内旋式移动床煤热解新工艺开发及试验

白效言，曲思建，张飏，王岩，裴贤丰

（1煤炭科学研究总院，北京100013；2煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院，北京100013；3煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京100013；4国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京100013）

低阶煤（褐煤、长焰煤、弱黏煤、不黏煤等）挥发分高，是我国动力用煤的主要来源。相对于中高阶煤种，低阶煤大分子结构中，芳环缩合程度较低、侧链较多，受热易分解，化学反应性质活泼，通过“中低温热解+产品分级利用”的工艺路线组合可以形成低阶煤高效高值转化的产业链条，实现低阶煤的因材制宜[1-2]。20 世纪，国内外先后形成了鲁奇鲁尔（LR）、Toscoal、大工（DG）固体热载体、COED 多级流化床、循环流化床分级联产、多段回转炉（MRF）、煤拔头等煤的中低温热解典型工艺，奠定了后续各类煤热解技术发展的基础[3-4]。目前我国工业上应用的内热式直立炉热解工艺适用于较大粒径（30～80mm）低阶煤，如果原料粒径过小或粉化严重，会堵塞内热式的热载气流动路径。近年来经过不断改进，该工艺的原料粒径下限可达到5～6mm，但小粒径煤含量仍不能太多[5]。针对较小粒径的低阶碎煤、末煤热解，我国先后开展了各类中试、工业性试验工作，如龙成集团107t/a 规模的生产线、中国科学院过程工程研究所1000t/a 的内构件移动床热解中试装置[6-7]、中国科学院工程热物理研究所240t/d的固体热载体热解装置[8-9]；陕西煤业化工集团2×104t/a 的气固热载体双循环快速热解技术（SM-SP）工业试验装置和5×105t/a 的外燃内热立式炉示范装置[10]、陕西延长石油碳氢利用研究中心万吨级粉煤热解气化一体化（CCSI）工业试验装置、煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院2t/d外热内旋式移动床热解中试装置[11]。

低阶煤热解技术的研发始终面临两方面的难题：一是粉尘控制及其与高温油气的有效分离；二是焦油品质控制。粉尘的产生与热解工艺自身特点有关，而焦油品质的控制则可以通过改变各种工艺条件进行调控[12]。焦油品质调控的研究多采用多段热解小试试验装置，研究结论不一。敦启孟等[13]认为低于600℃，停留时间＜2s，基本不发生二次反应，这与陈昭睿等[14]研究结论较一致，同时陈昭睿等的试验还表明600℃以下初级产物停留时间对二次反应作用不大。Katheklakis 等[15]则发现挥发物在500℃以上时，就会发生明显的二次反应；Xu 等[16]也发现，将反应温度从500℃提高至900℃后，反应时间7s 内，焦油收率减少一半。此外挥发物二次反应的气氛及有无催化剂也会影响焦油品质的调控[17-19]。Liu等[20]通过总结各类反应器特点，认为焦油产率低、品质差的原因是逆向传热传质，应尽可能控制挥发物逸出后的温升来实现工艺焦油品质的调控。

煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院针对小粒径低阶煤，采用移动床设计，开发出外热内旋式新型热解工艺并建成处理能力2t/d 的试验装置。本文利用该中试装置，通过改进加热系统、优化温度分布等工艺条件实现挥发物从高温区到低温区的定向逸出，考察温度场对热解产物特性的影响，以期探明产物品质调控的理论研究成果在新热解工艺及装置上的适用性，为该工艺的下一步放大奠定基础。

1 试验部分

1.1 试验煤样

试验煤样采自陕西神木地区，为低灰分长焰煤，粒径为13mm以下全粒级，在试验前进行了充分混合与缩分，密封保存备用。原料煤的基本特性分析见表1，粒径分布见图1。

1.2 热解工艺

内旋式移动床热解工艺采用卧式间接加热的热解反应器，反应器壁固定，中间设置传动蛟龙；煤料在蛟龙的扰动下径向不断混合，横向从前至后运动，实现物料的充分混合和料层传热速率的提升，同时通过蛟龙等运行参数控制颗粒的运动速度，最大程度抑制粉尘的产生；反应器物料热解区上部设置粉尘沉降气室区，将荒煤气夹带的较大粒径粉尘在反应器内进行脱除，实现炉内降尘，降低后续除尘负荷；反应器出口的荒煤气经保温管道进入高温金属过滤除尘器，实现炉外除尘；最终形成具有颗粒混合、快速传热以及抑尘、降尘、除尘作用的多段减尘热解工艺技术。内旋式移动床热解工艺原理示意如图2所示。

表1 试验用煤基本性质

图1 试验用煤的粒径分布

1.3 试验装置

2t/d低阶煤热解中试试验装置整体工艺流程如图3所示，实物如图4所示。

中试试验的基本步骤：首先启动定量给料系统、干燥及反应器传动、出焦系统实现物料的冷态连续运行；然后在惰性气体的保护下，启动供热燃烧系统进行反应器加热，逐步升温至目标温度；待进出料、温度场分布均达到稳定状态后，进行数据及样品的采集；试验完成后在惰性气体保护下逐步降温及停止进出料。

