煤热解工艺现状分析

煤炭加工与综合利用46COAL PROCESSING COMPREHENSIVE UTILIZATIONNo.8,2014煤热解工艺现状分析张顺利,丁力,郭启海,张佼阳,郑倩倩,路丙川,董宾(北京神雾环境能源科技集团股份有限公司,北京102200)摘要:阐述了国内外典型的固体热载体、气体热载体和无热载体煤炭热解工艺技术,指出各个工艺的优缺点,对各种工艺技术能否真正实现商业化运营进行了分析关键词:煤炭;热解;热載体;述评中图分类号:TQ530.2文献标识码:A文章编号:10058397(2014)08-0046-06我国能源结构特点是“缺油、少气、富煤”,1煤炭热解过程据《BP20Il年世界能源统计年鉴》我国煤炭探明煤炭热解,在工业上也称为干馏,是指在储量石油20亿t、天然气2.8万亿m3和1145亿t煤炭资源相对丰富,储量居世界第三,产能居世隔绝空气的条件下将煤炭加热到较高温度,煤的界第一。从我国能源储量与消费增长趋势分析,有机质会随着温度的升高发生一系列物理化学变化,最终生成固体半焦、热解焦油和热解气等产石油资源的长期短缺已成定局,同时由于我国煤炭资源的粗放式开采和较低的利用效率,我国于物煤的热解过程大致可以分为三个阶段2009年成为煤炭净进口国,2011年进口煤炭1.824亿t,成为全球最大的煤炭进口国。然而,我国第一阶段,室温~300℃,干燥脱气阶段。正处于工业化崛起,经济高速发展阶段,能源短本阶段煤外形基本无变化,煤于120℃前为脱水缺问题将是制约我国工业化进程的最大阻力。我阶段,200℃左右为脱气阶段,CH4、CO2和N2基本脱除。褐煤在200℃以上发生脱羧基反应国低变质煤炭资源储量占煤炭资源总储量的40%以上,年产量占全国煤炭总产量的30%左右。高约300℃开始热解反应,烟煤和无烟煤一般不发生变化。效利用低变质煤炭资源,实现其资源化利用,是我国经济发展和国家能源安全的有力保障之第二阶段,300~600℃,煤炭热解反应主要研究发现,低变质煤炭中赋存着较高的油气资源阶段。本阶段为煤中的分子结构发生解聚和分解曲旋等在固体热载体移动床实验装置上进行了褐反应,会生成大量的煤气和焦油,在450℃左右焦油量排出最大,在450~600℃气体析出量最多煤热解试验研究,于520℃获得了4.94%的焦油产烟煤约350℃开始软化、熔融、流动和膨胀直到率,并且热解气产物热值为1980~23.20MJm3,属于中髙热值燃气,能够用做工业燃料。因此煤固化,出现一系列特殊现象,形成气、液、固炭热解技术能够提高低变质煤炭的利用效率,并三相共存的胶质体,在500~600℃胶质体分解缩聚,固化形成半焦。固体产物半焦与原煤相比,且热解产物煤焦油和热解气能够缓解我国对外的石油依存度和天然气缺口,有利于保障我国的能源芳香层片的平均尺寸和氦密度等变化不大,表明半焦生成过程中缩聚反应并不太明显。煤化程度安全和经济发展。低的褐煤不存在胶质体形成阶段,仅发生激烈分收稿日期:201406-06解,析出大量气体和焦油,形成粉状半焦。作者简介:张顾利(1987-),男,山东枣庄人,2012年毕业于第三阶l000℃.二次脱气阶段中国矿业大学(北京)矿物加工工程专业,工学硕土,北京神寞环在本阶段线TYHa中国煤化工变成焦炭,析境能繇科技集团股份有限公司热解工程师CNMHG2014年第8期张顺利,等:煤热解工艺现状分析47出极少量的焦油,主要生成氢气、烃类气体和碳LR工艺以热解反应产物半焦作为热载体循氧化物。半焦变成焦炭过程中,一方面本身密度环使用,而且热烟气用于预热干燥煤炭,因此具增加,体积收缩;另一方面,放出气体产物。最有较高的热效率。