煤煉制清潔油品及固體燃料系統研究

一 引言

隨著(zhù)大氣污染防治工作推進(jìn)，我國對清潔的固體和液體燃料需求與日俱增。同時(shí)，我國是一個(gè)“富煤、少油”的國家，將豐富煤炭轉化為寶貴的油品資源，對改善國家能源結構、保障國家能源安全具有重要意義。煤低溫熱解是實(shí)現煤炭高效清潔轉化的有效方法之一，^[1]有氣體（煤氣）、液體（焦油）和固體（半焦）三種形態(tài)產(chǎn)物，通過(guò)對氣液固產(chǎn)物進(jìn)一步提質(zhì)加工，可以得到清潔的液體和固體燃料產(chǎn)品。

低溫熱解液體產(chǎn)物煤焦油加氫提質(zhì)后，主要產(chǎn)品柴油硫氮含量很低（＜10ppm），是一種清潔的燃料，但是十六烷值較低（約為40）、密度較高（約為880kg/m³），^[2]達不到國家車(chē)用柴油標準（十六烷值＞45，密度為790～850kg/m³，GB 1947-2013），只能作為調和組分。同時(shí)，費托合成柴油也是一種非常清潔的燃料，基本不含硫、氮、芳烴，十六烷值高（約70），密度較低（約780kg/m³），^[3]與焦油加氫柴油調和，可以得到清潔的車(chē)用柴油。

針對上述問(wèn)題，本文提出一種煤煉制清潔油品及固體燃料系統，以廉價(jià)豐富的碎煤為原料，最終生產(chǎn)出石腦油、車(chē)用柴油、潔凈煤等清潔燃料產(chǎn)品。該系統利用固體熱載體熱解技術(shù)，^[4]首先將碎煤轉化為半焦、焦油和煤氣等中間產(chǎn)物；半焦通過(guò)成型，生產(chǎn)潔凈煤產(chǎn)品；煤焦油經(jīng)加氫，得到石腦油、柴油等組分；煤氣首先經(jīng)蒸汽轉化后，一部分經(jīng)變換后用于制氫，其余部分經(jīng)凈化后進(jìn)行費托合成得到生產(chǎn)高十六烷值（達到70以上）柴油組分，與煤焦油加氫柴油組分調和得到清潔車(chē)用柴油產(chǎn)品。

二 系統介紹

煤煉制清潔油品及固體燃料系統以碎煤為原料，主要生產(chǎn)石腦油、車(chē)用柴油、潔凈煤等清潔燃料產(chǎn)品，如圖1所示。系統原理及流程如下：碎煤（＜25mm）經(jīng)干燥后，送入熱解反應器，與750℃～850℃半焦熱載體混合并發(fā)生熱解，生成半焦、焦油、煤氣和水等中間產(chǎn)物，熱解溫度控制為550℃～600℃；焦油經(jīng)預處理除去粉塵、水分等雜質(zhì)后，送入加氫裝置生產(chǎn)石腦油產(chǎn)品、低十六烷值柴油組分等；半焦送入成型裝置，添加約5%的黏結劑成型后作為潔凈煤產(chǎn)品；煤氣經(jīng)壓縮后，送入脫硫等凈化裝置，凈化后送入蒸汽轉化裝置，將CH₄等輕烴組分轉化為CO和氫氣，一部分經(jīng)凈化后，送入費托合成裝置，生產(chǎn)合成油，經(jīng)加氫后得到石腦油產(chǎn)品、高十六烷值柴油組分等，其余部分送入變換裝置，將其中的CO轉化為氫氣，控制CO體積含量小于1%，然后進(jìn)入凈化裝置，脫除其中的CO₂等，最后經(jīng)吸附分離得到氫氣，用于焦油加氫和合成油加氫裝置。將煤焦油加氫得到的柴油組分與費托合成油加氫得到的柴油組分調和，得到清潔車(chē)用柴油產(chǎn)品。

圖1 煤煉制清潔油品及固體燃料系統示意

三 系統模擬

（一）基礎數據

本系統模型包括低溫熱解、煤氣壓縮、脫硫、蒸汽轉化、變換及凈化、費托合成、吸附分離、焦油預處理、焦油加氫、合成油加氫、油品調和和半焦成型等部分。利用Aspen Plus建立該系統模型，物性方法選擇RK-SOAVE方程。其中，煤低溫熱解、焦油加氫、費托合成、合成油加氫部分采用收率模型進(jìn)行計算，吸附分離氫氣的效率為85%，輕烴蒸汽轉化和CO變換采用Gibbs平衡反應模型計算，^[5]平衡溫距設為20℃，^[6]CO變換平衡溫距設為30℃，其余部分根據熱力學(xué)平衡進(jìn)行計算。^[7]

模擬所需要的基礎數據包括：原煤工業(yè)分析和元素分析數據、熱解半焦工業(yè)和元素分析數據、熱載體半焦工業(yè)和元素分析數據、熱解過(guò)程產(chǎn)物分布、費托合成產(chǎn)物分布、焦油加氫產(chǎn)物分布和費托合成油加氫產(chǎn)物分布數據等。

