李青松，李如英，馬志遠(yuǎn)，陳金慶

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266555)

煤主要用作鍋爐燃料，但低階煤作為鍋爐燃料存在2個(gè)主要問題:①按照煙煤設(shè)計(jì)的鍋爐切換燃燒低階煤后,鍋爐燃燒效率降低；②低階煤水含量高,增加了運(yùn)輸成本。

傳統(tǒng)干燥技術(shù)處理后的低階煤存在3個(gè)難以解決的問題:①干燥煤存放過程中會(huì)再吸收水分；②干燥煤幾乎沒有表面水,容易揚(yáng)塵；③比原煤更易自燃,不適宜長(zhǎng)途運(yùn)輸1。

為提高低階煤開發(fā)利用的效率和經(jīng)濟(jì)性,20世紀(jì)80年代,低階煤提質(zhì)技術(shù)的研究成為美國(guó)企業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。在借鑒傳統(tǒng)煤干燥和煤熱解技術(shù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)過20多年的發(fā)展,目前最接近大規(guī)模商業(yè)化的低階煤提質(zhì)技術(shù)為L(zhǎng)FC(Liquid From Coal)技術(shù)。本文作者李青松曾在該技術(shù)原研發(fā)公司美國(guó)SGI國(guó)際公司工作數(shù)年。以下討論該技術(shù)及其改進(jìn)技術(shù)在美國(guó)和中國(guó)的進(jìn)展。

1 LFC技術(shù)

1.1 工藝簡(jiǎn)介

LFC技術(shù)又稱低階煤提質(zhì)聯(lián)產(chǎn)油技術(shù)，屬于美國(guó)政府1986年實(shí)施的“潔凈煤技術(shù)計(jì)劃”，實(shí)質(zhì)是利用低階煤(褐煤、次煙煤)生產(chǎn)低硫、高熱值的固態(tài)燃料PDF和液態(tài)燃料CDL,已投入數(shù)億美元用于該技術(shù)的開發(fā)[1]，[2]。該技術(shù)得到了美國(guó)政府部門的認(rèn)可和世界銀行的肯定，在減少工業(yè)和民用燃煤硫排放量方面取得了重大突破[3]。

1.2 開發(fā)歷程

LFC技術(shù)是通過模型分析與實(shí)驗(yàn)逐級(jí)放大相結(jié)合的方式開發(fā)的[4]：

(1)1980年,SGI International開始LFC技術(shù)的基礎(chǔ)研究,并開發(fā)了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)控制模型。

(2)1986年,建成間歇式小試裝置,為裝置放大設(shè)計(jì)獲取參數(shù),提供產(chǎn)品分析。

(3)1987年,裝置升級(jí)為半連續(xù)式,原煤處理能力90.8 kg/h,小試裝置干燥爐和熱解爐的規(guī)模分別為商業(yè)示范工廠規(guī)模的1/500和1/350。

(4)1992年,以粉河盆地次煙煤為設(shè)計(jì)煤種,原煤處理能力1000 t/d的ENCOAL商業(yè)示范裝置，建成在美國(guó)懷俄明州吉列特市附近。

(5)1997年,在ENCOAL商業(yè)示范裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上, SGI、三菱重工等合資公司完成了原煤處理能力3×5000 t/d商業(yè)工廠的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

1.3 工藝原理

LFC技術(shù)溫度適中，接近常壓，是一項(xiàng)煤炭溫和熱解或溫和干餾工藝過程。低熱值煤含水量很大，傳統(tǒng)的物理烘干過程只是將水去除，以增加燃燒值，但是會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量穩(wěn)定問題。LFC技術(shù)克服了該問題，使低熱值原料煤發(fā)生化學(xué)變化，煤被烘得越干，燃燒值就越高，煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越遭到破壞，從而減少了水分的復(fù)吸[5]。

1.4 工藝流程

如圖1所示[6]：原煤經(jīng)破碎、篩分后,送入旋轉(zhuǎn)的篦式干燥器，由300℃左右的熱氣干燥至水分幾乎為零。然后進(jìn)入溫度大約為540℃的主旋轉(zhuǎn)篦式熱解器，被循環(huán)的高溫氣流加熱。剩余水分全部脫除,同時(shí)發(fā)生熱解反應(yīng),脫除一部分揮發(fā)分；從熱解器出來(lái)的固體，在激冷盤中用工藝水迅速冷卻以終止熱解反應(yīng)，進(jìn)入鈍化循環(huán)中，暴露于氣流中，通過嚴(yán)格控制氣流的溫度和氧氣含量，使部分固體被流化。

