2.2 低階煤中低溫熱解典型工藝
至目前為止，國內外研究開發出了多種各具特色的煤熱解工藝方法，有的處于實驗室研究階段，有的進入中試試驗階段或工業化示范階段，也有的達到了工業化生產階段。按傳熱方式的不同分為內熱式、外熱式、內外混合式熱解技術，按熱載體的不同分為氣體熱載體、固體熱載體和氣固熱載體熱解技術。
按照粒度劃分，國內外主要的已有裝置的熱解技術見表2-6。塊煤熱解技術已經工業化應用，小粒徑煤和粉煤熱解技術多處于工業化試驗或示范階段。典型的塊煤熱解代表工藝主要有魯奇（Luigi）爐、考伯斯（Koppers）爐、SJ爐；小粒煤熱解技術主要有LFC/LCC、CGPS、SM-GF、天元回轉窯、龍城旋轉床、內構件移動床；粉煤熱解技術主要有DG、ZD、煤拔頭、SM-SP、輸送床粉煤快速熱解、日本快速熱解。小粒徑煤和粉煤熱解技術工程化問題尚未完全突破，成為行業研究的熱點。
表2-6 典型的熱解技術匯總
按照反應器類型粉，熱解技術的分類及典型工藝如下。
2.2.1 移動床熱解工藝
2.2.1.1 SJ低溫干餾技術
國內在魯奇三段爐的基礎上，開發設計了不同類型的內熱立式干餾爐，各種爐型結構基本相同。國內典型爐型和工藝有：陜西神木三江煤化工有限責任公司SJ系列和陜西冶金設計研究院的SH系列、中鋼鞍山熱能院ZNZL3082型、原化學工業第二設計院MHM型直立爐，以此為基礎在榆林已形成塊煤年產5000萬噸蘭炭產能。
在我國對魯奇三段爐的改造設計中，SJ低溫干餾爐非常具有代表性，處理能力達到10萬噸/年。SJ低溫干餾爐是在魯奇三段爐和現有內熱式干餾爐的技術基礎上，根據所在地及周邊煤田的煤質特點而研制開發出的一種新型爐型，目前已在陜北榆林地區和內蒙古的東勝地區設計并建造超過500臺SJ低溫干餾爐，爐也由開始的SJ-Ⅰ發展到現在的SJ-Ⅶ。SJ干餾爐基本結構如圖2-1所示。
圖2-1 SJ干餾爐基本結構
1—進料口；2—排氣橋管；3—爐頂煤倉；4—水封箱；5—爐體；6—氣體混合器；7—排焦箱；8—排焦口；9—刮板輸送機；10—熄焦池；11—推焦機；12—磚襯；13—噴火花墻；14—集氣陣傘兼布料器；15—輔助煤倉
爐子截面：3000mm×5900mm，干餾段高（即花墻噴孔至陣傘邊的距離）為7020mm，爐子有效容積91.1m3。距爐頂1.1m處設置集氣陣傘，采用5條布氣墻（4條完整花墻、2條半花墻），花墻總高3210mm。考慮花墻太高穩定性不好，除了用異型磚砌筑外，厚度也從350mm加大至590mm?；▔﹂g距為590mm，中心距為1180mm?；▔敳恐g設置有小拱橋。干餾爐爐體采用黏土質異型磚和標準磚砌筑，硅酸鋁纖維氈保溫。采用工字鋼護爐柱和護爐鋼板結構，加強爐體強度并使爐體密封。
SJ低溫干餾工藝基本原理是塊煤經輔助煤箱和集氣結構進入炭化室，經布氣花墻均勻進入炭化室的高溫廢氣逆向接觸換熱，逐段進行干燥和干餾，最后經排焦系統連續地排出。
單臺年處理煤量10萬噸SJ干餾爐主要工藝參數如表2-7所示。
表2-7 干餾爐主要工藝參數
物料和熱量衡算見表2-8、表2-9。主要技術指標見表2-10。
表2-8 物料衡算表
表2-9 熱量衡算表
表2-10 主要技術指標
2.2.1.2 SM-GF熱解技術
該技術由陜煤集團與國電富通公司聯合開發，屬煤氣熱載體分段多層移動床熱解工藝。熱解爐為分段多層立式矩形爐，從上至下可分為干燥段（預熱段）、干餾段和冷卻段，每段由多層布氣和集氣裝置組成，工藝流程如圖2-2所示。原料煤首先進入干燥段，被來自冷卻段的熱煙氣加熱，脫除煤中水分，以減少熱解工段酚氨廢水的產出量，并將原煤加熱至100～170℃；干燥煤進入熱解段，被經蓄熱式加熱的自產高溫富氫煤氣加熱到550～650℃，富氫氣氛保證了系統較高的焦油收率；脫除大部分揮發分后的高溫半焦進入冷卻段，被來自干燥段的冷煙氣降溫，實現了干法熄焦；換熱后的高溫煙氣被返送回干燥段加熱原料煤，實現了半焦熱量的回收。
