粉煤加氢快速热解技术的研究开发及工业化实践

扶 振，安英保，郑 琪，张艳文

(中美新能源技术研发(山西)有限公司，山西 朔州 036032)

目前，中国的低阶煤中很大一部分作为动力煤使用，煤中高附加值油气资源没有得到有效利用。国内用于提取高附加值油气资源的技术主要包括煤炭直接及间接液化和中低温热解。现有的热解油气提取技术主要存在焦油收率低、含尘高、重质组分高等问题，同时高灰、高灰熔点半焦缺乏有效利用途径。自郭慕孙院士提出“煤拔头”思路后，煤炭梯级利用过程受到广泛关注，该理念从煤炭化学结构出发，充分利用煤自身含有的芳香族、脂肪族等官能团结构，获得高附加值芳烃油品，是实现煤清洁高效的利用有效途径之一。国家最新出台的《关于促进煤炭工业科学发展的指导意见》中也明确提出“鼓励建设煤炭分级分质梯级利用示范项目”，这使得煤炭梯级利用的研究方向成为当前煤炭工业的发展重点。

美国ACCT公司开发了高温加氢热解制备合成油技术并经过了小试验证，打通了工艺流程。中美新能源项目研发团队根据煤热解原理，先期研究了加氢闪式热解抑制重质组分聚合、轻质组分二次裂解等关键技术，初步解决了焦油收率低、品质差、含尘高、气固分离难等技术难题，并为粉焦利用提出了高温半焦气化或发电的技术途径，获取了大量的基础数据，为进一步中试研究的开发奠定了基础。

本项目经初步研究发现，热解产生的焦油收率约大于20%，远高于普通热解技术，有较强的竞争力。

1 粉煤加氢快速热解研发历程

针对煤炭分质利用技术研发及工程化过程中存在的煤焦油收率低、气固分离困难、半焦转化利用难等核心问题，在美国ACCT公司煤炭快速加氢热解实验室的研发基础上，中美新能源技术研发(山西)有限公司(以下简称中美新能源)自主研发、完善了粉煤加氢快速热解技术。

粉煤加氢快速热解技术经历加氢小试实验研究、工业化实验研究等阶段，目前已完成千吨级/天投煤量装置工艺包编制。

2 粉煤加氢快速热解技术

2.1 技术概况

粉煤加氢快速热解技术是将来自界外的原料煤通过磨煤及干燥至一定要求(煤粉粒径85%控制在200目以上)，合格煤粉用氮气加压输送进加氢反应器中，与部分氧化炉过来的高温富氢合成气瞬速热解反应(核心反应时间≤500ms，反应物停留时间1～2s)，在加氢反应器中，煤粉在临氢的条件下转化为油气，油气中的固体颗粒(焦)通过旋风分离器被分离出来，产生高附加值焦油、合成气和洁净的半焦。粉煤快速热解技术是国内首创气流床加压加氢热解技术。该技术自2012年开始理论验证研究，2015年开始建设50t/d中试实验装置，2017年8月正式试车投料，2019年4月突破气固分离技术性难题，装置正常运行81h，验证了技术的可靠性、可行性、经济性和环保性，并于2019年6月通过国家科技成果鉴定。

2.2 工艺原理

煤加氢热解联产芳烃和半焦是在高温高压下，要求粒径5～90μm、全水分小于2%～3%的煤粉与高温富氢合成气反应生成芳烃油品和甲烷、半焦的过程。其过程如下：

在煤与氢气的反应中，首先煤发生自身脱挥发分反应生成活性半焦，其挥发分加氢生成甲烷，煤中活性半焦一部分与氢气反应生成甲烷，另一部分未参与反应的活性半焦失活生成惰性半焦。惰性半焦与氢气反应比较难，加氢热解联产芳烃和甲烷仅是脱挥发分和部分活性半焦加氢的反应，因此，加氢热解联产芳烃和甲烷的碳转化率比较低，仅有50%左右。

