煤熱解技術及其運行影響因素分析

樊 花，劉振虎，牛鴻權，陳 雷

（陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000）

煤炭分質利用以煤熱解工藝、煤的組成和結構特點為基礎，充分發揮煤炭資源特點與優勢，將煤轉化為固體、液體、氣體三相產品物質，并依據產品特點進行分級利用，脫除環境污染物，實現煤炭資源的高效、清潔利用。煤炭分質利用比直接或間接煤制油、煤制天然氣的資源利用率更高，煤熱解工藝充分利用輕質組分生產出焦油和煤氣，在滿足自給的前提下將產品輸出，同時以減少環境污染為主向，是今后煤炭清潔高效利用的重要發展方向[1]?；诖?，本文主要闡述了煤炭中低溫熱解工藝方法、基本過程、主要技術，介紹了典型粉煤熱解技術——低階煤氣固熱載體雙循環快速熱解技術（SM-SP）的特點和工藝流程，并對低階煤熱解反應的影響因素進行了總結和探討。

1 煤熱解的基本概述

煤熱解即煤干餾，指煤在隔絕空氣（或惰性氣氛）條件下持續加熱，在不同溫度下進行一系列物理、化學反應，進而獲得較高產率的產品（煤氣、焦油、半焦等）。煤熱解技術主要以中低溫熱解為核心，能提供多樣化的煤基產品[2]，是提高煤炭產品附加值的有效方式。

1.1 煤熱解工藝方法

可根據煤熱解溫度、壓力、加熱速度、加熱方式、氣氛、熱載體類型、反應器內粉煤密度以及反應器類型等對煤熱解工藝進行分類，如圖1 所示。

圖1 煤炭中低溫熱解的主要工藝方法

1.2 煤熱解的基本過程

煤熱解過程的主要變化是其分子結構變化，基于此，該過程可分為三個階段，如圖2 所示。

圖2 煤的熱解過程

第一階段：干燥脫氣（室溫～Td），此階段煤的外部形狀沒有突出變化，主要產生輕質氣體；第二階段：活潑熱分解（Td～550 ℃），此過程即形成半焦階段，煤的分子結構開始發生分解，并存在一定程度的內部縮聚，以及有大量煤氣、焦油等揮發分逸出；第三階段：熱縮聚（550 ℃～1 000 ℃），此過程析出大量煤氣，焦炭體積收縮。一般煤熱解溫度在500 ℃～800 ℃時得到中、低溫煤焦油液態產物；高于900 ℃時得到高溫煤焦油液態產物[3]。

煤炭熱解產業的主導產品已經由蘭炭轉變為油化產品，提高焦油和可燃性氣體等的產率是煤熱解行業提高綜合效益的基本途徑。所以，開發出單套規模較大、原料來源廣、液體和氣體等綜合產出率高、技術先進、經濟可行、成熟可靠的煤熱解工藝已成為煤熱解行業的基本共識?？傊?，中低溫熱解技術實現了煤的部分氣化和液化，煤焦油的產量也比高溫熱解更為優異，可較好的用于生產輕質化油品。

2 氣固熱載體雙循環快速熱解技術（SM-SP）特點及工藝流程

現階段已開發出多種煤熱解工藝方法[4]，主要工藝技術如圖3 所示，其中大部分工藝已進入工業化試驗階段，且主要以低變質煤提質、提高半焦質量和煤焦油產率為目的。

圖3 煤熱解的主要工藝技術

2.1 SM-SP 工藝技術特點

SM-SP[5-6]技術是一種含有兩種熱載體的熱解工藝技術，在陜西煤業化工集團子公司上海勝幫化工技術股份有限公司和陜北乾元能源化工有限公司的共同研發下完成。該技術借鑒催化裂化技術工藝經驗，使粒徑≤100 μm 的粉煤在氣體熱載體(自產循環煤氣）的輸送和固體熱載體（自產粉焦）的熱量供應下，在反應器內進行秒級快速反應，分離獲得焦油、煤氣和粉焦等產品。陜北長焰煤作為本裝置的原料，煤質分析見表1。