圖1 LFC工藝流程圖

經(jīng)振動(dòng)流化床處理后，固體在一個(gè)旋轉(zhuǎn)冷卻器中間接冷卻至常溫，噴入工藝水對(duì)產(chǎn)品補(bǔ)濕，使之接近美國(guó)ASTM平衡水含量，以穩(wěn)定PDF，然后PDF在低溫下被氧化，轉(zhuǎn)移到一個(gè)緩沖倉(cāng)中。由于固體表面沒有水分，為防止揚(yáng)塵,需要加入少量抑塵劑。

從熱解器出來(lái)的熱氣體，經(jīng)旋風(fēng)除塵器分離出夾帶的煤粉,然后進(jìn)入CDL激冷塔中冷卻至70℃左右,得到所需的碳?xì)浠衔?。氣體溫度控制在水的露點(diǎn)溫度以上，以使CDL冷凝，水分留在氣相中。冷卻后的氣體進(jìn)入CDL靜電捕集器(ESP),收集得到副產(chǎn)品CDL。經(jīng)捕集器后的大部分氣體，一部分在熱解燃燒器中進(jìn)行燃燒，剩余的進(jìn)入干燥燃燒器中燃燒。

1.5 示范裝置運(yùn)行

ENCOAL商業(yè)示范工廠運(yùn)行了5年[7],1992年至1993年工廠運(yùn)行時(shí)間很短,工藝修改、設(shè)備改造和系統(tǒng)調(diào)試花費(fèi)了大量時(shí)間。工廠最初設(shè)計(jì)的工藝流程中，不包括精制反應(yīng)器。LFC工藝原理認(rèn)為，降低原煤水分使產(chǎn)品穩(wěn)定性降低,但降低揮發(fā)分又提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性,通過控制脫除揮發(fā)分的比例,以及使產(chǎn)品激冷和補(bǔ)濕后,可以得到穩(wěn)定的產(chǎn)品PDF。但運(yùn)行結(jié)果表明，產(chǎn)品仍存在自燃問題。

1993年底,在激冷盤和旋轉(zhuǎn)冷卻器之間安裝了振動(dòng)流化床系統(tǒng),因受資金限制,該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)處理能力僅為工廠設(shè)計(jì)處理能力的1/2,全線處理能力降低為500 t/d。改進(jìn)后產(chǎn)品的穩(wěn)定性得到改善,工廠的運(yùn)行變得順利,在線小時(shí)數(shù)逐年增加,其中1996～1997年連續(xù)運(yùn)行達(dá)125d。采用堆層法后，才徹底解決了PDF產(chǎn)品的穩(wěn)定問題。1995年,ENCOAL、SynCoal和美國(guó)國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開發(fā)了空氣鈍化中試裝置。該裝置的處理能力為0.5～1.0 t/h,經(jīng)過75 d的測(cè)試運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)了PDF鈍化。在測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，形成了商業(yè)規(guī)模精制反應(yīng)器的設(shè)計(jì)[4]，[8]。

LFC技術(shù)經(jīng)商業(yè)示范工廠運(yùn)行驗(yàn)證，具有以下特點(diǎn)[9]:

(1)技術(shù)成熟。原煤處理能力為1000 t/d的生產(chǎn)裝置,經(jīng)過5年的不斷改進(jìn)完善,加工過次煙煤、長(zhǎng)焰煤、褐煤等,具有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和調(diào)試數(shù)據(jù)。

(2)簡(jiǎn)潔。工藝流程簡(jiǎn)潔,中溫常壓,對(duì)設(shè)備要求較低。

(3)環(huán)保。加工過程環(huán)保,該技術(shù)屬于二段法,干燥過程幾乎除去全部水分,熱解過程除去大部分揮發(fā)分,避免了含焦油廢水,廢水接近零排放。產(chǎn)品環(huán)保,燃燒PDF產(chǎn)品可降低SO2、NOx的排放。

(4)高效。①投入產(chǎn)出比高,1 t各種原煤產(chǎn)出0.5～0.6t固體產(chǎn)品PDF和0.5～0.9桶液態(tài)產(chǎn)品CDL；②能源消耗小,70%能量自身提供；③水資源消耗小,工藝生產(chǎn)可以做到基本不耗水。