圖2-2 SM-GF熱解工藝流程
1—煤斗；2—熱解爐；3—旋風除塵器；4—直冷塔；5—橫管冷卻器；6—捕霧器；7—電捕焦油器；8—煤氣風機；9—氣柜；10—煤氣加熱爐；11—燃燒器；12—機械化澄清槽；13—重油罐；14—氨水槽；15—LAB水處理；16—輕油罐；17—集液槽；18—空氣風機；19—煙氣風機；20—水膜除塵器；21—布袋除塵；22—脫硫塔
陜煤集團陜北乾元能源化工有限公司，利用該技術已在榆林建成年處理煤量50萬噸工業示范裝置，以富氫煤氣作為熱載體，獲取高品質熱解產品，年產半焦31萬噸、焦油4.5萬噸、煤氣7200萬立方米，運行數據見表2-11～表2-16。
表2-11 原料煤分析（質量分數）
表2-12 長焰煤鋁甑分析（650℃，質量分數）
表2-13 熱解氣組成（體積分數）
表2-14 產品煤氣組分（體積分數）
表2-15 產品半焦分析
表2-16 產品焦油分析
2.2.1.3 DG熱解技術
該技術由大連理工大學開發，將粒度小于6mm的原煤與800℃熱半焦按一定比例快速混合熱解，經分離凈化得到低溫焦油、煤氣和半焦等產品。該技術主要由脈沖氣流干燥預熱、熱煙氣發生、熱載體提升循環和混合熱解系統組成，工藝過程見圖2-3：以熱解產生的高溫半焦為熱載體，與煤按一定的比例在混合器均勻、迅速混合，經混合器混勻的物料進入反應器，完成熱解，由于物料粒度小，加熱速度快，熱解迅速析出氣態產物；氣態產物經凈化除塵后進入焦油回收系統得到焦油和煤氣兩種產品；反應器部分固態產物半焦經給料器進入加熱提升管，半焦與預熱的空氣進行熱交換，使半焦達到熱載體規定的溫度，在提升管中被提升到一級旋風分離器，半焦與煙氣分離；熱半焦自一級旋風分離器入集合槽，作為熱載體循環；煙氣在二級旋風分離器除塵后外排。多余的半焦作為熱解產物外送儲存。
圖2-3 DG熱解技術工藝過程
陜煤集團神木富油能源科技公司采用該技術已建成年處理原煤60萬噸的示范裝置，年產半焦36萬噸、焦油6萬噸、煤氣7900萬立方米。以神木煤為原料，半焦、煤焦油、粗煤氣特性分析數據見表2-17～表2-19。
表2-17 DG半焦特性分析
表2-18 DG煤焦油特性分析
表2-19 DG粗煤氣特性分析
2.2.2 氣流床熱解工藝
2.2.2.1 SM-SP熱解技術
SM-SP技術由陜煤集團上海勝幫科技股份有限公司開發，工藝過程如圖2-4所示。裝置分為煤提升進料、反應及粉焦冷卻、燒炭及煙氣綜合利用、油氣急冷及分餾單元。工藝采用10～100μm粉煤快速熱解，反應過程中以循環煤氣作載氣，通過分餾技術分離制取輕焦油、中焦油、重焦油和煤氣產品。工藝流程簡介如下：粉煤經氣力輸送至原料存儲單元后進入煤氣循環管道，與循環煤氣混合，再與粉焦熱載體充分混合后進入熱解反應器，粉煤在提升過程中與氣固熱載體充分換熱，完成快速熱解。熱解產物進入氣固分離單元分離粉焦，部分粉焦循環至熱解反應器，其余粉焦進入粉焦冷卻系統。氣固分離后的熱解氣進入焦油回收單元，以自產焦油為吸收劑回收焦油，冷卻凈化后的煤氣一部分作為循環煤氣，一部分作為產品煤氣輸出界區。
圖2-4 SM-SP工藝過程
陜西煤業化工集團利用該技術，正在建設年處理原煤120萬噸的工業示范裝置，之前已經完成年處理原煤2萬噸的工業試驗，焦油收率高達18.17%，油品重，芳烴、瀝青質含量高，宜采用專門的加氫工藝生產市場緊缺的芳烴產品原料；煤氣中有效氣CO、H2、CH4總含量高達64.46%，碳二及以上各種烴類總含量21.22%，熱值高達7920kcal/m3；粉焦含水0.19%，固定碳84.50%，平均粒徑67.78μm，低位熱值7178kcal/kg，適于作為氣流床氣化原料、高爐噴吹料、粉煤鍋爐燃料等。
工業化試驗數據見表2-20～表2-24：