表1 陜北長焰煤的工業分析和元素分析

目前，SM-SP 技術已經完成2 萬t/a 的粉煤熱解工業試驗，該技術實現了氣、固產品的快速分離，并降低了焦油含塵量。SM-SP 工藝的技術優點包括：（1）優選粒徑≤100 μm 的粉煤，易于工程控制，解決了油品含塵問題；（2）利用高比熱容的固體熱載體和高傳熱效率的氣體熱載體，獲得高產率熱解焦油；（3）采用油氣急冷技術，減少焦油結焦；（4）分餾塔產品分離后熱量再次回收，裝置能耗低。其缺點是：（1）秒級快速反應的影響因素變化易打破系統平衡；（2）固體熱載體粉焦中混有灰渣，容易降低產品半焦的熱值?？傊?，該技術在較低能耗工況下能獲得較高品質與收率的熱解產品。

2.2 SM-SP 基本工藝流程

陜煤集團榆林化學熱解啟動工程120 萬t/a 粉煤熱解裝置采用SM-SP 工藝，粉煤在提升管反應器中的反應時間3 s～5 s，實現了秒級反應。該工藝流程示意圖如圖4 所示。

圖4 SM-SP工藝流程示意圖

SM-SP 粉煤熱解裝置包括磨煤干燥系統、粉煤進料系統、反應-燒炭系統、分餾系統、粉焦冷卻系統和公用工程系統?；竟に嚵鞒蹋浩л斔瓦^來的原煤通過磨煤系統研磨成粒徑≤100 μm 的粉煤后，被輸送氣送至提升管反應器入口，粉煤再與自燒炭器來的固體熱載體粉焦快速混合進入提升管反應器床層進行粉煤熱解反應，生成油氣、粉焦及少量水蒸氣，再進入沉降器內進行氣固快速分離，分離產生的高溫油氣進入分餾塔，由分餾塔切割組分得到產物循環煤氣、熱解輕油和熱解焦油；沉降器底部的粉焦部分作為循環粉焦進入燒炭器為煤熱解反應提供熱量，其余經粉焦冷卻器冷卻后，作為產品送出裝置。

煤在熱解過程中會產生熱解水、CO2、CO、石蠟烴、芳烴、雜環化合物等，殘留固體不斷芳構化，并在足夠高的溫度下轉變為固定炭。煤熱解過程取決于煤的性質，也受到煤熱解特定因素的影響。

3 煤熱解的影響因素

3.1 原料煤性質

煤階是原煤自身的性質，用來描述煤形成過程中的煤化程度，是決定煤熱解產物分布的最直接因素，不同煤階的煤，其分子結構和成分不同[7]，這將直接影響煤的傳熱、傳質效果以及產物分布[8]。此外，煤表面氣孔的大小會影響干燥脫氣過程，而粉煤含碳量的高低則會影響半焦的產量，含碳量高，半焦產量高。

3.2 煤樣粒徑

粒徑主要影響煤熱解過程的傳熱、傳質和揮發分的逸出效果，進而影響熱解產物。隨著溫度升高，煤解聚產生類似焦油的物質，從傳熱角度看，若這些物質在較短時間內離開顆粒表面即可形成焦油，反之，則可能與顆?？s聚形成焦炭；從傳質角度看，大粒徑粉煤使得焦油離開煤顆粒表面的時間增加，焦油產率減少。此外，王苗等[9]對不同粒徑下煤樣的TG-DTG 曲線進行分析，發現粒徑對熱解失重率的影響呈拋物線分布，最大熱解失重量存在最佳粒徑，對粒徑小于0.42 mm 的神府煤樣，粒徑減小，最大失重速率也由4.36%/min減少至3.25%/min，這是由于該粒徑范圍下的煤樣堆積密度增加，阻礙了熱解產物的逸出，進而增加了煤顆粒內部焦油的二次熱解反應，使得液體焦油產率減少。因此，合適的煤粒徑對熱解工藝十分關鍵。

3.3 熱解溫度

溫度不僅影響干燥脫氣階段效果，而且與半焦產量、循環煤氣及焦油的產量密切相關[10]。伴隨溫度的升高，煤中羧基斷裂，釋放出CO2和煤中吸附的小分子物質；溫度繼續升高，煤轉化率提高，焦油二次反應相繼發生，半焦中的芳香化合物開始縮聚轉化為焦油，半焦產量減少，干餾氣和焦油產量增加；當溫度超出一定范圍，二次裂解反應持續增加，焦油產量下降，半焦和氣體產量反而增大。張茸茸等[11]研究發現，熱解終溫升高，焦油產量先升高后降低，在550 ℃時達到最大（9.7%），這說明煤熱解反應已完成，且無二次反應發生。因此，在一定溫度范圍內，高溫是有利于焦油產率增大的。

