探究低阶煤热解半焦规模化利用

郎群，王彦军(陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司，陕西 榆林 719319)

0 引言

据《BP世界能源统计年鉴2020》数据显示，2019我国煤炭产量占全球总产量的47.3%、煤炭消费量占全球总消费量的51.7%，同比2018年分别增长了1.6%和1.4%。《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》、《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020年)》《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》等明确加强开展低阶煤分质利用研究，支持中低温热解制气、制油为主要产品路线的煤炭分质分级多联产技术稳步推进、创新发展。积极推进煤炭分级分质利用，同时鼓励利用新疆哈密、准东、陕西榆林等低阶煤，采用先进煤化工技术推进低阶煤中低温热解等煤炭分质梯级利用示范项目建设。加大煤炭分质利用生产清洁燃料和高端化工产品，加快低阶煤热解、油化电联产一体化，鼓励开展百万吨/年低阶煤热解示范工程。

我国低阶煤资源储量丰富、价格低廉，未来将在能源领域发挥着重要作用。在国家能源政策支持下，低阶煤热解技术的开发得到关注，以煤热解为龙头的低阶煤分质高效利用技术得到飞速发展。多种煤热解提质工艺取得了重大突破，并攻克了关键性技术和装备。热解半焦约占原煤质量的50%～70%，所蕴含的能量约占原煤80%，其高效、清洁、规模化利用已成为低阶煤分质利用工业化、商业化推进的关键环节。

1 低阶煤热解半焦的基本性质

低阶煤不仅仅是能源，同时是重要的化工原料。在我国“富煤、缺油、少气”的能源结构下，逐步采用先进的煤化工技术取代部分传统的石油化工和天然气化工，符合煤炭资源优化利用的趋势。热解半焦是以挥发分含量较高的低阶煤为原料采用中低温热解(500～800 ℃)，得到的除热解煤气和煤焦油外的固体产品。按照热解温度的差别，低阶煤热解半焦可分为低温半焦(500～600 ℃)、中温半焦(700～800 ℃)。参照煤质分析方法，对以神府煤田盛产的优质侏罗纪低阶烟煤粉煤(0～30 mm)为原料和采用回转热解提质工艺生产的低温半焦进行分析，结果见表1。

通过对回转热解提质工艺生产的低温半焦品进行全面检测与分析后得出，热解半焦可划归为低阶煤中低温干馏制得半焦类产品，不仅具有低阶煤半焦的品质、特征，同时具有无烟煤固定碳含量高、挥发分低等特点。和低阶粉煤相比，热解半焦的挥发分约减少65%，固定碳约升高34%。其中，挥发分含量(11.52%)远低于褐煤(＞40%)，固定碳含量(82.33%)略小于无烟煤。同时，热解提质过程中氮、硫等物质大量较少。因此，热解半焦适宜作为燃料。和传统焦炭相比，热解半焦的特点是挥发分含量高，孔隙率大，机械强度低，而与一氧化碳、蒸汽或氧具有更强的反应活性，因而热解半焦还可以代替焦炭，作为原料广泛应用于化工领域，如电石生产、化肥造气和冶炼等。在生产化肥和电石等高耗的产业中，热解半焦的应用效果甚至更优。

2 低阶煤热解半焦的利用

目前，半焦类产品以内热式直立炉工艺为主，原料多采用块煤(30～80 mm)，产能集中在陕西、山西、内蒙、宁夏及新疆等地。相比传统半焦类产品，低阶煤热解半焦的化学活性、比电阻和固定碳相对较高，灰分、硫和氮、磷及三氧化铝含量较低，如此优良特性使得具有广泛的应用领域和发展潜力。(1)高炉喷吹。高炉喷吹用燃料需要满足低灰、低硫和挥发分适中等指标。热解半焦具有较高的固定碳、较低的灰分和硫分，满足高炉喷吹的技术要求，可作为优质的无烟煤替代产品。与当前钢铁高炉喷吹使用的主流无烟煤相比，热解半焦在碳素含量和有效热值方面皆有较为明显的优势，向高炉内喷吹可对焦炭起到良好的替代作用。煤的矿物质中含有大量酸性SiO2，进行大量喷吹将降低炉渣碱度，最终影响炉渣的流动性而导致渣铁难于分离，热解半焦中含有约1%的MgO，对炉渣起到一定的稀释作用，可改善炉渣的高温流动性能。热解半焦中高活性官能团数量相对较高，其碳素结构中主要以活性较高的无序碳为主，其挥发分裂解温度与碳素起始燃烧温度与烟煤较为接近，从而与不同烟煤进行混合时皆可得到燃烧性十分良好的混煤。此外，作为高炉喷吹用煤，热解半焦可显著改善混合煤粉在风口回旋区内的燃烧性能，可以对高炉内的焦炭起到更好的保护作用，并减少未燃煤粉给高炉冶炼带来的副作用；(2)配煤炼焦。低阶煤热解半焦具有结构强度差、比表面积大、孔体积大、反应活性高、缩合程度较高的理化特性，可通过配煤炼焦方法生产冶金焦炭。在不同炼焦生产工艺中，建议配入量不宜超过5%～8%。热解半焦在配煤炼焦中具有瘦化剂的作用，适量配入可改善焦炭块度。用于配煤炼焦的焦粉粒度应小于1 mm，粉碎粒度过大会使焦炭质量劣化。在同等条件下，配热解半焦生产的焦炭机械强度可以达到和无烟煤、长焰煤同等水平。经过优化配煤结构，改善焦炭的热性质，也可达到一级冶金焦质量水平；(3)铁矿石烧结。文中热解半焦是采用低阶粉煤回转窑热解提质工艺获取，其质量一程度优于直立炉半焦。对烧结工艺来说，单位质量的热解半焦比神木兰炭能提供更多的热量，使得烧结过程燃耗降低，节约成本。作为先进工艺技术生产的优质产品，热解半焦的挥发分较低，在烧结过程中避免了焦油在烧结烟气循环系统中富集，从而影响烧结尾气脱硫和排放，其在作为烧结燃料方向具有较多优势；(4)民用燃料。目前，雾霾始终是国家极度重视的环境问题。环保部《民用煤燃烧污染综合治理技术指南(试行)》提出了“民用煤污染治理应以环境空气质量改善为核心，采取因地制宜、综合治理、多措并举、分步推进的步骤实施的治理思路。院士贺克斌认为非电工业和民用散煤成为进一步减排的主要领域。热解半焦的燃烧特性与无烟煤接近，是污染严重的地区应民用替代燃料的优先选择。热解半焦各项污染排放指标优于无烟煤，综合了烟煤易点燃、燃净率高、成本低的特点，兼具了无烟煤排放低的优势，既能达到节煤、降尘，减少有害气体排放量的效果，又可取得综合的环保和经济效益。

