摘 要：煤礦是目前我國工業(yè)生產中利用的主要能源，為提升煤炭的利用效率，煤熱解技術一直在不斷研究更新當中。下面圍繞煤熱解技術展開討論，介紹幾類典型的工藝技術，分別為氣體熱載、固體熱載和無熱載三種技術。從流程、顯著特征以及應用場合對各項技術進行詳細介紹，希望對新技術的開發(fā)起到一定的參考作用。

關鍵詞：煤熱解技術;研究;開發(fā)

引言：在建國初期，我國工業(yè)發(fā)展速度較慢，對煤礦的需求量不大，因此對煤礦的處理一直沿用傳統(tǒng)的技術。但隨著我國綜合國力的增強，工業(yè)生產需要的煤礦數(shù)量劇增，傳統(tǒng)的煤礦提純技術會使煤礦大量浪費，較低的資源利用率，使得煤礦開采速度加快。在此情況下，煤熱解技術應運而生，在提升煤化工企業(yè)工作效率的同時，減少資源浪費。

一、氣體熱載體技術探析

（一）COED工藝

該工藝是由美國的一家公司發(fā)明的，工藝過程依靠相應的流化床反應器來完成，反應器分為四部分。在第一階段，加入破碎的原煤，直徑需要在2mm以下，在硫化氣體的作用下，煤粉被加熱到一定溫度。達到預定溫度后，原煤進入其它階段進行反應。在二、三階段，原煤在高溫下會發(fā)生流化，然后流化的煤氣進入反應器的第四階段進行反應。此時原煤呈現(xiàn)出半焦狀態(tài)，在水蒸氣、氧氣的作用下，部分半焦會出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，燃燒后的熱煤氣承載著很多熱量。將第四階段生成的高溫煤氣，通過管道向其它幾段反應器輸送，從而實現(xiàn)煤粉的熱解循環(huán)。最終取二階段的熱解氣體，將其凈化處理變成煤氣和粗油。

該工藝過程，將熱解過程分級進行，將二次反應的產物充分利用起來，保證煤礦的最大利用率。且能夠將原礦石破碎成較小的顆粒。該工藝的難點在于對焦粒和焦油的分離，此過程比較復雜，因此不適宜大規(guī)模的工農業(yè)生產。此種熱解工藝，能夠承受的最大規(guī)模為500t/d。

（二）LFC工藝

此項工藝的主要流程為：原煤經過破碎之后，力度達到3mm-50mm的范圍時，就可將其送入熱解爐進行相應的反應，反應完成后將產物釋放到冷卻裝置中。產物的溫度接近常溫時，將其加入精制反應爐，得到的產物為PDF。此反應過程會產生大量揚塵，為改善這一現(xiàn)象，通常在熱解爐中添加MK物質，能夠有效抑制粉塵，靜電捕集裝置接收經過除塵的熱解爐反應氣體，氣體冷卻后形成液體油。其中部分氣體在捕集器中并未轉化成液體，其分成兩部分，分別作為燃料和熱源使用。

該工藝過程針對的是低階煤的熱解反應，其產物是固體和液體的結合。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集可知，每噸原煤的熱解效率大大提升，但該工藝需要借助大量的先進設備，需要較大的成本投入。且在系統(tǒng)運行中，熱量平衡是難點，工廠需要額外補充熱量[1]。該工藝12年在我國投產，最大規(guī)?？蛇_30萬噸/a。

（三）快速熱解

該工藝是由兩段氣流床組成，將熱解過程和半焦氣化融合到一個反應器當中。此種反應器對煤粉的直徑要求比較嚴格，一般情況下直徑需要小于0.074mm，否則不能將其送入反應器。熱解裝置將煤粉加熱，使其發(fā)生分解反應，反應后的產物既有固體又有氣體。產物在壓力作用下，同時朝上方流動，待其全部進入旋風分離裝置后，開啟裝置。將產物分離成煤氣、焦油等單獨的物質，產物中的半焦又一部分會在壓力作用下返回熱解裝置，剩下的冷卻至室溫，就變成半焦產品。

該工藝對原煤的溶解速度很快，只設置兩段氣流床，在不影響產品質量的條件下，減少熱解環(huán)節(jié)，且減少設備占用的空間。但該工程需要額外向設備內部加壓，這會增加工藝成本。該工藝流程的最大規(guī)?？蛇_100t/d。

（四）ECOPRO工藝

該工藝過程需要的設備同樣分為上部分和下部分，下部參與氧化反應，上部加入氫氣加快原煤的熱反應速率。將煤粉破碎成直徑在50微米之下，將其送入下部，然后與上部產生的半焦進行反應。在高溫情況下與水蒸氣、氧氣進行反應，生成氣體產物，產物主要包括CO、H2。氣化反應會產生大量熱量，為熱解反應提供充足的熱能。熱解反應會產生大量含氫氣體，將其處理后為熱解裝置提供部分氫氣，作為熱解反應的催化劑。

