十三五”低階煤分質(zhì)利用示范項目及重點內(nèi)容
“十三五”低階煤分質(zhì)利用重點是對成煤時期晚、揮發(fā)份含量高、反應(yīng)活性高的煤進行分質(zhì)利用，通過油品、天然氣、化學(xué)品和電力的聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)煤炭使用價值和經(jīng)濟價值的最大化。由此對低階煤應(yīng)用給出了明顯的定位。
示范項目內(nèi)容
對低階煤要研發(fā)重點突破清潔高效的低階煤熱解技術(shù)，攻克粉煤熱解、氣液固分離工程難題，開展百萬噸級工業(yè)化示范。研究更高油品收率的快速熱解、催化（活化）熱解、加壓熱解、加氫熱解等新一代技術(shù)。加強熱解與氣化、燃燒的有機集成，開發(fā)熱解-氣化一體化技術(shù)和熱解-燃燒一體化技術(shù)，配合中低熱值燃氣輪機或適應(yīng)性改造后的燃煤鍋爐，開展焦油和電力的聯(lián)產(chǎn)示范。研發(fā)煤焦油輕質(zhì)組分制芳烴、中質(zhì)組分制高品質(zhì)航空煤油和柴油、重質(zhì)組分制特種油品的分質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)，開展百萬噸級工業(yè)化示范。研究中低溫煤焦油提取精酚、吡啶、咔唑等石油難以生產(chǎn)的精細化工產(chǎn)品技術(shù)。開展50萬噸級中低溫煤焦油全餾分加氫制芳烴和環(huán)烷基油工業(yè)化示范。開展半焦用于民用灶具、工業(yè)窯爐、燒結(jié)、高爐噴吹、大型化氣流床和固定床氣化、粉煤爐和循環(huán)流化床鍋爐工業(yè)化試驗、示范及推廣。在各單項技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，加強系統(tǒng)優(yōu)化和集成，開展油、氣、化、電多聯(lián)產(chǎn)的千萬噸級低階煤分質(zhì)利用工業(yè)化示范。
“十三五”低階煤分質(zhì)利用新建示范項目為：建設(shè)京能錫盟、陜煤化榆林、延長石油榆林、陜西龍成、呼倫貝爾圣山低階煤分質(zhì)利用示范項目，分別承擔(dān)相應(yīng)的示范任務(wù)。詳見表1所示。
儲備項目
主要儲備項目為：延長石油榆橫煤基油醇聯(lián)產(chǎn)、陽煤晉北低階煤分質(zhì)利用多聯(lián)產(chǎn)、京能哈密煤炭分級綜合利用、新疆長安能化塔城煤炭分質(zhì)利用、華本雙鴨山煤炭與生物質(zhì)共氣化多聯(lián)產(chǎn)、琿春礦業(yè)低階煤分質(zhì)分級利用等項目。
低階煤熱解技術(shù)現(xiàn)狀分析
熱解技術(shù)類型
中國低階煤熱解提質(zhì)技術(shù)有幾十種之多，由于長煙煤、褐煤儲量大，高水份、高揮發(fā)分、易燃等屬性決定了低階煤直接利用存在一定的不合理性，由于低階煤煤質(zhì)復(fù)雜，熱解路徑眾多，因此國內(nèi)工藝技術(shù)繁多，表2給出了目前國內(nèi)比較常見的22種熱解技術(shù)類型。
熱解技術(shù)主要特征
由表2可知，這些低階煤熱解工藝大部分均投入運營，比較典型的內(nèi)熱式立式三段爐（干燥、碳化、冷卻）等在蘭炭等方面投入較多，單系列規(guī)模大都在5～10萬t/a左右，其中還有個別工藝仍在進行工業(yè)試驗。這些熱解技術(shù)現(xiàn)狀可以用二句話概況：一是大部分通過了有關(guān)部門組織的技術(shù)鑒定，基本上都正面對這些低階煤熱解裝置進行了技術(shù)評價，生產(chǎn)示范裝置達到中國（或世界）先進水平，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，各項設(shè)計指標(biāo)達到設(shè)計要求，經(jīng)72 h運行考核生產(chǎn)出熱解的產(chǎn)物，焦油、煤氣和半焦產(chǎn)品達到了產(chǎn)品指標(biāo)要求；二是部分運行或間歇運行裝置（煉焦和蘭碳除外）長周期穩(wěn)定生產(chǎn)較差，規(guī)模小產(chǎn)業(yè)鏈短，環(huán)保配套不全是一種比較普遍的現(xiàn)象。對上述技術(shù)進行分析歸納，見表3所示。
