一 前言

中低階煤，是指處于低變質(zhì)階段的煤，根據(jù)煤化程度，可分為低變質(zhì)煙煤（包括長(zhǎng)焰煤、不黏煤、弱黏煤）和褐煤。中國(guó)目前探明煤炭資源儲(chǔ)量1.48萬億噸，其中中低階煤占59%，約8732億噸。2013年，中國(guó)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(guó)的煤炭消費(fèi)量36.5億噸，其中低階煤消費(fèi)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(zhǎng)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(yùn)輸成本高，許多國(guó)家把褐煤作為一種低等級(jí)燃料，在坑口露天礦附近建設(shè)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(dá)原煤重量的30%以上，這些揮發(fā)分蘊(yùn)含著高附加值的油氣資源，因此中低階煤資源理應(yīng)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(zhuǎn)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)分得不到有效的開發(fā)，不僅會(huì)造成資源的浪費(fèi)，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，帶來極大的環(huán)境污染問題。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(duì)中低階煤的品質(zhì)要求相對(duì)較高，中國(guó)迄今對(duì)中低階煤尚未進(jìn)行大規(guī)模的開發(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題。

為提升煤炭的利用水平，2014年11月19日，國(guó)務(wù)院下發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》指出：要制定和實(shí)施煤炭清潔高效利用規(guī)劃，積極推進(jìn)煤炭分級(jí)分質(zhì)梯級(jí)利用，加大煤炭洗選比重，鼓勵(lì)煤矸石等低熱值煤和劣質(zhì)煤就地清潔轉(zhuǎn)化利用。2015年1月12日，國(guó)家能源局、環(huán)保部、工信部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用的意見》指出：在條件適合地區(qū)，積極推進(jìn)煤炭分級(jí)分質(zhì)利用，優(yōu)化褐煤資源開發(fā)，鼓勵(lì)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(jí)提質(zhì)，提高煤炭利用附加值。2015年4月27日，國(guó)家能源局又發(fā)布了《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃（2015-2020年）》（國(guó)能煤炭〔2015〕141號(hào)），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(jí)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(biāo)。

二 中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用的概念

2015年3月25日，國(guó)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(dǎo)意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》）。在“推進(jìn)煤炭清潔高效利用”一節(jié)，《意見》指出：嚴(yán)格執(zhí)行《商品煤質(zhì)量管理暫行辦法》，研究建立商品煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系及配套政策，提高煤炭質(zhì)量和利用效率，鼓勵(lì)建設(shè)煤炭分級(jí)分質(zhì)梯級(jí)利用示范項(xiàng)目，有序發(fā)展低熱值煤發(fā)電等資源綜合利用項(xiàng)目。從《意見》看出，低熱值煤的分質(zhì)梯級(jí)利用已納入國(guó)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(jí)利用采用的是一條以煤熱解為龍頭的工藝路線。根據(jù)煤炭原有的結(jié)構(gòu)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(xiàn)煤炭分質(zhì)，并根據(jù)它們的化學(xué)組成和理化性質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行有區(qū)別的梯級(jí)延伸加工，對(duì)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(diào)和組分油；煤熱解產(chǎn)品之一——提質(zhì)煤，可以根據(jù)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，粉狀可通過煤氣化路徑生產(chǎn)化工產(chǎn)品。通過對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品選擇和工藝過程環(huán)節(jié)選擇工藝技術(shù)的優(yōu)化組合，煤的分質(zhì)梯級(jí)利用可以形成多種途徑。

（1）一級(jí)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(jí)分質(zhì)：對(duì)一級(jí)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(duì)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(duì)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(jí)分質(zhì)：三級(jí)分質(zhì)對(duì)二級(jí)分質(zhì)產(chǎn)物進(jìn)一步分質(zhì)加工。例如：①對(duì)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(duì)用熱解氣生產(chǎn)的甲醇以及甲醇馳放氣體進(jìn)行再利用。具體工藝路線舉例如下：①通過煤焦油加氫工藝生產(chǎn)油品和石腦油等，并與焦粉氣化費(fèi)托合成的油品進(jìn)行調(diào)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(yīng)耦合生產(chǎn)烯烴產(chǎn)品，利用C₁和C₂基礎(chǔ)化工原料甲醇和乙烯向下游發(fā)展化工產(chǎn)品；③對(duì)熱解氣進(jìn)行處理變換，使之成為合成氣，根據(jù)不同需求生產(chǎn)各類煤化工品。

從以上各分質(zhì)利用路線來看，中低階煤的分質(zhì)梯級(jí)利用可以根據(jù)不同煤種的結(jié)構(gòu)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，資源和能量利用效率更高，潛在經(jīng)濟(jì)效益更好。這樣，不僅可以避免資源浪費(fèi)，一定程度上填補(bǔ)中國(guó)的油氣缺口，還可以節(jié)約大量的水資源，降低CO₂的排放。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)，分質(zhì)利用項(xiàng)目的水耗只有傳統(tǒng)煤化工的1/7，投資只有傳統(tǒng)煤化工的1/3^[2]（分質(zhì)利用項(xiàng)目耗水0.4～5噸/噸標(biāo)煤，投資約0.1億元/噸標(biāo)煤；煤制甲醇項(xiàng)目水耗約3噸/噸標(biāo)煤，投資約0.4億元/噸標(biāo)煤）。因此，中低階煤的分質(zhì)梯級(jí)利用被稱為目前能耗、物耗最低的煤炭轉(zhuǎn)化利用方式。

