| 何昌林：浅谈神木天元化工粉煤热解的现状与未来发展 | |||
| 煤炭资讯网 | 2022/11/11 21:07:43论文、言论 | ||
| 摘 要：本文对目前我国低级粉煤热解的主流技术进行了综述，其中包括：转炉煤热解技术、循环流化床煤热解技术、煤热解－气化一体化技术、低阶粉煤气体固热介质双循环热解技术、低阶粉煤热解技术、多层立塔搅拌粉煤热解技术、低阶粉煤热解技术。对以上技术规模化产业化过程中出现的问题进行了剖析：装置的放大换热均匀性差，细小粉尘难以从沥青中剥离。提出了以百万吨为单位的工业生产示范，加大煤焦与煤焦的技术开发力度，加大对煤焦的热分解与气化、燃烧的有机结合与综合应用，以达到最大的效益。 关键词：热解炉用干法制焦炭，低阶粉煤，神木天元 前言 按照2014年《必威手机登陆在线网页 发展战略行动计划（2014—2020年）》，我国在必威手机登陆在线网页 消费中占有举足轻重的位置，按照2014年国家发改委发布的《国家必威手机登陆在线网页 发展战略行动规划》，传统石油必威手机登陆在线网页 在2020年的总需求中所占比重将会降到68%，而煤的消费量仍然是60%，发挥着无可取代的作用。以煤炭为主的必威手机登陆在线网页 结构短期内难以改变。而我国必威手机登陆在线网页 结构呈现“富煤，贫油，少气”的特点。随着国家经济的迅速发展，人们对清洁的必威手机登陆在线网页 和环保的要求日益提高，把煤转变为一种高效、洁净的必威手机登陆在线网页 已经引起了国家相关部门跟人们的广泛重视。在中央财经领导小组第六次会议上就提出推进必威手机登陆在线网页 革命，包括必威手机登陆在线网页 消费，供给，技术，体制革命四个方面。在《必威手机登陆在线网页 “金三角”发展战略研究》中也提出必须要以清洁，低碳，安全，高效转化为目标，在产业链上实现煤炭资源绿色开发清洁高效利用。而新型低阶热解技术与煤制油、煤制气等传统煤制油工艺相比，煤制油工艺简单，反应条件温和，投资少，水耗低，是煤制油技术发展的主要方向。 1 技术简介 煤热解技术是将煤炭加热至450~650摄氏度，并将其挥发性成分分离并回收。初步目标是改善劣质煤和褐煤，增加其热量，减少其含硫量。煤炭的热分解技术从对焦炭的处置起步，目前常用的是各类垂直加热炉，例如 JLW、 JLK、JLH-D、鲁奇三级加热、 SJ低温蒸馏方窑等。目前，我国煤矿生产的块煤只有20%左右，而低阶煤则占据70％，由于低阶煤成煤年代短，水分含量大，含油率高发热量低所以导致了机采破碎率高而形成粉煤，因为粉煤比块煤便宜，运输困难，粉尘污染，导致了粉煤的长期累积。粉煤热分解技术及其配套装备的研制已成为煤炭行业的一个重要课题。 在2017年2月份，必威手机登陆在线网页 厅印发了《“十三五”煤炭深度开发示范》，提出了在成煤时期较晚、挥发成分含量高、反应活性高的煤中分质处理，以达到煤的利用率和经济效益。优先发展洁净、高效的煤热解工艺，解决粉煤热解、气液固两大技术难点，实现上千万吨规模的工业产业化；开发新一代的高产率技术，如快速裂化技术；强化裂解与气化、燃烧的有机结合，发展裂解气化与燃烧的综合工艺。 本文结合我国目前比较流行的几种粉煤热解工艺，讨论了其中的一些问题，并就其应用前景进行了展望，以期尽快使其达到规模化应用。 2 粉煤热解技术 发展研究现状 目前，在粉煤热分解中，常用的传热材料有固态传热和气传热两种[1]。 2．1 固体热载体回转窑煤热解技术 神华李初福等人介绍了以热为介质的旋转窑炉为原料的热解技术。本工艺利用半焦为传热介质，以颗粒直径不超过25 mm的粉煤为传热介质，以转炉为热解炉，可将传热介质与煤粉进行均匀的搅拌，产品以煤气、焦油和半焦为主[2]。详细的过程如图1所示。 图2-1 转炉窑煤热解过程的过程简述 本工艺主要采用以下几种方法：①利用旋转式烘炉内的热空气吹散干粉，降低进炉内的烟尘；②利用大粒径半焦作传热剂，通过适度的机械式抬高工艺，将半焦高温介质的损伤降至最低，使半焦炉在半焦炉内破碎速率下降；③降低旋转窑的破碎速率，降低了旋转窑的热分解工艺；④采用高效率的旋流分离器，对热解气体中的尘埃进行有效地控制，以减少煤烟中的烟尘[3]。 