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    中低阶煤分质梯级利用的发展与创新

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    一 前言

    中低阶煤,是指处于低变质阶段的煤,根据煤化程度,可分为低变质烟煤(包括长焰煤、不黏煤、弱黏煤)和褐煤。中国目前探明煤炭资源储量1.48万亿吨,其中中低阶煤占59%,约8732亿吨。2013年,中国的煤炭产量36.8亿吨,其中中低阶煤产量18亿吨,占49%;中国的煤炭消费量36.5亿吨,其中低阶煤消费量19.2亿吨,占52.6%。[1]由于中低阶煤具有挥发分高的特性,长时间裸露空气中易风化和自燃,使中低阶煤的利用受到很大限制。尤其中低阶煤中的褐煤,含水量大,运输成本高,许多国家把褐煤作为一种低等级燃料,在坑口露天矿附近建设电站,直接用褐煤作为燃料发电。

    中低阶煤的挥发分含量一般可达原煤重量的30%以上,这些挥发分蕴含着高附加值的油气资源,因此中低阶煤资源理应受到格外重视和优化利用,以发挥其最大效益。目前,中低阶煤的利用方式主要包括直接燃烧、液化、气化、微生物转化以及热提质。若将中低阶煤直接燃烧,热效率较低,且其中的挥发分得不到有效的开发,不仅会造成资源的浪费,而且其主要以粉尘、氮氧化物或硫氧化物的形式排放到环境中,带来极大的环境污染问题。此外,中低阶煤作为化工原料也受到一定的限制。液化和气化都对中低阶煤的品质要求相对较高,中国迄今对中低阶煤尚未进行大规模的开发和利用。因此,降低中低阶煤含水率,改善中低阶煤的性质,提高其利用率,成为中低阶煤加工利用亟待解决的问题。

    为提升煤炭的利用水平,2014年11月19日,国务院下发的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》指出:要制定和实施煤炭清洁高效利用规划,积极推进煤炭分级分质梯级利用,加大煤炭洗选比重,鼓励煤矸石等低热值煤和劣质煤就地清洁转化利用。2015年1月12日,国家能源局、环保部、工信部联合下发的《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》指出:在条件适合地区,积极推进煤炭分级分质利用,优化褐煤资源开发,鼓励低阶煤提质技术研发和示范,推广低阶煤产地分级提质,提高煤炭利用附加值。2015年4月27日,国家能源局又发布了《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2020年)》(国能煤炭〔2015〕141号),从煤炭提质加工、燃煤发电、煤化工、燃煤锅炉、煤炭分质分级利用、民用散煤治理、减少污染物排放7个方面提出重点工作和到2020年的工作目标。

    二 中低阶煤分质梯级利用的概念

    2015年3月25日,国家能源局网站公布了《关于促进煤炭工业科学发展的指导意见》(以下简称《意见》)。在“推进煤炭清洁高效利用”一节,《意见》指出:严格执行《商品煤质量管理暂行办法》,研究建立商品煤质量标准体系及配套政策,提高煤炭质量和利用效率,鼓励建设煤炭分级分质梯级利用示范项目,有序发展低热值煤发电等资源综合利用项目。从《意见》看出,低热值煤的分质梯级利用已纳入国家推进煤炭清洁高效利用技术的范畴。

    煤炭分质梯级利用采用的是一条以煤热解为龙头的工艺路线。根据煤炭原有的结构特点,在中低温条件下,将煤热解成气、液、固三相物质,实现煤炭分质,并根据它们的化学组成和理化性质特点进行有区别的梯级延伸加工,对煤炭组分进行有效综合利用。煤热解产品之一——热解气,可用于提取氢气/一氧化碳/甲烷等,用作化工加工原料,也可以直接进行合成,生产天然气/甲醇等下游化工产品;煤热解产品之一——热解焦油,通过分馏、加氢和裂化等手段生产出高附加值的化学品,以及汽油、柴油的调和组分油;煤热解产品之一——提质煤,可以根据提质煤品质和粒度分布选择使用,块状可选择用于生产电石、铁合金,粉状可通过煤气化路径生产化工产品。通过对目标产品选择和工艺过程环节选择工艺技术的优化组合,煤的分质梯级利用可以形成多种途径。

    (1)一级分质:在500℃~600℃条件下,将煤炭热解加工成固体(提质煤)、液体(焦油)和气体(热解气)三种形态产物。

    (2)二级分质:对一级分质产物进一步进行分质加工。气体(热解气)的利用,对热解气中的CO、H2、CH4等有效成分进行分质利用,如,可先提取CH4,剩余的CO和H2可作为合成气,也可变换成H2,用于煤焦油轻质化。固体(提质煤)的利用,对提质煤按照粒度的大小分质利用,块状提质煤主要用于电石化工或铁合金产业;粉状提质煤焦可作为清洁燃料和冶金还原剂,用于民用燃料、发电和高炉喷吹,也可作为气化原料。液体(焦油)的利用,可先提取酚和轻质芳烃,其余加氢制成石脑油和油品等。

    (3)三级分质:三级分质对二级分质产物进一步分质加工。例如:①对煤焦油加氢产物油品、石脑油、石蜡等进行分质利用;②对用热解气生产的甲醇以及甲醇驰放气体进行再利用。具体工艺路线举例如下:①通过煤焦油加氢工艺生产油品和石脑油等,并与焦粉气化费托合成的油品进行调和,生产出高品质的液体燃料;②利用粉焦气化制备合成气生产甲醇等化工产品,利用甲醇直接或与煤焦油加氢产物之一的石脑油进行吸放热反应耦合生产烯烃产品,利用C1和C2基础化工原料甲醇和乙烯向下游发展化工产品;③对热解气进行处理变换,使之成为合成气,根据不同需求生产各类煤化工品。

