煤炭分質利用探討

唐宏青

(北京中科合成油工程有限公司，北京　101407)

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煤炭分質利用探討

唐宏青

(北京中科合成油工程有限公司，北京101407)

摘要：煤炭的分質利用及低品質煤的提質受到高度關注；介紹了煤炭分質利用的定義、工業過程及流程，提出了“半”分質利用沒有實際意義，深度分質利用在示范廠建設成功前，不宜大規模推廣的觀點。

關鍵詞：煤炭；荒煤氣；焦油；半焦；分質利用

近期，煤的分質利用及低品質煤的提質受到人們的高度關注。

煤炭是主要能源，其燃燒后碳、氫元素分別轉化為CO2和H2O，同時也可以轉化成為化學品，但能量利用率并不高。因此，幾十年前科學家們提出的“分質”利用，就是要既提高能量轉化率，又能利用它生產化學品的方法。

1分質利用的定義

原煤經過濕法選煤，盡管將其大量水分經機械脫水，但水分還是很高，通常在12%～14%之間。為進一步降低精煤水分，往往采用火力干燥的方法進行深度脫水，然后去分質利用(見圖1)。

圖1原煤的干燥

煤的分質利用應該包括3方面的內容：中低溫干餾(也稱作熱解)，在500～650 ℃溫度下分解成氣體(荒煤氣)、液體(焦油)、固體(半焦或稱蘭炭)3種形態的產品，然后再根據各類熱解產物的性質，進行綜合利用(見圖2)。

圖2　煤的熱解

根據干餾溫度的不同，煤的熱解分為低溫熱解(500～650 ℃)、中溫熱解(650～800 ℃)和高溫熱解(900～1 000 ℃)。

與高溫熱解(即焦化)相比，低溫熱解的焦油產率較高而荒煤氣產率較低。一般半焦為50%～70%，低溫焦油18%～25%，荒煤氣80～100 m3/t(原料煤)。國內目前采取的低溫熱解技術路線是：將低變質煤經自然干燥，然后在熱解爐內進行炭化處理，在600～800 ℃條件下發生脫水、熱解、裂解等一系列反應，最后產生荒煤氣、煤焦油和半焦。

對于荒煤氣，可按照C1化工中成熟的蒸汽轉化法得到CH4、CO和H2。煤低溫熱解的氣態產物含有約55% ～60%的H2，23%～27%的CH4，另外還含有約5%～8%的CO、C2以上不飽和烴2%～4%、1.5%～3%的CO2、0.3%～0.8%的O2、3%～7%的N2。當然，荒煤氣是常壓的，利用其能耗是很高的。

焦油可先提取酚，然后再加氫制成輕質芳烴、石腦油等油品。酚類是化工中一種價值較高的產品，通常要回收，如果由于回收成本較高或因條件限制導致不能回收，將造成嚴重的水質污染。

半焦作為清潔能源，可用于高爐噴吹和氣化原料。低灰分半焦型焦、活性炭等的原料，也期望可作為制備水煤漿的原料。

綜上所述，分質利用基本流程是一個梯級利用過程。

實際上，這個想法在上世紀三四十年代已經有了，只不過整體方案不如現在完善，沒有能夠實現。但是，分質利用的工藝路線符合能流和物流的合理利用，有利于實現能耗和排放的最小化。因此，國內外理論界均認為是煤炭轉化方式中可以使能耗、物耗最低的方法。

但是，這個理論大家都已經懂得，為什么沒有實現呢？問題在于整個工藝路線中，還有技術上的難題沒有解決，但更主要的原因在于，沒有一個完整的示范廠和商業化裝置。

2分質利用的工業過程

2.1煤的干餾或熱解

在熱解過程中，煤炭會經歷軟化、熔融、流動和膨脹再次固化這一系列特殊的形態轉化過程，此時生成物為氣、液、固三相共存的狀態。

(1)按照加熱終溫、速度、方式、熱載體類型、氣氛、壓力等工藝條件，煤的干餾或熱解分可分為以下幾類：①最終溫度：低溫500～600 ℃，中溫700～900 ℃，高溫900～1 100 ℃，超高溫>1 200 ℃;②加熱速度：慢速<5 ℃/min，中速5～100 ℃/min，快速500～1 000 ℃/min，閃裂解>1 000 ℃/min;③加熱方式：外熱式、內熱式、內外并熱式;④熱載體類型：固體熱載體、氣體熱載體、氣-固熱載體 ;⑤氣氛類型：氫氣、惰性氣氛(氮氣)、水蒸氣、催化加氫;⑥壓力：常壓、加壓、高壓、隔絕空氣。

