中低階煤分質(zhì)梯級利用的發(fā)展與創(chuàng )新
一 前言
中低階煤，是指處于低變質(zhì)階段的煤，根據煤化程度，可分為低變質(zhì)煙煤（包括長(cháng)焰煤、不黏煤、弱黏煤）和褐煤。中國目前探明煤炭資源儲量1.48萬(wàn)億噸，其中中低階煤占59%，約8732億噸。2013年，中國的煤炭產(chǎn)量36.8億噸，其中中低階煤產(chǎn)量18億噸，占49%；中國的煤炭消費量36.5億噸，其中低階煤消費量19.2億噸，占52.6%。[1]由于中低階煤具有揮發(fā)分高的特性，長(cháng)時(shí)間裸露空氣中易風(fēng)化和自燃，使中低階煤的利用受到很大限制。尤其中低階煤中的褐煤，含水量大，運輸成本高，許多國家把褐煤作為一種低等級燃料，在坑口露天礦附近建設電站，直接用褐煤作為燃料發(fā)電。
中低階煤的揮發(fā)分含量一般可達原煤重量的30%以上，這些揮發(fā)分蘊含著(zhù)高附加值的油氣資源，因此中低階煤資源理應受到格外重視和優(yōu)化利用，以發(fā)揮其最大效益。目前，中低階煤的利用方式主要包括直接燃燒、液化、氣化、微生物轉化以及熱提質(zhì)。若將中低階煤直接燃燒，熱效率較低，且其中的揮發(fā)分得不到有效的開(kāi)發(fā)，不僅會(huì )造成資源的浪費，而且其主要以粉塵、氮氧化物或硫氧化物的形式排放到環(huán)境中，帶來(lái)極大的環(huán)境污染問(wèn)題。此外，中低階煤作為化工原料也受到一定的限制。液化和氣化都對中低階煤的品質(zhì)要求相對較高，中國迄今對中低階煤尚未進(jìn)行大規模的開(kāi)發(fā)和利用。因此，降低中低階煤含水率，改善中低階煤的性質(zhì)，提高其利用率，成為中低階煤加工利用亟待解決的問(wèn)題。
為提升煤炭的利用水平，2014年11月19日，國務(wù)院下發(fā)的《能源發(fā)展戰略行動(dòng)計劃（2014-2020年）》指出：要制定和實(shí)施煤炭清潔高效利用規劃，積極推進(jìn)煤炭分級分質(zhì)梯級利用，加大煤炭洗選比重，鼓勵煤矸石等低熱值煤和劣質(zhì)煤就地清潔轉化利用。2015年1月12日，國家能源局、環(huán)保部、工信部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)發(fā)和清潔高效利用的意見(jiàn)》指出：在條件適合地區，積極推進(jìn)煤炭分級分質(zhì)利用，優(yōu)化褐煤資源開(kāi)發(fā)，鼓勵低階煤提質(zhì)技術(shù)研發(fā)和示范，推廣低階煤產(chǎn)地分級提質(zhì)，提高煤炭利用附加值。2015年4月27日，國家能源局又發(fā)布了《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計劃（2015-2020年）》（國能煤炭〔2015〕141號），從煤炭提質(zhì)加工、燃煤發(fā)電、煤化工、燃煤鍋爐、煤炭分質(zhì)分級利用、民用散煤治理、減少污染物排放7個(gè)方面提出重點(diǎn)工作和到2020年的工作目標。
二 中低階煤分質(zhì)梯級利用的概念
2015年3月25日，國家能源局網(wǎng)站公布了《關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)科學(xué)發(fā)展的指導意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《意見(jiàn)》）。在“推進(jìn)煤炭清潔高效利用”一節，《意見(jiàn)》指出：嚴格執行《商品煤質(zhì)量管理暫行辦法》，研究建立商品煤質(zhì)量標準體系及配套政策，提高煤炭質(zhì)量和利用效率，鼓勵建設煤炭分級分質(zhì)梯級利用示范項目，有序發(fā)展低熱值煤發(fā)電等資源綜合利用項目。從《意見(jiàn)》看出，低熱值煤的分質(zhì)梯級利用已納入國家推進(jìn)煤炭清潔高效利用技術(shù)的范疇。
煤炭分質(zhì)梯級利用采用的是一條以煤熱解為龍頭的工藝路線(xiàn)。根據煤炭原有的結構特點(diǎn)，在中低溫條件下，將煤熱解成氣、液、固三相物質(zhì)，實(shí)現煤炭分質(zhì)，并根據它們的化學(xué)組成和理化性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行有區別的梯級延伸加工，對煤炭組分進(jìn)行有效綜合利用。煤熱解產(chǎn)品之一——熱解氣，可用于提取氫氣/一氧化碳/甲烷等，用作化工加工原料，也可以直接進(jìn)行合成，生產(chǎn)天然氣/甲醇等下游化工產(chǎn)品；煤熱解產(chǎn)品之一——熱解焦油，通過(guò)分餾、加氫和裂化等手段生產(chǎn)出高附加值的化學(xué)品，以及汽油、柴油的調和組分油；煤熱解產(chǎn)品之一——提質(zhì)煤，可以根據提質(zhì)煤品質(zhì)和粒度分布選擇使用，塊狀可選擇用于生產(chǎn)電石、鐵合金，粉狀可通過(guò)煤氣化路徑生產(chǎn)化工產(chǎn)品。通過(guò)對目標產(chǎn)品選擇和工藝過(guò)程環(huán)節選擇工藝技術(shù)的優(yōu)化組合，煤的分質(zhì)梯級利用可以形成多種途徑。
（1）一級分質(zhì)：在500℃～600℃條件下，將煤炭熱解加工成固體（提質(zhì)煤）、液體（焦油）和氣體（熱解氣）三種形態(tài)產(chǎn)物。
（2）二級分質(zhì)：對一級分質(zhì)產(chǎn)物進(jìn)一步進(jìn)行分質(zhì)加工。氣體（熱解氣）的利用，對熱解氣中的CO、H2、CH4等有效成分進(jìn)行分質(zhì)利用，如，可先提取CH4，剩余的CO和H2可作為合成氣，也可變換成H2，用于煤焦油輕質(zhì)化。固體（提質(zhì)煤）的利用，對提質(zhì)煤按照粒度的大小分質(zhì)利用，塊狀提質(zhì)煤主要用于電石化工或鐵合金產(chǎn)業(yè)；粉狀提質(zhì)煤焦可作為清潔燃料和冶金還原劑，用于民用燃料、發(fā)電和高爐噴吹，也可作為氣化原料。液體（焦油）的利用，可先提取酚和輕質(zhì)芳烴，其余加氫制成石腦油和油品等。
（3）三級分質(zhì)：三級分質(zhì)對二級分質(zhì)產(chǎn)物進(jìn)一步分質(zhì)加工。例如：①對煤焦油加氫產(chǎn)物油品、石腦油、石蠟等進(jìn)行分質(zhì)利用；②對用熱解氣生產(chǎn)的甲醇以及甲醇馳放氣體進(jìn)行再利用。具體工藝路線(xiàn)舉例如下：①通過(guò)煤焦油加氫工藝生產(chǎn)油品和石腦油等，并與焦粉氣化費托合成的油品進(jìn)行調和，生產(chǎn)出高品質(zhì)的液體燃料；②利用粉焦氣化制備合成氣生產(chǎn)甲醇等化工產(chǎn)品，利用甲醇直接或與煤焦油加氫產(chǎn)物之一的石腦油進(jìn)行吸放熱反應耦合生產(chǎn)烯烴產(chǎn)品，利用C1和C2基礎化工原料甲醇和乙烯向下游發(fā)展化工產(chǎn)品；③對熱解氣進(jìn)行處理變換，使之成為合成氣，根據不同需求生產(chǎn)各類(lèi)煤化工品。