熱解技術(shù)特點分析
對國內(nèi)10種熱解工藝特點參數(shù)的分析分別列于表4。
根據(jù)表4提供的內(nèi)熱式三段直立爐，如中鋼鞍研院RNZL爐，神木三江SJ爐等小顆粒低階煤熱解典型工藝流程示意見圖1。
根據(jù)表5提供的內(nèi)熱式半焦熱載體移動床，大連理工大學(xué)的DG爐，粉煤熱解典型工藝流程示意見圖2。
根據(jù)表5提供的內(nèi)熱式高溫爐灰熱載體流化床，浙江大學(xué)的ZDL爐，粉煤熱解典型工藝流程示意見圖3。
根據(jù)表6提供的回轉(zhuǎn)窯熱解爐等，典型的工藝流程示意見圖4。
熱解存在的主要問題分析
由表6提供的部分低階煤熱解技術(shù)，目前在工程應(yīng)用上還存在一些問題：
長周期穩(wěn)定性分析
蘭炭熱解工藝受煤質(zhì)的特定要求，必須使用塊煤，所產(chǎn)煤氣質(zhì)量差，盡管產(chǎn)氣量較大，但煤氣熱值在7.5-8.5MJ/m3, 焦油產(chǎn)率低，規(guī)模小，環(huán)保性能差，綜合利用存在不足；魯奇三段爐熱解工藝使用塊煤，所產(chǎn)煤氣質(zhì)量差，盡管產(chǎn)氣量較大，但煤氣熱值在7.3-8.1MJ/m3, 焦油產(chǎn)率低，規(guī)模小，環(huán)保性能差，綜合利用存在不足；LCC低溫?zé)峤夤に噷α６扔幸欢ǖ囊螅a(chǎn)煤氣質(zhì)量較差，盡管產(chǎn)氣量較大，但煤氣熱值偏低, 自熱平衡不足，需要外補熱源，副產(chǎn)的煤氣不能進行深加工，焦油產(chǎn)率較高，規(guī)模小，綜合利用存在不足；DG低溫?zé)峤夤に囈罅６?lt;6.5mm, 焦油產(chǎn)率較高，煤氣熱值在17-18MJ/m3, 規(guī)模中型，半焦作為熱載體，長周期運行不足，綜合利用較好；流化床低溫?zé)峤夤に嚱褂彤a(chǎn)率較高，煤氣熱值在18-19MJ/m3, 規(guī)模中型，由于固體產(chǎn)品是半焦和爐灰的混合物，只能適用于電廠流化床鍋爐副產(chǎn)蒸汽發(fā)電，由于大量的爐灰（循環(huán)比在5－7）與半焦混合降低了含碳量，能耗高、燃燒效率降低，使用范圍受限，與大型發(fā)電裝置比較沒有優(yōu)勢。
這些有代表性的熱解工藝由于熱平衡、長周期、穩(wěn)定性、大型化、綜合利用等方面存在的局限性都還不能適應(yīng)煤炭分級分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用的目的，導(dǎo)致經(jīng)濟性不理想而難以大型化和產(chǎn)業(yè)化。
高溫油氣粉塵分離難分析
由于熱解工藝決定了在熱解過程中形成的粉未或熱載體帶入的粉未以及低階煤，尤其是褐煤的熱穩(wěn)定性差，受熱裂變成粉塵，存在安全隱患，污染嚴(yán)重，高溫的粉塵與熱解的油氣混合在一起，對后續(xù)的高溫油氣粉塵分離產(chǎn)生了很大的影響，難以有效分離。現(xiàn)今的高溫除塵器技術(shù)還能以徹底解決嚴(yán)重的油氣粉塵分離和安全隱患，雖然采用陶瓷過濾器交替燃燒改進，但仍存在過濾器易損耗，粉塵堵塞甚至導(dǎo)致爆炸的危害。
熱解廢水處理難分析
難降解廢水：低階煤受低溫?zé)峤夤に嚨南薅ǎ谳^低溫度下進行的碳結(jié)構(gòu)中的交聯(lián)鍵斷裂，產(chǎn)物重組和二次反應(yīng)，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、熱解煤氣等產(chǎn)物，由于這些物質(zhì)的特性以及煤炭中的重金屬組分等會伴隨著水分溶解在里面，這些難降解物種類多，高濃有機物、高難降解物、高含毒物,高含油物、高含氨氮等污染物。BOD與COD的比值遠遠小于0.3。
焦化熱解廢水：中除含有較高濃度的氨氮外,還有苯酚、酚的同系物如萘、蒽、苯并芘等多環(huán)類化合物。此外還含有氰化物、硫化物、硫氰化物等。這類廢水中有機物以芳香族化合物和雜環(huán)化合物居多，同時含有硫化物、氮化物、重金屬和有毒有機物，色度高，有異味，散發(fā)出刺鼻惡臭，具有強酸強堿性；