(3)環境污染問題是煤低溫干餾行業面臨的突出問題之一。原因有：①焦化行業的排污環節比較多，強度比較高，種類繁雜;②生產過程能耗大，荒煤氣是常壓的，利用時需要加壓，能耗高;③低溫干餾生產過程中排放的廢水、廢氣和廢渣中，含有大量有害污染物，不符合我國目前執行的環保標準，其后果是嚴重污染環境，同時還嚴重威脅生產地區的人群健康;④煤低溫熱解工藝的經濟效益不佳。其產品——焦油的價格比較高，是項目經濟效益的主要來源。但目前的問題是：缺少完整的產業鏈，難以實現產品的綜合利用;⑤半焦難以冷卻、儲存和運輸，且含有大量焦渣，利用價值降低;⑥焦油與粉塵難以有效分離，易堵塞管路。

(4)陜煤集團神木天元低階粉煤回轉熱解制取無煙煤技術(見圖3)是對熱解技術的進一步完善，力求克服上述缺點。但其熱半焦噴水后變成無煙煤的做法，似乎沒有解決半焦的應用問題。

圖3　粉煤回轉熱解制取無煙煤技術

2.2中低溫煤焦油輕質化[5]

煤焦油是一種寶貴的資源，其組成復雜，已被鑒定的組分有500種左右。通過加氫將煤焦油中的金屬雜質、灰分和S、N、O等雜原子脫除，并將其中的烯烴和芳烴類化合物進行飽和成烷烴，從而得到質量優良的石腦油餾分和柴油餾分。

近20年來，我國中低溫煤焦油加氫技術取得了明顯的進展，先后開發出了多種加氫技術，根據各種技術的特點，可以歸納為如下4類。

2.2.1煤焦油加氫精制技術

煤焦油加氫精制技術的特點是采用固定床加氫方法。其優點是：工藝流程比較簡單，投資和操作成本較低；缺點是：石腦油和柴油的收率較低(取決于原料煤焦油中輕油的含量)，導致煤焦油資源的利用率低。

2.2.2煤焦油加氫裂化技術

煤焦油固定床加氫裂化工藝是用固定床加氫裂化方法，把煤焦油中的重質油(>350 ℃)轉化成輕質油，從而提高輕油產品收率。

該工藝的優點是：把大部分煤焦油中的重油都轉化成了輕油餾分，提高了輕油產品的收率和煤焦油資源的利用率，即提高了柴油產品的十六烷值至40以上；該工藝的缺點是：工藝流程比較復雜，對原料油有一定的限制，要求原料油的干點<600 ℃。

2.2.3煤焦油懸浮床/漿態床加氫裂化技術

煤焦油懸浮床/漿態床加氫裂化技術是采用蒸餾的方法，將煤焦油分離為酚油、 柴油和重油(>370 ℃)3個餾分。酚油餾分采用傳統煤焦油脫酚方法進行脫酚，得到脫酚油和粗酚；>370 ℃重油作為懸浮床加氫裂化的原料，反應的產物為輕質油和含催化劑的尾油。

該工藝的優點是：加氫之前先脫除酚類，既能得到一部分酚產品，又能降低后續加氫過程的氫耗；將煤焦油中的重油全部加氫裂化成了輕油產品；所得柴油產品質量好，十六烷指數在40以上。

因此，該技術在資源利用、輕油產品收率和性質方面，都有突出的優勢。

2.2.4延遲焦化-加氫裂化聯合工藝技術

該技術是將煤焦油的全部餾分進行延遲焦化，生成氣體、輕餾分油、重餾分油和焦炭4個部分，然后將輕餾分油進行加氫精制，將重餾分油作為加氫裂化的原料，最后得到石腦油和柴油產品。該工藝投資較大，但液體產率較高。整個延遲焦化裝置的油收率約為80%，焦炭產率約為16%。

該工藝的優點是：把一部分重質煤焦油轉化成了輕質油產品；該工藝的缺點是：工藝流程比較復雜，將一部分煤焦油轉化成了焦炭，焦油資源利用不夠充分。

近年來，國內開展了延遲焦化-加氫裂化聯合工藝技術的工業化，例如在陜西神木建立了50萬t/a煤的焦油輕質化裝置。

2.3半焦的利用2.3.1半焦的性質

半焦也稱為蘭炭，是煤中低溫熱解得到的固體產品。

在煤的中低溫熱解過程中，副產品半焦要占到整個反應產物的約60%～90% (質量分數)。如何合理利用半焦將決定整個煤中低溫熱解過程的經濟性和實現工業化的可能性。煤中低溫熱解所得半焦的性質主要取決于煤種、灰含量和形成半焦的反應條件等。