以热载体为介质的转炉煤气的热解法具有以下技术优点：①采用了直接加热器，具有较高的换热效果；②采用半焦作传热介质，具有较高的热能、较低的排烟、较好的燃油品质；③可以循环利用；④单个装置具有较大的容量和较大的灵活性。其不足之处在于：首先，在大容量的机械上，粉煤粉与热媒质之间的混合不匀；二是设备老化、设备扩容等方面的问题。 目前，该项技术正处在实验期，实现产业化后，一套装置的热分解容量可达一百万吨/年。 2．2 循环流化床煤分级转化技术 浙江大学研究开发的多联产分级转换技术[2-5]，该技术以8毫米以下的煤粉为原材料，以燃烧的高温炉灰作传热介质，将其与流化床相结合，同时产生蒸汽、煤气和焦油[4]。 图2-2 CFB多联生产工艺的分类与应用 本工艺采用了一种新型的旋风式除尘器，具有以下技术优点：①采用了直接加热器，提高了换热效果；②能生产出高热量、低排放、高品质的汽油；③将 CFB与干燥釜相组合，使煤炭的多种组分得到合理、高效的使用；④采用蒸馏法对半焦中硫和氮含量进行了大幅度的减少；⑤利用 CFB技术降低了废气的排放量。其主要问题是：①采用了大量的气－固相分离装置，使其分离效率低下；②大型流化床内粉煤、热载体和循环气体的均匀度问题；③掺入半焦炭的炭灰，其热量较小[5]。 目前，该工艺正在进行中，目前已经建成了75吨/小时的工业化生产示范区。 2．3 煤热解－气化一体化技术 陕西延长石化公司研制的拥有国内完全自主知识产权的百万吨粉煤热解－气化技术（CCSI)，首创了“一器三区”粉煤热解和气化的综合工艺，采用气作为气化器（或氧气），将粉煤一阶工艺生产出优质的煤焦油及合成气，从而达到粉煤热解和半焦的煤焦的综合利用。该反应炉可生产出煤焦和天然气，能有效地将粉煤加以利用[6]。它的流程如图3所示。 图2-3 CFB多联生产工艺的分类及应用 采用气－固三级分离技术，实现了以低浓度固态粒子为目标，实现了良好的煤层气相分离。它的优点是：①在相同的反应器中完成热解和气化2个反应，产生煤焦油和粗合成气，达到物料互供、热量自平衡、焦油产率和半焦粉气化的目的；②采用气－固三级分离技术，实现了石油和天然气粉尘的高效分离；③研究了一体化反应系统、高效分离系统和油气回收系统相结合的新技术，具有流程短，能耗低，资源利用率高等特点。但其不足之处在于，气体的热能较差，且由于多种原因，导致热平衡的稳定性受到多种因素的干扰。 目前，该项技术已成功地实现了万吨粉煤热解－气化的集成中试，并为一千万吨 CCSI工业设备提供了技术方案，并在陕西榆林、关中等地建立了一套工业示范工厂。 2．4 低阶粉煤气固热载体双循环快速热解技术 采用双周期热解法（SM-SP）是上海胜帮化学技术有限公司研制的一种新型的低级粉气固热介质热解法。采用这种工艺生产的煤粉和气体固相温度低于200℃时将载体（自制的粉末和回收的煤气）混合，在双循环空气床中实现内秒的快速反应，并充分发挥了固态热载体的高热容量和气态热载体的迅速热传递的优点；利用天然气快速冷却技术将焦油与焦油分开，降低焦油的再聚合，产品以煤气、焦油、半焦为主。如附图4所示。 图2-4 双周期短周期低阶粉末气体固热载体的热解法原理 利用自行开发的气－固相快速分离技术，可以有效地将煤粉的气液相结合，达到减少煤粉中的粉尘含量。它的技术优点是：①采用了直接供热，具有较高的换热效果和较高的燃气热量；②高质量的沥青产量；③采用干法进行烧焦，减少了生产污水，产生了大量的水蒸气。其不足之处在于：①响应速度为秒级，且各个影响因子的变动很可能破坏体系的稳定性；②粉末型焦炉中存在着粉末状的焦炭，导致其半焦的热能下降。目前，本技术已经成功地实现了20,000 t/a粉煤热分解工业化实验，120万 t/a的低级粉气体固热承载双周期热解技术示范设备的技术方案[7]。 2．5 低阶粉煤回转热解技术 陕西神木天元化工和华陆工程技术股份有限公司共同研制的低阶粉煤旋转式裂解工艺，适合于提高煤粉质量和产量。