從工藝過程不難看出，裝置對反應產物能夠進行二次利用，且將裝置設計成上下結構，減小占地面積的同時將空間充分利用起來。該工藝的最終產物是液態(tài)輕油，對煤礦的轉化率高達90%[2]。20t/d是此項工藝的最大化規(guī)模。

（五）MRF工藝

該項工藝需要三臺回轉爐完成相應的熱解工作，回轉爐是串聯(lián)連接的，該裝置對煤粉的直徑要求不高，保持在30mm以下即可。在第一臺爐內，煤粉在爐內煙氣和爐外煙氣的共同作用下，快速發(fā)生熱解反應，爐內溫度最少要達到550攝氏度，反應才能正常進行。熱解產生的主要物質是荒煤氣，經過分離提純后，就得到相應的煤氣和焦油。若想得到固體物質，需要對半焦進行冷卻處理。

在該工藝過程中，熱解反應產生的熱煙，能夠為新進來的原煤提供反應熱量，原煤不會出現(xiàn)嚴重的脫水現(xiàn)象，工業(yè)廢水中的酚含量大大降低。爐外的熱煙會補充爐內的熱量，維持反應的正常進行，將直接加熱使得煤氣被稀釋的缺陷徹底改善，且對回轉爐的加熱原料形態(tài)不限。利用此工藝處理原煤，會產生粉塵阻塞現(xiàn)象，因此需要及時清理爐膛。該工藝在工廠生產中可使用的最大規(guī)模為5.5萬噸/a。

（六）移動床熱解

該工藝的實現(xiàn)，依靠的是熱傳導速率快，能夠在高溫環(huán)境下工作的內構件。構件形式通常為板式，一端連接熱解裝置，一端與裝置中的含碳層直接接觸。對熱反應爐加熱時，熱量能夠通過板式構件直接向含碳物質傳遞，加速熱解過程，反應產物會從爐內壁和填充層的縫隙間，到達相應的收集裝置。

該工藝過程實現(xiàn)對熱量流向的控制，分解產生的氣體會流向相應的裝置，實現(xiàn)對原煤的高效率利用[3]。該工藝適用于規(guī)模較大的煤炭工廠，也是我國目前比較常見的煤解技術之一。

二、固體熱載技術相關介紹

（一）Toscoal工藝

該原煤處理工藝如下：煤粉的直徑需要保持在6mm之下，將破碎完成的原煤通入提升管中，管中的熱煙氣會對煤粉預熱處理。然后進行旋風分離，接著將分離后的物質通入熱解裝置中，裝置中事先放有熱瓷球，煤粉與之混合并發(fā)生相應的熱解反應，反應溫度需要保持在500℃之下。反應產物全部進入回轉篩，將半焦從中分離出來，氣體產物在冷凝裝置的作用下，冷卻產生煤氣、焦油。瓷球是固體熱載體，將其引入加熱器中再次進行加熱處理，達到一定溫度后重新回到熱解裝置當中，繼續(xù)下一次反應過程。

該工藝使用的熱解裝置是轉筒式，且將瓷球作為熱能的載體。原煤能夠迅速進行熱解反應，且具有較高的原煤利用率。但該類設備內部結構比較復雜，檢修難度大。瓷球在反復的熱解反應過程中，會受到嚴重磨損。粘性較強的煤會粘在瓷球上，因此該工藝不適合對粘質煤進行熱解。此工藝的規(guī)模最大可達到6.6萬噸/a。

（二）LR工藝

該工藝需要保證煤粉直徑在5mm之下，煤倉中的煤粉有提升管直接供給，然后在螺旋給料裝置的作用下進入導管。此時會有冷煤氣氣流存在，煤粉順著氣流進入熱解裝置，與上部通入的熱半焦充分混合并發(fā)生反應。分解產生的氣體經過冷卻、分離等步驟后，形成最終產物，同時產生的半焦會被送回到熱解裝置中，承載熱量繼續(xù)反應過程。

熱解過程產生的半焦，成為該工藝的熱載體，設備組成比較簡單，易于維護。反應艙內的熱能供應充足，不需要外加熱源，對原煤具有較高的利用率。但此工藝最終得到的焦油中，含塵量很大，分離處理的難度較大。此工藝過程能夠承受的最大生產規(guī)模為800t/d。

ETCH-175工藝的過程與LR工藝較為相似，不同的是反應溫度需要在600℃-650℃范圍內。且該工藝的最大規(guī)模遠大于LR工藝，為4200t/d。對于此工藝的優(yōu)點，在這里不一一贅述。