    从以上各分质利用路线来看,中低阶煤的分质梯级利用可以根据不同煤种的结构特点,在低能耗的条件下,将中低阶煤本身含有的油气挥发分先提取出来,资源和能量利用效率更高,潜在经济效益更好。这样,不仅可以避免资源浪费,一定程度上填补中国的油气缺口,还可以节约大量的水资源,降低CO2的排放。据研究统计,分质利用项目的水耗只有传统煤化工的1/7,投资只有传统煤化工的1/3[2](分质利用项目耗水0.4~5吨/吨标煤,投资约0.1亿元/吨标煤;煤制甲醇项目水耗约3吨/吨标煤,投资约0.4亿元/吨标煤)。因此,中低阶煤的分质梯级利用被称为目前能耗、物耗最低的煤炭转化利用方式。

    三 中低阶煤分质梯级利用发展现状和困境

    (一)中低阶煤分质梯级利用发展现状

    热解作为中低阶煤分质梯级利用的核心技术,是最早的煤炭化学加工技术。热解技术始于18世纪末,当时采用烟煤干馏法生产民用煤气,用作欧洲城市的街道照明燃料。1840年,煤炭干馏产品有了新的应用,即将干馏得到的固体产品(焦炭)制成发生炉煤气,用于炼铁。20世纪20~30年代,煤的低温热解工业发展较快,所得半焦产品主要用作民用无烟燃料,而液体焦油产品进一步加氢生产液体燃料。尤其在第二次世界大战前后,德国建立了大型低温热解厂,热解固体半焦用于下游造气,所得的合成气经费托合成反应制取液体燃料油。热解焦油经过简单处理后用作海军船用燃料,或经过高压加氢制取汽油和柴油。与此同时,德国还从煤焦油中提取各种芳烃及杂环有机化学品,作为燃料、炸药的原料。随后,日本、匈牙利、波兰、英国、美国、苏联、印度、南斯拉夫等国先后引进德国技术并在德国技术基础上开发出新的煤热解以及煤焦油加氢制取燃料油技术。

    中国曾于20世纪50年代掀起了中低温煤焦油加氢制取燃料油技术的研究热潮,却没有对中低温热解技术的开发有足够关注。直到20世纪70年代,富产优质中低阶煤的陕西榆林地区因苦于煤炭价格低廉且难以外运,自行创造了土法炼焦,获得半焦。20世纪90年代起,土法炼焦逐渐被机械炼焦所取代,形成了稳定的内热式直立炉热解工艺。直立炉热解工艺以中低阶块煤做原料,获得目标产品半焦。该工艺虽然具有投资低、工艺简单等优势,但随着煤炭开采方式的改变,以及国家环保及节能减排要求的提高,其弊端日益凸显。

    (1)煤气中含有40%~50%的氮气,热值低,有效成分含量少,无法经济地回收利用,绝大多数被“点天灯”或直接排放,造成极大的能源浪费和环境污染。

    (2)洗涤煤焦油的废水中含有焦油、酚、苯、多环芳烃、高化学需氧量等组分,难以净化处理。

    (3)只能用20~80毫米块煤做原料。

    (4)单炉最大产能仅10万吨/年(改进后也不过20万吨/年),且设备多、工艺路线长、占地面积大、能耗高、能效低。

    鉴于此,中国研究者们根据不同地区的自然地理环境,结合煤资源的特点,进行了多种煤炭热解技术的开发,使煤热解技术得到了快速的发展。按热载体方式可分为气体热载体、固体热载体和无热载体三大类。

    1.气体热载体热解技术

    (1)SJ型干馏炉

    SJ型干馏炉为神木县三江煤化工公司所开发。1996年进行了名为SJ复热式直立炭化炉的工艺设计并试验成功。2001年推出了与油页岩干馏技术相结合的SJ-1型3万吨/年低温干馏炉和SJ-2型5万吨/年低温干馏炉,在出现故障较多的方面都做了进一步设计修正。2003年推出SJ-3型10万吨/年低温干馏炉。2004年和2005年又进行了大量的理论和技术创新,推出了SJ-4和SJ-5炉型。其中主要的创新技术有:大空腔设计,自动化控制,间冷工艺,剩余废水综合处理以及中水回用,护炉钢板的设置,煤和兰炭的封闭筛分、输送,煤气全部回收利用,等等。

    SJ型干馏炉研发历程长,工程应用较多,但是直立炉特点决定,其单炉处理原料规模小,只能以优质块煤为原料,不符合现代煤化工发展的趋势,已经逐渐退出煤热解产业,向油页岩热解转型。

    (2)北京柯林斯达的带式炉改性提质技术

    柯林斯达公司在引进国内外先进的带式炭化炉设备基础上,针对中国煤炭资源的特征,在褐煤加工利用领域成功开发出了KDG、KDR-1带式炉褐煤改性、热解提质技术和KDR-2低阶烟煤中低温分级热解技术。

    KDG褐煤改性提质技术是将褐煤在200℃~300℃的温度区间进行加热,脱除大部分亲水性含氧官能团,使褐煤质量大幅度提高。KDR-1褐煤热解提质技术是在KDG改性提质技术的基础上,将褐煤受热温度提升至500℃~600℃,使褐煤受热分解,将褐煤提质成为性能更好的褐煤半焦产品,同时产出煤焦油。KDR-2低阶煤中,低温热解工艺是将烟煤依次经干燥脱水、低温热解提取煤焦油、中温热解提取热解气的分级热解工艺,工艺产品为半焦(兰炭)、煤焦油和人热解气产品。

    柯林斯达公司带式炉改性提质技术核心是带式炭化炉。该工艺于20世纪90年代在中国已建10万吨/年低阶煤热解示范项目生产线。2008年又在内蒙古锡林浩特建成投产30万吨/年褐煤改性提质项目,目前处于工业化示范过程中。

    (3)国电富通GF-I低阶煤干馏技术

    国电富通GF-I低阶煤干馏技术是北京国电富通科技发展有限责任公司与国能能源科技有限公司在鲁奇三段炉基础上合作开发的低阶煤提质技术,其核心设备国富炉为气体热载体外燃内热式连续干馏直立炉。