表2-20 原料粉煤工業分析
表2-21 產品煤氣成分（干基體積分數）
表2-22 粉焦性質（質量分數）
表2-23 焦油基本性質（質量分數）
表2-24 焦油族組成及餾程
2.2.2.2 輸送床粉煤快速熱解技術
該技術由西安建筑科技大學徐德龍院士團隊和陜西煤業化工集團共同開發，主要由備煤、熱解、氣固分離、焦油回收、干法熄焦及余熱回收等單元組成，工藝流程見圖2-5。小于30mm的原煤經立磨磨制成平均粒徑為200目的粉煤（水分<1%），熄焦后的氮氣將粉煤預熱后經加料器喂入熱解反應器，然后被來自熱風爐的高溫氣體快速加熱，瞬間熱解，產生氣態產物和固體半焦，未反應完全的大顆粒經粗分離器返回熱解反應器繼續熱解。熱解反應器內氣固同向流動，熱解荒煤氣經粗分離后，經深度除塵再進入焦油回收系統，回收焦油和煤氣。高溫高效分離單元分離出的半焦進入干法熄焦及余熱回收系統，用循環氮氣作為冷卻介質，回收余熱后的氮氣顯熱用作粉煤預熱的熱量。
圖2-5 輸送床粉煤快速熱解工藝流程
目前該技術已完成年處理原煤1萬噸工業化試驗，并進行了72小時現場考核，正在編制百萬噸級工藝包。同時開展工業化示范項目建設前期準備工作。
2.2.3 流化床熱解工藝
流化床熱解工藝主要介紹浙大循環流化床熱電多聯產（ZD）工藝。
浙江大學在1985年由岑可法院士提出熱電氣多聯產工藝設想，隨后建立了1MW燃氣蒸汽多聯產試驗裝置，其工藝流程見圖2-6。以循環流化床鍋爐的高溫循環熱灰為熱載體，將其送入用循環熱煤氣作流化介質的氣化室內，氣化室為常壓鼓泡床。在氣化室內循環熱灰可將8mm以下的碎煤加熱到750～800℃，發生部分氣化。氣化后的半焦隨循環物料一起送回鍋爐燃燒室內燃燒，產熱發電，從而實現熱電氣聯產。
圖2-6 循環流化床熱電氣聯產工藝
1—燃燒室；2—旋風分離器；3—返料閥；4—氣化室；5—冷凝器；6—儲氣罐
紅柳林煤1MW熱解裝置試驗數據如下：
熱解溫度654℃，煤氣產量0.11m3/kg煤，煤氣密度0.78kg/m3，煤氣產率8.5%，焦油產率9.98%，燃燒爐底渣含碳量約為0.78%，飛灰含碳量約3.4%，煤氣成分見表2-25。
表2-25 煤氣成分（體積分數）
浙江大學以循環流化床固體熱載體供熱的流化床熱解技術為基礎，與淮南礦業集團合作開發的12MW示范裝置于2007年8月完成72h的試運行，獲得了工業試驗數據。該工藝的熱解器為常壓流化床，用水蒸氣和再循環煤氣為流化介質，運行溫度為540～700℃，粒度為0～8mm的煤經給煤機送入熱解氣化室，熱解所需要的熱量由循環流化床鍋爐來的高溫循環灰提供（循環倍率20～30），熱解后的半焦隨循環灰送入循環流化床鍋爐燃燒，燃燒溫度為900～950℃。
12MW工業示范裝置的典型結果為：熱解器加煤量10.4t/h，焦油產量1.17t/h，煤氣產量1910m3/h，煤氣熱值23.11MJ/m3，所得焦油中瀝青質含量為53.53%～57.31%。
2.2.4 回轉爐熱解工藝
2.2.4.1 天元回轉窯熱解技術
該技術由陜煤集團神木天元化工公司和華陸工程科技公司共同研發，工藝流程見圖2-7。將<30mm的粉煤通過回轉反應器熱解得到高熱值煤氣、煤焦油和提質煤。煤氣進一步加工得到LPG（液化石油氣）、LNG（液化天然氣）、H2和燃料氣；煤焦油供給煤焦油輕質化裝置；提質煤達到無煙煤理化指標，可用于高爐噴吹、球團燒結和民用潔凈煤。熱解產品半焦達到高爐噴吹用無煙煤標準。煤焦油產率9.12%，熱解煤氣熱值達6787.33kcal/m3，煤氣中有效成分含量高于85%，其中CH4含量達39.59%、C2～C5含量達15.22%。
圖2-7 天元回轉窯熱解技術工藝流程
