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煤热解技术:在争议中完善

北极星电力网新闻中心  来源:煤化工网  作者:李军  2018/11/29 8:39:34  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 煤炭 煤热解 火电

北极星火力发电网讯:今年8月底,陕西延长石油集团碳氢研究中心自主研发的粉煤热解气化一体化技术(CCSI)工业示范产业化方案在西安通过专家审查。专家们认为,该技术先进可靠,与燃气蒸汽联合循环发电技术耦合具有良好的环境效益、经济效益和市场前景,建议加快实施延长石油榆林百万吨CCSI产业化示范项目建设。这是国内又一个即将开建的低阶煤利用项目。

(来源:微信公众号“煤化工网”ID:cpcia-coalchem 作者:李军)

煤热解即煤的干馏或热分解。这项在国内外都历史悠久的技术如今日趋成熟,新技术层出不穷,单套装置规模越来越大。但粉煤热解关键技术、环保处理等瓶颈仍待突破。同时,业内对热解煤项目的争议声不绝于耳。

古老技术焕发生机

低阶煤是处于低变质程度的煤,主要是褐煤和低变质烟煤(包括长焰煤、不黏煤、弱黏煤),占我国煤炭总量一半以上。我国褐煤主要分布在内蒙古东部、新疆和云南等地区。低变质烟煤主要分布在陕西、内蒙古、新疆等地。

中国石化联合会煤化工专委会委员、陕西省化工学会名誉理事长贺永德告诉记者,低阶煤一般油含率高,通过中低温热解,在隔绝空气或缺氧条件下加热到500~800摄氏度,可将煤分解为气体(热解气)、液体(煤焦油)和固体(半焦,也称兰炭)三相物质。这个物理化学变化过程非常复杂,包括裂解反应、二次反应和缩聚反应等。

煤热解技术源远流长。早在17世纪后期中低温热解就开始出现。1805年低温热解开始在英国实现工业化生产,至今已有200多年的历史。1860年德国建立较大的褐煤低温热解工厂制取灯油和石蜡。20世纪初至50年代,随着汽化器式内燃机的出现和应用,汽油需求量激增,缺乏天然石油资源的国家千方百计利用煤制取液体燃料,低温热解工业得以迅速发展,相继出现了德国Lurgi-Spuelgas、美国Disco、德国Lurgi-Ruhrgas(鲁奇-鲁尔煤气公司)、前苏联固体热载快速热解等工艺,并达到可观的规模。

我国的煤中低温热解工业始于抗日战争期间。当时在四川、云南、贵州等地建有外热式铁甄煤热解小型工厂。建国之前,在吉林曾修建4台鲁奇低温热解炉,但未正式运行。建国之初,我国拟恢复和建立中低温热解工厂。1953年抚顺石油四厂着手设计新建1套试验装置和1台日处理量45吨的低温热解炉,其工艺类似鲁奇炉。到1957年以后,中低温热解单炉规模达到330~450吨/天。

20世纪60年代,由于炼油和石油化工的迅速发展,煤中低温热解工业陷入低潮。90年代至今,随着石油资源日益紧缺,国际油价不断上涨,中低温热解技术研发进入了新的发展时期。

近年来,我国低阶煤热解技术开发和示范取得突破性进展。新一代热解技术达20多种,一半实现了工业化生产。其中核心热解装置包括内热立式方形炉、外热立式方形炉、回转炉、国富炉、带式炉、双循环快速热解炉、固体热载体热解炉、气体热载体热解炉、流化床热解炉、气流床、热解气化一体化炉、真空微波干馏炉等,单炉年处理规模从几万吨、10万吨到80万吨以上,原料煤既有块煤,也有碎煤和粒度小于1毫米的粉煤。

2016年9月,陕煤集团旗下的陕西陕北乾元能源化工有限公司与北京国电富通科技发展有限责任公司依托该技术在陕西榆林建成50万吨/年工业示范装置,以粒度小于30毫米的长焰煤为原料进行联运试车,至今年6月25日连续运行277天。今年6月26~28日,中国石化联合会组织专家对该装置进行72小时现场标定考核。标定结果显示,该装置运行稳定,处理量达到设计值的102%,吨煤半焦收率为65.69%,焦油产率为原煤的8.09%,达到同基格金焦油产率的87.2%,煤气产量167标方/吨煤。煤气中有效气(氢气、一氧化碳、甲烷、烃基化合物)占比达84.4%,能源转化效率91.9%,综合能耗低。这一项目标志着我国低阶煤利用技术开始成熟。

综合利用规模扩大

业内人士认为,热解是低阶煤清洁分质利用的最好方式,技术优势明显。一是有效提高资源利用效率。低阶煤是由芳环、脂肪链等官能团缩合形成的大分子聚集体,直接燃烧会形成大量高附加值组分转化为二氧化碳。若气化依然存在过度拆分的问题,将高附加值组分转化为一氧化碳和氢气。通过热解,可将煤中的焦油提出来,同时产出煤气和半焦,将原煤一分为三,避免资源浪费。二是生产工艺条件温和。煤热解温度一般为550~700摄氏度,反应压力接近常压,且采用隔绝空气加热,生产系统不需要大型空分装置,设备投资较小。三是具有良好的环保性,煤热解得到的半焦可作为锅炉燃料和气化原料,所含的污染物少于原煤,对环境影响较小,同时热解过程相对于气化来说水耗较低。我国低阶煤资源丰富、分布广泛,具有挥发分高、灰分低、化学反应性好等特点,非常适合通过煤热解技术进行分质综合利用,推广应用前景广阔,经济效益和社会意义显著。若在西部地区就地转化10亿吨低阶煤,粗略估算,每年可生产半焦6.5亿吨、焦油8000万吨、煤气1600亿立方米。