(5)PDF產(chǎn)品水分低、性質(zhì)穩(wěn)定,適合長(zhǎng)途運(yùn)輸,降低了運(yùn)輸成本。

LFC技術(shù)并非對(duì)所有的低階煤都適用。為了測(cè)定LFC技術(shù)對(duì)煤種變化的適應(yīng)性,ENCOAL工廠對(duì)阿拉斯加州次煙煤、北達(dá)科他州褐煤和德卡薩斯州褐煤進(jìn)行了測(cè)試。其中對(duì)北達(dá)科他州褐煤進(jìn)行了為期4年的2個(gè)階段測(cè)試,強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明，褐煤在處理過程中不會(huì)過度粉碎,證明了LFC工藝對(duì)褐煤的適用性。ENCOAL工廠總結(jié)的LFC技術(shù)篩選標(biāo)準(zhǔn)見表1[4]。表1結(jié)果表明:①水分高的煤更具有提質(zhì)價(jià)值；②灰分低,LFC技術(shù)灰分會(huì)濃縮到產(chǎn)品PDF中，高灰分應(yīng)先洗煤；③低燃料比,固定碳和揮發(fā)分的質(zhì)量比越低,CDL產(chǎn)品產(chǎn)量越高；④高氫碳比,氫碳比越高,對(duì)熱解過程生成CDL越有利；⑤自由膨脹系數(shù)小。

表1 LFC技術(shù)篩選標(biāo)準(zhǔn)

2 LFC的改進(jìn)——CCI工藝

2.1 工藝簡(jiǎn)介

Convert Coal公司(CCI)在美國(guó)LFC工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)了一項(xiàng)低階煤轉(zhuǎn)化技術(shù)，可將低階煤轉(zhuǎn)化為適于石油加工的合成原油(SCO)，及可用于發(fā)電及鐵礦石還原的低排放半焦燃料(CCF)。與以前的技術(shù)相比，在采油產(chǎn)量和質(zhì)量、工藝可操作性和成本等方面均有顯著的提高[10]。CCI工藝是一個(gè)獨(dú)特綜合工藝，主要過程是煤干燥及熱解，煤焦油回收和煤焦油加氫處理轉(zhuǎn)化為合成原油(SCO)。

2.2 開發(fā)歷程

1992～1997年，ENCOAL公司利用十幾種不同的劣質(zhì)原料煤進(jìn)行試驗(yàn)，為該技術(shù)提供了大量的實(shí)驗(yàn)依據(jù)[5]。

2005年，Convert Coal公司組建了一支經(jīng)驗(yàn)豐富的工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)， 包括一些原SGII公司員工，在LFC工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)新工藝，設(shè)計(jì)新的工程方案，優(yōu)化能源利用和項(xiàng)目建設(shè)成本，研發(fā)了CCI煤轉(zhuǎn)化工藝。

2008年，CCI完成示范裝置RPD-01的設(shè)計(jì)，并為10000t低階煤加工項(xiàng)目做了成本估算。

實(shí)現(xiàn)CCI項(xiàng)目的商業(yè)化，必須先成功運(yùn)作一個(gè)小型的示范工廠。為減少項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，CCI工程設(shè)計(jì)中采用了現(xiàn)有的商業(yè)設(shè)備及礦物加工和石油加工工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格。此外，每個(gè)過程都可以根據(jù)需要獨(dú)立示范運(yùn)作。考慮到煤成分的多樣性，每個(gè)過程都需要對(duì)所選的原料煤進(jìn)行測(cè)試，包括實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)、連續(xù)流動(dòng)裝置設(shè)備的過程評(píng)價(jià)以及大規(guī)模性能測(cè)試，作為得到性能保證的基礎(chǔ)。

2.3 工藝流程

煤的干燥及熱解工藝流程如圖2所示。

圖2 CCI工藝煤的干燥及熱解流程圖

原煤經(jīng)粉碎、篩分后,在100 ℃下干燥，水分減少至8 %，然后在270℃下進(jìn)一步干燥，使水分降至3%。少量的氣體隨水分一起揮發(fā)掉，包括一些CO、CO2、NH3、CH4和H2S等， 35%以上的硫和氮以及85%～95%的揮發(fā)性汞化合物也被去除。煤粉經(jīng)干燥后，進(jìn)入熱解反應(yīng)器加熱至550℃，原煤中約2/3的揮發(fā)性物質(zhì)被去除，消除了CCF中剩余的揮發(fā)性汞化合物，剩余的有機(jī)硫和氮化合物也被消除了一半以上。熱解單元采用直接和間接相結(jié)合的加熱方式，在煤中通入惰性清掃氣體，以逆流及錯(cuò)流的方式實(shí)現(xiàn)加熱和揮發(fā)性煤焦油的傳質(zhì)。黃鐵礦FeS2部分轉(zhuǎn)換為順磁黃鐵礦FeSx，CCF產(chǎn)品從熱解反應(yīng)器中出來(lái)后，進(jìn)入獨(dú)立的熱交換裝置內(nèi)冷卻到50℃，進(jìn)一步粉碎，篩選，然后經(jīng)過一個(gè)“磁性物質(zhì)分離”單元除去黃鐵礦，降低CCF產(chǎn)品中的灰分和殘留的硫含量。成品最終運(yùn)輸?shù)揭粋€(gè)中間存儲(chǔ)倉(cāng)，然后進(jìn)入煤焦穩(wěn)定單元或直接進(jìn)入鄰近的PC-電廠粉碎裝置。

