短缺,关键问题是对石油天然气的需求远远超过国内资源可以承担的程度。

保障能源自给率的关键是在液体燃料、气体燃料和化工原料等领域中实现煤炭对石油的替代。

这样的背景下国家核心目标就是煤炭资源的合理利用。

随着石油资源的日趋紧张,煤炭的开发利用,尤其是洁净煤技术的发展逐渐成为我国能源研究开发的重心。

煤炭的低温热解技术作为符合清洁煤技术的传统煤炭转化和利用技术,再一次被赋予了新的活力。

煤炭热解技术的研究就成为了重要课题。

2　我国煤炭热解技术研究现状2.1　我国煤炭热解技术发展历程20世纪50-60年代是我国煤炭热解技术发展的第一个阶段。

我国开始对煤热解技术进行开发和研究,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,快速热解技术,并进行了10t/d规模的中试,取得了相应的技术成果。

20世纪60年代中期到70年代末是我国煤炭热解技术发展的第二个阶段。

大连工学院聂恒锐等人研究开发了辐射炉快速热解技术,是一项利用辐射加热进行煤的高温高速热分解的技术,经实验室研究和放大规模试验,于年建立了5规模的工业示范厂,我国煤炭热解生产规模由发展79　2012年第2期 内蒙古石油化工X收稿日期19791t/d10t/d :2011-12-22到15t/d。

它能显著地提高煤热分解化学产品的质量与收率,其产品数量比高温炼焦的化学产品都有成倍的增长。

煤的热分解转化率较高,故热分解的焦渣少,其中焦渣的活性很强,可作气化原料或燃料,煤料在辐射炉中的升温速度最高可达到500℃/秒。

1983年进行了以吉林舒兰褐煤为原料的连续运转试验,并对该技术所产焦油、焦渣的组成及性质进行了分析研究,结果显示热解产品的质量比高温热解的产品质量要好。

20世纪80-90年代初期是我国煤炭热解技术发展的第三个阶段。

这一阶段,我国对煤炭热解技术研究逐渐增多,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技术。

在实验室建立了10k g/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,于90年代初在内蒙古的平庄建起了5.5万t/a规模的褐煤气体热载体直立炉技术工业示范厂,由于固体热载体新法干馏技术的流程技术简单,单元设备能力大,热效率高,常压操作,所以该热解技术投资少、费用低,是一向兼顾经济效益、社会效益和生态效益的先进技术。

另外,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。

褐煤固体热载体法快速热解技术是将褐煤通过与热的载体快速混合加热使褐煤热解得到轻质油品、煤气和半焦的技术,其过程相对简单,投资少。

固体热载体法快速热解技术使用粉粒状原料,同时,与其它低温干馏方法相比,固体热载体法快速热解技术多产油品,生产的低温煤焦油质量好,焦油中含有脂肪烃、芳烃和酚类物质,可加工得化学品和燃料油。

90年代中期,原华东化工学院也对我国煤炭热解技术进行了研究,主要对固定床加氢热解进行研究,其过程是原煤经过固定床反应器,进行干燥、热分解、还原、氧化等反应产生燃料气体。

固定床反应器的结构相对简单,且由于其中热气体通过整个燃烧床,其显热对物料有导热和干燥作用,气体离开反应器时温度较低,因而热损失较少,系统的热效率较高。

但气体中易夹带挥发性物质,如焦油、蒸汽等物质,易堵塞气化部分管道。

北京煤化所开发的MRF热解技术,先后建立了、、规模的一系列实验室热解装置,对先锋、大雁、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。

20世纪90年代末以后开发的煤炭热解技术多是从煤炭的高效利用、环保、节能方面综合考虑,因此这一阶段的热解技术的研究主要是以热解为基础的多联产技术。

可以把化工和发电两个过程耦合起来,能量利用效率可以提高10%-15%,同时,化工产品增值量比较大。

2.2　我国五种煤炭热解技术原理简介2.2.1　气体热载体直立炉技术原理简介内热式直立炉工艺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1所示。

20-80mm的褐煤或型煤沿炉向下进入,气流逆向通入进行热解。

热解过程分为干燥段、热解段和冷却段。

在干燥段环热气流把煤干燥并预热到150℃;在热解段热气流把煤加热到500-850℃,进行热解。

在冷却段半焦被循环气流冷却到100-150℃,最后排出,完成热解过程。

图1　气体热载体直立炉技术2.2.2　固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术原理简介固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术如图2所示,煤和800℃的粉煤焦按一定比例分别进入混合器,迅速而均匀的混合,高温的半焦将热量传给原料粒子,混和温度达到550-650℃。