但是,LR工艺的原料煤粒度要终生成具有一定强度的碎焦块求小于5mm,焦渣颗粒极易被带入焦油中,使2典型煤热解工艺简介得焦油深加工利用困难。同时热载体循环半焦和煤粒的混合是由机械搅拌实现的,故对设备的磨到目前为止,国内外研究开发了多种煤炭热损和工艺的放大生产存在困难解工艺技术。本文根据热载体类型不同,分别对2.1.2 Toscoal工艺国内外典型的固体热载体工艺、气体热载体工艺Toscoal工艺的热载体为陶瓷球,由美国油页和无热载体工艺技术进行分析和介绍岩公司( Oil Shale corp)和 Rocky Flats研究中心2.1固体热載体工艺开发。其工艺流程见图2固体热载体热解工艺一般是利用具有较高温度的半焦或其他固体材料,在反应室中直接与煤混合,利用热载体的显热将煤炭温度升高至特定温度进行热解反应。典型的固体热载体热解工艺有国外的LR工艺和 Toscoal工艺,国内的DG工艺2.1.1LR工艺LR工艺由联邦德国 Lurgi GmbH公司和美国Ruhrgas公司联合开发,工艺流程如图1所示。煤仓;2-煤提升管;3-旋风分离器;4-洗涤器:5-热载体加热器;6-热解反应器;7-转鼓:8-分离器:9-气液分离器:10-半焦冷却器11-热载体提升管图2 Toscoal工艺流程Toscoal工艺使用粒度小于6mm的煤粉,在煤提升管中通过热载体加热器产生的热废烟气将煤粉进行预热干燥,能够将煤粉预热至250℃以上,在此期间基本完全除去水分。预热干燥后的1-煤提升管;2-煤仓;3-螺旋进料器:4-导管;5-热解反应器煤粉与赤热的陶瓷球在热解反应器中相互混合加6-半焦提升管;7-半焦收集器:8-空气预热器;9-旋风分离器热,进行热解反应。反应产物焦渣与陶瓷球在分10焦油捕集器:1l-除尘器;12-气体冷却器;13-分离器图1LR工艺流程离器中的转鼓进行分离,陶瓷球循环进入热载体加热器进行循环利用,焦渣落入半焦冷却器中冷LR工艺的热载体为循环热半焦。粒度小于却。热解气和焦油通过气液分离器相分离。此工5mm的煤粉进入螺旋给料机后,通过导管被干艺1976年建成了25td的中试装置,并与1982年馏煤气吹送至热解反应器中,煤粉与循环热半焦兴建6.6万td的工业装置。在热解反应器中经机械搅拌充分混合,利用循环Toscoal工艺以陶瓷球为热载体反复加热使热半焦的显热加热煤粉,为热解反应提供热源。用,因此存在陶瓷球磨损问题。同时由于煤粒需产生的煤气和焦油经过气体净化和回收系统进行要与赤热的陶瓷球不断接触,黏结性煤极易粘附净化回收,通过分离系统分离焦油和煤气。LR在陶瓷球上,故本工艺仅仅适合于非黏结性煤或工艺先后建立了日处理250t煤的试验装置和日处弱黏结性煤YH中国煤化工理800t煤的工业装置。2.1.3DGCNMHG煤炭加工与综合利用2014年第8期DG工艺由国内的大连理工大学开发,其工2.2.1COED工艺艺流程如图3所示。COED工艺由美国FMC和OCR联合开发,工艺流程如图4所示。COED气产品气外气体洗涤和加工↓氢气热解气回收油和COED油[固定床加过滤段至气体净化合成粗油破碎的煤半焦产品化气体氧水蒸气图4COED工艺流程1-煤提升管:2-焦仓:3-混合器:4-热解反应器:5-半焦提升管6-焦仓:7-流化床锅炉:8-旋风分离器:9-洗涤器COED工艺由美国FMC和OCR联合开发10-气液分离器:11-焦油罐:12-脱硫箱破碎后平均粒度为0.2mm的煤粉在第一级反应图3DG工艺流程器中进行预热干燥,最后一级反应器,通过加DG工艺的热载体为产物半焦。热半焦通过水蒸气和氧气对中间反应器产生的半焦进行气半焦提升管到焦仓后,与小于6mm的煤粒在混化,气化产生的热煤气为热载体,与热解反应器合器中混合均匀,进入热解反应器中进行热解反中的煤粉进行逆向对流传热,加热煤粉进行热解应,由于物料粒度小,而且热载体与物料能够快应。