试验过程中，煤料首先进入螺旋干燥器进行干燥，将大部分外水分通过间接加热的方式脱除，水蒸气经冷凝回收计量；然后煤样经密闭回转阀进入反应器的高温热解区，在传动构件的作用下由进煤口向出焦口运动，逐步升温至目标热解温度；热解半焦进入间冷式熄焦器，冷却后排出并计量；热解荒煤气经高温除尘后进入间冷式冷凝器进行焦油和热解水的回收分离和计量，煤气经过流量计计量后进入焚烧炉燃烧净化。

图3 内旋式移动床热解工艺流程图

图4 内旋式移动床热解装置实物图

煤料的热解反应温度由蓄热式燃烧系统控制，上部温度由部分高温烟气及配风单独控制，从而实现较为精准的温度场分布；热解时间由传动系统控制为2h；反应器内压力为微正压。

1.4 产物分析

对热解半焦按照国家标准进行工业分析和元素分析；焦油的馏程分布采用Agilent 6890A GC 模拟蒸馏仪，参照标准NB/SH/T 0558—2016 执行，焦油中粉尘含量参照GB/T 2293—2008，测定其喹啉不溶物含量。

煤气经流量计计量后在取样口用铝箔气袋进行采集，在Agilent7890 B 型气相色谱仪上分析其组成；分析前先利用配套的标准气体对色谱进行校正，确定校正因子，然后进样分析，归一化处理。

2 结果与讨论

2.1 热解装置温度场分布特性

热解过程中一般采用均匀的温度场分布实现物料的快速加热，内旋式移动床热解工艺将热解区和沉降气室区均复合在同一反应器内。因此本次试验研究在内旋式移动床中试装置上，通过差异化温度控制系统实现反应器下部物料热解区和上部降尘气室区的独立控温，分别进行了下部煤料热解温度650℃、700℃，上部降尘气室区温度450℃、500℃、550℃共6 种工艺条件下的试验研究。热解试验装置的温度监测点分布如图5所示，几种工艺条件下稳定运行阶段，温度场分布特性如图6所示。

图5 中试装置热解反应器温度监测点

从图6的控制条件下温度场的分布来看，基本可以实现反应器内热解区和沉降气室区温度的精准控制，目标温度控制最大偏差为10～20℃，且连续运行过程中温度比较稳定，波动范围小，满足试验研究的需要。由于沉降气室前部是冷煤料的进料区，同时是加热系统的末端，因此其温度是最低的，总体上沉降气室区和热解区可实现100～200℃的温度梯度。

2.2 热解产物产率

图7 为6 种工艺条件下热解产物的产率分布情况。从图中横向比较内旋式移动床在650℃和700℃的热解条件下各产物的产率，以干燥基煤为基准，相同沉降气室区温度条件下，热解区温度从650℃提高至700℃，半焦产率降低0.6%～1%；随着热解温度升高，煤气和焦油的产率增加，其中干燥基煤的焦油产率（Tard）为7.18%～7.44%，热解水的产率变化不大，基本在8.5%左右，这与各种小试试验的基本规律一致。

相同热解温度，提高沉降气室区温度，也会影响热解产物的分布。从图7中可以看出，提高沉降气室区温度后半焦的收率略有降低，主要原因是沉降气室区会对热解区表层煤产生一定的辐射作用，相同热解区温度及热解时间的条件下，提高上部沉降气室区温度有利于提高煤颗粒的升温速率、加深热解程度。在650℃和700℃两种热解温度条件下，提高沉降气室区温度，焦油产率的变化规律是一致的，沉降气室区450℃和500℃时焦油产率相对较高，550℃时焦油产率则较低，说明超过500℃后，荒煤气中的焦油等成分会发生一定的裂解反应，导致焦油收率的降低，同时这与煤气体积产率在沉降气室区超过500℃后增加较快也是相印证的。

2.3 半焦及热解煤气特性

不同工艺条件下半焦特性分析见表2。

图6 各控制条件下温度场分布情况

表2 不同工艺条件下半焦基本性质分析

从表2 中数据可以看出，经过内旋式移动床650℃和700℃热解后，半焦的挥发分降低至10.36%～11.95%，含碳量增加至83.18%～84.13%，其余元素均降低至较低水平，提高反应器上部沉降气室区温度有利于挥发分的降低，证实提高沉降气室区温度后，对煤颗粒的辐射作用增强。该工艺所得半焦可作为无烟燃料、高炉喷吹原料、气化等用途，并且可根据下游对半焦产品质量的需要调整内旋式移动床热解工艺条件，提高生产装置的灵活性，适应市场变化。

图7 不同工艺条件下的热解产物产率

在试验过程中对热解净化后的煤气进行采样分析，其主要组分及组成见图7。从图中可以看出，内旋式移动床采用间接加热，热解气中90%以上为可燃性气体，因此除燃烧外，非常适合进一步的提氢、制取甲烷气等下游深加工。