低溫?zé)峤鈴U水：成分同樣非常復(fù)雜，采用一般的生化工藝很難處理。需同時設(shè)置焦油和除酚、氨及回收設(shè)施進行預(yù)處理，預(yù)處理后有機廢水的COD仍然較高，可生化性較差。難于生物處理的原因,本質(zhì)上是由其難降解物種類的特性決定的。在微生物群落中,沒有針對要處理的化合物的酶,使其具有抗降解性，同時含有對微生物有毒或者能抑制微生物生長的物質(zhì)(有機物或無機物) ,從而使得有機物不能快速的降解。同時還存在零排放和高濃鹽水的無害化綜合利用。
大型化及一體化分析
由于低階煤熱解裝備在單系列裝置、中試裝置、示范裝置生產(chǎn)規(guī)模上還沒有形成百萬噸級的規(guī)模，甚至更大的規(guī)模。如200萬t/a或300萬t/a的低階煤熱解裝置，正是由于示范裝置長周期、穩(wěn)定性、環(huán)保性、油氣粉塵分離、焦油加氫精制等原因造成沒有更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。因此，也就較少進行單系列百萬噸級示范項目的工業(yè)驗證，目前在這方面有所突破。沒有低階煤裝備大型化的進程，也就沒有基地大型化、沒有統(tǒng)籌的一體化分級分質(zhì)利用全產(chǎn)品鏈建設(shè)，也就談不上油氣電化熱的一體化綜合循環(huán)利用。
低階煤熱解優(yōu)化的思考
煤熱解溫度選擇
熱解熱源：熱解過程所需要的熱量是由外部提供的，供給的熱量對熱解反應(yīng)有很大的影響。選擇不同的熱解溫度對熱解獲得的產(chǎn)品需求也是完全不同的。低溫?zé)峤鉁囟韧ǔ？刂圃?00~600℃，中溫?zé)峤鉁囟韧ǔ？刂圃?00~800℃，高溫?zé)峤鉁囟韧ǔ？刂圃?50~1000℃。選擇合適的熱解溫度非常重要。即要考慮低階煤的組分、煤質(zhì)以及含油率等重要參數(shù)，也與考慮確定熱解產(chǎn)品的需求及全產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)聯(lián)度，同時還要考慮初級原料的深加工和三廢的處理等關(guān)聯(lián)度。
在不同熱解狀態(tài)下的產(chǎn)出物類型：在低溫條件下：更易獲得較多的液體產(chǎn)品，即焦油。在高溫條件下：更易獲得較多的氣體產(chǎn)品，即熱解煤氣。在中溫條件下：即可獲得一定的液體產(chǎn)品，同時也獲得一定的氣體產(chǎn)品。熱解溫度高低對半焦產(chǎn)出物內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響較大：熱解溫度越高，固體原料的焦化程度也越高，碳內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的質(zhì)的變化，對后續(xù)固體燃料的加工造成一定的影響。
煤粒度及熱解爐型選擇
原料粒度與傳熱傳質(zhì)有關(guān)：顯然不同的加熱速度，如慢速（3~5℃/min）、中速（5~100℃/s）、快速（500~10000℃/s）等對原料煤的粒度大小、熱解反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)要求均是不同的，粒度必須與這些爐型結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)相匹配，才能獲得較高的熱解目標(biāo)產(chǎn)物。一般情況下，粒度范圍，如粉煤、6~8mm、10~20mm、8~60mm、塊煤10~100mm等。不同的粒度對應(yīng)不同的熱解反應(yīng)器類型結(jié)構(gòu)，不同的熱解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)要選擇最佳的原料粒度。我們既可以由粒度來對應(yīng)不同類型的熱解爐結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)確定的爐型來匹配相應(yīng)的最佳原料粒度。
流化床熱解爐