揮發(fā)性煤焦油(CTO)化合物通過熱解器中的氣體冷凝回收得到[10]。CTO加氫制得合成原油的過程需要的氫氣，均是按照傳統(tǒng)的合成氣轉(zhuǎn)化為氫氣的方法制得的。比如，建立一個(gè)處理原煤能力為500t/d的示范性裝置，CTO加氫過程需要?dú)錃饬看蠹s為1.7t/h，這些氫氣可由250t/d的CCF氣化制得的。

2.4 應(yīng)用前景

隨著石油儲(chǔ)量逐漸減少，CCI工藝是未來(lái)40年的世界能源過渡期一個(gè)重要的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)：首先，該工藝可通過國(guó)內(nèi)豐富的煤炭資源提供合成原油；第二，該工藝可將多達(dá)2/3的煤轉(zhuǎn)化為更高效、低排放的煤焦燃料；第三，該工藝對(duì)環(huán)境無(wú)害，而且從目前的能源價(jià)格看來(lái)，是一個(gè)很有經(jīng)濟(jì)吸引力的項(xiàng)目。

3 LFC技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用

3.1 LFC的應(yīng)用

我國(guó)煤炭資源數(shù)量多,但優(yōu)質(zhì)煤少。 LFC技術(shù)要求原料煤灰分含量最好不高于5%，而我國(guó)幾乎沒有低灰、低硫的資源,必須經(jīng)過洗選[11]。

2007年6月27日,中國(guó)大唐集團(tuán)湖南分公司曾經(jīng)確定在錫林浩特市實(shí)施褐煤干燥提質(zhì)項(xiàng)目，總投資數(shù)億元。該項(xiàng)目利用美國(guó)ENCOAL公司LFC技術(shù)，將原煤篩分、脫水后，進(jìn)行熱解輕度氣化，可得高熱值、低水分、低硫穩(wěn)定的半焦產(chǎn)品，同時(shí)獲得粗甲酚、瀝青、精煉原料的氧化中度蒸餾物四種中間產(chǎn)品[12]。

2008年7月初，大唐華銀電力公司與大唐國(guó)際、內(nèi)蒙古自治區(qū)政府合作，控股投資建設(shè)褐煤干燥項(xiàng)目，總投資約20億元。擬采用美國(guó)ENCOAL公司LFC技術(shù)，在額吉煤礦“井工區(qū)”工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)建設(shè)1×1000t/d和2×5000t/d原煤加工生產(chǎn)線，后來(lái)定為分期實(shí)施。項(xiàng)目投產(chǎn)后，年加工處理褐煤約367萬(wàn)t，能將額吉煤礦的原煤全部加工提質(zhì)，極大地提高產(chǎn)品的附加值，對(duì)提升公司整體經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[13]。

2009年6月7日，大唐華銀電力公司與中國(guó)五環(huán)工程有限公司聯(lián)合組建了技術(shù)公司，在原美國(guó)ENCOAL公司LFC技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)褐煤特性，共同研發(fā)調(diào)整后的低階煤轉(zhuǎn)化提質(zhì)技術(shù)(LCC)。首個(gè)工業(yè)化裝置選址在內(nèi)蒙古東烏旗額吉淖爾鎮(zhèn)特根召井田額吉煤礦工業(yè)廣場(chǎng)，項(xiàng)目分2期建設(shè)。1期建設(shè)1條日處理原煤1000 t的褐煤干燥示范裝置生產(chǎn)線，2期建設(shè)2條日處理原煤5000 t的褐煤干燥生產(chǎn)線[14]。

3.2 LFC同類技術(shù)簡(jiǎn)介

ACCP技術(shù)[15]，由美國(guó)SynCoal公司研發(fā)。該技術(shù)將煤干燥和物理選煤相耦合，旨在同時(shí)降低原煤中的水分和灰分。經(jīng)過20多年發(fā)展,具備了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)，但不涉及熱解過程，只生產(chǎn)低灰分的精制煤。