從以上各分質(zhì)利用路線(xiàn)來(lái)看，中低階煤的分質(zhì)梯級利用可以根據不同煤種的結構特點(diǎn)，在低能耗的條件下，將中低階煤本身含有的油氣揮發(fā)分先提取出來(lái)，資源和能量利用效率更高，潛在經(jīng)濟效益更好。這樣，不僅可以避免資源浪費，一定程度上填補中國的油氣缺口，還可以節約大量的水資源，降低CO2的排放。據研究統計，分質(zhì)利用項目的水耗只有傳統煤化工的1/7，投資只有傳統煤化工的1/3[2]（分質(zhì)利用項目耗水0.4～5噸/噸標煤，投資約0.1億元/噸標煤；煤制甲醇項目水耗約3噸/噸標煤，投資約0.4億元/噸標煤）。因此，中低階煤的分質(zhì)梯級利用被稱(chēng)為目前能耗、物耗最低的煤炭轉化利用方式。
三 中低階煤分質(zhì)梯級利用發(fā)展現狀和困境
（一）中低階煤分質(zhì)梯級利用發(fā)展現狀
熱解作為中低階煤分質(zhì)梯級利用的核心技術(shù)，是最早的煤炭化學(xué)加工技術(shù)。熱解技術(shù)始于18世紀末，當時(shí)采用煙煤干餾法生產(chǎn)民用煤氣，用作歐洲城市的街道照明燃料。1840年，煤炭干餾產(chǎn)品有了新的應用，即將干餾得到的固體產(chǎn)品（焦炭）制成發(fā)生爐煤氣，用于煉鐵。20世紀20～30年代，煤的低溫熱解工業(yè)發(fā)展較快，所得半焦產(chǎn)品主要用作民用無(wú)煙燃料，而液體焦油產(chǎn)品進(jìn)一步加氫生產(chǎn)液體燃料。尤其在第二次世界大戰前后，德國建立了大型低溫熱解廠(chǎng)，熱解固體半焦用于下游造氣，所得的合成氣經(jīng)費托合成反應制取液體燃料油。熱解焦油經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后用作海軍船用燃料，或經(jīng)過(guò)高壓加氫制取汽油和柴油。與此同時(shí)，德國還從煤焦油中提取各種芳烴及雜環(huán)有機化學(xué)品，作為燃料、炸藥的原料。隨后，日本、匈牙利、波蘭、英國、美國、蘇聯(lián)、印度、南斯拉夫等國先后引進(jìn)德國技術(shù)并在德國技術(shù)基礎上開(kāi)發(fā)出新的煤熱解以及煤焦油加氫制取燃料油技術(shù)。
中國曾于20世紀50年代掀起了中低溫煤焦油加氫制取燃料油技術(shù)的研究熱潮，卻沒(méi)有對中低溫熱解技術(shù)的開(kāi)發(fā)有足夠關(guān)注。直到20世紀70年代，富產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中低階煤的陜西榆林地區因苦于煤炭?jì)r(jià)格低廉且難以外運，自行創(chuàng )造了土法煉焦，獲得半焦。20世紀90年代起，土法煉焦逐漸被機械煉焦所取代，形成了穩定的內熱式直立爐熱解工藝。直立爐熱解工藝以中低階塊煤做原料，獲得目標產(chǎn)品半焦。該工藝雖然具有投資低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢，但隨著(zhù)煤炭開(kāi)采方式的改變，以及國家環(huán)保及節能減排要求的提高，其弊端日益凸顯。
（1）煤氣中含有40%～50%的氮氣，熱值低，有效成分含量少，無(wú)法經(jīng)濟地回收利用，絕大多數被“點(diǎn)天燈”或直接排放，造成極大的能源浪費和環(huán)境污染。
（2）洗滌煤焦油的廢水中含有焦油、酚、苯、多環(huán)芳烴、高化學(xué)需氧量等組分，難以?xún)艋幚怼?/p>
（3）只能用20～80毫米塊煤做原料。
（4）單爐最大產(chǎn)能僅10萬(wàn)噸/年（改進(jìn)后也不過(guò)20萬(wàn)噸/年），且設備多、工藝路線(xiàn)長(cháng)、占地面積大、能耗高、能效低。
鑒于此，中國研究者們根據不同地區的自然地理環(huán)境，結合煤資源的特點(diǎn)，進(jìn)行了多種煤炭熱解技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使煤熱解技術(shù)得到了快速的發(fā)展。按熱載體方式可分為氣體熱載體、固體熱載體和無(wú)熱載體三大類(lèi)。
1.氣體熱載體熱解技術(shù)
（1）SJ型干餾爐
SJ型干餾爐為神木縣三江煤化工公司所開(kāi)發(fā)。1996年進(jìn)行了名為SJ復熱式直立炭化爐的工藝設計并試驗成功。2001年推出了與油頁(yè)巖干餾技術(shù)相結合的SJ-1型3萬(wàn)噸/年低溫干餾爐和SJ-2型5萬(wàn)噸/年低溫干餾爐，在出現故障較多的方面都做了進(jìn)一步設計修正。2003年推出SJ-3型10萬(wàn)噸/年低溫干餾爐。2004年和2005年又進(jìn)行了大量的理論和技術(shù)創(chuàng )新，推出了SJ-4和SJ-5爐型。其中主要的創(chuàng )新技術(shù)有：大空腔設計，自動(dòng)化控制，間冷工藝，剩余廢水綜合處理以及中水回用，護爐鋼板的設置，煤和蘭炭的封閉篩分、輸送，煤氣全部回收利用，等等。
SJ型干餾爐研發(fā)歷程長(cháng)，工程應用較多，但是直立爐特點(diǎn)決定，其單爐處理原料規模小，只能以?xún)?yōu)質(zhì)塊煤為原料，不符合現代煤化工發(fā)展的趨勢，已經(jīng)逐漸退出煤熱解產(chǎn)業(yè)，向油頁(yè)巖熱解轉型。
（2）北京柯林斯達的帶式爐改性提質(zhì)技術(shù)
柯林斯達公司在引進(jìn)國內外先進(jìn)的帶式炭化爐設備基礎上，針對中國煤炭資源的特征，在褐煤加工利用領(lǐng)域成功開(kāi)發(fā)出了KDG、KDR-1帶式爐褐煤改性、熱解提質(zhì)技術(shù)和KDR-2低階煙煤中低溫分級熱解技術(shù)。
KDG褐煤改性提質(zhì)技術(shù)是將褐煤在200℃～300℃的溫度區間進(jìn)行加熱，脫除大部分親水性含氧官能團，使褐煤質(zhì)量大幅度提高。KDR-1褐煤熱解提質(zhì)技術(shù)是在KDG改性提質(zhì)技術(shù)的基礎上，將褐煤受熱溫度提升至500℃～600℃，使褐煤受熱分解，將褐煤提質(zhì)成為性能更好的褐煤半焦產(chǎn)品，同時(shí)產(chǎn)出煤焦油。KDR-2低階煤中，低溫熱解工藝是將煙煤依次經(jīng)干燥脫水、低溫熱解提取煤焦油、中溫熱解提取熱解氣的分級熱解工藝，工藝產(chǎn)品為半焦（蘭炭）、煤焦油和人熱解氣產(chǎn)品。
柯林斯達公司帶式爐改性提質(zhì)技術(shù)核心是帶式炭化爐。該工藝于20世紀90年代在中國已建10萬(wàn)噸/年低階煤熱解示范項目生產(chǎn)線(xiàn)。2008年又在內蒙古錫林浩特建成投產(chǎn)30萬(wàn)噸/年褐煤改性提質(zhì)項目，目前處于工業(yè)化示范過(guò)程中。
（3）國電富通GF-I低階煤干餾技術(shù)
國電富通GF-I低階煤干餾技術(shù)是北京國電富通科技發(fā)展有限責任公司與國能能源科技有限公司在魯奇三段爐基礎上合作開(kāi)發(fā)的低階煤提質(zhì)技術(shù)，其核心設備國富爐為氣體熱載體外燃內熱式連續干餾直立爐。
目前，該工藝示范項目單條生產(chǎn)線(xiàn)原料最大處理量規模為50萬(wàn)噸/年，且在大唐錫林浩特礦業(yè)公司的褐煤提質(zhì)項目中，已經(jīng)完成2×50萬(wàn)噸/年提質(zhì)系統設備建設。
（4）大唐華銀LCC技術(shù)
LCC（Low-rank Coal Conversion）低階煤轉化提質(zhì)技術(shù)是一種煤炭輕度熱解提質(zhì)技術(shù)，是大唐華銀電力公司和中國五環(huán)工程有限公司在LFC技術(shù)的基礎上聯(lián)合開(kāi)發(fā)的。
