低碳经济煤热解技术分析

本文作者：郝丽芳 宋文立 张香平 李洪钟 单位：中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室

化石能源中，煤相对富碳，石油和天然气相对低碳，而中国的能源特征是“富煤、少油、缺气”。煤作为中国能源的主体，分别占一次能源生产和消费总量的76%和69%，且在未来相当长时期内仍将占据一次能源的主导地位。中国原煤产量已由2002年的13.8亿t增加到2011年的35.2亿t，增长到2.55倍；发电量由2002年的16540亿kW•h增加到2011年的47000.7亿kW•h，增长到2.84倍[1]，其中火力发电量达38253.2亿kW•h，比上年增长14.8%，且占发电总量的81.4%。2011年煤炭消费量已达35亿t，主要利用方式仍为燃烧发电，预计到2020年将达50亿t左右。据专家预测，未来的30~50年内煤炭在我国能源结构中的比例仍将超过50%，2010—2050年的总耗煤量在1000亿t标准煤以上，且发电耗煤量也在逐年增长[1][2]12。中国已探明的化石能源储量中，石油和天然气分别占5.4%和0.6%。2003年原油进口量为0.82亿t，占消耗总量的32.5%[1]；2011年原油进口量已达2.54亿t，占消耗总量的55.5%，远超40%的国际能源安全警戒线；预计到2020年中国石油对外依存度将超过60%。另外，近年来中国对天然气的需求量也大幅增长，2011年天然气产量为1030.6亿m3，而消费量为1173.8亿m3，供需缺口达143.2亿m3[1]，预计2020年的缺口将达900亿m3，对外依存度将达40%[2]14。

随着中国经济的快速发展，石油、天然气供应缺口将逐年加大，势必影响中国经济的可持续发展，也将造成中国能源供给的安全隐患。因此，中国十分重视石油和天然气的供需问题，从全局考虑制定了能源发展战略，采取积极措施确保国家能源安全。目前已在增加原油和天然气储备、提升原油生产和加工水平方面取得积极成效。但由于缺口巨大，还需采用替代方式缓解油、气进口压力。经研究表明，在多种替代石油和天然气的方案中，煤炭转化的量级最大，且已有较好的技术基础，可行性较高[3]。但是，煤炭的使用量以及使用过程中污染物和CO2的排放量远大于石油和天然气，因此，煤炭的高效清洁利用成为我国化石能源利用中最需重视的问题。众所周知，煤虽然宏观上富碳，但含有富氢低碳的结构，特别是中低阶煤（褐煤和高挥发分烟煤），其挥发分甚至可达40%以上，其中包含简单芳香结构和多种含氧官能团结构。这些低碳组分可在远低于煤气化温度（900℃）下与富碳组分“分离”，直接生成低碳液/气燃料和芳烃、酚类等重要化学品，而且这些化学品的附加值显著高于燃料。因此，煤通过转化生产燃料的路线逐步转向了燃料和化学品联产的路线。由煤热解生产燃料并联产化学品的路线是与煤的组成结构直接相关的煤分级转化，其核心技术充分利用了煤组成结构的不均一性。

1煤热解技术的研究背景

中国科学院郭慕孙院士在20世纪80年代提出了“煤拔头”工艺[4]。这是一种以热解为先导的煤多联产技术。该工艺是在常压、中低温的较温和条件下，对高挥发分的年轻煤进行快速热解、快速分离、快速冷凝，将煤中的高值富氢结构产物，如酚、脂肪烃油、三苯（BTX）和多环芳香烃以液体产品的形式提取出来。剩余的半焦作为燃料进一步应用，从而实现分级转化、梯级利用的目的。中国煤炭资源中中高挥发分煤占80%以上，包括约13%的褐煤、42%的次烟煤和33%的烟煤。富含挥发分的煤可直接转化为高价值化学品（如酚、萘）、大宗燃料油及燃气的碳氢结构，直接燃烧或气化将导致煤中挥发分被等同于煤中的固体组分，未能实现资源的梯级利用，不仅造成煤炭资源高值成分的浪费，而且导致煤制油气的煤化工路线长、效率低，同时排放大量污染物，使中国成为世界上排放SOx、NOx、灰尘最多的国家，而由煤炭利用方式排放的CO2已超过50亿t/a，使中国承受着来自国际社会的减排压力。而利用中低阶煤直接生产燃油和燃气，其能效可提高10%以上[4]，煤炭节省量、CO2和其他污染物的减排量均非常显著。显然，中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的路线将成为我国煤炭利用产业的战略需求。

2煤热解技术的研究现状

在上述技术思路的指导下，以热解技术为先导的煤综合利用技术逐渐受到各研究所和高校的关注。中国科学院过程工程研究所自20世纪90年代开始，对煤热解技术的基础理论、工艺和设备等方面进行了系统研究，获得了国家科技部863、973项目以及中科院知识创新工程方向项目的支持，该研究的核心技术已获得了多项国家发明专利。中国科学院过程工程研究所采用下行床热解反应器，与循环流化床耦合以实现工艺系统的集成。先后建立了煤处理量8kg/h和30kg/h的耦合提升管燃烧的下行床热解拔头实验装置[5]，并建立了与75t/h循环流化床锅炉耦合的煤处理量为5t/h的中试装置，进行了热态实验，对低挥发分的次烟煤，焦油产率为8.1%，煤气产率为7.4%，值得注意的是煤气中甲烷含量较高（28.70%），充分体现了煤低温快速热解后煤气成分的特点。2009年获得中国科学院知识创新工程重要方向项目“煤热解与焦油高值利用技术平台及中试”的支持，将在廊坊基地配套建成10t/d的下行床热解器中试平台和700kg/d的煤焦油分离加氢精制中试平台，现已基本完成装置的搭建，预计于2012年底完成中试装置的调试。浙江大学以循环流化床固体热载体供热的流化床热解技术为基础[6]，与淮南矿业集团合作开发的示范装置于2007年8月完成72小时的试运行，获得了工业试验数据。该工艺的热解器为常压流化床，用水蒸气和再循环煤气为流化介质，运行温度为540~700℃，粒度为0~8mm的煤经给煤机送入热解气化室，热解所需要的热量由循环流化床锅炉来的高温循环灰提供，热解后的半焦随循环灰送入循环流化床锅炉燃烧，燃烧温度为900~950℃。12MW工业示范装置的典型结果为：热解器加煤量10.4t/h，焦油产量1.17t/h，煤气产量1910Nm3/h，煤气热值23.11MJ/Nm3，所得焦油中沥青质含量为53.53%~57.31%。中国科学院工程热物理研究所开发了基于流化床热解的示范装置[7]，2009年5月与陕西省神木县煤化工产业发展领导小组办公室共同确定神木10t/h固体热载体粉煤快速热解制油项目，正在进行中试试验。中国科学院山西煤炭化学研究所开发了基于移动床热解装置的多联供技术[8]，与陕西省府谷恒源煤焦电化有限责任公司合作，建成了与蒸发量75t/h循环流化床锅炉匹配的热解中试装置。采用府谷西岔沟烟煤，在600℃下热解，得到的产物结构中，焦油产率约为6%，煤气产率约为8%，半焦产率约为75%。