热解气经过油气分离和过滤段后,气体进速均匀的混合,故高温半焦极易将热量传递给原行后续的洗涤和加工工序,焦油可以通过固定床煤颗粒,加热速度快,发生快速热分解。工艺完加氢,制备合成粗油。本工艺已建成日处理能力成了多次的油页岩和褐煤10kg/h的实验室研究36t的中试装置。该工艺使用更细粒度的煤粉,并于1993年在内蒙古平庄煤矿进行了150t的工故依然存在细焦粒与焦油分离困难问题。业性试验。DG工艺主要受限于细焦粒与焦油在2.2.2SJ工艺旋风分离器中会发生冷凝挂壁等问题。SJ工艺是由陕西神木县三江煤化工有限责任上述固体热载体工艺开发较早,但是至今为公司对鲁奇三段炉进行改造得来的。其工艺流程止均不能够实现良好的商业化运行,其主要因为:如图5所示。①工艺所使用的原料煤粒度均很小,导致细小的热解焦粒与焦油极易混合,分离困难,不利于焦油的深加工,并且易堵塞管道;②固体热载体与煤粒之间的热交换是通过物理搅拌使其混合均匀,不仅消耗大量动力同时不利于工艺规模的放大;③固体热载体不论是循环半焦还是其它,均焦炭需要在与煤粒混合传热前进行加热升温,消耗大量的额外燃料,导致整个系统的热效率较低。焦油氨水沉降池2.2气体热载体工艺热氨水喷洒泵气体热载体工艺一般是以热烟气或热煤气作图5SJ工艺流程为热载体,通过高温气体将原料煤加热到热解温SJ工艺的热载体为热煤气和空气。原料块煤度进行热解反应。典型的工艺有美国的COED工由焦炉上部中国煤化工巢段后进入热艺,国内的SJ工艺和MRF工艺。解段,热解CNMHG时槽冷却。荒2014年第8期张顺利,等:煤热解工艺现状分析煤气先后通过文氏管塔和旋流板塔洗涤,煤气在的问题;鼓风机的作用下回炉加热,多余部分直接放散。(3)使用热烟气作为热载体的气体热载体工焦油进入焦油氨水沉降池中沉降,然后经过焦油艺,由于热烟气与热解气相混合,导致热解气热产品泵输入焦油池中。该工艺具有物料下落均匀、值较低,降低其经济价值。布料均匀、加热均匀特点。该技术已经被哈萨克2.3无热载体工艺斯坦共和国欧亚工业财团引进,2006年投入生产,无热载体工艺是由北京神雾环境能源科技集加工能力为30万ta。由于本工艺的热解气是与团股份有限公司开发的低阶煤热解新技术。其工废热气一起混合排出的,因此得到的煤气热值较艺流程如图7所示。低,并且需要庞大的煤气净化系统。原料预处理烘干筛分2.2.3MRF工艺煤焦油MRF工艺是针对我国年轻煤资源化利用开发的一种技术。其工艺流程如图6所示。荒煤气高温油气”[顶出干缩水无热载体蕃热式旋转L床热解炉半焦雾熄焦和底出图7无热载体蕾热式旋转床热解工艺流程烟道气无热载体工艺由四个单元组成:原煤预处加热炉理单元、旋转床热解单元、油气冷却及油水分离热解炉单元以及熄焦单元。旋转床热解单元是其核心单(见图8),集成了辐射管加热、蓄热燃烧炮焦炉高温旋转床等先进热工技术。该工艺的热解反应所需热量由蓄热式辐射管提供,其工作影屏显示图6MRF工艺流程如图9所示,利用高温空气燃烧技术,使辐射管MRF工艺是由多级串联回转炉组成,原料煤的废气余热达到近乎极限回收,排烟温度不大于经破碎后进入内热式的回转炉中进行干燥,加热180℃,大幅度提高热利用率,实现高效节能,炉产生的热烟气为热载体与煤逆向流动。干燥后而且燃料在辐射管内部燃烧,产生废烟气不会与的煤进入外热式热解炉中,高温烟气在热解炉外热解产生的热解气相混合,保证了热解气高品质。流动,热解反应产生的焦油和热解气进入分离器粒度为10~80mm的原料煤经过预处理后,进入中分离,热半焦在三段熄焦炉中用水冷却排出煤仓,通过装料装置进入旋转床中并完成布料,本工艺在内蒙古海拉尔市建有5.5万ta的示范装物料依次经过旋转床的各个反应温区,在目标温置。