該工藝首套示范裝置于2012年4月18日在內蒙古自治區錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗建成，原料處理量為30萬(wàn)噸/年，但是由于技術(shù)問(wèn)題，一直沒(méi)有穩定生產(chǎn)運行，目前無(wú)其他推廣項目。
（5）多段回轉爐熱解技術(shù)
多段回轉爐熱解工藝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MRF工藝）是煤科總院北京煤化所開(kāi)發(fā)的針對年輕煤綜合利用的一項技術(shù)。該技術(shù)采用多段回轉爐串聯(lián)，對年輕煤依次進(jìn)行干燥、熱解、增碳等不同階段的熱加工，最終獲得焦油、中熱值煤氣及粒狀半焦。MRF工藝以回轉式窯爐為主體設備，可采用靈活多樣的工藝形式，適應不同的煤種，可處理不同種類(lèi)的年輕煤、黏結性或非黏結性煤。
該工藝結合氣體熱載體加熱方式與回轉窯熱解裝備，必然降低熱解煤氣品質(zhì)差和增加焦油含塵量，僅定義為半焦是主要產(chǎn)品。由于半焦的下游市場(chǎng)沒(méi)有進(jìn)一步研發(fā)擴展，目前沒(méi)有工業(yè)化項目運行，僅在海拉爾建設了年處理褐煤2萬(wàn)噸的示范裝置，并于1993年、1994年進(jìn)行褐煤熱解工業(yè)試運轉，產(chǎn)半焦約1300噸。
2.固體熱載體熱解技術(shù)
（1）DG法煤熱解技術(shù)
DG法熱解技術(shù)是由大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的，使用粉狀褐煤為原料的固體熱載體熱解技術(shù)。與氣體熱載體熱解技術(shù)相比，所得的熱解氣熱值更高，品質(zhì)更好。而且該工藝在生產(chǎn)過(guò)程中采用干熄焦技術(shù)，具有節水環(huán)保的優(yōu)勢。但是，由于原煤粉需要和循環(huán)利用的高溫焦粉進(jìn)行混合換熱，煤焦油的含塵量增加，降低了焦油品質(zhì)。
DG法主要技術(shù)特點(diǎn)是原料利用率高（原料100%利用），可以處理小于6mm的粉料；可有效處理易熱粉碎原料煤，尤其適合褐煤；產(chǎn)品燃氣熱值高，熱值為15～18MJ/m3；熱效率高，能耗低。
（2）浙江大學(xué)循環(huán)流化床熱電氣焦油多聯(lián)產(chǎn)工藝
浙江大學(xué)提出的循環(huán)流化床熱電氣焦油多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是將循環(huán)流化床鍋爐和熱解爐緊密結合，在一套系統中實(shí)現熱、電、氣和焦油的聯(lián)合生產(chǎn)。
浙江大學(xué)在20世紀80年代提出了煤氣蒸汽聯(lián)產(chǎn)工藝的設想，1999年，在國家973項目的資助下，同淮南礦業(yè)集團合作將1臺75t/h循環(huán)流化床鍋爐改造為12MW循環(huán)流化床熱電氣焦油多聯(lián)產(chǎn)示范裝置。于2007年6月完成安裝，2007年8月完成72h運行，2008年上半年完成性能優(yōu)化試驗，2008年10月系統投入試生產(chǎn)運行。該裝置利用循環(huán)流化床鍋爐高溫循環(huán)灰作為熱載體來(lái)熱解原煤，半焦送回鍋爐燃燒供熱和發(fā)電焦油直接銷(xiāo)售。凈化后的煤氣部分送回氣化爐做氣化介質(zhì)，其余送鍋爐燃燒發(fā)電。
由于該工藝采用循環(huán)流化床鍋爐燃燒熱灰作為熱載體，熱解工藝與循環(huán)流化床鍋爐綁定，推廣熱解工藝一定要配置相應規模的循環(huán)流化床鍋爐，系統復雜且投資高，更不利于在非電廠(chǎng)環(huán)境下的工業(yè)化推廣，目前沒(méi)有工業(yè)級示范裝置在建或者運行。
（3）中國科學(xué)院“煤拔頭”技術(shù)
中國科學(xué)院的“煤拔頭”技術(shù)也屬于多聯(lián)產(chǎn)工藝，由下行床和循環(huán)流化床的耦合實(shí)現。煤粉從下行床的頂部加入，在常壓、無(wú)氧的條件下，煤粉與來(lái)自提升管的循環(huán)熱灰進(jìn)行強烈混合并加熱，從而實(shí)現快速熱解。生成的油氣產(chǎn)物在下行管的底部通過(guò)快速分離器分離后，進(jìn)入急冷器進(jìn)行快速冷卻，最終得到液體焦油產(chǎn)物?！懊喊晤^”技術(shù)的工藝特點(diǎn)是：系統集成，使目前國際循環(huán)流化床的快速床與下行床有機結合在一起。
中國科學(xué)院過(guò)程所在完成8kg/h實(shí)驗室試驗基礎上，與哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院進(jìn)行中試合作，在設備制造方面與哈爾濱紅光鍋爐集團進(jìn)行合作，完成35t/h循環(huán)流化床設計。由于該工藝采用循環(huán)熱灰作為熱載體，與浙江大學(xué)循環(huán)流化床熱電氣焦油多聯(lián)產(chǎn)工藝相似，存在系統復雜且投資高等問(wèn)題，目前沒(méi)有工業(yè)級示范裝置在建或者運行。
3.無(wú)熱載體熱解技術(shù)
（1）直立爐褐煤干餾技術(shù)
中鋼集團鞍山熱能研究院在已成熟工業(yè)應用的內熱式直立煉焦爐基礎上，成功開(kāi)發(fā)了干餾褐煤的內熱式直立爐。該爐型的主要特點(diǎn)有：直立爐包括干餾室、燒嘴、排氣口等，該直立爐由多孔干餾室組成，每孔干餾室橫斷面為變截面，干餾室上部設有布料板，干餾室頂部設有排氣口，在直立爐內設有加熱氣體室，在加熱氣體室內設有調節板和氣體分配磚，直立爐由異型耐火磚砌成多層耐火磚環(huán)形結構，爐體側面設有煤氣燒嘴，四周設有爐鐵件。本實(shí)用新型設計結構合理，改善爐體密封性，有利于氣體加熱均勻，煤料在爐內運行順暢，可用于干餾穩定性差的褐煤。
由于外熱式直立爐采用熱煙氣間接傳熱方式加熱原料煤，煙氣溫度高，傳熱效率低，帶來(lái)系統能效低，能耗高等缺陷，且直立爐單爐處理能力低下，無(wú)法實(shí)現該工藝的大型化、高效性。
（2）無(wú)熱載體蓄熱式旋轉床熱解技術(shù)和蓄熱式直立下行床熱解技術(shù)
無(wú)熱載體蓄熱式旋轉床熱解技術(shù)和蓄熱式直立下行床熱解技術(shù)均是由神霧集團研發(fā)的新型熱解技術(shù)。兩項技術(shù)均采用了鋼鐵行業(yè)已成熟工業(yè)應用的蓄熱式輻射管燃燒器，該輻射管燃燒器使用了蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)，可燃燒低熱值燃氣，同時(shí)排煙溫度降低至180℃，大幅提升了燃燒效率。同時(shí)，由于蓄熱式輻射管燃燒器多方式分散置于熱解爐內部，燃燒的熱量全部保留在熱解爐內部，提高熱解能量利用效率，降低了能耗。兩種熱解工藝核心的加熱技術(shù)一致，但是，針對原料煤不同的特性，選擇了完全不用的兩種熱解反應器。
①無(wú)熱載體蓄熱式旋轉床熱解技術(shù)
該技術(shù)的熱解爐集成了高效節能的蓄熱式輻射管燃燒器技術(shù)和高溫旋轉床技術(shù)。以塊狀煤為原料煤，原料煤平鋪于布料床上隨料床平面旋轉，物料熱解過(guò)程無(wú)翻滾，無(wú)擠壓，降低了熱解工藝對原料煤的強度、粒度、黏度等指標要求。