（三）DG工藝

利用此工藝流程對原煤進行處理，采用的熱載體是褐煤固體。對煤粉直徑的要求在6mm之下，煤粉的干燥在提升管中完成。在分離器中將干煤和水分進行分離，然后與上次反應生成的褐煤半焦充分混合，在熱解裝置中完成相關反應，反應溫度與ETCH-175工藝相同，都保持在600℃-650℃范圍。將產物中的固體分離出來，作為下次反應的熱載體，剩下的氣體經過處理變成可直接使用的煤氣。

此反應過程中煤氣的熱量較高，且反應后產生的廢水較少，但產物的分離較為困難，在旋風分離過程中，半焦顆粒極易粘在裝置內壁上[4]。目前采用此工藝進行原煤處理的最大規(guī)模為60萬噸/a。

三、無熱載體技術探析

該工藝過程沒有相應的物質作載體，因此使用的裝置是旋轉床，在熱輻射管的輔助下，完成相應的熱解反應。輻射管還有蓄熱功能，能夠將燃燒煙氣回收，處理后二次使用。無熱載體的工藝流程如下圖1所示：

圖1 熱分解流程

此工藝的優(yōu)點較多，主要包括以下幾方面：各項指標的要求都很低，例如煤粉直徑、結焦性等;輻射管的數(shù)量可以根據(jù)旋轉床的速度不斷變化，始終將熱解裝置內部的反應環(huán)境保持在最佳水平內。針對不同的原煤材料，可以對分解周期進行調節(jié)，以達到煤粉的最大利用率;沒有熱載體參與反應過程，分解產物無需進行分離操作，有效縮短工藝時間;原煤轉化率最低為86%，且熱效率高達90%，極大的減少能源消耗;旋轉床每次能夠熱解的原煤數(shù)量巨大，僅單爐規(guī)模就能達到100萬噸/a[5]。因此該工藝除在煤化工企業(yè)使用，還對電力、鋼鐵等領域有所涉獵，突破煤熱解技術的局限性。

四、分析熱解技術存在的問題

針對不同的熱解技術，研究者對上述技術的優(yōu)缺點進行綜合評價。氣體熱載的主要缺點包括：反應氣體中含有大量粉塵，不利于后期焦油的提純;外熱工藝對熱解裝置的促進作用不大;高溫煙氣作為熱量載體，會稀釋熱解氣，且后期氣體分離難度大。

固體熱載主要缺點：對原煤的直徑要求嚴格，前期處理耗時;為保證熱傳遞性能良好，使用機械攪拌的方式，對設備的磨損較大;需要額外補充熱量，增加經濟成本。

與上述兩種工藝相比，無熱載體工藝的性能更加優(yōu)越，且對原料的直徑要求較低[6]。熱解氣體無需經過提純就能使用，縮短生產周期的同時極大的提高企業(yè)的經濟效益。

五、發(fā)展前景

對于上述技術，我國目前還處于試運營狀態(tài)，還沒有進行大規(guī)模生產，其原因如下：得到的焦油，其中含有大量的粉塵，且易粘在分離裝置中，難以清洗;工藝過程繁雜，若大規(guī)模投產，不能很好的控制其穩(wěn)定性。針對技術現(xiàn)狀，做出如下展望：熱解的規(guī)模會不斷擴大，前提是解決其穩(wěn)定性問題;將煤熱解過程繼續(xù)深化下去，將焦油、煤氣等產物進一步提純，得到新的產物，實現(xiàn)對煤的高效利用;將熱解工藝不斷簡化，再將熱解裝置進行優(yōu)化，在保證熱解效率的同時縮短熱解時間。

六、結束語

綜上所述，是對煤熱解技術的詳細介紹，通過三類不同的熱載體，對各項熱解技術的原理、特點及規(guī)模進行闡述，并對各項技術的優(yōu)缺點進行比較。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，不同的工藝對煤粉的利用率各不相同，適用規(guī)模也有所差異。從整體來看，煤熱解技術一種朝著對原煤的高效利用、提升工藝速度的方向發(fā)展，相信在科技的推動下，更先進的熱解技術會被研發(fā)出來。

參考文獻

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[5] 李爽，陳靜升，馮秀燕，等.應用TG-FTIR技術研究黃土廟煤催化熱解特性[J].燃料化學學報，2013，（3）：271-276.

[6] 孫任暉，高鵬，劉愛國，等.低階煤催化熱解研究進展及展望[J].潔凈煤技術，2016，（1）：54-59，25.

作者簡介：閆輝，（1974年9月），男，回族。寧夏銀川，本科，講師，研究方向，化學。