该工艺在热解阶段前就将原料煤干燥脱除了度下发生热解反应,得到热解气、焦油和半焦。大量的水,极大的减少了后续酚水的量,简化污高温油气从炉膛顶端或侧面多处出口快速采出水处理系统,但是依然存在着热效率低,粉尘易进入油气冷却系统和油水分离单元,由于油气在沉积堵塞等问题。炉膛内停留时间很短,所以可以保证焦油的高收上述气体热载体工艺也没有真正实现商业化率。半焦通过出料装置进入熄焦系统。本工艺已运营,其主要原因如下经建成70td处理能力的中试装置,并进行了大(1)内热式气体热载体工艺,由于热载体与量的褐煤、低变质烟煤等煤种的热解试验。原料煤直接逆流,所以会在热解气中带有大量的无热载体工艺的特点粉尘,导致焦油品质降低,同时伴有粉尘的重油(1)物料相对炉底静止不动,原料适应性广;极易粘附在管道中,造成管道堵塞(2)热H中国煤化工品质好,有(2)外热式气体热载体工艺存在着热效率低效气体含量CNMHG煤炭加工与综合利用2014年第8期高温油气(3)采用蓄热式辐射管加热器,可利用廉价出料反应二区的低热值煤气做燃料,排烟温度不大于180℃,助燃空气能耗低油气采燃气(4)油气快速采出设计保证了高的焦油收率,出口3处理后烟气可达格金的809%~90%以上;的原料油气采(5)处理能力大,可实现单炉年处理煤料出口2预热区100万t油气采出口3结论反应一区热解技术是对我国赋存的大量的低阶煤进行图8旋转床示意资源化高效利用的有效途径,然而传统的固体热换向周期[00秒常温空气)00004常温空气换向阀冷烟气<150℃关燃气·辐射管内温度为1200℃将空气预热到900℃空气预热温度[900℃·排烟温度低于150℃烟气温度[080℃NO3排放浓度低于100ppm图9蓄热式辐射管燃烧器工作影屏显示载体工艺和气体热载体工艺由于其自身的缺陷,Industry and its Sustainable Development in Chinap [J]未能实现真正的商业化运行。北京神雾集团开发的无热载体蓄热式热解工艺具有着高焦油收率[2]BP2011年世界能源统计年鉴.英国石油公司,2011低能耗、原料适应范围广和易于工业放大等特点[3]崔伟.关于我国经济发展中面临主要资源问题的思考[J.国际技术经济研究,2005,9(1):38-42.适用于褐煤和低变质烟煤提质热解加工,工业应[4]王永军,王育霞,闫冬,等.煤干馏生产半焦煤焦油及干馏用前景广阔炉煤气的发展前景[J.石油化工应用,2008,27(6)[5]曲旋TH固体热载体热解霍林河褐煤参考文献实验研中国煤化工85-89[1] Xie Kechang, Li Wenying, Zhao Wei. Coal Chemical[6]虞继舜CNMHGO22014年第8期张顺利,等:煤热解工艺现状分析51[刀]降文萍.煤热解动力学及其挥发分析出规律的研究[D]太原[13]郭树才.煤和油页岩新法干馏技术一LR固体热载体快速热解理工大学硕士学位论文,2004法[门].煤炭化工设计,1986(4):5971[8] Fenrong Liu, Wen Li, Haokan Chen, Baoqing Li. Uneven[14] Atwood M. Tdistribution of sulfurs and their transformation during coalwestem coals and oil production [J]. Preprintspyrolysis [J]. Fuel, 2007(86): 360-366of Papers American Chemical