据介绍,在我国单系列50万吨/年及以上的低阶煤热解技术中,已实现工业化生产或试验的,包括河南龙成集团80万吨/年旋转床低温热解项目、陕煤集团与北京国电富通合作开发的50万吨/年煤气热载体分段多层低阶煤热解项目、北京柯林斯达科技发展有限公司100万吨/年褐煤带式炉热解项目等。此外,陕煤集团在建的低阶粉煤气固热载体快速热解项目,单套装置处理能力达120万吨/年;陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司在建的粉煤回转炉热解项目,单套装置处理能力60万吨/年。

在国家能源局《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》中,新建的低阶煤分质利用项目有5个,包括陕煤集团榆林1500万吨/年煤炭分质清洁高效转化示范项目(其中热解单套装置处理能力将超过100万吨/年)、陕西延长石油榆林煤化有限公司800万吨/年煤提取焦油与制合成气一体化产业示范项目、陕西龙成煤清洁高效利用有限公司1000万吨/年粉煤清洁高效综合利用一体化示范项目(热解单套装置处理能力200万吨/年)、京能集团500万吨/年褐煤热解分级综合利用项目、呼伦贝尔圣山洁净新能源有限公司30万吨/年褐煤清洁高效综合利用示范项目(热融催化技术)。

“大型化固然是煤热解发展的趋势,有利于提高能源转化效率、综合利用和降低能耗,但也不是越大越好。要确定一个经济合理的单套规模。”贺永德对记者说,热解炉体积超过一定标准就会出现问题。不同热解炉型应有不同的经济规模,同时还要考虑焦油、煤气和半焦3者之间的优化产率。

贺永德表示,煤热解目标是要提高焦油收率和能源转化效率,降低能耗。因此热解温度应控制在600摄氏度以下,缩短热解的时间。同时可通过煤-油-电-化多联产,提高产品附加值,实现资源综合利用最大化,环境更友好。

关键技术尚待突破

那么,这样一个可以资源综合利用最大化的技术方向,为什么又会引起争议呢?

记者了解到,之所以有人不赞成搞煤热解这一技术,是认为该技术落后。同样是从煤中提取焦油加工柴油和石脑油,但在技术先进性和能源利用效率方面,煤热解技术赶不上现在的煤制油新技术。同时,煤热解产生的大量半焦(兰炭)没有很好的利用途径,造成产能严重过剩。还有专家甚至表示,煤热解技术是本末倒置,为了提取副产的焦油而大上热解项目,是一种资源浪费。

这些争议鞭策着煤热解技术要尽快完善,用经济效益和社会效益说话。

目前,粉煤热解技术逐渐成为业内研究热点和攻关方向。比如,陕煤集团自主研发的低阶粉煤气固热载体双循环快速热解工艺(SM-SP)、陕煤-国富煤气热载体分段多层低阶煤热解工艺、北京煤化院外热式多段回转炉工艺、大唐华银-中国五环LCC工艺、清华-天素固体热载体褐煤热解技术、中科院工程热物理所固体热载体流化床低温热解工艺、西安华龙公司真空微波煤干馏等,绝大多数已进入工业化试验阶段,有的正在开展工业化示范。

“粉煤热解迄今尚没有大规模产业化推广应用。”贺永德坦言,存在的主要问题是热解油、气、煤尘在线分离和干熄焦技术,以及粉焦的钝化、储运和大规模应用等技术尚未完全突破,废水有效处理还没有成熟的方法。大型化的工程问题已基本解决,但还不理想,热解炉气固分布的特殊结构仍需完善优化。

贺永德表示,煤热解的综合利用仍需下功夫。比如产品附加值需进一步提高,资源还没有完全充分利用,热解气、焦油和半焦的后续利用也应创新突破,实现油、热、电、化、建材等多联产。又比如热解气主要组分是氢气、一氧化碳和甲烷及部分短链烃,提取后可制成乙二醇、液化天然气、烷烃、烯烃等。还有,焦油富含高级酚及吡啶等高附加值组分,应先提取后再加氢合成柴油和石脑油馏分等,若将其加工为高密度航空煤油、高档润滑油基础油等则更具竞争力。半焦具有多孔结构、高活性、高发热量、高固定碳含量等特性,除常规作为高炉喷吹原料、工业及民用燃料外,还可经活化制取吸附材料或过滤材料,也可将其进行气化生产甲醇,进一步与焦油制取的石脑油重整耦合生产芳烃,再与热解气加工的乙二醇合成精对苯二甲酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯,或者用甲醇直接生产烯烃,形成完整的高附加值产业链。

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