同時(shí)，環(huán)形旋轉床反應器在冶金行業(yè)已成熟應用，大型化設備運行穩定，該爐技術(shù)升級型“嫁接”用于煤熱解，單體熱解爐處理量易于實(shí)現大型化，目前正在進(jìn)行40萬(wàn)噸/年煤熱解工業(yè)化示范，單爐處理量100萬(wàn)噸/年工業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)在新疆正在建設。
②蓄熱式直立下行床熱解技術(shù)
該技術(shù)的熱解爐集成了高效節能的蓄熱式輻射管燃燒器技術(shù)和直立下行床技術(shù)。以粉狀煤為原料煤，原料煤從下行床頂部加入，自上而下經(jīng)過(guò)內置于爐膛內部的輻射管，經(jīng)過(guò)輻射傳熱完成熱解反應，設備簡(jiǎn)單，熱效率高，目前正在新疆建設處理量100萬(wàn)噸/年、半焦耦合發(fā)電的工業(yè)示范性裝置。
神霧集團的無(wú)熱載體蓄熱式旋轉床熱解技術(shù)和蓄熱式直立下行床熱解技術(shù)，熱解過(guò)程均無(wú)熱載體。由于采用輻射管加熱，既可實(shí)現煙氣與熱解氣隔離加熱，熱解油氣產(chǎn)品收率高，質(zhì)量好；又可通過(guò)控制單個(gè)輻射管燃氣量分區精確控制熱解溫度；更重要的是采用蓄熱式燃燒的方式供熱，可以利用廉價(jià)低熱值燃氣，既提高了系統熱效率，又降低了成本。
（二）中低階煤分質(zhì)梯級利用發(fā)展困境
目前，國內外煤熱解技術(shù)雖有了快速發(fā)展，但業(yè)內專(zhuān)家表示，熱解技術(shù)仍存在不少技術(shù)問(wèn)題。氣體熱載體熱解工藝得到的煤氣熱值較低，氫氣、甲烷含量較低，氮氣含量過(guò)高，達不到化工利用最佳條件，只能做燃料使用，存在資源浪費現象。固體熱載體熱解工藝只能處理粉煤，且運行過(guò)程中需要將熱載體提升至相當的高度，需要耗費大量能量，或采取熱解和循環(huán)流化床鍋爐耦合，涉及一些高溫物料的轉移和輸送，設備要求苛刻，工藝投資高，難推廣。無(wú)熱載體熱解工藝雖然在加熱方式及處理原料方面進(jìn)行了許多創(chuàng )新，但目前處于工業(yè)化示范過(guò)程中，需待時(shí)日予以考證。
一是技術(shù)不成熟?，F有宣傳報道的熱解技術(shù)都沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破，主要體現在：其一，熱解氣、焦液產(chǎn)品收率和品質(zhì)都無(wú)法保證，例如，焦油的含灰量大，油渣分離困難，難以得到很好的市場(chǎng)應用；其二，目前熱解技術(shù)大多采用干熄焦方式冷卻半焦，無(wú)法回收半焦顯熱，系統能耗高，同時(shí)，采用濕熄焦會(huì )產(chǎn)生大量難以處理的煤泥熄焦水，直接排放造成嚴重的環(huán)境污染；其三，煤中攜帶的外水和熱解產(chǎn)生的熱解水，除一部分用于激冷半焦和冷卻高溫荒煤氣外，大部分很難實(shí)現“綠色”處理。
二是缺乏工程化驗證，缺乏工業(yè)化裝置連續化穩定運行的支撐。目前煤熱解示范項目大多處于整改升級過(guò)程中，并無(wú)連續穩定運行裝置，應當針對存在的工程化問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān)，加強反應調控，提高油氣品質(zhì)和產(chǎn)率。為盡可能多的獲得高附加值油、氣資源和高品質(zhì)半焦，實(shí)現煤熱解過(guò)程中三項產(chǎn)品轉化的可調、可控，應明確熱解方式、停留時(shí)間、熱解溫度、產(chǎn)品組分及產(chǎn)品分配之間的關(guān)系，優(yōu)化工藝參數和工藝流程，實(shí)現熱解過(guò)程自身的熱量平衡。
三是半焦的利用沒(méi)有得到解決。煤熱解應當從整體上考慮產(chǎn)品的用途，必須解決半焦的利用問(wèn)題。例如1000萬(wàn)噸/年規模的煤熱解項目，一年要出半焦700萬(wàn)噸，合理利用半焦是煤熱解技術(shù)持續發(fā)展的前提條件。半焦的傳統消費市場(chǎng)如電石、鐵合金和高爐噴吹等早已飽和。如果用于發(fā)電，還需要對現有設備、控制程序進(jìn)行改造、調整，因為目前發(fā)電廠(chǎng)粉煤鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐多按照煙煤設計，這無(wú)疑會(huì )增加成本。此外，半焦由于揮發(fā)分低、反應活性低，其作為氣化原料的技術(shù)仍在開(kāi)發(fā)中，也沒(méi)有成熟應用的案例。
因此，對熱解技術(shù)及工藝進(jìn)行創(chuàng )新和突破，解決半焦的利用渠道是進(jìn)一步推動(dòng)熱解技術(shù)發(fā)展的驅動(dòng)力，應大力開(kāi)展煤熱解與其他工藝項目的耦合研究，積極發(fā)展多聯(lián)產(chǎn)。
四 中低階煤分質(zhì)梯級利用的突破與創(chuàng )新
（一）中低階煤分質(zhì)梯級利用的核心技術(shù)突破
目前，中低階煤熱解技術(shù)大多停留在僅獲得半焦—焦油—煤氣三項產(chǎn)品階段，半焦、焦油作為初級產(chǎn)品簡(jiǎn)單出售，煤氣放空或燃燒，屬于低端、粗放式的生產(chǎn)方式，系統的能源轉化效率低。面對當前存在的一些問(wèn)題，隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的提高，以煤熱解為龍頭的中低階煤分質(zhì)梯級利用必須走出新路子，積極綜合利用熱解三項產(chǎn)物深加工，向大型化、一體化、多聯(lián)產(chǎn)的方向發(fā)展創(chuàng )新。
據了解，利用褐煤發(fā)展煤熱解、走規?；?，在國際上已有先例。目前，國外主要的中低階煤加工技術(shù)有德國的低溫熱解工藝、蘇聯(lián)的褐煤固體熱載體熱解工藝、美國的溫和氣化技術(shù)、日本的煤炭快速熱解技術(shù)和加拿大的阿特伯干餾技術(shù)等。近幾年，國內煤熱解新工藝的開(kāi)發(fā)，也給煤熱解的規?；?、多聯(lián)產(chǎn)提供了技術(shù)上、工程化上的探索。
以熱解為龍頭的煤分質(zhì)利用自20世紀30年代起就受到各國關(guān)注。目前，全球已經(jīng)有近幾十個(gè)煤熱解技術(shù)問(wèn)世，能工業(yè)化成熟應用的多為立式爐。中國于20世紀80年代末成功開(kāi)發(fā)了立式爐塊煤熱解技術(shù)，一直沿用至今。目前，全國煤熱解產(chǎn)能已經(jīng)超過(guò)8000萬(wàn)噸/年。但立式爐具有只能以塊煤做原料、煤氣有效成分和熱值低、單爐產(chǎn)能小等弊端，使其進(jìn)一步推廣受到限制，也難以真正體現出煤分質(zhì)利用的高效與清潔。為此，近幾年，粉煤或全煤熱解技術(shù)成為眾多企業(yè)和科研單位競相開(kāi)發(fā)的方向。這其中，裝置大型化和粉煤熱解技術(shù)創(chuàng )新，是煤分質(zhì)利用必須邁過(guò)的兩道檻。
1.裝置大型化
由于煤炭資源的特點(diǎn)，中國已經(jīng)成為世界上最大的煤化工產(chǎn)業(yè)國。同時(shí)，中國的煤化工發(fā)展歷史短、技術(shù)新，規劃跟不上使中國的煤化工品種多，建設分散，項目規模整體偏小、重復建設、產(chǎn)品低端現象普遍。隨著(zhù)我國煤化工技術(shù)開(kāi)發(fā)的投入，煤化工技術(shù)已達到世界領(lǐng)先的水平，但項目投資大、建設周期長(cháng)，單位產(chǎn)品生產(chǎn)成本高，成為局限煤化工發(fā)展的最大障礙。因此必須堅定堅持煤化工項目大型化的方針，這是煤化工項目降本增效、增強經(jīng)濟性的必要條件。