半焦在氣化反應過程中受其活性的影響，其主要的影響因素有：原煤性質、熱解溫度、熱解氣體停留時間、熱解壓力、熱解氣氛等。

總之，半焦的固定碳含量高，制成含碳量高的水煤漿用于煤氣生產，可提高利用率，降低氧耗、煤耗。半焦氣化對提高中低溫熱解工藝競爭力、真正實現煤的清潔、高效、環保利用有著重大的意義。

2.3.2半焦的處理

目前科學家試驗的注意力集中在中低溫熱解上，而半焦處理沒有成熟的技術可以應用。

有的主張賣掉半焦。一個處理1 000萬t煤的工廠，產出500萬t半焦，等半焦從熱解處理后冷下來，費時費力、占地排污；如果賣不掉，半焦堆成山，導致資金積壓。

有的主張自建電站。用半焦發電，實際上是一個電站搞了一個很大的場地來處理買來的煤，費很大的勁從煤中提了一點油，真不如IGCC技術成熟和環保。

有人認為半焦氣化沒有問題，然而這只是推測性的紙上談兵，沒有工業化裝置來證明這一點。

因此，如果半焦氣化過不了關，整個分質利用工廠就不能正常生產。

2.3.3在氣流床中半焦氣化

有的主張半焦氣化。認為水煤漿或干煤粉氣化技術成熟，因此把半焦氣化后，做甲醇或再加工產品或油品，要比煤直接做化工產品效率高，成本低。但你怎么知道半焦在氣化的時候與煤的性能是一樣的，可以像水煤漿一樣氣化，可以像干煤粉一樣輸送且對管道、管件、噴嘴沒有磨損？長期用水焦漿氣化或干焦粉氣化的裝置運行的工廠能做到安全、穩定、長周期、滿負荷生產嗎？

實際上，在氣流床中半焦氣化(制漿或干粉)是有難度的，對半焦能否在氣流床中使用仍有疑問，缺乏工業實際的經驗,其原因在于：①半焦硬度大，對爐內壁的磨損較大；②一般水煤漿氣化的溫度在1 350 ℃上下；半焦的灰熔點有點低，氣化的反應溫度過低，又不利于CO的生成；③半焦中揮發分低會導致反應活性下降，碳轉化率也隨之較低；④半焦可磨性差，成漿相對困難，難以破碎，對磨機的要求高；⑤半焦的黏度比較大，制成的水煤漿流動性不好，導致管道的臟堵很嚴重；⑥半焦易于吸水，內水含量高，制漿濃度上不去；⑦半焦冷卻會帶來空氣污染。

2.3.4在固定床中半焦氣化

有的已經開始在純氧常壓固定床氣化中試用，在UGI爐摻燒20%的半焦是有成功先例的[6]。

有人認為，改造UGI爐使其用純氧在常壓下連續氣化，可以得到合成氣，再加壓進行合成氣化工的凈化和各種加工工藝。這個辦法的壓縮能耗很高，將來產品的成本不會低。而且只能用塊焦，如果將粉焦再壓塊，成本又很高，容易在高溫下粉碎。

有人認為將塊狀半焦投入魯奇爐中，純氧加壓的工藝很成熟。這點沒有疑義，問題是不如將塊狀煤直接投入魯奇爐中，同樣能回收焦油，何必來個分質利用，多此一舉。

3分質利用的流程

從脫水的煤開始，進行分質利用的流程是怎樣的呢?目前國內學術界對于分質利用有兩種意見：一種是主張搞“半”分質利用，即低品質煤轉化為油品和半焦用作燃料；另一種是主張搞“深度”分質利用，即低品質煤全部轉化為油品。

3.1“半”分質利用

“半”分質利用廠實際上是一個焦化廠加焦油制油廠，產品為半焦和油品，還會有少量的液化氣和合成氣，半焦用作燃料，煤的“半”分質利用流程見圖4。

圖4　煤的“半”分質利用流程

煤經過熱解得到荒煤氣、焦油和半焦。如前所述得到CH4、CO和H2，焦油然后制成輕質芳烴、酚、半焦、石腦油等油品。

(1)半分質利用是靠投入煤量的40%～50%生產半焦來維持的，把處理半焦的任務，交給社會去解決。

(2)焦油加氫后的柴油質量欠佳，16烷值不夠高，接近國家標準的下限。

(3)有大量含酚污水需要處理。

(4)干餾后出來的煤氣中很難完全脫除焦油，容易黏結設備和管道。

(5)煤的干餾是常壓設施，設備巨大，千萬噸級的工廠占地驚人。

(6)轉化半焦是需要能量的，研究人員宣稱的半分質利用的能量轉化率數據為75%是毫無意義的。因此，在計算能量轉化率時，半焦的能量不能按熱值計算，必須將半焦全部轉化為下一層產品，也就是說它的熱值要打一個很大的折扣(約只有40%的能量可以利用)。因此，“半”分質利用的能量轉化率能達到45%已經是不錯的了。