    目前,该工艺示范项目单条生产线原料最大处理量规模为50万吨/年,且在大唐锡林浩特矿业公司的褐煤提质项目中,已经完成2×50万吨/年提质系统设备建设。

    (4)大唐华银LCC技术

    LCC(Low-rank coal Conversion)低阶煤转化提质技术是一种煤炭轻度热解提质技术,是大唐华银电力公司和中国五环工程有限公司在LFC技术的基础上联合开发的。

    该工艺首套示范装置于2012年4月18日在内蒙古自治区锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗建成,原料处理量为30万吨/年,但是由于技术问题,一直没有稳定生产运行,目前无其他推广项目。

    (5)多段回转炉热解技术

    多段回转炉热解工艺(以下简称MRF工艺)是煤科总院北京煤化所开发的针对年轻煤综合利用的一项技术。该技术采用多段回转炉串联,对年轻煤依次进行干燥、热解、增碳等不同阶段的热加工,最终获得焦油、中热值煤气及粒状半焦。MRF工艺以回转式窑炉为主体设备,可采用灵活多样的工艺形式,适应不同的煤种,可处理不同种类的年轻煤、黏结性或非黏结性煤。

    该工艺结合气体热载体加热方式与回转窑热解装备,必然降低热解煤气品质差和增加焦油含尘量,仅定义为半焦是主要产品。由于半焦的下游市场没有进一步研发扩展,目前没有工业化项目运行,仅在海拉尔建设了年处理褐煤2万吨的示范装置,并于1993年、1994年进行褐煤热解工业试运转,产半焦约1300吨。

    2.固体热载体热解技术

    (1)DG法煤热解技术

    DG法热解技术是由大连理工大学开发的,使用粉状褐煤为原料的固体热载体热解技术。与气体热载体热解技术相比,所得的热解气热值更高,品质更好。而且该工艺在生产过程中采用干熄焦技术,具有节水环保的优势。但是,由于原煤粉需要和循环利用的高温焦粉进行混合换热,煤焦油的含尘量增加,降低了焦油品质。

    DG法主要技术特点是原料利用率高(原料100%利用),可以处理小于6mm的粉料;可有效处理易热粉碎原料煤,尤其适合褐煤;产品燃气热值高,热值为15~18MJ/m3;热效率高,能耗低。

    (2)浙江大学循环流化床热电气焦油多联产工艺

    浙江大学提出的循环流化床热电气焦油多联产技术是将循环流化床锅炉和热解炉紧密结合,在一套系统中实现热、电、气和焦油的联合生产。

    浙江大学在20世纪80年代提出了煤气蒸汽联产工艺的设想,1999年,在国家973项目的资助下,同淮南矿业集团合作将1台75t/h循环流化床锅炉改造为12MW循环流化床热电气焦油多联产示范装置。于2007年6月完成安装,2007年8月完成72h运行,2008年上半年完成性能优化试验,2008年10月系统投入试生产运行。该装置利用循环流化床锅炉高温循环灰作为热载体来热解原煤,半焦送回锅炉燃烧供热和发电焦油直接销售。净化后的煤气部分送回气化炉做气化介质,其余送锅炉燃烧发电。

    由于该工艺采用循环流化床锅炉燃烧热灰作为热载体,热解工艺与循环流化床锅炉绑定,推广热解工艺一定要配置相应规模的循环流化床锅炉,系统复杂且投资高,更不利于在非电厂环境下的工业化推广,目前没有工业级示范装置在建或者运行。

    (3)中国科学院“煤拔头”技术

    中国科学院的“煤拔头”技术也属于多联产工艺,由下行床和循环流化床的耦合实现。煤粉从下行床的顶部加入,在常压、无氧的条件下,煤粉与来自提升管的循环热灰进行强烈混合并加热,从而实现快速热解。生成的油气产物在下行管的底部通过快速分离器分离后,进入急冷器进行快速冷却,最终得到液体焦油产物?!懊喊瓮贰奔际醯墓ひ仗氐闶牵合低臣?,使目前国际循环流化床的快速床与下行床有机结合在一起。

    中国科学院过程所在完成8kg/h实验室试验基础上,与哈尔滨工业大学能源科学与工程学院进行中试合作,在设备制造方面与哈尔滨红光锅炉集团进行合作,完成35t/h循环流化床设计。由于该工艺采用循环热灰作为热载体,与浙江大学循环流化床热电气焦油多联产工艺相似,存在系统复杂且投资高等问题,目前没有工业级示范装置在建或者运行。

    3.无热载体热解技术

    (1)直立炉褐煤干馏技术

    中钢集团鞍山热能研究院在已成熟工业应用的内热式直立炼焦炉基础上,成功开发了干馏褐煤的内热式直立炉。该炉型的主要特点有:直立炉包括干馏室、烧嘴、排气口等,该直立炉由多孔干馏室组成,每孔干馏室横断面为变截面,干馏室上部设有布料板,干馏室顶部设有排气口,在直立炉内设有加热气体室,在加热气体室内设有调节板和气体分配砖,直立炉由异型耐火砖砌成多层耐火砖环形结构,炉体侧面设有煤气烧嘴,四周设有炉铁件。本实用新型设计结构合理,改善炉体密封性,有利于气体加热均匀,煤料在炉内运行顺畅,可用于干馏稳定性差的褐煤。

    由于外热式直立炉采用热烟气间接传热方式加热原料煤,烟气温度高,传热效率低,带来系统能效低,能耗高等缺陷,且直立炉单炉处理能力低下,无法实现该工艺的大型化、高效性。

    (2)无热载体蓄热式旋转床热解技术和蓄热式直立下行床热解技术

    无热载体蓄热式旋转床热解技术和蓄热式直立下行床热解技术均是由神雾集团研发的新型热解技术。两项技术均采用了钢铁行业已成熟工业应用的蓄热式辐射管燃烧器,该辐射管燃烧器使用了蓄热式高温空气燃烧技术,可燃烧低热值燃气,同时排烟温度降低至180℃,大幅提升了燃烧效率。同时,由于蓄热式辐射管燃烧器多方式分散置于热解炉内部,燃烧的热量全部保留在热解炉内部,提高热解能量利用效率,降低了能耗。两种热解工艺核心的加热技术一致,但是,针对原料煤不同的特性,选择了完全不用的两种热解反应器。