本系統原煤為神東長(cháng)焰煤，其分析數據如表1所示。熱解產(chǎn)物分布及產(chǎn)品性質(zhì)，在公斤級固體熱載體熱解實(shí)驗平臺上獲得，熱解溫度為600℃，見(jiàn)表1～表3。將煤在20g級干餾爐內加熱至800℃，得到半焦熱載體，分析數據見(jiàn)表1。

表1 神東長(cháng)焰煤及半焦分析數據

表2 神東長(cháng)焰煤熱解產(chǎn)物分布（干基）

表3 熱解煤氣體積組成

煤焦油全餾分加氫氫耗為5.0%左右，石腦油收率為14.0%，柴油收率為76.6%，尾油收率為7.5%，水產(chǎn)率為5.6%^[8]。

以天然氣為原料制合成氣，費托合成產(chǎn)物分布如下：C₁～C₄為12.9%，汽油（C₅～C₁₁）為17.5%，柴油（C₁₂～C₁₈）為21.7%，重質(zhì)油/蠟為47.9%，CO轉化率約90%。費托合成重質(zhì)油/蠟通過(guò)加氫裂化可獲得高質(zhì)量的二次加工產(chǎn)品，如石腦油、柴油等，其中石腦油收率為10%，柴油收率為81.9%，氫耗約1%^[9]。

（二）模擬結果

以年處理1000萬(wàn)噸神東長(cháng)焰碎煤（＜25mm）系統為例進(jìn)行模擬計算，年工作小時(shí)數為8000，模擬結果如表4所示。

對于煤低溫熱解部分，根據給定的工藝條件（干燥溫度200℃，熱解溫度600℃，半焦熱載體溫度800℃），模擬得到半焦熱載體與干燥煤質(zhì)量比為3.3，半焦產(chǎn)品干基收率為60.5%，焦油產(chǎn)品干基收率為7.2%，煤氣產(chǎn)品干基收率為10.0%。半焦產(chǎn)品中熱載體半焦（800℃）占82%，熱解半焦（600℃）占18%，半焦產(chǎn)品揮發(fā)分為8.7%，熱值大于6000kcal/kg，是一種清潔的固體燃料。

模擬結果表明，該系統煤焦油加氫裝置規模為62.5萬(wàn)噸/年，費托合成裝置規模為36.0萬(wàn)噸油/年，可年產(chǎn)潔凈煤為618.0萬(wàn)噸，石腦油為18.4萬(wàn)噸，車(chē)用柴油為75.1萬(wàn)噸（十六烷值＞50，硫含量＜10ppm，達到國V標準），重油為4.9萬(wàn)噸，系統能效達到75%以上，高于煤直接制油、煤制天然氣過(guò)程的能效（約60%）。

表4 模擬結果

四 政策建議

煤煉制清潔油品及固體燃料系統，在將煤部分轉化為清潔油品的同時(shí)，也使煤成為更清潔的固體燃料，是實(shí)現煤分質(zhì)高效清潔轉化的有效途徑之一。為推動(dòng)煤煉制清潔油品及固體燃料系統發(fā)展與應用，建議國家在以下方面出臺相關(guān)政策措施。

（1）鼓勵使用清潔煤產(chǎn)品。散煤燃燒是造成大氣污染的重要因素之一，在城郊及農村推廣使用清潔煤產(chǎn)品，對于大氣污染防治、改善城市空氣質(zhì)量具有重要作用，應該出臺和加大鼓勵措施。

（2）減免煤基清潔油品稅費。目前，煤基清潔油品與石油基油品征收相同的稅費，在國際油價(jià)持續低迷情況下，不利于煤制油產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展及石油替代戰略實(shí)施，應考慮減免煤基清潔油品相關(guān)稅費。

五 結論

本文提出了一種煤煉制清潔油品及固體燃料系統，以廉價(jià)豐富的碎煤為原料，利用固體熱載體熱解技術(shù)，將碎煤轉化為半焦、焦油和煤氣等中間產(chǎn)物，然后經(jīng)煤氣蒸汽轉化、費托合成、焦油加氫、半焦成型等加工過(guò)程，最終生產(chǎn)出石腦油、車(chē)用柴油、潔凈煤等清潔燃料產(chǎn)品。模擬及分析結果表明，對于年處理能力為1000萬(wàn)噸煤的煤煉制清潔油品及固體燃料系統，可生產(chǎn)約618.0萬(wàn)噸潔凈煤（揮發(fā)分＜10%，熱值＞6000kcal/kg）和98.4萬(wàn)噸清潔油品（主要為車(chē)用柴油，其十六烷值＞50，硫含量＜10ppm，達到國V標準），系統能效達到75%以上。

煤煉制清潔油品及固體燃料系統，在將煤部分轉化為清潔油品的同時(shí)，也使煤成為更清潔的固體燃料，是實(shí)現煤炭分質(zhì)高效清潔轉化的有效途徑之一。為推動(dòng)煤煉制清潔油品及固體燃料系統發(fā)展和應用，建議國家在鼓勵清潔煤使用、減免煤基清潔油品稅費等方面出臺政策措施。