煤脱挥发分的产物焦油以及烷烃等与氢气发生如下二次反应：

由于上述反应的发生，在煤加氢热解联产芳烃和甲烷的过程中生成大量的甲烷和芳烃油品。煤的快速热解利用煤的挥发分和自由基形成的特点瞬间反应(<1s)，在加氢的活性环境下，多环芳烃开环、断链后饱和，可以有效地抑制在裂化过程中的缩合反应，从而根本性地降低油品的碳氢比，提高油品中的H元素含量。脱硫、脱氮、脱金属，烯烃饱和，加氢同时也进一步饱和芳环，使环烷烃开环，提高油品H元素含量。由此，煤的快速热解、轻质化基本已达最深，产品收率有效得到提高，经济效益显著增加， 同时，正常氢气的消耗量仅为1.8%左右。

2.3 粉煤加氢快速热解工艺流程

直径为30mm以下的碎煤，经过皮带输送系统由煤场输送到碎煤仓，碎煤仓中的沫煤经过称重给煤机进入磨煤系统，经过磨粉干燥后得到符合要求的煤粉(含水≤3%，d90<100μm)。由氮气或二氧化碳加压送往煤加氢反应器，气化合成气或焦炉尾气在部分氧化炉中部分氧化后，产生的高温富氢合成气直接送往煤加氢反应器中，高温富氢合成气与煤在瞬间(<1s)发生热解反应，煤的加热速率越快，碳的转化率越高，相应所得气态烃和轻质芳烃产率越大，同时煤中的挥发分产出越彻底，此时粉煤在加氢反应器中瞬间转化为油气和半焦，油气中的固体颗粒(焦)通过旋风分离器、陶瓷过滤器被分离出来，油气通过冷却及减压后，得到油水混合物及合成气，合成气可以在本系统循环利用或送往后序加工使用，油水混合物通过初步分离后得到轻油和重油。旋风和陶瓷过滤器分离下来的500℃左右高温半焦通过气力输送到气化炉直接气化或电厂燃烧发电。该技术主要产品为合成气、焦油、半焦。整个工艺过程真正实现了粉煤气力输送、快速热解、加压热解、加氢热解、快速分离、快速冷却，提高了装置的能效性，实现了气化热解一体化技术。目前，中美新能源已建成50t/d投料规模的粉煤加氢快速热解工业化实验中试装置(技术工艺见图1)，装置工艺流程见图1。该装置包括7个单元：粉煤制备单元、煤粉加压输送单元、部分氧化单元、加氢热解单元、气固分离单元、油洗分离单元、公用工程单元。

2.4 粉煤加氢快速热解技术工艺特点

粉煤加氢快速热解技术的工艺特点如下：①加压热解(热解压力范围为1.0～9.0MPa)； ②粉煤热解(煤粉粒径85%控制在200目)；③加氢热解，煤的中高温热解在富氢条件下热解；④快速热解[1](核心反应时间≤500ms，反应物停留时间1～2s)；⑤工艺过程高能效(高温半焦潜热提供气化或发电减少氧耗，提高能源转化效率)；⑥单炉处理能力高(加氢反应器采用气流床柱塞式炉型，可以大幅度提高单炉的处理能力，同时降低设备造价)；⑦工艺环保，基本不耗水(整套工艺流程完全密闭，基本无“三废”排放，超低二氧化碳排放(0.05t/t油品))；⑧整套工艺不使用催化剂，减少了催化剂因素对产油的影响；⑨该技术可以实现多种技术的综合应用，如气化热解一体化、高热值气体部分氧化一体化。

图1 粉煤加氢快速合成气化技术工艺

2.5 粉煤加氢快速热解工艺关键技术突破

粉煤加氢快速热解工艺关键技术的突破体现在以下几点：①核心装置技术突破，实现加压、富氢、快速热解，与目前煤化工和电厂技术结合；②实现粉煤加氢快速热解气流床反应器设计开发和使用[2]；③世界上首套稳定运行50t/d规模的气流床粉煤加氢热解生产焦油、洁净半焦、合成气中试项目稳定运行；④实现高温热解气固产物的高效分离[3]，焦粉分离效率为97%以上；⑤粉煤加氢快速热解实现热解操作智能化、自动化控制；⑥粉煤加氢快速热解技术中首次使用油洗冷却工艺[4]；⑦粉煤加氢快速热解实现高温半焦气力输送工艺的技术开发和使用[5]；⑧粉煤加氢快速热解技术焦油产率高，富氢气体氛围中，得到焦油产率为15%～30%。