過(guò)去煤熱解制蘭炭，就是采用中低溫干餾模式，使用的多為立式爐，要求塊煤，年處理規模10萬(wàn)噸。這種技術(shù)現狀，帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題。一是目前中國煤炭采掘大型化，煤炭粉化率越來(lái)越高，而立式爐只消耗塊煤，剩余的粉煤利用成為困擾。二是煤炭分級分質(zhì)，對工藝產(chǎn)生效益的主產(chǎn)品是焦油和煤氣，但拿出規?；a(chǎn)量的焦油和煤氣，必須將整體規模做大。對于千萬(wàn)噸級規模項目，如采用立式爐，一個(gè)項目需要100臺爐子，管理、運行的難度都會(huì )加大。
業(yè)界之所以認為煤熱解存在很?chē)乐氐奈廴締?wèn)題，主要因為大多現有煤熱解技術(shù)的規模普遍偏小、企業(yè)布局分散，無(wú)法實(shí)現廢水、廢氣集中低成本地回收處理與利用。事實(shí)上，只要實(shí)現熱解裝置大型化，并堅持走項目建設園區化、基地化、集約化的道路，污染問(wèn)題與能耗偏高的問(wèn)題就可徹底解決。
目前產(chǎn)業(yè)內部主攻的是熱解技術(shù)規模大型化，在2015年1月12日，國家能源局、環(huán)保部、工信部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開(kāi)發(fā)和清潔高效利用的意見(jiàn)》指出“在條件適合地區，積極推進(jìn)煤炭分級分質(zhì)利用，優(yōu)化褐煤資源開(kāi)發(fā)，鼓勵低階煤提質(zhì)技術(shù)研發(fā)和示范，推廣低階煤產(chǎn)地分級提質(zhì)，提高煤炭利用附加值”，并要求到2020年，“低階煤分級提質(zhì)核心關(guān)鍵技術(shù)取得突破，實(shí)現百萬(wàn)噸級示范應用”。在2015年4月27日，國家能源局印發(fā)的關(guān)于《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計劃（2015-2020年）》的通知中亦指出：“鼓勵低階煤提質(zhì)技術(shù)研發(fā)和示范。開(kāi)展單系統年處理原料煤百萬(wàn)噸級中低溫干餾制氣、制油為主要產(chǎn)品路線(xiàn)的大規模煤炭分質(zhì)利用示范，促進(jìn)我國煤炭分質(zhì)利用和提質(zhì)技術(shù)水平的提高?！薄?017年，低階煤分級提質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)取得突破；2020年，建成一批百萬(wàn)噸級分級提質(zhì)示范項目?！?/p>
在政府的政策支持、國家和企業(yè)的資金支撐下，制約中國煤熱解裝置大型化的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)眾多嘗試取得了一定的探索成果。
2011年，河南龍成集團成功開(kāi)發(fā)低階煤旋轉床熱解技術(shù)，并建成30萬(wàn)噸/年工業(yè)化裝置，該技術(shù)具有設備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是目標產(chǎn)品僅應用于高爐噴吹用煤，應用空間相對較小。
2013年11月25日，大唐華銀電力有限公司與中國五環(huán)工程有限公司合作開(kāi)發(fā)的低階煤低溫熱解改質(zhì)利用技術(shù)，30萬(wàn)噸/年褐煤提質(zhì)示范項目成功通過(guò)72小時(shí)滿(mǎn)負荷考核。該技術(shù)20世紀在國外已建立示范項目，目前在中國還沒(méi)有能實(shí)現長(cháng)周期穩定生產(chǎn)運行的項目。
2015年，神霧集團開(kāi)發(fā)的無(wú)熱載體蓄熱式旋轉床熱解技術(shù)已建成40萬(wàn)噸/年工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)，順利投產(chǎn)并穩定運行。同年，單爐處理量100萬(wàn)噸/年工業(yè)化裝置正在建設中。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是將鋼鐵行業(yè)已成熟的蓄熱式輻射管燃燒技術(shù)和高溫旋轉床技術(shù)集成升級應用于煤化工領(lǐng)域，具備設備大型化條件，目前看來(lái)最有可能實(shí)現單臺熱解爐處理量達到百萬(wàn)噸級，但是需要工業(yè)化示范進(jìn)行驗證。
2.粉煤熱解技術(shù)創(chuàng )新
目前業(yè)內尚無(wú)一種公認的可規?；M(jìn)行粉煤熱解的成熟技術(shù)。
現代化開(kāi)采工藝的推廣，粉煤（＜6mm）的產(chǎn)率達到60%以上。同時(shí)，由于粉煤利用技術(shù)的滯后和不成熟性，存在大量歷史粉煤囤積現象，如何高效、清潔利用粉煤，成為煤化工領(lǐng)域迫切需要解決的難題。
2012年12月神木天元公司聯(lián)合華陸科技工程公司，啟動(dòng)了低階粉煤回轉熱解制取無(wú)煙煤工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)，并經(jīng)過(guò)兩年多研發(fā)建成了6噸/小時(shí)粉煤回轉熱解制取無(wú)煙煤中試驗裝置，主要工藝流程如下：
粒徑為0～30毫米的低階粉煤進(jìn)入內熱式回轉干餾系統，用含氧干燥氣加熱至110℃～280℃，干燥脫水的同時(shí)除去0.2毫米以下的煤塵（通過(guò)調整爐內熱煙氣的氣體流速和爐內漸變式組合分布器，使除塵氣體與粉塵充分接觸并對下落的粉煤進(jìn)行吹掃）。干燥除塵后的粉煤送至回轉熱解系統，加熱至350℃～650℃熱解生成半焦和高溫油氣。半焦進(jìn)入回轉冷卻系統，通過(guò)氧化還原反應，完成熱解半焦的中低溫純化，使其各項質(zhì)量技術(shù)指標達到或接近無(wú)煙煤質(zhì)量標準，經(jīng)冷卻、噴水增濕、降為常溫后作為新型無(wú)煙煤產(chǎn)品外送。高溫油氣進(jìn)入油氣回收系統，用輕質(zhì)焦油洗滌得到煤焦油、熱解水、煤氣。煤焦油進(jìn)入儲罐或直接進(jìn)入后續加工；煤氣一部分經(jīng)煤氣預熱器升溫至150℃～450℃，返回至回轉熱解系統作為熱源，剩余部分外供或用于制取氫氣、液化天然氣、液化石油氣及其他化工產(chǎn)品；熱解水進(jìn)入廢水處理廠(chǎng)統一處理后回用。
專(zhuān)家也指出，該粉煤熱解技術(shù)若要實(shí)現大型工業(yè)化應用，仍有諸多環(huán)節需要改進(jìn)和完善。
一是回轉爐干燥與回轉爐熱解均屬間接換熱，熱效率較低，工業(yè)化后能效和原料受熱均勻度可能達不到預期效果。
二是工業(yè)化后，在回轉熱解爐內來(lái)回翻轉的原料煤在升溫過(guò)程中會(huì )頻繁地發(fā)生爆裂，產(chǎn)生新的煤塵，增加焦油含塵量。
三是該技術(shù)雖然廢水量較少，但廢水中苯、酚、多環(huán)芳烴、化學(xué)需氧量濃度更高。如何處理該技術(shù)并實(shí)現資源化利用需要加快技術(shù)攻關(guān)。