表1 低阶粉煤及半焦的工业分析

3 存在的问题及建议

低阶煤分质转化利用技术作为煤炭清洁、高效的最佳途径之一，符合国家能源结构与政策导向。低阶煤分质利用核心热解技术得到飞速发展，但也面临着产业面临技术装备水平低、市场需求弱、节能减排压力大等问题。热解半焦的规模化利用和粉煤热解及热解装置大型化、热解废水处理并称为低阶煤分质利用的三大难题。造成此种局面的原因主要包括：(1)目前，国内的学者、院校和企业根据地域特点和结合自然资源开发了多种煤炭热解技术，尤其是在低阶煤(粉煤)热解领域。但已实现工业化稳定运行的示范装置的热解装置规模较小(单系列最大处理量＜100万吨/年)，并且其相关高附加值产品的利用技术还不够成熟，对老厂的配套依赖度较高，缺乏低阶煤热解全产业链的建设；(2)低阶煤热解半焦的下游市场需求量有限。热解半焦有望替代传统焦炭在电石生产、化肥造气和冶炼等行业的应用，并在高炉喷吹、配煤炼焦、碳素和吸附材料、民用燃料等领域得到推广，但众多应用领域属于高耗能产业，发展受到国家严格限制，其需求量有限；(3)发展风险仍存。热解半焦生产过程中，容易造成环境污染的热解废水处理等难题还未彻底解决，尚未实现真正意义上的清洁生产。因此，热解半焦行业发展的政策风险仍然存在。

为进一步推进低阶煤中低温热解等煤炭分质梯级利用示范项目，加快低阶煤热解、油化电联产一体化，建设百万吨/年低阶煤热解示范工程，非常有必要对热解半焦产品寻求更高效的规模化利用方式，现提出如下建议：(1)在国家能源政策的鼓励下，加快推进低阶煤分质高效利用示范工程规范引导，集中技术优势逐一突破关键瓶颈的桎梏，各种技术优化耦合、系统集成、产业协同，形成煤、油、电、化、冶一体化发展，积极寻求热解半焦利用的多元化和资源化；(2)推进热解半焦的规模化利用，应继续关注传统半焦类产品的替代应用，优化传统市场、开拓潜力市场和培育新兴市场，进一步扩大其在碳素和吸附材料及精细化工等领域的应用。同时根据潜在的市场对半焦类产品的需求开发和完善热解半焦利用技术，制定产业政策及标准，促进热解半焦的规模高效利用；(3)通过采取进一步的技术开发或系统研究等手段来拓展热解半焦利用领域，鼓励和推动新技术和新工艺的研发，确保低阶煤热解半焦应用沿着规模化、高效化和清洁化的利用方向发展。

4 结语

低阶煤热解半焦是优质半焦类产品，拥有巨大的发展潜力。目前，热解半焦的规模化面临技术、市场和环保等一些列问题，在今后的发展中需在国家能源政策引领下，加快推进低阶煤分质高效利用示范工程规范引导，集中技术优势突破关键瓶颈，实现技术优化集成、产业协同，形成煤、油、电、化、冶一体化发展，推进热解半焦的多元化、资源化利用。同时推动新技术和新工艺研发，完善产业政策和行业标准，促进热解半焦规模化、高效化和清洁化利用。