Society Division of Fuel[9] Zhixin Fu, Zhancheng Guo, Zhang fu Yuan, Zhi WangChemica,1977,22(2):233-252.Swelling and shrinkage behavior of raw and processed coals[15 Carlson F. B, Yardumian L. H, Atwood M.T.during pyrolysis [J]. Fuel, 2007(86):418-425.Toscoal process for low temperature pyrolysis of coal[J][10] J. V. Ibarra, R. Moliner. Coal characterization usingTransactions of the Society of Mining Engineers of AIME,pyrolysis-FTIR [J]. Journal of Analytical and Applied1974,256(2):128-131Pyrolysis,,1991,20(2):171-184.[16]郭树才年轻煤固体热载体低温热解叮.煤炭转[]梁鹏,巩志坚,田原宇,等,固体热载体煤热解工艺的开发化,1998,21(3:51-54.与进展[门].山东科技大学学报,2006,26(3):32-36.[17]郭树才,罗长齐,尤隆渤,等.平庄褐煤用固体热载体快速热[12] Rammler R W, Lurgi K. Synthetic fuels from Lurgi coal解法的干馏实验[刀.燃料与化工,1987,18(1):56-59pyrolysis [J]. Energy Process, 1982, 2(2): 121-129[18]刘光启,邓蜀平,钱新荣,等.我国煤炭热解技术研宄进展[J现代化工,2007(S2):37-43本刊征稿启事由中国煤炭加工利用协会主办的《煤炭加工与综合利用》杂志,是国内外公开发行的煤炭加工利用科技刊物,1983年创刊。为积极促进我国煤炭行业转型发展,加速打造升级版的现代煤炭工业,自2014年起,《煤炭加工与综合利用》杂志由双月刊改为月刊,全年增加6期——现代煤化工,逢双月出版,以期全面报道我国现代煤化工产业的发展。《煤炭加工与综合利用》·现代煤化工,立足于促进我国煤化工产业健康发展,面向我国煤炭行业主管部门和所有煤炭资源地区的企业,以及相关的科研院所、大专院校,为读者展示我国煤化工产业发展的全貌。主要内容」跟踪煤化工产业发展中的热点、焦点和难点问题,组织权威专家深度研讨;着眼煤化工产业发展和低阶媒加工提质中的关键技术工艺、装备的研发及进展;报道相关产品市场信息;力争为煤仳工产业健康发展做岀貢献,并成为煤炭行业转型升级的重要参考。■主要栏目:特稿/专访、专题论述、示范工程、深加工技术与应用、技术经济、市场及趋势、研究与开发、工艺与技术、低阶煤开发与应用、节能与环保、副产物综合利用、科技创新、简讯。主要读者群:国家发改委、国家能源局、国资委、科技部;煤炭和煤化工行业主管部门;煤炭资源地区的煤炭企业、煤炭深加工企业、现代煤化工示范项目企业、煤化工园区、科研院所、工程公司等单位的相关管理、技术人员;相关大专院校师生;国内外相关技术开发商、项目投资商等。如同一名作者在一年之内为本刊撰稿2次以上,将获赠下年度杂志一套,并将有机会成为本刊通讯员,优先参加编辑部组织的各项活动。《煤炭加工与综合利用》杂志编辑二部投稿邮箱:zmxmhg@163.com中国煤化工联系电话:010-64284069CNMHG