四是該裝置只試用了榆林低階煤，能否適應高含水的褐煤或其他高灰分、高揮發(fā)分低階煤，需要進(jìn)一步試驗研究。
龍成集團也在傳統回轉窯熱解工藝基礎上，針對生產(chǎn)潔凈煤替代高爐噴吹用煤市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)了以低灰優(yōu)質(zhì)長(cháng)焰煤粉煤為原料的熱解工藝。該工藝與傳統回轉窯熱解工藝比較，有了一定的升級和改進(jìn)，主要體現在以下兩點(diǎn)。
一是采用其自身凈煤氣作為熱載體，提高了熱解氣的品質(zhì)，克服了傳統回轉窯熱解工藝熱解氣品質(zhì)差的缺陷，煤氣熱值可達到5500kcal/Nm3，但是與此對應的負面影響是凈煤氣需在回轉窯外部加熱，降低了其系統熱利用率。
二是該技術(shù)選擇了較好的市場(chǎng)定位，為了規避回轉窯熱解工藝對熱解物料造成嚴重破碎的缺陷，選用了粉煤為原料煤，其產(chǎn)生的焦粉全部用于供應唐山及周邊區域的高爐噴吹用煤，用于替代貧煤、瘦煤、無(wú)煙煤等，市場(chǎng)定位較好，保證了工藝較好的技術(shù)經(jīng)濟性。正是得益于其較好的市場(chǎng)定位，其產(chǎn)品以粉焦為主，對于回轉窯固有缺陷導致的焦油質(zhì)量差、熱效率低等不足，未有明顯改進(jìn)。
總體來(lái)說(shuō)，龍成集團通過(guò)上面兩點(diǎn)的改進(jìn)，工藝有一定進(jìn)步性。但是行業(yè)專(zhuān)家表示，該工藝把寶貴的高熱值熱解氣能源用來(lái)自身燃燒，主要產(chǎn)品僅為粉狀半焦，而且為保證其工藝的經(jīng)濟性，潔凈煤產(chǎn)品定位高爐噴吹煤替代，不具備大規模推廣的可行性和項目的可復制性。
目前粉煤熱解技術(shù)多采用流化床或回轉窯，但在這些年的工業(yè)化示范和推廣過(guò)程中，遭遇了很多問(wèn)題，特別是焦油含塵大和運行不穩定等世界性難題還沒(méi)完全攻克。與此同時(shí)，神霧集團獨辟蹊徑，充分結合自身在燃燒技術(shù)和高溫加熱上的獨特優(yōu)勢，開(kāi)發(fā)的無(wú)熱載體蓄熱式下行床快速熱解工藝，也許能給粉煤熱解技術(shù)帶來(lái)驚喜。
該工藝結合蓄熱式輻射管燃燒技術(shù)和可模塊化立式下行床技術(shù)開(kāi)發(fā)出新型熱解反應器。采用粉煤為原料，通過(guò)均勻布料、快速熱解、熱解產(chǎn)物快速分離，獲得高產(chǎn)量的油氣資源。該工藝利用蓄熱式輻射管作為加熱兼布料元件，并通過(guò)科學(xué)合理設計輻射管的結構，來(lái)防止煤粉對輻射管的沖刷磨損，同時(shí)預防煤粉在輻射管的黏結結焦，并通過(guò)控制粉煤粒徑、熱解停留時(shí)間等參數，實(shí)現對粉煤的快速熱解處理。
該工藝的最大突破是采用了蓄熱式內置式輻射管燃燒器加熱物料，取代了熱載體換熱過(guò)程，既具有工藝流程簡(jiǎn)單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服間接傳熱帶來(lái)的系統熱、效率低的缺點(diǎn)；反應器被集成到一個(gè)模塊，處理量可以靈活調整，并可以達到工業(yè)上大型化要求。目前該工藝正在與火力發(fā)電進(jìn)行耦合，并在新疆建設處理量100萬(wàn)噸/年的、半焦耦合發(fā)電的工業(yè)示范性裝置。
（二）中低階煤分質(zhì)梯級利用的路線(xiàn)創(chuàng )新
在煤市低迷的情景下，煤炭分質(zhì)分級的關(guān)注點(diǎn)主要聚焦在焦油和煤氣上，但是決定一個(gè)煤分級利用項目成敗的關(guān)鍵要看煤熱解后產(chǎn)生的大量半焦如何推向市場(chǎng)。業(yè)內的一種解決思路是做成潔凈煤去銷(xiāo)售，但是時(shí)下煤炭產(chǎn)能過(guò)剩，行情不景氣，這一思路的可行性需要觀(guān)察。北京神霧集團對中低階煤熱解半焦產(chǎn)品的利用途徑提出了不同的看法。在該集團看來(lái)，必須針對下游市場(chǎng)的需求，對中低階煤的熱解技術(shù)做針對性的開(kāi)發(fā)，并首次提出了“煤熱解+”概念。神霧集團董事長(cháng)吳道洪博士強調，“煤熱解+”同于中低階煤分質(zhì)梯級利用層面，但不同于簡(jiǎn)單的工藝銜接，例如“煤熱解+”電力，不是指將傳統的熱解后半焦拿去發(fā)電，因為傳統工藝沒(méi)有通過(guò)工藝耦合得到系統能效的提高和節能減排的效果。真正的“煤熱解+”電力是在滿(mǎn)足下游火電原料需求的同時(shí)，通過(guò)上游煤熱解工藝的創(chuàng )新，使煤熱解單元產(chǎn)生的半焦的顯熱能轉移到下游火力發(fā)電，達到系統能效的提高和發(fā)電效率的提升，實(shí)現真正意義上的梯級開(kāi)發(fā)利用。同樣的，“煤熱解+”化工也不是僅僅將熱解油氣作為化工原料，對大量半焦束手無(wú)策，而是需要更深入的工藝耦合來(lái)實(shí)現油、氣、半焦的全面利用，提升系統能效，以獲得最大的競爭優(yōu)勢。
1.“煤熱解+”電力
從中低階煤分質(zhì)梯級利用層面講，國家政策多次明確引導“煤熱解+”電力煤炭利用路線(xiàn)。2015年4月27日國家能源局以國能煤炭〔2015〕141號文件發(fā)布了《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計劃（2015-2020年）》的通知。文件要求：加強煤炭質(zhì)量管理，加快先進(jìn)的煤炭?jì)?yōu)質(zhì)化加工、燃煤發(fā)電技術(shù)裝備攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化應用，穩步推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級示范，建立政策引導與市場(chǎng)推動(dòng)相結合的煤炭清潔高效利用推進(jìn)機制，構建清潔、高效、低碳、安全、可持續的現代煤炭清潔利用體系。開(kāi)展煤炭分質(zhì)分級梯級利用，提高煤炭資源綜合利用效率。鼓勵低階煤提質(zhì)技術(shù)研發(fā)和示范。開(kāi)展單系統年處理原料煤百萬(wàn)噸級中低溫熱解制氣、制油為主要產(chǎn)品路線(xiàn)的大規模煤炭分質(zhì)利用示范，促進(jìn)中國煤炭分質(zhì)利用和提質(zhì)技術(shù)水平的提高。逐步實(shí)現“分質(zhì)分級、能化結合、集成聯(lián)產(chǎn)”的新型煤炭利用方式。鼓勵煤—化—電—熱一體化發(fā)展，加強各系統耦合集成。在具備條件的地區推進(jìn)煤化工與發(fā)電、油氣化工、鋼鐵、建材等產(chǎn)業(yè)間的耦合發(fā)展，實(shí)現物質(zhì)的循環(huán)利用和能量的梯級利用，降低生產(chǎn)成本、資源消耗和污染排放。
從煤炭清潔高效利用角度來(lái)看，岑可法院士在接受《基石》雜志采訪(fǎng)時(shí)也表示“煤炭分級轉化清潔發(fā)電技術(shù)是根據中國國情提出的煤炭利用革命性方案之一。該項技術(shù)是基于煤炭各組分不同性質(zhì)和轉化特性，以煤炭同時(shí)作為資源和能源，將煤的熱解和燃燒等過(guò)程有機結合，實(shí)現煤炭分級轉化梯級利用。煤炭先在熱解爐熱解提取揮發(fā)分產(chǎn)生煤氣和焦油，半焦再送鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，煤氣和煙氣經(jīng)凈化可實(shí)現低污染排放控制和低碳排放，所生產(chǎn)的煤氣可用于制天然氣等燃料氣，焦油可經(jīng)加氫制得汽油、柴油等產(chǎn)品，蒸汽則用于電力生產(chǎn)和供熱，灰渣根據其賦存形態(tài)進(jìn)行有價(jià)元素提取和制水泥、建材等綜合利用”。