3.4 熱解升溫速率

升溫速率的改變對煤熱解產物的收率和結構有較大影響。張茸茸等[11]分析了升溫速率對焦油產率的影響，發現升溫速率為10 ℃/min 時，焦油產率為9.65%，相比于升溫速率1 ℃/min 提高了1.45 個百分點。這是由于升溫速率較低時，受熱時間較長，焦油被吸附而不能快速析出；升溫速率增加時，受熱時間變短，焦油可快速析出。王苗等[9]在不同升溫速率下對粒徑小于0.178 mm 煤樣的TG-DTG 曲線進行分析，結果顯示，隨著升溫速率的升高，最大失重速率也隨之加快。從傳熱角度講，升溫速率越快，煤內部受到的作用力越強，對熱解失重影響越大；從傳質角度講，雖然升溫速率增大可能會導致瞬時熱解速率加快，但揮發分在顆粒內部的停留時間也將會增加[12]，這會使揮發分中的焦油產生二次反應，進而使熱解失重率減小。

3.5 熱解壓力

壓力是影響揮發分在煤內部傳遞的參數。增加壓力，半焦產率增多，這是由于高壓抑制了揮發分析出的速度，加強了液相的分子間作用力和第三階段的熱縮聚反應。壓力增大后，焦油在熱解反應器中停留時間相對延長，為焦油進一步裂解提供條件，使一部分焦油轉化成氣體和半焦，煤氣和半焦有所增加，焦油產率下降。而低壓熱解其揮發分析出抑制力小，熱解反應速度快，焦油的二次熱解程度低[13]。因此，增加壓力，焦油產率減少，煤氣產率增加。

3.6 停留時間

以煤低溫熱解（熱解溫度500 ℃～650 ℃）為前提，停留時間會影響煤的熱解反應，煤在熱解終溫時的停留時間越長，產物發生二次反應越完全[14]。任云鋒等[15]分析發現，熱解溫度為500 ℃～800 ℃時，氣體停留時間取4 s～6 s 較為合適。停留時間過短，會導致煤熱解反應不完全；停留時間過長，煤雖然能夠充分熱解，但會促進二次反應進行，不利于焦油的獲取，對提高工業化大規模生產效率也有一定影響。因此，優化煤熱解產物的關鍵點在于合理調節載氣流量和停留時間。

3.7 氣速

氣速對熱解焦油收率也有很大影響。氣速過大，煤粉將更容易被帶出反應器，不能進行充分的熱解反應，焦油收率減少；氣速過小，煤粉在反應器內的反應時間增加，從而增加了焦油和半焦發生二次熱解反應的機會。

對于SM-SP 工藝而言，粉焦循環量也會對煤熱解反應產生一定的影響：固體熱載體粉焦循環量不夠，造成反應器溫度下降，從而使系統溫度降低；循環量過大，則會增加反應器內旋風分離器的負荷，進而增加反應-燒炭單元的能耗。

4 結語及展望

本文對低階煤熱解的基本過程、SM-SP 熱解技術的優勢以及煤熱解的主要影響因素進行了綜述，除本文探討的煤階、煤樣塊度和粒徑、熱解溫度、熱解升溫速率、熱解壓力、氣體停留時間、氣速、粉焦循環量等影響因素外，其他煤熱解的潛在影響因素有待進一步研究。在煤中低溫熱解過程中，為進一步降低能耗、提高焦油收率，影響因素的調控尤為重要。

當前煤熱解技術需要解決的重點問題是：熱解工藝技術的選擇、環保因素的調控以及產品經濟效益的獲取?；诿簾峤夤に嚨难芯楷F狀和最新進展，煤熱解未來的重點研究工作應當以“碳達峰、碳中和”為核心，在使用簡單工藝、設備的基礎上，利用有效的技術手段去除煤中的有害雜質，保證下游裝置清潔利用，實現低階煤的節能、環保和高效能轉化。