    ①无热载体蓄热式旋转床热解技术

    该技术的热解炉集成了高效节能的蓄热式辐射管燃烧器技术和高温旋转床技术。以块状煤为原料煤,原料煤平铺于布料床上随料床平面旋转,物料热解过程无翻滚,无挤压,降低了热解工艺对原料煤的强度、粒度、黏度等指标要求。

    同时,环形旋转床反应器在冶金行业已成熟应用,大型化设备运行稳定,该炉技术升级型“嫁接”用于煤热解,单体热解炉处理量易于实现大型化,目前正在进行40万吨/年煤热解工业化示范,单炉处理量100万吨/年工业化生产线在新疆正在建设。

    ②蓄热式直立下行床热解技术

    该技术的热解炉集成了高效节能的蓄热式辐射管燃烧器技术和直立下行床技术。以粉状煤为原料煤,原料煤从下行床顶部加入,自上而下经过内置于炉膛内部的辐射管,经过辐射传热完成热解反应,设备简单,热效率高,目前正在新疆建设处理量100万吨/年、半焦耦合发电的工业示范性装置。

    神雾集团的无热载体蓄热式旋转床热解技术和蓄热式直立下行床热解技术,热解过程均无热载体。由于采用辐射管加热,既可实现烟气与热解气隔离加热,热解油气产品收率高,质量好;又可通过控制单个辐射管燃气量分区精确控制热解温度;更重要的是采用蓄热式燃烧的方式供热,可以利用廉价低热值燃气,既提高了系统热效率,又降低了成本。

    (二)中低阶煤分质梯级利用发展困境

    目前,国内外煤热解技术虽有了快速发展,但业内专家表示,热解技术仍存在不少技术问题。气体热载体热解工艺得到的煤气热值较低,氢气、甲烷含量较低,氮气含量过高,达不到化工利用最佳条件,只能做燃料使用,存在资源浪费现象。固体热载体热解工艺只能处理粉煤,且运行过程中需要将热载体提升至相当的高度,需要耗费大量能量,或采取热解和循环流化床锅炉耦合,涉及一些高温物料的转移和输送,设备要求苛刻,工艺投资高,难推广。无热载体热解工艺虽然在加热方式及处理原料方面进行了许多创新,但目前处于工业化示范过程中,需待时日予以考证。

    一是技术不成熟。现有宣传报道的热解技术都没有实质性的突破,主要体现在:其一,热解气、焦液产品收率和品质都无法保证,例如,焦油的含灰量大,油渣分离困难,难以得到很好的市场应用;其二,目前热解技术大多采用干熄焦方式冷却半焦,无法回收半焦显热,系统能耗高,同时,采用湿熄焦会产生大量难以处理的煤泥熄焦水,直接排放造成严重的环境污染;其三,煤中携带的外水和热解产生的热解水,除一部分用于激冷半焦和冷却高温荒煤气外,大部分很难实现“绿色”处理。

    二是缺乏工程化验证,缺乏工业化装置连续化稳定运行的支撑。目前煤热解示范项目大多处于整改升级过程中,并无连续稳定运行装置,应当针对存在的工程化问题进行攻关,加强反应调控,提高油气品质和产率。为尽可能多的获得高附加值油、气资源和高品质半焦,实现煤热解过程中三项产品转化的可调、可控,应明确热解方式、停留时间、热解温度、产品组分及产品分配之间的关系,优化工艺参数和工艺流程,实现热解过程自身的热量平衡。

    三是半焦的利用没有得到解决。煤热解应当从整体上考虑产品的用途,必须解决半焦的利用问题。例如1000万吨/年规模的煤热解项目,一年要出半焦700万吨,合理利用半焦是煤热解技术持续发展的前提条件。半焦的传统消费市场如电石、铁合金和高炉喷吹等早已饱和。如果用于发电,还需要对现有设备、控制程序进行改造、调整,因为目前发电厂粉煤锅炉或循环流化床锅炉多按照烟煤设计,这无疑会增加成本。此外,半焦由于挥发分低、反应活性低,其作为气化原料的技术仍在开发中,也没有成熟应用的案例。

    因此,对热解技术及工艺进行创新和突破,解决半焦的利用渠道是进一步推动热解技术发展的驱动力,应大力开展煤热解与其他工艺项目的耦合研究,积极发展多联产。

    四 中低阶煤分质梯级利用的突破与创新

    (一)中低阶煤分质梯级利用的核心技术突破

    目前,中低阶煤热解技术大多停留在仅获得半焦—焦油—煤气三项产品阶段,半焦、焦油作为初级产品简单出售,煤气放空或燃烧,属于低端、粗放式的生产方式,系统的能源转化效率低。面对当前存在的一些问题,随着相关技术的提高,以煤热解为龙头的中低阶煤分质梯级利用必须走出新路子,积极综合利用热解三项产物深加工,向大型化、一体化、多联产的方向发展创新。

    据了解,利用褐煤发展煤热解、走规?;?,在国际上已有先例。目前,国外主要的中低阶煤加工技术有德国的低温热解工艺、苏联的褐煤固体热载体热解工艺、美国的温和气化技术、日本的煤炭快速热解技术和加拿大的阿特伯干馏技术等。近几年,国内煤热解新工艺的开发,也给煤热解的规?;?、多联产提供了技术上、工程化上的探索。

    以热解为龙头的煤分质利用自20世纪30年代起就受到各国关注。目前,全球已经有近几十个煤热解技术问世,能工业化成熟应用的多为立式炉。中国于20世纪80年代末成功开发了立式炉块煤热解技术,一直沿用至今。目前,全国煤热解产能已经超过8000万吨/年。但立式炉具有只能以块煤做原料、煤气有效成分和热值低、单炉产能小等弊端,使其进一步推广受到限制,也难以真正体现出煤分质利用的高效与清洁。为此,近几年,粉煤或全煤热解技术成为众多企业和科研单位竞相开发的方向。这其中,装置大型化和粉煤热解技术创新,是煤分质利用必须迈过的两道槛。