“煤熱解+”電力路線(xiàn)真正解決了熱解粉狀半焦去向的難題。其中浙江大學(xué)是國內較早從事“煤熱解+”火力發(fā)電路線(xiàn)，并進(jìn)行工業(yè)化示范的研究機構。
浙江大學(xué)在20世紀80年代初便已提出和設計了最初的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)方案?；诹骰矡峤饧夹g(shù)，浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)了以循環(huán)流化床為基礎的煤炭熱解燃燒分級轉化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)（詳見(jiàn)圖1）。該多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將流化床熱解爐與循環(huán)流化床鍋爐緊密結合，通過(guò)合適的技術(shù)路線(xiàn)獲得液體燃料、電力、化學(xué)品等產(chǎn)品的聯(lián)產(chǎn)，具體工藝如下：
煤（如褐煤和高揮發(fā)分煙煤）通過(guò)給料機送入流化床熱解爐內，與從循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器分離下來(lái)的高溫固體顆?；旌虾?，快速升溫并發(fā)生熱解反應析出煤氣和焦油。煤在熱解爐中生成的煤氣攜帶半焦和循環(huán)物料顆粒進(jìn)入熱解爐旋風(fēng)分離器，分離出大部分的半焦與循環(huán)物料。離開(kāi)旋風(fēng)分離器的粗煤氣進(jìn)入煤氣冷卻裝置和焦油捕集裝置進(jìn)一步干燥、除灰，脫除攜帶的焦、油。凈化后的煤氣一部分作為熱解爐流化介質(zhì)進(jìn)行再循環(huán)，剩余部分經(jīng)脫硫等凈化工藝后供民用或經(jīng)變換、合成反應生產(chǎn)有用的液體燃料和化工產(chǎn)品，合成尾氣還可用于燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)（GTCC）發(fā)電。在焦油捕集裝置中捕集的焦油可用于提取化學(xué)品或提質(zhì)合成高品位合成油。熱解爐分離器分離下來(lái)的熱解半焦與換熱后的循環(huán)物料被送入循環(huán)流化床鍋爐中燃燒。循環(huán)物料在爐腔內部被重新加熱后送入流化床熱解爐開(kāi)始新的循環(huán)。循環(huán)流化床鍋爐和尾部受熱面中生成的高溫高壓水蒸氣可用于蒸汽輪機發(fā)電或供熱及制冷等。流化床熱解爐和循環(huán)流化床鍋爐運行溫度分別為550℃～750℃和850℃～950℃。
圖1 以循環(huán)流化床為基礎的熱解燃燒分級轉化多聯(lián)產(chǎn)系統示意
浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的熱解燃燒分級轉化技術(shù)具有以下特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢。
（1）燃料適應性廣。釆用了流化床熱解技術(shù)，可收到基揮發(fā)分含量高于20%的煙煤和低階煤。
（2）系統能量集成度高。煤炭熱解產(chǎn)生的高溫半焦顆粒通過(guò)返料機構被送入循環(huán)流化床鍋爐直接燃燒發(fā)電，散熱損失小。
（3）煤氣品質(zhì)好。循環(huán)流化床煤炭熱解燃燒多聯(lián)產(chǎn)工藝的熱解過(guò)程以循環(huán)灰為熱載體，避免了以煙氣為熱載體帶來(lái)的煤氣稀釋問(wèn)題，熱解所產(chǎn)出的煤氣有效組分高。
但是也有業(yè)內專(zhuān)家表示，雙級流化床工藝耦合存在同步操作難度大、工藝穩定性差的問(wèn)題。而且采用鍋爐熱灰作為熱載體，熱灰返混量大，煤焦油的飛灰含量會(huì )明顯增多，降低煤焦油的品質(zhì)。
神霧集團基于開(kāi)發(fā)的無(wú)熱載體蓄熱式下行床快速熱解工藝，提出了新的“煤熱解+火力發(fā)電”工藝路線(xiàn)，分別與循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電和煤粉鍋爐發(fā)電進(jìn)行耦合（參見(jiàn)圖2、圖3）。
圖2 神霧低階煤快速熱解+循環(huán)流化床發(fā)電
圖3 神霧低階煤快速熱解+煤粉鍋爐發(fā)電
神霧低階煤快速熱解+循環(huán)流化床發(fā)電工藝把快速熱解爐的半焦熱送至循環(huán)流化床的返料閥，充分利用熱半焦的潛熱，且只需調整循環(huán)流化床返料閥的部分參數，不需要對循環(huán)流化床發(fā)電系統進(jìn)行其他改動(dòng)，就可以實(shí)現煤熱解系統和發(fā)電系統的耦合。神霧低階煤快速熱解+煤粉鍋爐發(fā)電工藝利用冷焦系統把熱半焦冷卻下來(lái)，冷半焦與原煤進(jìn)行配比后進(jìn)入制粉系統，半焦與原煤充分摻混，達到煤粉鍋爐燃燒器設計的粒徑和揮發(fā)分要求，再通過(guò)一次風(fēng)送入煤粉鍋爐燃燒。煤粉鍋爐系統只需增加一條冷半焦輸送皮帶，鍋爐的受熱面、煤粉燃燒器都不需要重新設計。
神霧煤熱解+循環(huán)流化床或煤粉鍋爐發(fā)電系統都可以把熱半焦冷卻下來(lái)進(jìn)入煤堆場(chǎng)，并把熱半焦顯熱回用，因此神霧煤熱解+火電兩套系統既耦合緊密，又相互不影響。針對不同區域，對于熱解氣和煤焦油也可以采取不同的利用途徑，以滿(mǎn)足當地的能源要求，實(shí)現效益的最大化。
目前100萬(wàn)噸/年低階煤快速熱解+2×350MW熱電聯(lián)供工業(yè)化示范項目正在新疆開(kāi)工建設，預計2017年年底投產(chǎn)。
神霧煤熱解+火力發(fā)電工藝具有以下特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢。
（1）神霧粉煤熱解工藝采取蓄熱式內置式輻射管作為加熱源，排煙溫度小于180℃，所有的燃燒熱都留在了熱解爐內，為熱解提供熱量，提高了系統的熱效率，因此神霧粉煤熱解系統既具有間接換熱工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又克服了傳統間接換熱效率低的難題。
（2）與煤粉鍋爐合理的耦合，既利用熱解半焦的顯熱，也可以利用電廠(chǎng)富余的蒸汽為熱解系統煤粉干燥、熱解氣凈化等提供能量，從而提高系統綜合能效。
（3）不需要對火電鍋爐進(jìn)行改動(dòng)，且兩套系統相互影響小，電廠(chǎng)調峰時(shí)，煤熱解系統可以正常運營(yíng)，煤熱解系統檢修時(shí)，電廠(chǎng)也可以正常運營(yíng)。
（4）粉煤熱解過(guò)程中物料沒(méi)有劇烈的翻滾、碰撞，熱解氣細塵帶出少，煤焦油含塵量低。
2.“煤熱解+”化工
