一 引言

隨著大氣污染防治工作推進，我國對清潔的固體和液體燃料需求與日俱增。同時，我國是一個“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。煤低溫熱解是實現(xiàn)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，通過對氣液固產(chǎn)物進一步提質加工，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]達不到國家車用柴油標準（十六烷值＞45，密度為790～850kg/m³，GB 1947-2013），只能作為調(diào)和組分。同時，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(diào)和，可以得到清潔的車用柴油。

針對上述問題，本文提出一種煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)，以廉價豐富的碎煤為原料，最終生產(chǎn)出石腦油、車用柴油、潔凈煤等清潔燃料產(chǎn)品。該系統(tǒng)利用固體熱載體熱解技術，^[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(diào)和得到清潔車用柴油產(chǎn)品。

二 系統(tǒng)介紹

煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)以碎煤為原料，主要生產(chǎn)石腦油、車用柴油、潔凈煤等清潔燃料產(chǎn)品，如圖1所示。系統(tǒng)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(diào)和，得到清潔車用柴油產(chǎn)品。

圖1 煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)示意

三 系統(tǒng)模擬

（一）基礎數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)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(diào)和和半焦成型等部分。利用Aspen Plus建立該系統(tǒng)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(jù)熱力學平衡進行計算。^[7]

模擬所需要的基礎數(shù)據(jù)包括：原煤工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)、熱解半焦工業(yè)和元素分析數(shù)據(jù)、熱載體半焦工業(yè)和元素分析數(shù)據(jù)、熱解過程產(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(shù)據(jù)等。

本系統(tǒng)原煤為神東長焰煤，其分析數(shù)據(jù)如表1所示。熱解產(chǎn)物分布及產(chǎn)品性質，在公斤級固體熱載體熱解實驗平臺上獲得，熱解溫度為600℃，見表1～表3。將煤在20g級干餾爐內(nèi)加熱至800℃，得到半焦熱載體，分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 神東長焰煤及半焦分析數(shù)據(jù)

表2 神東長焰煤熱解產(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%，重質油/蠟為47.9%，CO轉化率約90%。費托合成重質油/蠟通過加氫裂化可獲得高質量的二次加工產(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1000萬噸神東長焰碎煤（＜25mm）系統(tǒng)為例進行模擬計算，年工作小時數(shù)為8000，模擬結果如表4所示。

對于煤低溫熱解部分，根據(jù)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(tǒng)煤焦油加氫裝置規(guī)模為62.5萬噸/年，費托合成裝置規(guī)模為36.0萬噸油/年，可年產(chǎn)潔凈煤為618.0萬噸，石腦油為18.4萬噸，車用柴油為75.1萬噸（十六烷值＞50，硫含量＜10ppm，達到國V標準），重油為4.9萬噸，系統(tǒng)能效達到75%以上，高于煤直接制油、煤制天然氣過程的能效（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(tǒng)，在將煤部分轉化為清潔油品的同時，也使煤成為更清潔的固體燃料，是實現(xiàn)煤分質高效清潔轉化的有效途徑之一。為推動煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)發(fā)展與應用，建議國家在以下方面出臺相關政策措施。

（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(nóng)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，在國際油價持續(xù)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(zhàn)略實施，應考慮減免煤基清潔油品相關稅費。

五 結論

本文提出了一種煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)，以廉價豐富的碎煤為原料，利用固體熱載體熱解技術，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、半焦成型等加工過程，最終生產(chǎn)出石腦油、車用柴油、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1000萬噸煤的煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)，可生產(chǎn)約618.0萬噸潔凈煤（揮發(fā)分＜10%，熱值＞6000kcal/kg）和98.4萬噸清潔油品（主要為車用柴油，其十六烷值＞50，硫含量＜10ppm，達到國V標準），系統(tǒng)能效達到75%以上。

煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)，在將煤部分轉化為清潔油品的同時，也使煤成為更清潔的固體燃料，是實現(xiàn)煤炭分質高效清潔轉化的有效途徑之一。為推動煤煉制清潔油品及固體燃料系統(tǒng)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。