    1.装置大型化

    由于煤炭资源的特点,中国已经成为世界上最大的煤化工产业国。同时,中国的煤化工发展历史短、技术新,规划跟不上使中国的煤化工品种多,建设分散,项目规模整体偏小、重复建设、产品低端现象普遍。随着我国煤化工技术开发的投入,煤化工技术已达到世界领先的水平,但项目投资大、建设周期长,单位产品生产成本高,成为局限煤化工发展的最大障碍。因此必须坚定坚持煤化工项目大型化的方针,这是煤化工项目降本增效、增强经济性的必要条件。

    过去煤热解制兰炭,就是采用中低温干馏模式,使用的多为立式炉,要求块煤,年处理规模10万吨。这种技术现状,带来两个问题。一是目前中国煤炭采掘大型化,煤炭粉化率越来越高,而立式炉只消耗块煤,剩余的粉煤利用成为困扰。二是煤炭分级分质,对工艺产生效益的主产品是焦油和煤气,但拿出规?;康慕褂秃兔浩?,必须将整体规模做大。对于千万吨级规模项目,如采用立式炉,一个项目需要100台炉子,管理、运行的难度都会加大。

    业界之所以认为煤热解存在很严重的污染问题,主要因为大多现有煤热解技术的规模普遍偏小、企业布局分散,无法实现废水、废气集中低成本地回收处理与利用。事实上,只要实现热解装置大型化,并坚持走项目建设园区化、基地化、集约化的道路,污染问题与能耗偏高的问题就可彻底解决。

    目前产业内部主攻的是热解技术规模大型化,在2015年1月12日,国家能源局、环保部、工信部联合下发的《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》指出“在条件适合地区,积极推进煤炭分级分质利用,优化褐煤资源开发,鼓励低阶煤提质技术研发和示范,推广低阶煤产地分级提质,提高煤炭利用附加值”,并要求到2020年,“低阶煤分级提质核心关键技术取得突破,实现百万吨级示范应用”。在2015年4月27日,国家能源局印发的关于《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2020年)》的通知中亦指出:“鼓励低阶煤提质技术研发和示范??沟ハ低衬甏碓厦喊偻蚨旨吨械臀赂闪笾破?、制油为主要产品路线的大规模煤炭分质利用示范,促进我国煤炭分质利用和提质技术水平的提高?!薄?017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?!?/p>

    在政府的政策支持、国家和企业的资金支撑下,制约中国煤热解装置大型化的问题,经过众多尝试取得了一定的探索成果。

    2011年,河南龙成集团成功开发低阶煤旋转床热解技术,并建成30万吨/年工业化装置,该技术具有设备简单的优点,但是目标产品仅应用于高炉喷吹用煤,应用空间相对较小。

    2013年11月25日,大唐华银电力有限公司与中国五环工程有限公司合作开发的低阶煤低温热解改质利用技术,30万吨/年褐煤提质示范项目成功通过72小时满负荷考核。该技术20世纪在国外已建立示范项目,目前在中国还没有能实现长周期稳定生产运行的项目。

    2015年,神雾集团开发的无热载体蓄热式旋转床热解技术已建成40万吨/年工业生产线,顺利投产并稳定运行。同年,单炉处理量100万吨/年工业化装置正在建设中。该技术的优点是将钢铁行业已成熟的蓄热式辐射管燃烧技术和高温旋转床技术集成升级应用于煤化工领域,具备设备大型化条件,目前看来最有可能实现单台热解炉处理量达到百万吨级,但是需要工业化示范进行验证。

    2.粉煤热解技术创新

    目前业内尚无一种公认的可规?;蟹勖喝冉獾某墒旒际?。

    现代化开采工艺的推广,粉煤(<6mm)的产率达到60%以上。同时,由于粉煤利用技术的滞后和不成熟性,存在大量历史粉煤囤积现象,如何高效、清洁利用粉煤,成为煤化工领域迫切需要解决的难题。

    2012年12月神木天元公司联合华陆科技工程公司,启动了低阶粉煤回转热解制取无烟煤工艺技术开发,并经过两年多研发建成了6吨/小时粉煤回转热解制取无烟煤中试验装置,主要工艺流程如下:

    粒径为0~30毫米的低阶粉煤进入内热式回转干馏系统,用含氧干燥气加热至110℃~280℃,干燥脱水的同时除去0.2毫米以下的煤尘(通过调整炉内热烟气的气体流速和炉内渐变式组合分布器,使除尘气体与粉尘充分接触并对下落的粉煤进行吹扫)。干燥除尘后的粉煤送至回转热解系统,加热至350℃~650℃热解生成半焦和高温油气。半焦进入回转冷却系统,通过氧化还原反应,完成热解半焦的中低温纯化,使其各项质量技术指标达到或接近无烟煤质量标准,经冷却、喷水增湿、降为常温后作为新型无烟煤产品外送。高温油气进入油气回收系统,用轻质焦油洗涤得到煤焦油、热解水、煤气。煤焦油进入储罐或直接进入后续加工;煤气一部分经煤气预热器升温至150℃~450℃,返回至回转热解系统作为热源,剩余部分外供或用于制取氢气、液化天然气、液化石油气及其他化工产品;热解水进入废水处理厂统一处理后回用。

    专家也指出,该粉煤热解技术若要实现大型工业化应用,仍有诸多环节需要改进和完善。

    一是回转炉干燥与回转炉热解均属间接换热,热效率较低,工业化后能效和原料受热均匀度可能达不到预期效果。

    二是工业化后,在回转热解炉内来回翻转的原料煤在升温过程中会频繁地发生爆裂,产生新的煤尘,增加焦油含尘量。

    三是该技术虽然废水量较少,但废水中苯、酚、多环芳烃、化学需氧量浓度更高。如何处理该技术并实现资源化利用需要加快技术攻关。

    四是该装置只试用了榆林低阶煤,能否适应高含水的褐煤或其他高灰分、高挥发分低阶煤,需要进一步试验研究。

    龙成集团也在传统回转窑热解工艺基础上,针对生产洁净煤替代高炉喷吹用煤市场,开发了以低灰优质长焰煤粉煤为原料的热解工艺。该工艺与传统回转窑热解工艺比较,有了一定的升级和改进,主要体现在以下两点。