三 中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用發(fā)展現(xiàn)狀和困境

（一）中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用發(fā)展現(xiàn)狀

熱解作為中低階煤分質(zhì)梯級(jí)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(jì)末，當(dāng)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(yīng)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(jì)20～30年代，煤的低溫?zé)峤夤I(yè)發(fā)展較快，所得半焦產(chǎn)品主要用作民用無煙燃料，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(zhàn)前后，德國(guó)建立了大型低溫?zé)峤鈴S，熱解固體半焦用于下游造氣，所得的合成氣經(jīng)費(fèi)托合成反應(yīng)制取液體燃料油。熱解焦油經(jīng)過簡(jiǎn)單處理后用作海軍船用燃料，或經(jīng)過高壓加氫制取汽油和柴油。與此同時(shí)，德國(guó)還從煤焦油中提取各種芳烴及雜環(huán)有機(jī)化學(xué)品，作為燃料、炸藥的原料。隨后，日本、匈牙利、波蘭、英國(guó)、美國(guó)、蘇聯(lián)、印度、南斯拉夫等國(guó)先后引進(jìn)德國(guó)技術(shù)并在德國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出新的煤熱解以及煤焦油加氫制取燃料油技術(shù)。

中國(guó)曾于20世紀(jì)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，卻沒有對(duì)中低溫?zé)峤饧夹g(shù)的開發(fā)有足夠關(guān)注。直到20世紀(jì)70年代，富產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中低階煤的陜西榆林地區(qū)因苦于煤炭?jī)r(jià)格低廉且難以外運(yùn)，自行創(chuàng)造了土法煉焦，獲得半焦。20世紀(jì)90年代起，土法煉焦逐漸被機(jī)械煉焦所取代，形成了穩(wěn)定的內(nèi)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(biāo)產(chǎn)品半焦。該工藝雖然具有投資低、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但隨著煤炭開采方式的改變，以及國(guó)家環(huán)保及節(jié)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?dú)?，熱值低，有效成分含量少，無法經(jīng)濟(jì)地回收利用，絕大多數(shù)被“點(diǎn)天燈”或直接排放，造成極大的能源浪費(fèi)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，難以凈化處理。

（3）只能用20～80毫米塊煤做原料。

（4）單爐最大產(chǎn)能僅10萬噸/年（改進(jìn)后也不過20萬噸/年），且設(shè)備多、工藝路線長(zhǎng)、占地面積大、能耗高、能效低。

鑒于此，中國(guó)研究者們根據(jù)不同地區(qū)的自然地理環(huán)境，結(jié)合煤資源的特點(diǎn)，進(jìn)行了多種煤炭熱解技術(shù)的開發(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、固體熱載體和無熱載體三大類。

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發(fā)。1996年進(jìn)行了名為SJ復(fù)熱式直立炭化爐的工藝設(shè)計(jì)并試驗(yàn)成功。2001年推出了與油頁(yè)巖干餾技術(shù)相結(jié)合的SJ-1型3萬噸/年低溫干餾爐和SJ-2型5萬噸/年低溫干餾爐，在出現(xiàn)故障較多的方面都做了進(jìn)一步設(shè)計(jì)修正。2003年推出SJ-3型10萬噸/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(shè)計(jì)，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(hù)爐鋼板的設(shè)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(zhǎng)，工程應(yīng)用較多，但是直立爐特點(diǎn)決定，其單爐處理原料規(guī)模小，只能以優(yōu)質(zhì)塊煤為原料，不符合現(xiàn)代煤化工發(fā)展的趨勢(shì)，已經(jīng)逐漸退出煤熱解產(chǎn)業(yè)，向油頁(yè)巖熱解轉(zhuǎn)型。

（2）北京柯林斯達(dá)的帶式爐改性提質(zhì)技術(shù)

柯林斯達(dá)公司在引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的帶式炭化爐設(shè)備基礎(chǔ)上，針對(duì)中國(guó)煤炭資源的特征，在褐煤加工利用領(lǐng)域成功開發(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(jí)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(qū)間進(jìn)行加熱，脫除大部分親水性含氧官能團(tuán)，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(chǔ)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?zé)峤夤に囀菍熋阂来谓?jīng)干燥脫水、低溫?zé)峤馓崛∶航褂?、中溫?zé)峤馓崛峤鈿獾姆旨?jí)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(dá)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(jì)90年代在中國(guó)已建10萬噸/年低階煤熱解示范項(xiàng)目生產(chǎn)線。2008年又在內(nèi)蒙古錫林浩特建成投產(chǎn)30萬噸/年褐煤改性提質(zhì)項(xiàng)目，目前處于工業(yè)化示范過程中。

（3）國(guó)電富通GF-I低階煤干餾技術(shù)

國(guó)電富通GF-I低階煤干餾技術(shù)是北京國(guó)電富通科技發(fā)展有限責(zé)任公司與國(guó)能能源科技有限公司在魯奇三段爐基礎(chǔ)上合作開發(fā)的低階煤提質(zhì)技術(shù)，其核心設(shè)備國(guó)富爐為氣體熱載體外燃內(nèi)熱式連續(xù)干餾直立爐。

目前，該工藝示范項(xiàng)目單條生產(chǎn)線原料最大處理量規(guī)模為50萬噸/年，且在大唐錫林浩特礦業(yè)公司的褐煤提質(zhì)項(xiàng)目中，已經(jīng)完成2×50萬噸/年提質(zhì)系統(tǒng)設(shè)備建設(shè)。

（4）大唐華銀LCC技術(shù)

LCC（Low-rank Coal Conversion）低階煤轉(zhuǎn)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(guó)五環(huán)工程有限公司在LFC技術(shù)的基礎(chǔ)上聯(lián)合開發(fā)的。

