本文作者：郝麗芳 宋文立 張香平 李洪鐘 單位：中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

化石能源中，煤相對(duì)富碳，石油和天然氣相對(duì)低碳，而中國(guó)的能源特征是“富煤、少油、缺氣”。煤作為中國(guó)能源的主體，分別占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的76%和69%，且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍將占據(jù)一次能源的主導(dǎo)地位。中國(guó)原煤產(chǎn)量已由2002年的13.8億t增加到2011年的35.2億t，增長(zhǎng)到2.55倍；發(fā)電量由2002年的16540億kW•h增加到2011年的47000.7億kW•h，增長(zhǎng)到2.84倍[1]，其中火力發(fā)電量達(dá)38253.2億kW•h，比上年增長(zhǎng)14.8%，且占發(fā)電總量的81.4%。2011年煤炭消費(fèi)量已達(dá)35億t，主要利用方式仍為燃燒發(fā)電，預(yù)計(jì)到2020年將達(dá)50億t左右。據(jù)專家預(yù)測(cè)，未來(lái)的30~50年內(nèi)煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比例仍將超過(guò)50%，2010—2050年的總耗煤量在1000億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上，且發(fā)電耗煤量也在逐年增長(zhǎng)[1][2]12。中國(guó)已探明的化石能源儲(chǔ)量中，石油和天然氣分別占5.4%和0.6%。2003年原油進(jìn)口量為0.82億t，占消耗總量的32.5%[1]；2011年原油進(jìn)口量已達(dá)2.54億t，占消耗總量的55.5%，遠(yuǎn)超40%的國(guó)際能源安全警戒線；預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)石油對(duì)外依存度將超過(guò)60%。另外，近年來(lái)中國(guó)對(duì)天然氣的需求量也大幅增長(zhǎng)，2011年天然氣產(chǎn)量為1030.6億m3，而消費(fèi)量為1173.8億m3，供需缺口達(dá)143.2億m3[1]，預(yù)計(jì)2020年的缺口將達(dá)900億m3，對(duì)外依存度將達(dá)40%[2]14。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，石油、天然氣供應(yīng)缺口將逐年加大，勢(shì)必影響中國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，也將造成中國(guó)能源供給的安全隱患。因此，中國(guó)十分重視石油和天然氣的供需問(wèn)題，從全局考慮制定了能源發(fā)展戰(zhàn)略，采取積極措施確保國(guó)家能源安全。目前已在增加原油和天然氣儲(chǔ)備、提升原油生產(chǎn)和加工水平方面取得積極成效。但由于缺口巨大，還需采用替代方式緩解油、氣進(jìn)口壓力。經(jīng)研究表明，在多種替代石油和天然氣的方案中，煤炭轉(zhuǎn)化的量級(jí)最大，且已有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，可行性較高[3]。但是，煤炭的使用量以及使用過(guò)程中污染物和CO2的排放量遠(yuǎn)大于石油和天然氣，因此，煤炭的高效清潔利用成為我國(guó)化石能源利用中最需重視的問(wèn)題。眾所周知，煤雖然宏觀上富碳，但含有富氫低碳的結(jié)構(gòu)，特別是中低階煤（褐煤和高揮發(fā)分煙煤），其揮發(fā)分甚至可達(dá)40%以上，其中包含簡(jiǎn)單芳香結(jié)構(gòu)和多種含氧官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。這些低碳組分可在遠(yuǎn)低于煤氣化溫度（900℃）下與富碳組分“分離”，直接生成低碳液/氣燃料和芳烴、酚類等重要化學(xué)品，而且這些化學(xué)品的附加值顯著高于燃料。因此，煤通過(guò)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料的路線逐步轉(zhuǎn)向了燃料和化學(xué)品聯(lián)產(chǎn)的路線。由煤熱解生產(chǎn)燃料并聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品的路線是與煤的組成結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的煤分級(jí)轉(zhuǎn)化，其核心技術(shù)充分利用了煤組成結(jié)構(gòu)的不均一性。