    一是采用其自身净煤气作为热载体,提高了热解气的品质,克服了传统回转窑热解工艺热解气品质差的缺陷,煤气热值可达到5500kcal/Nm3,但是与此对应的负面影响是净煤气需在回转窑外部加热,降低了其系统热利用率。

    二是该技术选择了较好的市场定位,为了规避回转窑热解工艺对热解物料造成严重破碎的缺陷,选用了粉煤为原料煤,其产生的焦粉全部用于供应唐山及周边区域的高炉喷吹用煤,用于替代贫煤、瘦煤、无烟煤等,市场定位较好,保证了工艺较好的技术经济性。正是得益于其较好的市场定位,其产品以粉焦为主,对于回转窑固有缺陷导致的焦油质量差、热效率低等不足,未有明显改进。

    总体来说,龙成集团通过上面两点的改进,工艺有一定进步性。但是行业专家表示,该工艺把宝贵的高热值热解气能源用来自身燃烧,主要产品仅为粉状半焦,而且为保证其工艺的经济性,洁净煤产品定位高炉喷吹煤替代,不具备大规模推广的可行性和项目的可复制性。

    目前粉煤热解技术多采用流化床或回转窑,但在这些年的工业化示范和推广过程中,遭遇了很多问题,特别是焦油含尘大和运行不稳定等世界性难题还没完全攻克。与此同时,神雾集团独辟蹊径,充分结合自身在燃烧技术和高温加热上的独特优势,开发的无热载体蓄热式下行床快速热解工艺,也许能给粉煤热解技术带来惊喜。

    该工艺结合蓄热式辐射管燃烧技术和可??榛⑹较滦写布际蹩⒊鲂滦腿冉夥从ζ?。采用粉煤为原料,通过均匀布料、快速热解、热解产物快速分离,获得高产量的油气资源。该工艺利用蓄热式辐射管作为加热兼布料元件,并通过科学合理设计辐射管的结构,来防止煤粉对辐射管的冲刷磨损,同时预防煤粉在辐射管的黏结结焦,并通过控制粉煤粒径、热解停留时间等参数,实现对粉煤的快速热解处理。

    该工艺的最大突破是采用了蓄热式内置式辐射管燃烧器加热物料,取代了热载体换热过程,既具有工艺流程简单、故障率低等优点,同时克服间接传热带来的系统热、效率低的缺点;反应器被集成到一个???,处理量可以灵活调整,并可以达到工业上大型化要求。目前该工艺正在与火力发电进行耦合,并在新疆建设处理量100万吨/年的、半焦耦合发电的工业示范性装置。

    (二)中低阶煤分质梯级利用的路线创新

    在煤市低迷的情景下,煤炭分质分级的关注点主要聚焦在焦油和煤气上,但是决定一个煤分级利用项目成败的关键要看煤热解后产生的大量半焦如何推向市场。业内的一种解决思路是做成洁净煤去销售,但是时下煤炭产能过剩,行情不景气,这一思路的可行性需要观察。北京神雾集团对中低阶煤热解半焦产品的利用途径提出了不同的看法。在该集团看来,必须针对下游市场的需求,对中低阶煤的热解技术做针对性的开发,并首次提出了“煤热解+”概念。神雾集团董事长吴道洪博士强调,“煤热解+”同于中低阶煤分质梯级利用层面,但不同于简单的工艺衔接,例如“煤热解+”电力,不是指将传统的热解后半焦拿去发电,因为传统工艺没有通过工艺耦合得到系统能效的提高和节能减排的效果。真正的“煤热解+”电力是在满足下游火电原料需求的同时,通过上游煤热解工艺的创新,使煤热解单元产生的半焦的显热能转移到下游火力发电,达到系统能效的提高和发电效率的提升,实现真正意义上的梯级开发利用。同样的,“煤热解+”化工也不是仅仅将热解油气作为化工原料,对大量半焦束手无策,而是需要更深入的工艺耦合来实现油、气、半焦的全面利用,提升系统能效,以获得最大的竞争优势。

    1.“煤热解+”电力

    从中低阶煤分质梯级利用层面讲,国家政策多次明确引导“煤热解+”电力煤炭利用路线。2015年4月27日国家能源局以国能煤炭〔2015〕141号文件发布了《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2020年)》的通知。文件要求:加强煤炭质量管理,加快先进的煤炭优质化加工、燃煤发电技术装备攻关及产业化应用,稳步推进相关产业升级示范,建立政策引导与市场推动相结合的煤炭清洁高效利用推进机制,构建清洁、高效、低碳、安全、可持续的现代煤炭清洁利用体系??姑禾糠种史旨短菁独?,提高煤炭资源综合利用效率。鼓励低阶煤提质技术研发和示范??沟ハ低衬甏碓厦喊偻蚨旨吨械臀氯冉庵破?、制油为主要产品路线的大规模煤炭分质利用示范,促进中国煤炭分质利用和提质技术水平的提高。逐步实现“分质分级、能化结合、集成联产”的新型煤炭利用方式。鼓励煤—化—电—热一体化发展,加强各系统耦合集成。在具备条件的地区推进煤化工与发电、油气化工、钢铁、建材等产业间的耦合发展,实现物质的循环利用和能量的梯级利用,降低生产成本、资源消耗和污染排放。

    从煤炭清洁高效利用角度来看,岑可法院士在接受《基石》杂志采访时也表示“煤炭分级转化清洁发电技术是根据中国国情提出的煤炭利用革命性方案之一。该项技术是基于煤炭各组分不同性质和转化特性,以煤炭同时作为资源和能源,将煤的热解和燃烧等过程有机结合,实现煤炭分级转化梯级利用。煤炭先在热解炉热解提取挥发分产生煤气和焦油,半焦再送锅炉燃烧产生蒸汽,煤气和烟气经净化可实现低污染排放控制和低碳排放,所生产的煤气可用于制天然气等燃料气,焦油可经加氢制得汽油、柴油等产品,蒸汽则用于电力生产和供热,灰渣根据其赋存形态进行有价元素提取和制水泥、建材等综合利用”。