該工藝首套示范裝置于2012年4月18日在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗建成，原料處理量為30萬噸/年，但是由于技術(shù)問題，一直沒有穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，目前無其他推廣項(xiàng)目。

（5）多段回轉(zhuǎn)爐熱解技術(shù)

多段回轉(zhuǎn)爐熱解工藝（以下簡(jiǎn)稱MRF工藝）是煤科總院北京煤化所開發(fā)的針對(duì)年輕煤綜合利用的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)采用多段回轉(zhuǎn)爐串聯(lián)，對(duì)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(zhuǎn)式窯爐為主體設(shè)備，可采用靈活多樣的工藝形式，適應(yīng)不同的煤種，可處理不同種類的年輕煤、黏結(jié)性或非黏結(jié)性煤。

該工藝結(jié)合氣體熱載體加熱方式與回轉(zhuǎn)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)沒有進(jìn)一步研發(fā)擴(kuò)展，目前沒有工業(yè)化項(xiàng)目運(yùn)行，僅在海拉爾建設(shè)了年處理褐煤2萬噸的示范裝置，并于1993年、1994年進(jìn)行褐煤熱解工業(yè)試運(yùn)轉(zhuǎn)，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)過程中采用干熄焦技術(shù)，具有節(jié)水環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。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?xì)鉄嶂蹈?，熱值?5～18MJ/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(jié)合，在一套系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱、電、氣和焦油的聯(lián)合生產(chǎn)。

浙江大學(xué)在20世紀(jì)80年代提出了煤氣蒸汽聯(lián)產(chǎn)工藝的設(shè)想，1999年，在國(guó)家973項(xiàng)目的資助下，同淮南礦業(yè)集團(tuán)合作將1臺(tái)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(yùn)行，2008年上半年完成性能優(yōu)化試驗(yàn)，2008年10月系統(tǒng)投入試生產(chǎn)運(yùn)行。該裝置利用循環(huán)流化床鍋爐高溫循環(huán)灰作為熱載體來熱解原煤，半焦送回鍋爐燃燒供熱和發(fā)電焦油直接銷售。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(yīng)規(guī)模的循環(huán)流化床鍋爐，系統(tǒng)復(fù)雜且投資高，更不利于在非電廠環(huán)境下的工業(yè)化推廣，目前沒有工業(yè)級(jí)示范裝置在建或者運(yùn)行。

（3）中國(guó)科學(xué)院“煤拔頭”技術(shù)

中國(guó)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(xiàn)。煤粉從下行床的頂部加入，在常壓、無氧的條件下，煤粉與來自提升管的循環(huán)熱灰進(jìn)行強(qiáng)烈混合并加熱，從而實(shí)現(xiàn)快速熱解。生成的油氣產(chǎn)物在下行管的底部通過快速分離器分離后，進(jìn)入急冷器進(jìn)行快速冷卻，最終得到液體焦油產(chǎn)物。“煤拔頭”技術(shù)的工藝特點(diǎn)是：系統(tǒng)集成，使目前國(guó)際循環(huán)流化床的快速床與下行床有機(jī)結(jié)合在一起。

中國(guó)科學(xué)院過程所在完成8kg/h實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)基礎(chǔ)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(shè)備制造方面與哈爾濱紅光鍋爐集團(tuán)進(jìn)行合作，完成35t/h循環(huán)流化床設(shè)計(jì)。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(tǒng)復(fù)雜且投資高等問題，目前沒有工業(yè)級(jí)示范裝置在建或者運(yùn)行。

3.無熱載體熱解技術(shù)

（1）直立爐褐煤干餾技術(shù)

中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院在已成熟工業(yè)應(yīng)用的內(nèi)熱式直立煉焦?fàn)t基礎(chǔ)上，成功開發(fā)了干餾褐煤的內(nèi)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(shè)有布料板，干餾室頂部設(shè)有排氣口，在直立爐內(nèi)設(shè)有加熱氣體室，在加熱氣體室內(nèi)設(shè)有調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)，爐體側(cè)面設(shè)有煤氣燒嘴，四周設(shè)有爐鐵件。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，改善爐體密封性，有利于氣體加熱均勻，煤料在爐內(nèi)運(yùn)行順暢，可用于干餾穩(wěn)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，帶來系統(tǒng)能效低，能耗高等缺陷，且直立爐單爐處理能力低下，無法實(shí)現(xiàn)該工藝的大型化、高效性。

（2）無熱載體蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)和蓄熱式直立下行床熱解技術(shù)

無熱載體蓄熱式旋轉(zhuǎn)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(tuán)研發(fā)的新型熱解技術(shù)。兩項(xiàng)技術(shù)均采用了鋼鐵行業(yè)已成熟工業(yè)應(yīng)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?xì)猓瑫r(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(nèi)部，燃燒的熱量全部保留在熱解爐內(nèi)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(duì)原料煤不同的特性，選擇了完全不用的兩種熱解反應(yīng)器。

①無熱載體蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)

該技術(shù)的熱解爐集成了高效節(jié)能的蓄熱式輻射管燃燒器技術(shù)和高溫旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，物料熱解過程無翻滾，無擠壓，降低了熱解工藝對(duì)原料煤的強(qiáng)度、粒度、黏度等指標(biāo)要求。