1煤熱解技術(shù)的研究背景

中國(guó)科學(xué)院郭慕孫院士在20世紀(jì)80年代提出了“煤拔頭”工藝[4]。這是一種以熱解為先導(dǎo)的煤多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。該工藝是在常壓、中低溫的較溫和條件下，對(duì)高揮發(fā)分的年輕煤進(jìn)行快速熱解、快速分離、快速冷凝，將煤中的高值富氫結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，如酚、脂肪烴油、三苯（BTX）和多環(huán)芳香烴以液體產(chǎn)品的形式提取出來(lái)。剩余的半焦作為燃料進(jìn)一步應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)轉(zhuǎn)化、梯級(jí)利用的目的。中國(guó)煤炭資源中中高揮發(fā)分煤占80%以上，包括約13%的褐煤、42%的次煙煤和33%的煙煤。富含揮發(fā)分的煤可直接轉(zhuǎn)化為高價(jià)值化學(xué)品（如酚、萘）、大宗燃料油及燃?xì)獾奶細(xì)浣Y(jié)構(gòu)，直接燃燒或氣化將導(dǎo)致煤中揮發(fā)分被等同于煤中的固體組分，未能實(shí)現(xiàn)資源的梯級(jí)利用，不僅造成煤炭資源高值成分的浪費(fèi)，而且導(dǎo)致煤制油氣的煤化工路線長(zhǎng)、效率低，同時(shí)排放大量污染物，使中國(guó)成為世界上排放SOx、NOx、灰塵最多的國(guó)家，而由煤炭利用方式排放的CO2已超過(guò)50億t/a，使中國(guó)承受著來(lái)自國(guó)際社會(huì)的減排壓力。而利用中低階煤直接生產(chǎn)燃油和燃?xì)猓淠苄Э商岣?0%以上[4]，煤炭節(jié)省量、CO2和其他污染物的減排量均非常顯著。顯然，中低階煤分級(jí)轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品的路線將成為我國(guó)煤炭利用產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略需求。

2煤熱解技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在上述技術(shù)思路的指導(dǎo)下，以熱解技術(shù)為先導(dǎo)的煤綜合利用技術(shù)逐漸受到各研究所和高校的關(guān)注。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所自20世紀(jì)90年代開始，對(duì)煤熱解技術(shù)的基礎(chǔ)理論、工藝和設(shè)備等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得了國(guó)家科技部863、973項(xiàng)目以及中科院知識(shí)創(chuàng)新工程方向項(xiàng)目的支持，該研究的核心技術(shù)已獲得了多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所采用下行床熱解反應(yīng)器，與循環(huán)流化床耦合以實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)的集成。先后建立了煤處理量8kg/h和30kg/h的耦合提升管燃燒的下行床熱解拔頭實(shí)驗(yàn)裝置[5]，并建立了與75t/h循環(huán)流化床鍋爐耦合的煤處理量為5t/h的中試裝置，進(jìn)行了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)低揮發(fā)分的次煙煤，焦油產(chǎn)率為8.1%，煤氣產(chǎn)率為7.4%，值得注意的是煤氣中甲烷含量較高（28.70%），充分體現(xiàn)了煤低溫快速熱解后煤氣成分的特點(diǎn)。2009年獲得中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目“煤熱解與焦油高值利用技術(shù)平臺(tái)及中試”的支持，將在廊坊基地配套建成10t/d的下行床熱解器中試平臺(tái)和700kg/d的煤焦油分離加氫精制中試平臺(tái)，現(xiàn)已基本完成裝置的搭建，預(yù)計(jì)于2012年底完成中試裝置的調(diào)試。浙江大學(xué)以循環(huán)流化床固體熱載體供熱的流化床熱解技術(shù)為基礎(chǔ)[6]，與淮南礦業(yè)集團(tuán)合作開發(fā)的示范裝置于2007年8月完成72小時(shí)的試運(yùn)行，獲得了工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該工藝的熱解器為常壓流化床，用水蒸氣和再循環(huán)煤氣為流化介質(zhì)，運(yùn)行溫度為540~700℃，粒度為0~8mm的煤經(jīng)給煤機(jī)送入熱解氣化室，熱解所需要的熱量由循環(huán)流化床鍋爐來(lái)的高溫循環(huán)灰提供，熱解后的半焦隨循環(huán)灰送入循環(huán)流化床鍋爐燃燒，燃燒溫度為900~950℃。12MW工業(yè)示范裝置的典型結(jié)果為：熱解器加煤量10.4t/h，焦油產(chǎn)量1.17t/h，煤氣產(chǎn)量1910Nm3/h，煤氣熱值23.11MJ/Nm3，所得焦油中瀝青質(zhì)含量為53.53%~57.31%。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開發(fā)了基于流化床熱解的示范裝置[7]，2009年5月與陜西省神木縣煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室共同確定神木10t/h固體熱載體粉煤快速熱解制油項(xiàng)目，正在進(jìn)行中試試驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開發(fā)了基于移動(dòng)床熱解裝置的多聯(lián)供技術(shù)[8]，與陜西省府谷恒源煤焦電化有限責(zé)任公司合作，建成了與蒸發(fā)量75t/h循環(huán)流化床鍋爐匹配的熱解中試裝置。采用府谷西岔溝煙煤，在600℃下熱解，得到的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中，焦油產(chǎn)率約為6%，煤氣產(chǎn)率約為8%，半焦產(chǎn)率約為75%。