3 中试实验

3.1 中试装置的典型运行特性

中美新能源研发的粉煤加氢快速热解50t/d装置于2019年4月完成81h连续稳定运行，该中试装置的典型运行特性见表1。81h连续运行期间，POX炉和加氢反应器上、中、下3部分的整体运行温度曲线见图2，实验期间POX炉和加氢热解炉运行温度分别在1 300℃，600℃左右。

表1 装置典型运行特性

图2 连续运行工况下燃烧炉和热解炉的温度曲线

3.2 产物分析结果

3.2.1合成气组分

粉煤加氢快速热解工艺生产的煤气成分见表2。H2、CO和CH4的体积分数分别为43.64%、31.99%和3.43%，合成气热值在12.16MJ/m3以上。该工艺生产的合成气既可作为优质的化工原料，也可作为城市煤气。

表2 合成气组分分析

3.2.2焦油分析

粉煤加氢快速热解工艺生产的焦油物性与组分含量见表3。焦油中的水分0.73%，低于高温煤焦油中水分≤3%的指标要求；密度1127kg/m3，低于煤焦油密度为1 150～1 210kg/m3的指标要求，H元素含量为11.72%，焦油组分中沥青质含量仅5.46%，表明焦油品质好，是焦油深加工的优质原料。

表3 焦油物性和组分含量分析

3.2.3半焦分析

粉煤加氢快速热解工艺生产的半焦和焦粉的工业分析、元素分析、热值和比表面积分别见表4。本工艺生产的半焦产品挥发分均小于10%，固定碳大于85%，半焦比表面积8.19m2/g，平均孔径4.95nm；可作为有色金属还原剂、电极材料、制取活性炭原料，又可作为炼焦配煤瘦化剂、型焦原料或直接500℃高温气化或发电等。

表4 产品半焦和焦粉的工业分析、元素分析、热值和比表面积

3.3 实验物料平衡与系统能效

50t/d粉煤加氢快速热解中试装置81h连续运行物料平衡与能效计算见表5。焦油产率为23.1%，为原料煤格金焦油产率的187%；半焦作为产品输出，半焦产率为55.2%，合成气的产率为5.9%。输入输出物流的质量偏差为1.79%，系统能效为94.6%。

表5 系统的物料平衡与能效

5 结语

(1)本文针对低阶粉煤的分质清洁利用，提出了一种粉煤加氢快速热解工艺，并对该工艺的技术特点等进行总结。该工艺的50t/d中试装置实现了81h连续稳定运行，试验期间可连续稳定产出焦油、半焦和合成气。同时，验证了该工艺技术试验的进出口物料偏差为1.79%、系统能效为94.6%。

(2)50t/d粉煤加氢热解工艺气体热值较高(12.16MJ/m3)，品质好，可以用于生产化工产品，也可用作燃气；油品产率高(15%～30%)，灰分低(0.08%)，密度较高温煤焦油低(1 127kg/m3，高温煤焦油1.15～1.21)，芳烃类化合物较多，并且含有产率较多、高附加值、市场紧缺的多种化学原料(如邻甲酚等)。

(3)粉煤加氢快速热解工艺生产的半焦产品挥发分均小于10%，固定碳大于85%，半焦比表面积8.19m2/g，平均孔径4.95nm；即可作为有色金属还原剂、电极材料、制取活性炭、型煤原料，500℃高温半焦又可作为气化造气原料，也可燃烧进行二次能源的洁净发电，并且采用富氧发电可以节约20%～30%的原煤量。

(4)粉煤加氢快速热解技术能够促进煤化工、石油化工、电力等多产业的深度耦合集成，打造新型的煤、油、电、化多联产模式，最终实现经济效益和环境保护的协同发展。