同時(shí)，環(huán)形旋轉(zhuǎn)床反應(yīng)器在冶金行業(yè)已成熟應(yīng)用，大型化設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，該爐技術(shù)升級(jí)型“嫁接”用于煤熱解，單體熱解爐處理量易于實(shí)現(xiàn)大型化，目前正在進(jìn)行40萬噸/年煤熱解工業(yè)化示范，單爐處理量100萬噸/年工業(yè)化生產(chǎn)線在新疆正在建設(shè)。

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(jié)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)過內(nèi)置于爐膛內(nèi)部的輻射管，經(jīng)過輻射傳熱完成熱解反應(yīng)，設(shè)備簡(jiǎn)單，熱效率高，目前正在新疆建設(shè)處理量100萬噸/年、半焦耦合發(fā)電的工業(yè)示范性裝置。

神霧集團(tuán)的無熱載體蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)和蓄熱式直立下行床熱解技術(shù)，熱解過程均無熱載體。由于采用輻射管加熱，既可實(shí)現(xiàn)煙氣與熱解氣隔離加熱，熱解油氣產(chǎn)品收率高，質(zhì)量好；又可通過控制單個(gè)輻射管燃?xì)饬糠謪^(qū)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?xì)猓忍岣吡讼到y(tǒng)熱效率，又降低了成本。

（二）中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用發(fā)展困境

目前，國(guó)內(nèi)外煤熱解技術(shù)雖有了快速發(fā)展，但業(yè)內(nèi)專家表示，熱解技術(shù)仍存在不少技術(shù)問題。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?dú)夂窟^高，達(dá)不到化工利用最佳條件，只能做燃料使用，存在資源浪費(fèi)現(xiàn)象。固體熱載體熱解工藝只能處理粉煤，且運(yùn)行過程中需要將熱載體提升至相當(dāng)?shù)母叨?，需要耗費(fèi)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(zhuǎn)移和輸送，設(shè)備要求苛刻，工藝投資高，難推廣。無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)化示范過程中，需待時(shí)日予以考證。

一是技術(shù)不成熟?，F(xiàn)有宣傳報(bào)道的熱解技術(shù)都沒有實(shí)質(zhì)性的突破，主要體現(xiàn)在：其一，熱解氣、焦液產(chǎn)品收率和品質(zhì)都無法保證，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(yīng)用；其二，目前熱解技術(shù)大多采用干熄焦方式冷卻半焦，無法回收半焦顯熱，系統(tǒng)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(yán)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(xiàn)“綠色”處理。

二是缺乏工程化驗(yàn)證，缺乏工業(yè)化裝置連續(xù)化穩(wěn)定運(yùn)行的支撐。目前煤熱解示范項(xiàng)目大多處于整改升級(jí)過程中，并無連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行裝置，應(yīng)當(dāng)針對(duì)存在的工程化問題進(jìn)行攻關(guān)，加強(qiáng)反應(yīng)調(diào)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(xiàn)煤熱解過程中三項(xiàng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的可調(diào)、可控，應(yīng)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(shù)和工藝流程，實(shí)現(xiàn)熱解過程自身的熱量平衡。

三是半焦的利用沒有得到解決。煤熱解應(yīng)當(dāng)從整體上考慮產(chǎn)品的用途，必須解決半焦的利用問題。例如1000萬噸/年規(guī)模的煤熱解項(xiàng)目，一年要出半焦700萬噸，合理利用半焦是煤熱解技術(shù)持續(xù)發(fā)展的前提條件。半焦的傳統(tǒng)消費(fèi)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(duì)現(xiàn)有設(shè)備、控制程序進(jìn)行改造、調(diào)整，因?yàn)槟壳鞍l(fā)電廠粉煤鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐多按照煙煤設(shè)計(jì)，這無疑會(huì)增加成本。此外，半焦由于揮發(fā)分低、反應(yīng)活性低，其作為氣化原料的技術(shù)仍在開發(fā)中，也沒有成熟應(yīng)用的案例。

因此，對(duì)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(qū)動(dòng)力，應(yīng)大力開展煤熱解與其他工藝項(xiàng)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(jí)利用的突破與創(chuàng)新

（一）中低階煤分質(zhì)梯級(jí)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(xiàng)產(chǎn)品階段，半焦、焦油作為初級(jí)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(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率低。面對(duì)當(dāng)前存在的一些問題，隨著相關(guān)技術(shù)的提高，以煤熱解為龍頭的中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用必須走出新路子，積極綜合利用熱解三項(xiàng)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(jù)了解，利用褐煤發(fā)展煤熱解、走規(guī)?；?，在國(guó)際上已有先例。目前，國(guó)外主要的中低階煤加工技術(shù)有德國(guó)的低溫?zé)峤夤に?、蘇聯(lián)的褐煤固體熱載體熱解工藝、美國(guó)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(guó)內(nèi)煤熱解新工藝的開發(fā)，也給煤熱解的規(guī)?；⒍嗦?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(jì)30年代起就受到各國(guó)關(guān)注。目前，全球已經(jīng)有近幾十個(gè)煤熱解技術(shù)問世，能工業(yè)化成熟應(yīng)用的多為立式爐。中國(guó)于20世紀(jì)80年代末成功開發(fā)了立式爐塊煤熱解技術(shù)，一直沿用至今。目前，全國(guó)煤熱解產(chǎn)能已經(jīng)超過8000萬噸/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(xiàn)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(jìng)相開發(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)利用必須邁過的兩道檻。