煤即发生快速热分解。

煤或焦粉在流化燃烧炉燃烧生成800℃的含氧烟气,在加热提升管下部与来自反应器的600℃半焦发生部分燃烧,半焦被加热提升到热半焦槽;将半焦加热到800-850℃,作为热载体循环使用。

反应器下部有半焦管,导出部分粉焦,焦粉的温度为750℃,将高温的半焦粉和原煤按∶的比例快速混合,制取半焦提质煤产品。

来自反应器的荒煤气经过除尘去洗气管,冷却洗涤后于气液分离器分离。

水和重焦油去分离槽。

煤气经间接冷却,分出轻焦油、煤气经鼓80内蒙古石油化工 2012年第2期　1kg/h10kg/h100kg/h2011风机加压和除焦油后,再经脱硫后去煤气柜。

图2　固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术图2.2.3　多段回转炉热解技术原理简介多段回转炉热解技术流程如图3所示,原理简介制备好的原煤在干燥炉内干燥,干燥煤在热解炉中被间接加热,热解温度550-750℃,热解挥发产物从专设的管道导出,经冷凝回收焦油。

热半焦在三段熄焦炉中用水冷却排出。

由于煤在热解前干燥并脱出了大部分的水分,大大减少了酚水量,少量的酚水与净水掺合后作为熄灭半焦用水,从而使耗资较大的污水处理系统大为简化。

图3　多段回转炉热解技术2.2.4　以流化床热解为基础的热电气多联产技术原理简介系统由燃烧室、气化炉、返料器、汽水系统、煤气净化系统和焦油回收系统等部分组成,如图4所示,主要用于完成热解、气化、燃烧分级转化、焦油收集等工艺。

煤首先进入气化炉内热解,产生的煤气经净化后,一部分输出民用,另一部分送入流化床气化炉作为流化介质;气化炉中的半焦及放热后的循环热灰通过返料装置进入循环流化床锅炉,半焦燃烧产生的蒸汽用于发电、供热;气化炉内煤热解反应所需热量由循环流化床锅炉的循环热灰提供,流化介质采用的是低温净化后的再循环煤气或过热蒸汽。

图4　流化床热解为基础的热电气多联产技术图2.3　我国四种煤炭热解技术比较研究2.3.1　我国四种煤炭热解技术原理比较研究近年来,我国煤炭热解技术有了较快发展,从50年代的土法热解技术发展为高温热解、辐射热解、新法干馏热解技术到成熟的多联产技术。

随着方法的不断更新,工作流程逐渐简化、工业化程度迅猛发展、环保和节能等方面也在不断进步。

现阶段涉及的主要煤炭热解技术有:气体热载体直立炉技术、固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术、多段回转炉热解技术、以流化床热解为基础的热电气多联产技术、以移动床热解为基础的循环流化床多联产技术。

由于技术原理是影响其产品和工业化程度的主要原因,本文从加热方式、热载体、热解温度和热解速度等方面对各种工艺进行了对比,如表1所示。

从表1可以得出,多段回转炉热解技术采用的加热方式是外热式,而其它各种煤炭热解技术采用的是内热式加热。

五种煤炭热解技术大多采用的热载体为空气和半焦,其中以流化床热解为基础的热电气多联产技术和以移动床热解为基础的循环流化床多联产技术的热载体是循环热灰。

从热解温度来看热电气多联产技术和循环流化床多联产技术所需的最高温度比较高。

气体热载体直立炉技术所需热解温度变化梯度小,其范围在730-770℃。

热解速度上气体热载体直立炉技术和多段回转炉热解技术较慢。

表1　我国五种炭热解技术原理比较热解技术技术原理加热方式载体热解温度(℃)热解速度气体热载体直立炉技术直立炉内热式空气煤气730-770中速固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术直立式循环流化床内热式半焦470-600快速多段回转炉热解技术多段回转炉外热式空气烟气550-750中速以流化床热解为基础的热电气多联产技术流化式循环流化床热解内热式循环热灰500-900快速2.3.2　我国四种煤炭热解技术优缺点比较研究表2对我国现阶段的四种煤炭热解技术的优缺点进行了比较,结果显示,气体热载体直立炉技术、以流化床热解为基础的热电气多联产技术经过不同的工艺流程都有焦油和半焦产出。