煤化工按其產(chǎn)品種類(lèi)可分為傳統煤化工和現代煤化工。傳統煤化工是指煤制焦炭、電石、甲醇等技術(shù)成熟的產(chǎn)業(yè)?，F代煤化工是指煤制油、煤制天然氣、烯烴、二甲醚、乙二醇等以煤基替代能源為導向的產(chǎn)業(yè)。以現代煤化工中具有代表性的五大產(chǎn)品工藝路線(xiàn)為例，分別為煤制甲醇、煤制烯烴、煤制油、煤制乙二醇、煤制天然氣。以煤直接制油和煤氣化為龍頭的C1化工，業(yè)內發(fā)出了許多質(zhì)疑，主要集中在單位產(chǎn)品投資高、資源轉化效率低、水資源消耗高、碳排放高，難以應對資源和環(huán)境約束挑戰等。有測算表明，目前中國煤制氣裝置平均水耗6.9噸水/千立方米天然氣，煤直接液化為10噸水/噸油，煤制烯烴為22噸水/噸產(chǎn)品，煤間接液化為11噸水/噸油。[3]中國煤炭分布特點(diǎn)是西多東少，而西部地區水資源短缺現象嚴重，按照煤炭就地消化原則，西部難以承載過(guò)多煤化工項目。另外，煤炭在以氣化為龍頭的煤化工過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生SO2、NOx、CO2為主的廢氣、廢水和廢渣。中國部分中西部富煤地區生態(tài)環(huán)境較脆弱，大量的污染排放將會(huì )造成不可逆的后果。
煤化工重要的目標是實(shí)現煤炭的清潔高效轉化，“煤熱解+”化工就是一條中低階煤清潔高效轉化的重要途徑。其革命性的意義在于，改變了傳統煤化工和現代煤化工目前的煤炭利用方式，從源頭革新煤化工發(fā)展工藝路線(xiàn)。通過(guò)“煤熱解+”化工路線(xiàn)，可在煤炭資源加工利用的工藝前端對其進(jìn)行熱解處理，增加煤炭資源綜合利用的經(jīng)濟效益，實(shí)現資源化利用，即固體能源向固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種能源的高效轉化，能源轉化效率可以達到85%以上。其中，固態(tài)成分提質(zhì)煤可作為下游的清潔能源原料，液態(tài)（焦油）成分可進(jìn)一步加工成清潔燃料油、溶劑油或芳烴產(chǎn)品，氣態(tài)產(chǎn)品可用于制取天然氣。如此“煤熱解+”化工，不僅實(shí)現了煤炭的分級轉化和梯級利用，而且實(shí)現了環(huán)保、清潔、減霾的目的。
以電石生產(chǎn)為例，傳統電石生產(chǎn)要消耗大量的電力和優(yōu)質(zhì)蘭炭或焦炭，并向大氣中排放大量的污染物，是公認的“高污染、高能耗、高成本”三高行業(yè)。目前，中國電石大部分用于PVC（聚氯乙烯）生產(chǎn)，而下游PVC市場(chǎng)不景氣，商品電石價(jià)格持續走低。其原因一方面是居高不下的原料和電力成本，另一方面是一路下跌的電石價(jià)格，導致電石行業(yè)全面虧損。在“能源危機”和“環(huán)境危機”的形式下，電石行業(yè)必須全面轉型，開(kāi)發(fā)高科技含量、高經(jīng)濟性、低污染、綠色健康的工藝勢在必行。
如何降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，突破傳統電石生產(chǎn)工藝的“三高”限制，成為電石行業(yè)發(fā)展的瓶頸。筆者經(jīng)過(guò)大量信息收集，獲知神霧環(huán)保開(kāi)發(fā)的蓄熱式電石新工藝成功破解了傳統電石生產(chǎn)“三高”限制。蓄熱式電石新工藝以生產(chǎn)原料為突破口，采用粉狀中低階原煤和粉狀石灰為生產(chǎn)原料，降低原料成本。通過(guò)熱解工藝和電石冶煉工藝的有機耦合，熱解物料熱態(tài)并送至電石爐，工藝過(guò)程能量流被優(yōu)化利用，提高了工藝系統能效，降低電石冶煉電耗10%～20%，每噸電石成本降低400～800元。同時(shí)，熱解單元副產(chǎn)大量低成本的合成氣（H2+CO）、高濃度的CO尾氣、天然氣、輕質(zhì)石油等，來(lái)合成現代煤化工下游的甲醇、烯烴、汽柴油、天然氣、乙二醇等能源化工產(chǎn)品。
蓄熱式電石新工藝的成功開(kāi)發(fā)創(chuàng )新出一條中低階煤和石灰石高效利用的新途徑，為中低階煤分質(zhì)梯級利用指出了新的“煤熱解+”化工發(fā)展方向。對傳統電石生產(chǎn)工藝進(jìn)行了革命，實(shí)現“低能耗、低成本、零污染”，推動(dòng)電石行業(yè)可持續發(fā)展。同時(shí)電石生產(chǎn)低成本化，為電石乙炔化工一定程度上取代“煤基C1化工”提供了有力支撐，為“煤基C2化工”發(fā)展提供了新的方向和新的思路（參見(jiàn)圖4）。
基于蓄熱式電石生產(chǎn)新工藝的“煤熱解+”化工（電石乙炔下游化工），從產(chǎn)出的低成本的乙炔、合成氣（H2+CO）、高濃度的CO尾氣、天然氣、輕質(zhì)石油等為原料，來(lái)合成現代煤化工下游的甲醇、烯烴、汽柴油、天然氣、乙二醇等能源化工產(chǎn)品。經(jīng)測算，其單位產(chǎn)品的投資額可減少70%以上、能源轉換效率提高15%以上、二氧化碳排放下降15%以上、水耗下降50%以上，最關(guān)鍵的是單位產(chǎn)品的綜合生產(chǎn)成本可下降30%以上。
2015年，蓄熱式電石新工藝20萬(wàn)噸/年電石產(chǎn)品工業(yè)示范線(xiàn)已建成并投入使用，年產(chǎn)80萬(wàn)噸電石工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)正在建設中。
綜觀(guān)國內外煤化工市場(chǎng)，在現有技術(shù)陷入水耗高、投資大、成本高的困境同時(shí)，筆者認為，由神霧集團開(kāi)發(fā)的，基于蓄熱式電石生產(chǎn)新工藝的“煤熱解+”化工（電石乙炔下游化工）路線(xiàn)，確實(shí)讓人眼前一亮，在可預見(jiàn)的未來(lái)，或將引領(lǐng)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展走向新的征程。
圖4 “煤基C2化工”新思路
五 展望
綜上所述，中國在中低階煤分質(zhì)梯級利用技術(shù)上已經(jīng)取得了長(cháng)足進(jìn)步。面對中國能源“缺油、少氣、富煤”的稟賦特點(diǎn)，采用中低階煤分質(zhì)梯級利用的方式，是發(fā)展中國煤化工清潔高效利用的重要途徑。立足全球能源結構格局和國內產(chǎn)業(yè)結構現狀，實(shí)現煤的清潔高效和低碳化利用，部分直接或間接替代中國短缺的油氣資源，對平衡中國能源消費結構和促進(jìn)國民經(jīng)濟持續穩定發(fā)展具有重大戰略和現實(shí)意義。全社會(huì )要共同努力，讓中低階煤分質(zhì)梯級利用技術(shù)成為中國發(fā)展清潔、高效煤化工的必然選擇，實(shí)現中國能源、經(jīng)濟、社會(huì )、環(huán)境協(xié)調可持續發(fā)展。為此，在各級政府和相關(guān)行業(yè)的推動(dòng)下，要大力推廣“煤熱解+”電力和“煤熱解+”化工技術(shù)路線(xiàn)，如果所有用煤行業(yè)都推廣中低階煤分質(zhì)梯級利用，就可實(shí)現中國中低階煤的高效、清潔利用，解決傳統煤化工中低階煤難以利用的問(wèn)題，提高煤炭的整體利用水平，促進(jìn)工業(yè)綠色發(fā)展，減少大氣污染物的產(chǎn)生和排放，改善大氣環(huán)境質(zhì)量，讓中國潔凈煤化工為全面建成小康社會(huì )、建設美麗中國做出更多貢獻。