    “煤热解+”电力路线真正解决了热解粉状半焦去向的难题。其中浙江大学是国内较早从事“煤热解+”火力发电路线,并进行工业化示范的研究机构。

    浙江大学在20世纪80年代初便已提出和设计了最初的多联产技术方案?;诹骰踩冉饧际?,浙江大学开发了以循环流化床为基础的煤炭热解燃烧分级转化多联产技术(详见图1)。该多联产技术将流化床热解炉与循环流化床锅炉紧密结合,通过合适的技术路线获得液体燃料、电力、化学品等产品的联产,具体工艺如下:

    煤(如褐煤和高挥发分烟煤)通过给料机送入流化床热解炉内,与从循环流化床锅炉旋风分离器分离下来的高温固体颗?;旌虾?,快速升温并发生热解反应析出煤气和焦油。煤在热解炉中生成的煤气携带半焦和循环物料颗粒进入热解炉旋风分离器,分离出大部分的半焦与循环物料。离开旋风分离器的粗煤气进入煤气冷却装置和焦油捕集装置进一步干燥、除灰,脱除携带的焦、油。净化后的煤气一部分作为热解炉流化介质进行再循环,剩余部分经脱硫等净化工艺后供民用或经变换、合成反应生产有用的液体燃料和化工产品,合成尾气还可用于燃气蒸汽联合循环(GTCC)发电。在焦油捕集装置中捕集的焦油可用于提取化学品或提质合成高品位合成油。热解炉分离器分离下来的热解半焦与换热后的循环物料被送入循环流化床锅炉中燃烧。循环物料在炉腔内部被重新加热后送入流化床热解炉开始新的循环。循环流化床锅炉和尾部受热面中生成的高温高压水蒸气可用于蒸汽轮机发电或供热及制冷等。流化床热解炉和循环流化床锅炉运行温度分别为550℃~750℃和850℃~950℃。

    图1 以循环流化床为基础的热解燃烧分级转化多联产系统示意

    浙江大学开发的热解燃烧分级转化技术具有以下特点和技术优势。

    (1)燃料适应性广。釆用了流化床热解技术,可收到基挥发分含量高于20%的烟煤和低阶煤。

    (2)系统能量集成度高。煤炭热解产生的高温半焦颗粒通过返料机构被送入循环流化床锅炉直接燃烧发电,散热损失小。

    (3)煤气品质好。循环流化床煤炭热解燃烧多联产工艺的热解过程以循环灰为热载体,避免了以烟气为热载体带来的煤气稀释问题,热解所产出的煤气有效组分高。

    但是也有业内专家表示,双级流化床工艺耦合存在同步操作难度大、工艺稳定性差的问题。而且采用锅炉热灰作为热载体,热灰返混量大,煤焦油的飞灰含量会明显增多,降低煤焦油的品质。

    神雾集团基于开发的无热载体蓄热式下行床快速热解工艺,提出了新的“煤热解+火力发电”工艺路线,分别与循环流化床锅炉发电和煤粉锅炉发电进行耦合(参见图2、图3)。

    图2 神雾低阶煤快速热解+循环流化床发电

    图3 神雾低阶煤快速热解+煤粉锅炉发电

    神雾低阶煤快速热解+循环流化床发电工艺把快速热解炉的半焦热送至循环流化床的返料阀,充分利用热半焦的潜热,且只需调整循环流化床返料阀的部分参数,不需要对循环流化床发电系统进行其他改动,就可以实现煤热解系统和发电系统的耦合。神雾低阶煤快速热解+煤粉锅炉发电工艺利用冷焦系统把热半焦冷却下来,冷半焦与原煤进行配比后进入制粉系统,半焦与原煤充分掺混,达到煤粉锅炉燃烧器设计的粒径和挥发分要求,再通过一次风送入煤粉锅炉燃烧。煤粉锅炉系统只需增加一条冷半焦输送皮带,锅炉的受热面、煤粉燃烧器都不需要重新设计。

    神雾煤热解+循环流化床或煤粉锅炉发电系统都可以把热半焦冷却下来进入煤堆场,并把热半焦显热回用,因此神雾煤热解+火电两套系统既耦合紧密,又相互不影响。针对不同区域,对于热解气和煤焦油也可以采取不同的利用途径,以满足当地的能源要求,实现效益的最大化。

    目前100万吨/年低阶煤快速热解+2×350MW热电联供工业化示范项目正在新疆开工建设,预计2017年年底投产。

    神雾煤热解+火力发电工艺具有以下特点和技术优势。

    (1)神雾粉煤热解工艺采取蓄热式内置式辐射管作为加热源,排烟温度小于180℃,所有的燃烧热都留在了热解炉内,为热解提供热量,提高了系统的热效率,因此神雾粉煤热解系统既具有间接换热工艺简单的优点,又克服了传统间接换热效率低的难题。

    (2)与煤粉锅炉合理的耦合,既利用热解半焦的显热,也可以利用电厂富余的蒸汽为热解系统煤粉干燥、热解气净化等提供能量,从而提高系统综合能效。

    (3)不需要对火电锅炉进行改动,且两套系统相互影响小,电厂调峰时,煤热解系统可以正常运营,煤热解系统检修时,电厂也可以正常运营。

    (4)粉煤热解过程中物料没有剧烈的翻滚、碰撞,热解气细尘带出少,煤焦油含尘量低。

    2.“煤热解+”化工

    煤化工按其产品种类可分为传统煤化工和现代煤化工。传统煤化工是指煤制焦炭、电石、甲醇等技术成熟的产业。现代煤化工是指煤制油、煤制天然气、烯烃、二甲醚、乙二醇等以煤基替代能源为导向的产业。以现代煤化工中具有代表性的五大产品工艺路线为例,分别为煤制甲醇、煤制烯烃、煤制油、煤制乙二醇、煤制天然气。以煤直接制油和煤气化为龙头的C1化工,业内发出了许多质疑,主要集中在单位产品投资高、资源转化效率低、水资源消耗高、碳排放高,难以应对资源和环境约束挑战等。有测算表明,目前中国煤制气装置平均水耗6.9吨水/千立方米天然气,煤直接液化为10吨水/吨油,煤制烯烃为22吨水/吨产品,煤间接液化为11吨水/吨油。[3]中国煤炭分布特点是西多东少,而西部地区水资源短缺现象严重,按照煤炭就地消化原则,西部难以承载过多煤化工项目。另外,煤炭在以气化为龙头的煤化工过程中会产生SO2、NOx、CO2为主的废气、废水和废渣。中国部分中西部富煤地区生态环境较脆弱,大量的污染排放将会造成不可逆的后果。