1.裝置大型化

由于煤炭資源的特點(diǎn)，中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的煤化工產(chǎn)業(yè)國(guó)。同時(shí)，中國(guó)的煤化工發(fā)展歷史短、技術(shù)新，規(guī)劃跟不上使中國(guó)的煤化工品種多，建設(shè)分散，項(xiàng)目規(guī)模整體偏小、重復(fù)建設(shè)、產(chǎn)品低端現(xiàn)象普遍。隨著我國(guó)煤化工技術(shù)開發(fā)的投入，煤化工技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先的水平，但項(xiàng)目投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)，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(jiān)定堅(jiān)持煤化工項(xiàng)目大型化的方針，這是煤化工項(xiàng)目降本增效、增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)性的必要條件。

過去煤熱解制蘭炭，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(guī)模10萬噸。這種技術(shù)現(xiàn)狀，帶來兩個(gè)問題。一是目前中國(guó)煤炭采掘大型化，煤炭粉化率越來越高，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(jí)分質(zhì)，對(duì)工藝產(chǎn)生效益的主產(chǎn)品是焦油和煤氣，但拿出規(guī)模化產(chǎn)量的焦油和煤氣，必須將整體規(guī)模做大。對(duì)于千萬噸級(jí)規(guī)模項(xiàng)目，如采用立式爐，一個(gè)項(xiàng)目需要100臺(tái)爐子，管理、運(yùn)行的難度都會(huì)加大。

業(yè)界之所以認(rèn)為煤熱解存在很嚴(yán)重的污染問題，主要因?yàn)榇蠖喱F(xiàn)有煤熱解技術(shù)的規(guī)模普遍偏小、企業(yè)布局分散，無法實(shí)現(xiàn)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(xiàn)熱解裝置大型化，并堅(jiān)持走項(xiàng)目建設(shè)園區(qū)化、基地化、集約化的道路，污染問題與能耗偏高的問題就可徹底解決。

目前產(chǎn)業(yè)內(nèi)部主攻的是熱解技術(shù)規(guī)模大型化，在2015年1月12日，國(guó)家能源局、環(huán)保部、工信部聯(lián)合下發(fā)的《關(guān)于促進(jìn)煤炭安全綠色開發(fā)和清潔高效利用的意見》指出“在條件適合地區(qū)，積極推進(jìn)煤炭分級(jí)分質(zhì)利用，優(yōu)化褐煤資源開發(fā)，鼓勵(lì)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(jí)提質(zhì)，提高煤炭利用附加值”，并要求到2020年，“低階煤分級(jí)提質(zhì)核心關(guān)鍵技術(shù)取得突破，實(shí)現(xiàn)百萬噸級(jí)示范應(yīng)用”。在2015年4月27日，國(guó)家能源局印發(fā)的關(guān)于《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃（2015-2020年）》的通知中亦指出：“鼓勵(lì)低階煤提質(zhì)技術(shù)研發(fā)和示范。開展單系統(tǒng)年處理原料煤百萬噸級(jí)中低溫干餾制氣、制油為主要產(chǎn)品路線的大規(guī)模煤炭分質(zhì)利用示范，促進(jìn)我國(guó)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(jí)提質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)取得突破；2020年，建成一批百萬噸級(jí)分級(jí)提質(zhì)示范項(xiàng)目?！?/p>

在政府的政策支持、國(guó)家和企業(yè)的資金支撐下，制約中國(guó)煤熱解裝置大型化的問題，經(jīng)過眾多嘗試取得了一定的探索成果。

2011年，河南龍成集團(tuán)成功開發(fā)低階煤旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)，并建成30萬噸/年工業(yè)化裝置，該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是目標(biāo)產(chǎn)品僅應(yīng)用于高爐噴吹用煤，應(yīng)用空間相對(duì)較小。

2013年11月25日，大唐華銀電力有限公司與中國(guó)五環(huán)工程有限公司合作開發(fā)的低階煤低溫?zé)峤飧馁|(zhì)利用技術(shù)，30萬噸/年褐煤提質(zhì)示范項(xiàng)目成功通過72小時(shí)滿負(fù)荷考核。該技術(shù)20世紀(jì)在國(guó)外已建立示范項(xiàng)目，目前在中國(guó)還沒有能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行的項(xiàng)目。

2015年，神霧集團(tuán)開發(fā)的無熱載體蓄熱式旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)已建成40萬噸/年工業(yè)生產(chǎn)線，順利投產(chǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行。同年，單爐處理量100萬噸/年工業(yè)化裝置正在建設(shè)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(zhuǎn)床技術(shù)集成升級(jí)應(yīng)用于煤化工領(lǐng)域，具備設(shè)備大型化條件，目前看來最有可能實(shí)現(xiàn)單臺(tái)熱解爐處理量達(dá)到百萬噸級(jí)，但是需要工業(yè)化示范進(jìn)行驗(yàn)證。

2.粉煤熱解技術(shù)創(chuàng)新

目前業(yè)內(nèi)尚無一種公認(rèn)的可規(guī)?；M(jìn)行粉煤熱解的成熟技術(shù)。

現(xiàn)代化開采工藝的推廣，粉煤（＜6mm）的產(chǎn)率達(dá)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(xiàn)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(zhuǎn)熱解制取無煙煤工藝技術(shù)開發(fā)，并經(jīng)過兩年多研發(fā)建成了6噸/小時(shí)粉煤回轉(zhuǎn)熱解制取無煙煤中試驗(yàn)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(nèi)熱式回轉(zhuǎn)干餾系統(tǒng)，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（通過調(diào)整爐內(nèi)熱煙氣的氣體流速和爐內(nèi)漸變式組合分布器，使除塵氣體與粉塵充分接觸并對(duì)下落的粉煤進(jìn)行吹掃）。干燥除塵后的粉煤送至回轉(zhuǎn)熱解系統(tǒng)，加熱至350℃～650℃熱解生成半焦和高溫油氣。半焦進(jìn)入回轉(zhuǎn)冷卻系統(tǒng)，通過氧化還原反應(yīng)，完成熱解半焦的中低溫純化，使其各項(xiàng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或接近無煙煤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)冷卻、噴水增濕、降為常溫后作為新型無煙煤產(chǎn)品外送。高溫油氣進(jìn)入油氣回收系統(tǒng)，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(chǔ)罐或直接進(jìn)入后續(xù)加工；煤氣一部分經(jīng)煤氣預(yù)熱器升溫至150℃～450℃，返回至回轉(zhuǎn)熱解系統(tǒng)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)入廢水處理廠統(tǒng)一處理后回用。