结合图7 和图8，可以发现随着沉降气室区温度的升高，煤气体积分数不断升高，同时其组成中的H2含量也在不断升高，且当气室温度达到550℃时增加幅度相对较大，分别由500℃/650℃条件下的33.10%升高至550℃/650℃的36.21%，由500℃/700℃条件下的36.47%升高至550℃/700℃条件下的38.64%，与相同条件下焦油产率的下降相对应，说明提高反应器沉降气室区温度后，促进了挥发物的二次反应进程，产生更多的氢气小分子产物。

图8 不同工艺条件热解煤气的组成

2.4 热解煤焦油特性

挥发物二次反应基本过程示意图如图9，包括两个阶段，首先是一次反应产物由内向外扩散至颗粒外表的过程中，轻质气体和焦油发生二次反应，主要包括轻质气体相互之间及与固相颗粒碳之间发生二次反应、一次热解焦油的高温缩聚和裂解反应；其次是挥发物达到颗粒外围后，受环境温度的影响发生二次反应。由于煤颗粒的传热由外向内、而挥发物的传质方向由内向外，二者是逆向的，内部的二次反应阶段不可避免，调控难度高；挥发物逸出颗粒表面后，逸出路径和条件则相对可控，因此各类研究中也多对此阶段的二次反应过程进行调控分析[21-22]。内旋式移动床热解反应器将二次反应与粉尘沉降相融合，实现反应调控和炉内降尘的双重效果。

图9 热解过程的传热传质与二次反应

图10 和图11 为不同工况条件下热解煤焦油的模拟蒸馏曲线，并参照高温煤焦油馏分段组成具体划分为轻油（＜170℃）、酚油（170～210℃）、萘油（210～230℃）、洗油（230～300℃）、蒽油（300～360℃）、沥青（＞360℃）等6个馏分段。

从图10 和图11 可以看出，650℃热解条件下，焦油中轻质组分含量（360℃以下组分含量）为63.3%～72.0%；700℃热解条件下，轻质组分含量为67.5%～72.2%；在保持热解区温度不变的前提下，调整挥发物的气相二次反应温度（即改变沉降气室区温度），所得焦油的品质也发生了改变。随着挥发物气相二次反应温度的提高，初馏点和终馏点均有所提高，挥发物气相二次反应温度在450℃和500℃条件，360℃以下轻质组分含量基本一致，当反应温度达到550℃后，360℃以上的重质组分含量显著上升。图12 显示，提高挥发物气相二次反应温度后，其中的轻油组分分解最多，洗油和沥青质组分不断增加，说明裂解和缩聚作用都在增强，焦油组成中大分子组分增多。针对内旋式移动床热解工艺，沉降气室区温度控制为500℃左右是最佳的运行条件，可以有效抑制挥发物逸出后的温升，降低二次反应强度，同时也避免了焦油的凝聚。

图10 650℃热解焦油模拟蒸馏

图11 700℃热解焦油模拟蒸馏

图12 热解焦油馏分组成

对几种工况条件下获得的焦油进行了含尘量（喹啉不溶物含量）的测定，各焦油含尘量结果见表3。

从中试试验的结果来看，整体内旋式移动床工艺通过控制内构件及颗粒的相对运动条件，从源头抑制粉尘产生，并经过相应的降尘、除尘，将焦油中的粉尘含量控制在1%以内，最低达到了0.51%，有利于后续工艺的进一步放大。

表3 焦油中喹啉不溶物的含量

3 结论

（1）在650℃和700℃的热解温度下，内旋式移动床热解工艺实现了煤料的充分热解，半焦的挥发分Vdaf降低至10.36%～11.95%；相同热解条件下，提高沉降气室区温度后，半焦产率和焦油产率降低，煤气产率升高，在最佳的试验条件下（物料热解区温度700℃，沉降气室区温度500℃），焦油收率Tard最高为7.44%。

（2）物料热解区温度650℃条件下，焦油中轻质组分含量（360℃以下馏分）为63.3%～72.0%；700℃热解条件下，轻质组分含量为67.5%～72.2%；热解区温度相同，提高气相二次反应温度后焦油中轻质组分发生裂解，大分子结构的重质组分含量升高，煤气中氢气含量升高，当沉降气室温度达到550℃时，二次反应作用明显强于450℃和500℃，因此内旋式移动床热解工艺，反应器上部气室温度最优应控制为500℃。

（3）各试验条件下，热解焦油中的粉尘含量均低于1.0%，最低为0.51%，为解决低阶煤热解粉尘夹带问题提供了一条新的技术路线。

（4）内旋式移动床工艺适用于13mm以下小粒径低阶碎煤、末煤的热解，可以通过颗粒扰动、差异化温度场等强化床层传热和有效控制挥发物二次反应，调控热解产物品质，实现低阶煤的定向热解。