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煤炭热解(干馏)及煤焦油加工技术经济分析

作者：贺永德

来源：《中国经贸导刊》2010年第18期

一、概述

煤的热解也称煤的干馏或热分解,是指煤在隔绝空气条件下进行加热,煤在不同温度下发生一系列物理变化和化学反应的复杂过程。煤通过热解生成气体(煤气)、液体(焦油)、固体(半焦)三种形态的产品。按煤热解温度可分为低温热解(500—650℃)、中温热解(650—800℃)、高温热解(900—1000℃)和超高温热解(>1200℃),低阶煤(低变质煤)多采用低温热解能得到高产率的焦油和煤气。焦油加氢可生产汽油、柴油、渣油等石油代用品和石油焦。煤气是清洁燃料和制化工合成气的原料气。半焦是优质无烟燃料,可作为民用燃料及电石、铁合金、炼铁高炉喷吹料,也是优质的气化用原料、吸附材料。与煤直接燃烧相比,煤热解可生产气、液、固三种不同形态的产品,实际上是对煤中不同成分进行分质利用,是煤洁净高效综合利用的有效方法,既可减少燃煤造成的环境污染,又能提高低阶煤资源综合利用率和产品的附加值,具有显著的经济效益和环保效益。

煤热解技术发展大致分三个阶段。

第一阶段从18世纪初,英国、德国开始建设煤热解厂,生产照明灯油和民用无烟燃料。19世纪初俄国、法国、美国等也先后发展各自的煤热解技术。这一阶段煤热解厂规模小、技术落后、设备简陋、产品加工和利用率低,是煤热解的初级阶段。

第二阶段从20世纪初至60年代,世界工业迅猛发展,石油开采不能满足液体燃料快速增长的要求,带动了煤热解技术的快速发展,特别二战期间,德国用煤制取液体燃料成为其油品的主要来源,先后形成了Lurqi-Spuelgas、Lurqi-Ruhgas,并达到了可观的工业规模。美国开发了Disco、前苏联开发了固体热载快速热解等工艺技术。

第三阶段从20世纪70年代至今,世界三次石油危机和对清洁能源需求的增长,再度引起对煤热解的重视。美、日、德、澳等国广泛开展了研究和试验工作,如1989年美国能源部批准并资助在怀俄明州吉列镇Buckskin煤矿建设一套日处理1000吨的褐煤干燥干馏工业示范装置,1992年6月投产,运行了近5年,从煤中提取的液体产品(CDL),作为石油替代燃料,年处理煤300万吨的商业化工厂正在设计和建设之中。美国联合碳化物公司的Coalcon公司开发了先进的非催化加氢热解技术,热解温度为560℃,加氢压力最高为6.9MPa,其液体和气体产率高、产品容易分离。

我国20世纪50年代开始进行煤热解工艺的开发和研究工作。北京石油学院、大连理工大学、浙江大学、中科院山西煤化所、北京煤化所、陕西煤业化工集团等单位,先后开发了不同工艺的煤热解技术,并建立大型工业装置。陕西榆林地区90年代初,开始建起一批以三江煤化公

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司为代表的内热式方形炉长焰煤块煤干馏炉,从单炉能力3—5万吨/年,发展到目前的单炉能力7.5—10万吨/年,单炉20万吨/年的大型干馏炉也已投入运行,同时开发成功了外热式干馏炉、两段式干馏炉等炉型。总能力达到2600多万吨。加上内蒙、山西、宁夏、云南、贵州等省(区),总能力将达5000万吨左右,规划焦油加工能力500万吨,形成一个很大的特色产业。其中,神木县某公司与大连理工大学合作建设能力为120万吨/年的煤固体热载体快速热解示范装置,将于今年9月投入试生产,其焦油收率为10.0%(以原煤计),煤气热值高(4286.4kcal/m3),利用煤气中氢作为氢源给焦油加氢生产汽油、柴油馏分等燃料油,这是目前世界上建成最大的煤干馏装置。

二、煤热解技术经济分析

(一)煤热解技术条件 ·原煤为榆林长焰煤,粒度

·热解温度510—550℃(属低温热解),常压固体热载体流化床快速热解反应器。

(二)煤热解产品 详见表1。

(三)能耗及能效

由表2可知能耗为172.89kg标煤,热效率为82.11%,若把热解煤气中回收的4.42kg粗苯、2.43kg的硫及1.54kg氨等热能计入,则热能转换效率大于83%。

(四)煤热解与煤其它转化方式热能效率比较

由表3可见,煤热解是对低变质煤分质综合利用热能转化效率最高的转化方式。

(五)煤催化热解

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煤在热解过程中加入催化剂和H2,在进煤量0.5t/d小试装置上试验结果,焦油产率可由目前的10%提高到25—30%,在此基础上正在安排进行100t/d进煤量的工业试验,一旦成功将为陕北长焰煤生产油品开辟一条新的路子。

三、中低温焦油加工技术及经济效益分析

煤中低温热解所产焦油碳氢比大于高温焦油,对中低温焦油进行加氢处理,生产轻油(石脑油)、柴油及石油焦的技术已实现工业化。榆林市某公司于2010年3月建成一套每年加工50万吨中低温煤焦油的生产装置,连续平稳运行1500小时后,由中国石油和化学工业联合会组织专家进行了72小时现场考核和技术鉴定。考核结果表明:生产装置运行平稳,自动化程度高,操作灵活;产品轻质化焦油一号、轻质化焦油二号产品质量达到天元化工企业标准,柴油馏分十六烷值达46.6,干馏煤气制氢所得氢气纯度高,满足加氢要求;煤焦油延迟焦化液体产品收率76.8%,加氢装置液体产品收率96.3%。该装置是目前国内最大的中低温焦油轻质化工业装置,具有设备国产化率高、投资低、能源转换效率高以及清洁生产等特点,为中低温煤焦油综合利用提供一条新途径,具有良好经济效益和社会效益。整体技术达到国内领先水平。

该公司建有135万吨煤干馏装置,为焦油加氢装置提供部分焦油和氢气。全厂包括公用工程总投资17.2亿元,吨产品油投资4480元,相当于煤制油的三分之一,吨油制造成本(80%负荷)3759元,吨油利润1729.3元,投资利润率38.6%,可见其经济效益是相当好的。

我国能源结构“富煤、缺油、少气”,石油消费增长大于产量增长,2020年预测我国石油需求约6.5亿吨,产量2亿吨,缺口4.5亿吨,对外依存度将达60%,对我国能源安全将会造成巨大压力。一方面走出去与产油国合作开发油气资源,但更应考虑立足国内煤炭资源,走中国特色解决石油供应问题,除了发展煤制油、煤制醇醚燃料等替代石油产品外,利用占我国煤炭资源储量50%以上的低变质煤,通过热解提取煤焦油,进一步加工油品,不失为一条解决我国石油短缺的重要途径之一,要像“炼油一样去炼煤”,事实证明这是对低变质煤清洁高效综合利用的有效途径。目前陕西在榆林已完成了从热解到焦油加氢的工业示范工作,“十二五”具备了实现产业的条件,政府部门应给予扶持和指导,使其从技术上进一步提高,工程上进一步完善,以取得更好的经济效益和社会效益。