專家也指出，該粉煤熱解技術(shù)若要實(shí)現(xiàn)大型工業(yè)化應(yīng)用，仍有諸多環(huán)節(jié)需要改進(jìn)和完善。

一是回轉(zhuǎn)爐干燥與回轉(zhuǎn)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(dá)不到預(yù)期效果。

二是工業(yè)化后，在回轉(zhuǎn)熱解爐內(nèi)來回翻轉(zhuǎn)的原料煤在升溫過程中會(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(xiàn)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(yīng)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(yàn)研究。

龍成集團(tuán)也在傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯熱解工藝基礎(chǔ)上，針對(duì)生產(chǎn)潔凈煤替代高爐噴吹用煤市場(chǎng)，開發(fā)了以低灰優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)焰煤粉煤為原料的熱解工藝。該工藝與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯熱解工藝比較，有了一定的升級(jí)和改進(jìn)，主要體現(xiàn)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(tǒng)回轉(zhuǎn)窯熱解工藝熱解氣品質(zhì)差的缺陷，煤氣熱值可達(dá)到5500kcal/Nm³，但是與此對(duì)應(yīng)的負(fù)面影響是凈煤氣需在回轉(zhuǎn)窯外部加熱，降低了其系統(tǒng)熱利用率。

二是該技術(shù)選擇了較好的市場(chǎng)定位，為了規(guī)避回轉(zhuǎn)窯熱解工藝對(duì)熱解物料造成嚴(yán)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(yīng)唐山及周邊區(qū)域的高爐噴吹用煤，用于替代貧煤、瘦煤、無煙煤等，市場(chǎng)定位較好，保證了工藝較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(duì)于回轉(zhuǎn)窯固有缺陷導(dǎo)致的焦油質(zhì)量差、熱效率低等不足，未有明顯改進(jìn)。

總體來說，龍成集團(tuán)通過上面兩點(diǎn)的改進(jìn)，工藝有一定進(jìn)步性。但是行業(yè)專家表示，該工藝把寶貴的高熱值熱解氣能源用來自身燃燒，主要產(chǎn)品僅為粉狀半焦，而且為保證其工藝的經(jīng)濟(jì)性，潔凈煤產(chǎn)品定位高爐噴吹煤替代，不具備大規(guī)模推廣的可行性和項(xiàng)目的可復(fù)制性。

目前粉煤熱解技術(shù)多采用流化床或回轉(zhuǎn)窯，但在這些年的工業(yè)化示范和推廣過程中，遭遇了很多問題，特別是焦油含塵大和運(yùn)行不穩(wěn)定等世界性難題還沒完全攻克。與此同時(shí)，神霧集團(tuán)獨(dú)辟蹊徑，充分結(jié)合自身在燃燒技術(shù)和高溫加熱上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，開發(fā)的無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)帶來驚喜。

該工藝結(jié)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)開發(fā)出新型熱解反應(yīng)器。采用粉煤為原料，通過均勻布料、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?yán)眯顭崾捷椛涔茏鳛榧訜峒娌剂显⑼ㄟ^科學(xué)合理設(shè)計(jì)輻射管的結(jié)構(gòu)，來防止煤粉對(duì)輻射管的沖刷磨損，同時(shí)預(yù)防煤粉在輻射管的黏結(jié)結(jié)焦，并通過控制粉煤粒徑、熱解停留時(shí)間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(nèi)置式輻射管燃燒器加熱物料，取代了熱載體換熱過程，既具有工藝流程簡(jiǎn)單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服間接傳熱帶來的系統(tǒng)熱、效率低的缺點(diǎn)；反應(yīng)器被集成到一個(gè)模塊，處理量可以靈活調(diào)整，并可以達(dá)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(shè)處理量100萬噸/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(jí)利用的路線創(chuàng)新

在煤市低迷的情景下，煤炭分質(zhì)分級(jí)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(jí)利用項(xiàng)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(nèi)的一種解決思路是做成潔凈煤去銷售，但是時(shí)下煤炭產(chǎn)能過剩，行情不景氣，這一思路的可行性需要觀察。北京神霧集團(tuán)對(duì)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(tuán)看來，必須針對(duì)下游市場(chǎng)的需求，對(duì)中低階煤的熱解技術(shù)做針對(duì)性的開發(fā)，并首次提出了“煤熱解+”概念。神霧集團(tuán)董事長(zhǎng)吳道洪博士強(qiáng)調(diào)，“煤熱解+”同于中低階煤分質(zhì)梯級(jí)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(tǒng)的熱解后半焦拿去發(fā)電，因?yàn)閭鹘y(tǒng)工藝沒有通過工藝耦合得到系統(tǒng)能效的提高和節(jié)能減排的效果。真正的“煤熱解+”電力是在滿足下游火電原料需求的同時(shí)，通過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(zhuǎn)移到下游火力發(fā)電，達(dá)到系統(tǒng)能效的提高和發(fā)電效率的提升，實(shí)現(xiàn)真正意義上的梯級(jí)開發(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(duì)大量半焦束手無策，而是需要更深入的工藝耦合來實(shí)現(xiàn)油、氣、半焦的全面利用，提升系統(tǒng)能效，以獲得最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1.“煤熱解+”電力