Lurgi-Spuelgas低溫?zé)峤夤に嘯16]，是德國(guó)Lurqi GmbH公司開發(fā)的內(nèi)熱式氣體熱載體工藝。煤在豎式爐中料層下行，熱氣流逆向通入進(jìn)行加熱，受熱更均勻，熱量利用率高，但對(duì)于粉狀褐煤和煙煤要預(yù)先壓塊。

Lurqi-Ruhurgas低溫干餾工藝[17]，是德國(guó)Lurqi GmbH公司和美國(guó)Ruhurgas AG公司聯(lián)合開發(fā)的典型的固體熱載體內(nèi)熱式傳熱工藝。該工藝油收率高、能耗較低、設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但排料系統(tǒng)易堵塞，油品含塵量較大。

Toscoal煤低溫?zé)峤饧夹g(shù)[18]，是美國(guó)油頁(yè)巖公司Rocky Flats研究中心基于油頁(yè)巖干餾工藝開發(fā)的，可以生產(chǎn)煤氣、焦油以及半焦。設(shè)備復(fù)雜、投資高、維修量大。

澳大利亞的流化床快速熱解工藝[19]屬于低溫或中溫?zé)峤?閃裂解(反應(yīng)時(shí)間小于1s)-內(nèi)熱式固-氣熱載體(砂子流化床)。該技術(shù)依舊屬于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，還未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

日本的煤炭快速熱解技術(shù)[20]，將煤的氣化和熱解有機(jī)地結(jié)合在一起，可從高揮發(fā)分原料煤中最大限度地獲得煤氣、焦油和苯類產(chǎn)品。但是，該技術(shù)并未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

ATP技術(shù)[21]，由加拿大UMATAC工程有限公司的工程師Willam Taciuk發(fā)明,屬固體熱載體熱解工藝。該技術(shù)原料利用率高；熱效率高；設(shè)備尺寸調(diào)節(jié)彈性大；操作條件良好；產(chǎn)油、產(chǎn)焦率高；經(jīng)濟(jì)效益好，環(huán)境友好性強(qiáng)等。但其設(shè)備龐大，空間利用率低，且核心設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)的加工水平尚不能達(dá)到要求，設(shè)備維修和長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)也存在隱患。

K燃料工藝(K-Fuel Process)技術(shù)[22]，是美國(guó)KFx公司在上世紀(jì)80年代中期研發(fā)的，屬于非蒸發(fā)脫水提質(zhì)技術(shù)。該工藝經(jīng)過20年的完善，已進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段，屬于成熟的商業(yè)化技術(shù)。但是，該技術(shù)只能起到干燥的作用。

與國(guó)際同類技術(shù)比較，LFC技術(shù)及其改進(jìn)技術(shù)是目前同類技術(shù)中商業(yè)化程度較為成熟的，而且該技術(shù)應(yīng)用較靈活，不但可以干餾出油，還可以稍加修改，只做干燥煤。因此，該技術(shù)在中國(guó)有著廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

中國(guó)是一個(gè)缺油、少氣、煤炭資源十分豐富的國(guó)家，其中低階煤約占全國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的30%[23]。近年來(lái)，由于國(guó)際原油價(jià)格的不斷攀升和國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)煤炭資源供應(yīng)的日益緊張，褐煤等低階煤的開發(fā)和利用受到廣泛關(guān)注，而我國(guó)褐煤加工技術(shù)發(fā)展還存在諸多不足。

現(xiàn)在全球范圍內(nèi)石油儲(chǔ)量逐漸減少，導(dǎo)致了能源過渡期的產(chǎn)生，需要供應(yīng)一種可持續(xù)替代能源，以免造經(jīng)濟(jì)混亂?？梢哉f(shuō)，LFC工藝和在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的CCI工藝，是未來(lái)40年的世界能源過渡期的一個(gè)重要能源技術(shù)。

LFC工藝及其改進(jìn)技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了小試、中試和工業(yè)示范裝置的逐級(jí)放大和驗(yàn)證，證明了該技術(shù)的成熟和可靠性，具備了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)適用于我國(guó)煤質(zhì)，如果推廣應(yīng)用該技術(shù)，將有利于推動(dòng)我國(guó)低階煤加工技術(shù)進(jìn)步，有助于我國(guó)提高煤炭資源的利用效率，大大增加國(guó)內(nèi)合成原油供應(yīng)量，增加發(fā)電效率，減少溫室氣體的排放，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 致 謝

作者感謝原美國(guó)SGI國(guó)際公司同事和CCI公司CEO Ebbe Skov 提供的支持，感謝陜西榆陽(yáng)區(qū)秦源小額貸款有限公司和山東省泰山學(xué)者建設(shè)工程的支持。

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