本工艺以30 mm以下的榆林粉煤为原材料，采用回流烘焙和回流热解法，这种技术将煤粉的干燥与热解分开进行，将煤“吃干榨尽”，开发了环保型干燥与热解的串联工艺。减少了含硫，酚，油，氨污水的产量，同时也能降低污水处理的成本跟难度。在源头上减少了水资源浪费，在干燥地区可以将煤干燥阶段产生的冷凝液回收利用。采用逆并流相结合的加热器介质，使炉膛温度更加均匀，充分发挥了煤炭料件特性，实现了煤炭高效清洁利用。是一种创新的新型产品。并于2019年11月经过技术专家鉴定此套工艺拥有完全自主产权，整体技术达到国际领先水平。在附图5中显示了这一技术的流程。 图2-5 中低级煤粉旋转式裂化技术原理 本工艺主要包括：①利用高温烟道对煤灰进行烘干，并在一定程度上消除了颗粒直径在0.2 mm以下的煤灰，使煤灰在随后的热解工艺中得到显著降低；②独创了专有的高效传热传质热解炉，开发出独特的异形管结构的回转反应炉，降低了烟尘的排放。本工艺具有以下优点：①热解法为热解法，具有良好的组分和较高的热值；②通过对旋转交变载荷性能的研究确定合理设备材料及结构形式，确保了核心装置可靠性，提高了煤焦油产量；③使用干式灭焦工艺，可使固态产物具有良好的活力，在搬运时不会发生自燃现象；④利用自制的煤焦油水清洗热解煤气中所含的煤焦油，将其与热解水分开处理，梯级利用；⑤通过冷态热态实验，攻克了大型回转设备密封，物料二次破碎等重大难题，解决了油尘堵塞的世界性难题；⑥开发了冷却钝化一体化提质焦粉冷却器，有效降低了大型化设备的投资。其不足之处在于，其热解工艺为间接加热，且换热效果差；有一些问题，如磨耗和设备的扩大[8]。 现已成功地实现了60万吨/年粉煤热分解工艺的研究并稳定投产，正在推进二期600万吨/年的项目并已经取得相关资质的审核 2．6 带搅拌的多层直立塔式粉煤热解技术 刘宗礼等人介绍了一种采用干馏、干馏、熄焦为一整体的多层柱状干馏塔，采用内热与热风交换带走湿份，干馏部分采用外热非接触的间接加热器，在熄焦时采用冷烟换热，然后采用水喷射冷却，生成了经过冷却的半焦和水蒸气[9]。具体的过程如图6所示 图2-6 多层垂直塔式粉煤热分解过程的介绍 本工艺主要采取以下几种降尘方法：①多层直立塔混合搅拌粉煤热解炉焙烧部分采用直接传热，使烟道中细小的尘埃被排出；②在蒸馏区内，使用了直接传热、粗气分级排放、每一层气体流量较小、烟尘排放较小；③降低搅拌器的搅拌速度和锯片的夹角，减少了移动时的烟尘[10]。主要技术特点：①将干燥、干馏、熄焦三个部分有机地结合起来，通过间接加热的方式生产出高的热能和优良的成分；②高焦油收率；③半焦具有良好的活力，便于输送；④可以循环使用废热，减少排放。其不足之处在于：①直接利用烟道间接供热，降低了换热效果；②使用了机械式混合，造成了较大的设备损耗。现已经完成了年产100,000吨的焦炭实验，并在中试生产[11]。 2．7 低阶粉煤多管回转热解技术 中国重型机械研究所研制了一种新型的新型多管间壁热分解技术—— ZDHR。热解工艺以25 mm以下的煤粉为原料，包括预热系统、热解系统、冷却系统、余热回收系统、煤气净化系统和煤气净化系统。其中预热、热解、高温过滤、半焦热解气体制冷是中国重工业技术研究所拥有的核心技术装备。具体的过程如图7所示[12]。 图2-7 多管间壁热交换旋转低温裂化技术 本工艺采用的降尘方法：①在送料时，首先将细粒在旋转筛中筛分，以减小进炉的烟尘；②预热器和热解窑采用非直接加热方式，降低了粗放气体的排放速度，降低了烟尘的排放量；③利用特制的超高压空气过滤器，提前进行了热解气的纯化，改善了煤气的清洁性和减少了煤灰中的焦油。技术上的优点是：①生产过程的组织和生产流程的缩短；②采用多热管热空气热分解，采用非直接旋转方式，可改善换热效果，并能生产出较高的燃气热量和较低的排放；④采用干式制冷，可以循环利用废液，减少排放。其不足之处在于使用了非直接燃烧的烟道，换热效果差，而且在设备损耗、设备扩容等方面也有一些问题。现已经建成了一个小规模的中试设备，实现产业化后的单个产能可达到一百五十万吨/年。 2．