從中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用層面講，國(guó)家政策多次明確引導(dǎo)“煤熱解+”電力煤炭利用路線。2015年4月27日國(guó)家能源局以國(guó)能煤炭〔2015〕141號(hào)文件發(fā)布了《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃（2015-2020年）》的通知。文件要求：加強(qiáng)煤炭質(zhì)量管理，加快先進(jìn)的煤炭?jī)?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(yīng)用，穩(wěn)步推進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級(jí)示范，建立政策引導(dǎo)與市場(chǎng)推動(dòng)相結(jié)合的煤炭清潔高效利用推進(jìn)機(jī)制，構(gòu)建清潔、高效、低碳、安全、可持續(xù)的現(xiàn)代煤炭清潔利用體系。開展煤炭分質(zhì)分級(jí)梯級(jí)利用，提高煤炭資源綜合利用效率。鼓勵(lì)低階煤提質(zhì)技術(shù)研發(fā)和示范。開展單系統(tǒng)年處理原料煤百萬噸級(jí)中低溫?zé)峤庵茪?、制油為主要產(chǎn)品路線的大規(guī)模煤炭分質(zhì)利用示范，促進(jìn)中國(guó)煤炭分質(zhì)利用和提質(zhì)技術(shù)水平的提高。逐步實(shí)現(xiàn)“分質(zhì)分級(jí)、能化結(jié)合、集成聯(lián)產(chǎn)”的新型煤炭利用方式。鼓勵(lì)煤—化—電—熱一體化發(fā)展，加強(qiáng)各系統(tǒng)耦合集成。在具備條件的地區(qū)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(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)利用和能量的梯級(jí)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看，岑可法院士在接受《基石》雜志采訪時(shí)也表示“煤炭分級(jí)轉(zhuǎn)化清潔發(fā)電技術(shù)是根據(jù)中國(guó)國(guó)情提出的煤炭利用革命性方案之一。該項(xiàng)技術(shù)是基于煤炭各組分不同性質(zhì)和轉(zhuǎn)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程有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤炭分級(jí)轉(zhuǎn)化梯級(jí)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(xiàn)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(jù)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(guó)內(nèi)較早從事“煤熱解+”火力發(fā)電路線，并進(jìn)行工業(yè)化示范的研究機(jī)構(gòu)。

浙江大學(xué)在20世紀(jì)80年代初便已提出和設(shè)計(jì)了最初的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)方案。基于流化床熱解技術(shù)，浙江大學(xué)開發(fā)了以循環(huán)流化床為基礎(chǔ)的煤炭熱解燃燒分級(jí)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)（詳見圖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(jié)合，通過合適的技術(shù)路線獲得液體燃料、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）通過給料機(jī)送入流化床熱解爐內(nèi)，與從循環(huán)流化床鍋爐旋風(fēng)分離器分離下來的高溫固體顆?；旌虾?，快速升溫并發(fā)生熱解反應(yīng)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(yīng)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?xì)庹羝?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(nèi)部被重新加熱后送入流化床熱解爐開始新的循環(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(jī)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(yùn)行溫度分別為550℃～750℃和850℃～950℃。

圖1 以循環(huán)流化床為基礎(chǔ)的熱解燃燒分級(jí)轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意

浙江大學(xué)開發(fā)的熱解燃燒分級(jí)轉(zhuǎn)化技術(shù)具有以下特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

（1）燃料適應(yīng)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(tǒng)能量集成度高。煤炭熱解產(chǎn)生的高溫半焦顆粒通過返料機(jī)構(gòu)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)工藝的熱解過程以循環(huán)灰為熱載體，避免了以煙氣為熱載體帶來的煤氣稀釋問題，熱解所產(chǎn)出的煤氣有效組分高。

但是也有業(yè)內(nèi)專家表示，雙級(jí)流化床工藝耦合存在同步操作難度大、工藝穩(wěn)定性差的問題。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(tuán)基于開發(fā)的無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，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(diào)整循環(huán)流化床返料閥的部分參數(shù)，不需要對(duì)循環(huán)流化床發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行其他改動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)煤熱解系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的耦合。神霧低階煤快速熱解+煤粉鍋爐發(fā)電工藝?yán)美浣瓜到y(tǒng)把熱半焦冷卻下來，冷半焦與原煤進(jìn)行配比后進(jìn)入制粉系統(tǒng)，半焦與原煤充分摻混，達(dá)到煤粉鍋爐燃燒器設(shè)計(jì)的粒徑和揮發(fā)分要求，再通過一次風(fēng)送入煤粉鍋爐燃燒。煤粉鍋爐系統(tǒng)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(shè)計(jì)。

神霧煤熱解+循環(huán)流化床或煤粉鍋爐發(fā)電系統(tǒng)都可以把熱半焦冷卻下來進(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(tǒng)既耦合緊密，又相互不影響。針對(duì)不同區(qū)域，對(duì)于熱解氣和煤焦油也可以采取不同的利用途徑，以滿足當(dāng)?shù)氐哪茉匆?，?shí)現(xiàn)效益的最大化。

目前100萬噸/年低階煤快速熱解+2×350MW熱電聯(lián)供工業(yè)化示范項(xiàng)目正在新疆開工建設(shè)，預(yù)計(jì)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(shì)。