3.2深度分質利用

“深度”分質利用是真正的煤制油工廠。沒有半焦產品，主產品為柴油和石腦油，還會有少量的液化氣，煤的深度分質利用流程見圖5。

圖5　煤的深度分質利用流程

實際上它是一個低階煤制油的優化流程，當煤中揮發分比較高時，這個流程具有優越性，能充分發揮煤中氣液固三相的全部優勢。但是實現這個流程的關鍵仍然是半焦能否大規模氣化。如果這一點做不到，這個流程仍然是空談。

4分質利用的工程建設

煤炭分質轉化利用多聯產具有代表性的路線主要有：①陜煤化集團的分質轉化多聯產路線，主要是圍繞著陜北低階煤中的長焰煤展開；②大連理工大學分質轉化多聯產路線，主要圍繞著褐煤的分質利用展開；③浙江大學分質轉化多聯產路線，主要是一條圍繞著熱電化多聯產展開的路線。

目前，各地對分質利用的建設熱情比較高，國家對分質利用持支持態度，一些企業也正在開展這樣的項目前期工作，如陜煤化集團、廣匯能源、酒鋼等集團。通常是將半焦用作發電的燃料，只能說是“半”分質利用。

目前國內已經有一個集團(京能)在把這件事做到底，建了一個完整的分質利用煤制油廠，半焦氣化用的是水焦漿，把半焦制成合成氣，把荒煤氣也制成合成氣，合成氣全部制成油品，這算是一個深度分質利用的示范廠?？磥?，這件事做得很完整，效果有多好或多壞，現在不宜下結論，等開車后再來總結不遲。

5結語

(1)“半”分質利用沒有實際意義，費了很大力氣，無非是從低階煤中得到一些煤焦油而已；焦炭的冷卻、荒煤氣的轉化、煤焦油的加氫等加工仍然很費力；工廠進煤出焦，運輸很費力，把半焦的處理交給社會作為燃料；半焦的價格比煤價高，不容易推銷；而宣稱75%的能量轉化率數據是計算錯誤，根本不可能。

(2)“深度”分質利用是近百年來煤化工的美好理想，我們應該嚴格努力去實現。首先應該有一個示范廠，這里的難點還不少。若要實現“深度”分質利用，先解決半焦的利用。水煤漿氣化是很成熟的技術，不能就推理水焦漿氣化也是很成熟技術的結論。要證明水焦漿氣化是可行的，不僅需要實驗室制漿數據，更需要一套能夠達到“安全、穩定、長周期、滿負荷”運行的半焦氣化生產裝置來證明，這個問題的成敗決定了深度分質利用的命運。

(3)常壓下半焦的固定床氣化只能用于碎煤，合成氣利用需要加壓的能耗很高，應用范圍受到限制，難以在大化工上使用。

(4)我們歡迎有這樣的企業來獻身“深度”分質利用事業,建成一個示范廠。在沒有成功之前，筆者提醒大家，不宜大規模推廣。

參考文獻：

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[6] 閔慶紹,徐祥軍.連續富氧造氣爐摻燒蘭炭運行總結[J]. 中氮肥,2012，27(15)：16-17，59.

Discussion on Coal Quality-based Utilization

TANG Hong-qing

(SynfuelsChinaInc.,Beijing101407China)

Abstract：Coal quality-based utilization and low rank coal conversion have attracted higher attentions.This paper introduces the definition of coal quality-based utilization and industrial process and presents a viewpoint that ‘half’ coal quality-based utilization has no practical significance and it is inadvisable to promote coal in-depth quality-based utilization in a large scale before success of a demonstration plant.

Keywords：coal; raw gas; tar; semi-coke; quality-based utilization

收稿日期：2015-08-12

中圖分類號：TQ 536

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8901(2016)02-0001-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.001 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.001

作者簡介：唐宏青(1941年-)，男，上海人，1965年畢業于北京大學，教授級高級工程師，1989年獲中國石化首批“突出貢獻科技管理專家”稱號，2008年受聘于中科合成油技術公司，長期從事化學工程與煤化工的開發和設計工作。