8 技术对比 将7种不同类型的煤粉裂化工艺进行比较，结果表明：在热解工艺中，如果采用半焦或天然气作热解介质，则其热解率高、热解率高、焦油品质好；该工艺为间接加热，具有高的热值和优良的沥青质量，且具有较小的含尘量，且不需要气体－固相技术，但是，其热分解速度和热解率都很低；干法焦化工艺具有排放废水小、半焦活力高、便于输送等优点[13]。 3、低阶粉煤热解的发展趋势 要达到“双碳制”的核心是以煤等矿物资源的高效、洁净使用为基础，减少二氧化碳排放的压力就会加大。“十四五”发展规划中，明确指出，要加强必威手机登陆在线网页 供应稳定，加强风险控制，确保煤供应安全兜底、油气核心需求依靠自保、电力供应稳定可靠，做好煤制油气战略基地规划布局和管控这意味着，用好煤、少用煤正是实现双碳目标的重要手段[14]。众所周知，低品位煤是低品位、高挥发分、高水含量、有机质化学成分中存在大量的侧链、有机质成分中的氢、氧含量高，若将它用于发电、工业锅炉或民用燃料，不但会造成环境的污染，还会造成大量的必威手机登陆在线网页 浪费[15]。而低级煤的热解工艺是一个比较温和的工艺，不需要加氢、氧分选，在常温下就可以将煤进行分质、分级、高效、清洁利用。据相关部门估算，全国年消费量为二十亿吨左右的低品位煤炭，如果将其分质、分次、高效率地进行大规模的循环热解，则可实现原油1.87亿吨、液化天然气8570万吨、2487万吨液化石油气、12.27亿吨洁净优质提质焦粉。与直接燃烧、液化、气化等剧烈的使用工艺相比，每年可节省1.5亿吨的标准煤炭，减少3.4亿吨的CO2排放。 在煤化工行业中，尽管存在着巨大的行业损失，但是天元公司在以煤粉旋转热解工艺为主的煤分质利用方面，取得了良好的经济效益。天元公司为了确保项目能稳定运行，早在2012年就组成了由华陆工程有限公司国家设计大师山秀丽领衔的技术攻关团队，双方建立了完整的组织体系，管理制度，确保了工艺的稳定运行，开展新型低阶粉煤高效清洁利用工业化的长期合作。天元化工目前已投产的60万吨粉煤热解装置独创开发了精准控尘洁净油气新工艺，此工艺构建了独特的内件+炉头炉尾双向导气，有效降低了粉尘颗粒。领衔开发的油渣循环二次热解工艺，使油渣系统流程优化，实现了废油渣100％的资源化利用。通过对粉尘粒度的分析，独创了自清洁电动导气设施，有效减少了粉尘附着。截至2021年5月份，单是60万吨粉煤热解项目实现税后利润8768.6万元，上缴税收10597.5万元。并取得社会各界一致好评，得到了相关部门的大力支持，神木天元目前正在推进二期600万吨/年大型工业化工程。该项目被陕西省政府列入《〈中国制造2025〉陕西实施意见》重大项目，被陕西省工信厅、陕西省财政厅列入《2016年省级工业转型升级专项和高端装备制造专项资金项目计划》［9］且先后有连云港市政府，新疆投资开发集团，新疆必威手机登陆在线网页 集团，山西阳煤集团丰喜肥业集团，山西亚鑫集团，杭州锦江集团印尼分公司等企业来天元化工公司考察交流并多次召开专题会。与会人士均表达了想要引入低级粉煤热分解技术，促进当地煤炭的洁净、有效地转化。宝武钢铁集团，南钢集团，太钢集团，汉钢集团，山东鲁西化学集团等公司，也都在积极地进行了长时间的采购和回购。因此，大规模的低级煤粉旋式热分解技术，具有显著的节能减排效果和经济效益，对于达到“双碳”的目的具有重大意义！ 结论 近年来，我国多个科研机构对粉煤热分解技术进行了大量的探索，并在试验中获得了一些成效，但还没有成熟的工业化生产实例。当前，大规模工业化生产的关键问题是：装置的放大换热均匀性差，粉尘颗粒难以从沥青中剥离。提出了建立万吨工业生产的方案，收集大量的工业生产过程资料，并对装置进行持续改进；加大对细粒煤沥青的技术研究和开发；强化气化与燃烧的有机结合，充分发挥其资源的作用，提高煤的利用率和经济效益。通过大量工艺设备的建设和工艺的逐步改进，粉煤热解的规模化产业化必然会取得重大的进展。
参考文献
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