    煤化工重要的目标是实现煤炭的清洁高效转化,“煤热解+”化工就是一条中低阶煤清洁高效转化的重要途径。其革命性的意义在于,改变了传统煤化工和现代煤化工目前的煤炭利用方式,从源头革新煤化工发展工艺路线。通过“煤热解+”化工路线,可在煤炭资源加工利用的工艺前端对其进行热解处理,增加煤炭资源综合利用的经济效益,实现资源化利用,即固体能源向固态、液态和气态三种能源的高效转化,能源转化效率可以达到85%以上。其中,固态成分提质煤可作为下游的清洁能源原料,液态(焦油)成分可进一步加工成清洁燃料油、溶剂油或芳烃产品,气态产品可用于制取天然气。如此“煤热解+”化工,不仅实现了煤炭的分级转化和梯级利用,而且实现了环保、清洁、减霾的目的。

    以电石生产为例,传统电石生产要消耗大量的电力和优质兰炭或焦炭,并向大气中排放大量的污染物,是公认的“高污染、高能耗、高成本”三高行业。目前,中国电石大部分用于PVC(聚氯乙烯)生产,而下游PVC市场不景气,商品电石价格持续走低。其原因一方面是居高不下的原料和电力成本,另一方面是一路下跌的电石价格,导致电石行业全面亏损。在“能源?;焙汀盎肪澄;钡男问较?,电石行业必须全面转型,开发高科技含量、高经济性、低污染、绿色健康的工艺势在必行。

    如何降低生产成本,提高经济效益,突破传统电石生产工艺的“三高”限制,成为电石行业发展的瓶颈。笔者经过大量信息收集,获知神雾环??⒌男钊仁降缡鹿ひ粘晒ζ平饬舜车缡叭摺毕拗?。蓄热式电石新工艺以生产原料为突破口,采用粉状中低阶原煤和粉状石灰为生产原料,降低原料成本。通过热解工艺和电石冶炼工艺的有机耦合,热解物料热态并送至电石炉,工艺过程能量流被优化利用,提高了工艺系统能效,降低电石冶炼电耗10%~20%,每吨电石成本降低400~800元。同时,热解单元副产大量低成本的合成气(H2+CO)、高浓度的CO尾气、天然气、轻质石油等,来合成现代煤化工下游的甲醇、烯烃、汽柴油、天然气、乙二醇等能源化工产品。

    蓄热式电石新工艺的成功开发创新出一条中低阶煤和石灰石高效利用的新途径,为中低阶煤分质梯级利用指出了新的“煤热解+”化工发展方向。对传统电石生产工艺进行了革命,实现“低能耗、低成本、零污染”,推动电石行业可持续发展。同时电石生产低成本化,为电石乙炔化工一定程度上取代“煤基C1化工”提供了有力支撑,为“煤基C2化工”发展提供了新的方向和新的思路(参见图4)。

    基于蓄热式电石生产新工艺的“煤热解+”化工(电石乙炔下游化工),从产出的低成本的乙炔、合成气(H2+CO)、高浓度的CO尾气、天然气、轻质石油等为原料,来合成现代煤化工下游的甲醇、烯烃、汽柴油、天然气、乙二醇等能源化工产品。经测算,其单位产品的投资额可减少70%以上、能源转换效率提高15%以上、二氧化碳排放下降15%以上、水耗下降50%以上,最关键的是单位产品的综合生产成本可下降30%以上。

    2015年,蓄热式电石新工艺20万吨/年电石产品工业示范线已建成并投入使用,年产80万吨电石工业生产线正在建设中。

    综观国内外煤化工市场,在现有技术陷入水耗高、投资大、成本高的困境同时,笔者认为,由神雾集团开发的,基于蓄热式电石生产新工艺的“煤热解+”化工(电石乙炔下游化工)路线,确实让人眼前一亮,在可预见的未来,或将引领煤化工产业发展走向新的征程。

    图4 “煤基C2化工”新思路

    五 展望

    综上所述,中国在中低阶煤分质梯级利用技术上已经取得了长足进步。面对中国能源“缺油、少气、富煤”的禀赋特点,采用中低阶煤分质梯级利用的方式,是发展中国煤化工清洁高效利用的重要途径。立足全球能源结构格局和国内产业结构现状,实现煤的清洁高效和低碳化利用,部分直接或间接替代中国短缺的油气资源,对平衡中国能源消费结构和促进国民经济持续稳定发展具有重大战略和现实意义。全社会要共同努力,让中低阶煤分质梯级利用技术成为中国发展清洁、高效煤化工的必然选择,实现中国能源、经济、社会、环境协调可持续发展。为此,在各级政府和相关行业的推动下,要大力推广“煤热解+”电力和“煤热解+”化工技术路线,如果所有用煤行业都推广中低阶煤分质梯级利用,就可实现中国中低阶煤的高效、清洁利用,解决传统煤化工中低阶煤难以利用的问题,提高煤炭的整体利用水平,促进工业绿色发展,减少大气污染物的产生和排放,改善大气环境质量,让中国洁净煤化工为全面建成小康社会、建设美丽中国做出更多贡献。

    标签: 发展 创新 中低阶煤 分质梯级利用 “煤热解+”

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