選擇粒度：通常適用于小顆粒的原料煤粒度，一般以<6mm粒度為宜。物料在床層內(nèi)呈流化狀態(tài)，傳熱過程比較快，比較容易實現(xiàn)熱解的過程。在熱解過程中若與高溫的爐灰混合加熱，容易與熱解的油氣混合在一起，對后續(xù)的油氣灰分離造成影響。由于低溫流化床熱解，本身粒度較小，不怕煤加熱粉化，與其它低溫?zé)峤庀啾龋@種熱解工藝能多產(chǎn)焦油，而且焦油中含有脂肪烴、芳烴和酚類物質(zhì)，經(jīng)加工能得化學(xué)品和燃料油。
移動床熱解爐
選擇粒度：通常比較適合小顆粒的熱解原料煤，一般以6~8 mm粒度為宜。這種粒度也比較容易實現(xiàn)熱解的過程，在熱解過程中也會產(chǎn)生少量的粉塵，油氣粉塵的混合分離相對流化床要容易些。該爐型除出焦系統(tǒng)外，均為靜設(shè)備，動力消耗低，熱解為漸溫加熱過程，熱解產(chǎn)生的油氣逐漸上升，遇冷煤重質(zhì)焦油便凝析，隨煤下行進入高溫區(qū)，重質(zhì)焦油會二次熱解，產(chǎn)生輕質(zhì)油，煤層之間有較好的過濾作用，煤的熱崩碎幾率較小，粉塵較易于除去，確保油品質(zhì)量。
回轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)）熱解爐
選擇粒度：通常適合較大顆粒的熱解原料煤，一般以8~30 mm粒度為宜。這種粒度在熱解過程中較少形成粉塵，油氣粉塵的混合分離相對要容易些。爐內(nèi)物料受熱也比較均勻，升溫速度較快，溫度控制比較精準(zhǔn)，易于實現(xiàn)最佳熱解溫度，避免溫度過高導(dǎo)致焦油二次裂解，產(chǎn)生的荒煤氣體積小，含焦油濃度高，便于回收。
粉煤回轉(zhuǎn)熱解爐
選擇粒度：適于粉煤熱解，以粒徑0.2～30 mm的粉煤為原料，熱煙氣在干燥粉煤的同時，去除粒徑＜0.2mm的煤塵。采用回轉(zhuǎn)爐干燥與回轉(zhuǎn)爐熱解串聯(lián)，加熱介質(zhì)采用逆、并流結(jié)合的方式供熱，爐內(nèi)溫度分布較合理，煤焦油收率高、煤氣組分優(yōu)、固體產(chǎn)品活性好、耗水少、原煤中水的回用率高。適宜在低階煤資源豐富、水資源缺乏地區(qū)推廣應(yīng)用，經(jīng)回轉(zhuǎn)干燥、除塵、干餾、冷卻、增濕、鈍化等環(huán)節(jié)，產(chǎn)出熱值較高的煤氣、煤焦油和半焦無煙煤。熱解過程用自產(chǎn)的煤焦油洗滌熱解氣中攜帶的煤焦油(傳統(tǒng)工藝為水洗)，并將粉煤干燥析出廢水與熱解水分別處理、梯級利用。因受細煤粉與煤焦油混合物難以分離、易堵塞設(shè)備管道等問題制約，還有待完善。
熱解產(chǎn)品
熱解目標(biāo)產(chǎn)品選擇確定熱解工藝：由于低階煤熱解工藝類型較多，在熱解過程中首先要取決于對目標(biāo)產(chǎn)品的選擇。如以煤焦油和化學(xué)品深加工為主目標(biāo)產(chǎn)品，熱解煤氣為次目標(biāo)產(chǎn)品，則選定低階煤熱解的要素為：低溫?zé)峤狻焖佟^短停留時間－內(nèi)熱式—移動床/回轉(zhuǎn)爐—氫氣或隔絕空氣－小粒度煤。如DC熱解工藝就是基于上述因素考慮的。如果產(chǎn)品鏈選擇發(fā)電、熱解煤氣為主目標(biāo)產(chǎn)品，低溫?zé)峤狻焖佟^短停留時間－內(nèi)熱式—流化床—氫氣或隔絕空氣－更小粒度煤。
綜上所述，低階煤熱解的發(fā)展趨勢：是以低階煤為原料，集煤的預(yù)處理、氣化、合成、發(fā)電、供熱等技術(shù)于一體的低階煤分級分質(zhì)多聯(lián)產(chǎn)綜合利用，研究開發(fā)完善低階煤低溫（中溫、高溫）快速（中速）熱載體氣流床（固定床、流化床、回轉(zhuǎn)爐）熱解工藝，以提取焦油、干餾煤氣和半焦為主要產(chǎn)品的分級分質(zhì)、獲取高附加值目標(biāo)產(chǎn)品，提升全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展水平和經(jīng)濟效益，確保長周期、穩(wěn)定性、環(huán)保安全、高效節(jié)能的穩(wěn)定運行，推進十三五期間低階煤分級分質(zhì)利用的健康發(fā)展。