（1）神霧粉煤熱解工藝采取蓄熱式內(nèi)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(nèi)，為熱解提供熱量，提高了系統(tǒng)的熱效率，因此神霧粉煤熱解系統(tǒng)既具有間接換熱工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又克服了傳統(tǒng)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，也可以利用電廠富余的蒸汽為熱解系統(tǒng)煤粉干燥、熱解氣凈化等提供能量，從而提高系統(tǒng)綜合能效。

（3）不需要對(duì)火電鍋爐進(jìn)行改動(dòng)，且兩套系統(tǒng)相互影響小，電廠調(diào)峰時(shí)，煤熱解系統(tǒng)可以正常運(yùn)營(yíng)，煤熱解系統(tǒng)檢修時(shí)，電廠也可以正常運(yùn)營(yíng)。

（4）粉煤熱解過程中物料沒有劇烈的翻滾、碰撞，熱解氣細(xì)塵帶出少，煤焦油含塵量低。

2.“煤熱解+”化工

煤化工按其產(chǎn)品種類可分為傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)代煤化工。傳統(tǒng)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(xiàn)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(dǎo)向的產(chǎn)業(yè)。以現(xiàn)代煤化工中具有代表性的五大產(chǎn)品工藝路線為例，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(nèi)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(zhuǎn)化效率低、水資源消耗高、碳排放高，難以應(yīng)對(duì)資源和環(huán)境約束挑戰(zhàn)等。有測(cè)算表明，目前中國(guó)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(guó)煤炭分布特點(diǎn)是西多東少，而西部地區(qū)水資源短缺現(xiàn)象嚴(yán)重，按照煤炭就地消化原則，西部難以承載過多煤化工項(xiàng)目。另外，煤炭在以氣化為龍頭的煤化工過程中會(huì)產(chǎn)生SO₂、NO_x、CO₂為主的廢氣、廢水和廢渣。中國(guó)部分中西部富煤地區(qū)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(biāo)是實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔高效轉(zhuǎn)化，“煤熱解+”化工就是一條中低階煤清潔高效轉(zhuǎn)化的重要途徑。其革命性的意義在于，改變了傳統(tǒng)煤化工和現(xiàn)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。通過“煤熱解+”化工路線，可在煤炭資源加工利用的工藝前端對(duì)其進(jìn)行熱解處理，增加煤炭資源綜合利用的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化，能源轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)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(xiàn)了煤炭的分級(jí)轉(zhuǎn)化和梯級(jí)利用，而且實(shí)現(xiàn)了環(huán)保、清潔、減霾的目的。

以電石生產(chǎn)為例，傳統(tǒng)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(rèn)的“高污染、高能耗、高成本”三高行業(yè)。目前，中國(guó)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(xù)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(dǎo)致電石行業(yè)全面虧損。在“能源危機(jī)”和“環(huán)境危機(jī)”的形式下，電石行業(yè)必須全面轉(zhuǎn)型，開發(fā)高科技含量、高經(jīng)濟(jì)性、低污染、綠色健康的工藝勢(shì)在必行。

如何降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，突破傳統(tǒng)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)過大量信息收集，獲知神霧環(huán)保開發(fā)的蓄熱式電石新工藝成功破解了傳統(tǒng)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。通過熱解工藝和電石冶煉工藝的有機(jī)耦合，熱解物料熱態(tài)并送至電石爐，工藝過程能量流被優(yōu)化利用，提高了工藝系統(tǒng)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，來合成現(xiàn)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(jí)利用指出了新的“煤熱解+”化工發(fā)展方向。對(duì)傳統(tǒng)電石生產(chǎn)工藝進(jìn)行了革命，實(shí)現(xiàn)“低能耗、低成本、零污染”，推動(dòng)電石行業(yè)可持續(xù)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，來合成現(xiàn)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(cè)算，其單位產(chǎn)品的投資額可減少70%以上、能源轉(zhuǎn)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20萬噸/年電石產(chǎn)品工業(yè)示范線已建成并投入使用，年產(chǎn)80萬噸電石工業(yè)生產(chǎn)線正在建設(shè)中。

綜觀國(guó)內(nèi)外煤化工市場(chǎng)，在現(xiàn)有技術(shù)陷入水耗高、投資大、成本高的困境同時(shí)，筆者認(rèn)為，由神霧集團(tuán)開發(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，確實(shí)讓人眼前一亮，在可預(yù)見的未來，或?qū)⒁I(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(guó)在中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用技術(shù)上已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。面對(duì)中國(guó)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(jí)利用的方式，是發(fā)展中國(guó)煤化工清潔高效利用的重要途徑。立足全球能源結(jié)構(gòu)格局和國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)煤的清潔高效和低碳化利用，部分直接或間接替代中國(guó)短缺的油氣資源，對(duì)平衡中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有重大戰(zhàn)略和現(xiàn)實(shí)意義。全社會(huì)要共同努力，讓中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用技術(shù)成為中國(guó)發(fā)展清潔、高效煤化工的必然選擇，實(shí)現(xiàn)中國(guó)能源、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。為此，在各級(jí)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，如果所有用煤行業(yè)都推廣中低階煤分質(zhì)梯級(jí)利用，就可實(shí)現(xiàn)中國(guó)中低階煤的高效、清潔利用，解決傳統(tǒng)煤化工中低階煤難以利用的問題，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(guó)潔凈煤化工為全面建成小康社會(huì)、建設(shè)美麗中國(guó)做出更多貢獻(xiàn)。