該工藝技術特點有：①原料適用性強，適合≤30mm多種高揮發分煤種；②操作環境好，煤干燥、熱解、冷卻全密閉生產；③干燥水、熱解水分級回收，減少了水資源消耗和污水處理量；④系統能效高，中試裝置能效≥80%，工業化裝置綜合能效≥85%；⑤單系列設備原煤處理量大，單套裝置規?？蛇_60萬～100萬噸/a。
該項目總體規劃了660萬噸/a粉煤分質綜合利用項目，目前正在進行60萬噸/a示范。
2.2.4.2 龍成旋轉床熱解技術
該工藝由河南龍成集團研發，流程見圖2-8。首先，通入氮氣將爐窯中的空氣進行置換，低階原料煤從落煤塔通過皮帶輸送到受料緩沖倉，再經給料裝置送入提質窯。氣柜來的煤氣經配風后進入提質窯內輻射管，經輻射傳熱間接與原料煤進行換熱。原料煤在提質窯被加熱到550℃提質后進入換能器冷卻到約200℃，經噴水加濕降溫后通過皮帶輸送到提質煤儲倉。氣體從提質窯中出來后經除塵進入冷鼓工段，回收其中的焦油。
圖2-8 旋轉床熱解技術工藝流程
利用該技術，龍成集團在河北曹妃甸工業區建成了單套100萬噸/a、總規模1000萬噸/a的工業示范裝置，潔凈煤產率為61.65%，煤焦油產率為9.63%，煤氣產量為126m3/t原煤。
2.2.4.3 三瑞外熱式回轉爐熱解技術
該技術由西安三瑞實業有限公司研發，工藝流程見圖2-9。成套裝置主要組成部分包括：原料煤儲運輸送系統，粉煤干燥、熱解、冷卻回轉爐，半焦干法熄焦及輸送系統，煤氣除塵、冷卻、油氣分離系統，焦油儲罐，熱風爐及高溫煙氣循環系統，煤氣脫硫后處理系統，“三廢”處理系統。
圖2-9 三瑞外熱式回轉爐工藝流程
利用該技術，慶華集團于2013年建立了5萬噸/a油砂熱解示范項目，神華集團新疆公司于2014年建成15萬噸煤熱解制活性炭項目。
宏匯公司于2017年在甘肅酒鋼建成單系列30萬噸/a，總規模150萬噸/a煤炭熱解分質利用項目，其運行指標為：單爐進煤量42.3t/h，半焦產率50.50%，焦油產率11.49%，煤氣產量120m3/t原煤。
2.2.5 旋轉爐熱解工藝
2.2.5.1 LCC熱解工藝
該技術由大唐華銀電力公司與中國五環工程有限公司聯合開發，主要過程分為3步：干燥、輕度熱解和精制，其基本原理是將煤干燥、煤干餾和半焦鈍化技術相耦合，將含水量高、穩定性差和易自燃的低階煤提質成為性質穩定的固體燃料（PMC）和高附加值的液體產品（PCT）兩種新的能源化工產品。
工藝流程見圖2-10。原料煤在干燥爐內被來自干燥熱風爐的熱氣流加熱脫除水分。在熱解爐內，來自熱解熱風爐的熱循環氣流將干燥煤加熱，煤發生輕度熱解反應析出熱解氣態產物。在激冷盤中引入工藝水迅速終止熱解反應，固體物料輸送至精制塔，預冷卻后與增濕空氣發生氧化反應和水合反應得到固體產品PMC。
圖2-10 LCC熱解工藝流程
1—熱解熱風爐；2—干燥熱風爐；3—煙氣脫硫；4—干燥循環風機；5—干燥旋風除塵器；6—熱解循環風機；7—干燥爐；8—熱解爐；9—激冷盤；10—PCT靜電捕集器；11—熱解旋風除塵器；12—激冷塔；13—精制塔；14—PCT冷卻器；15—激冷塔循環泵
從熱解爐出來的氣態產物經旋風除塵后進入激冷塔，塔頂出來的不凝氣體進入電除霧器，氣體中夾帶的PCT被捕集下來，并回流至激冷塔。冷凝下來的PCT經換熱器冷卻后，大部分返回激冷塔，剩余部分為初步的PCT產品。從PCT靜電捕集器出來的不凝氣一部分作為熱解爐的循環氣體，剩余部分作為一次燃料。干燥爐出來的煙氣經旋風除塵后大部分循環，小部分經脫硫后排放。
利用該技術，大唐華銀電力公司在內蒙古錫林浩特市建成了年處理原煤30萬噸的示范裝置，運行期間煤焦油產率平均為3.05%，半焦產率平均49%左右，半焦發熱量由原煤的3400kcal/kg提高到5900kcal/kg以上。
2.2.5.2 無熱載體蓄熱式熱解工藝
該工藝由神霧集團開發，工藝流程如圖2-11所示。蓄熱式熱解工藝由4個單元組成：原煤預處理單元、旋轉床熱解單元、油氣冷卻及油水分離單元以及熄焦單元。
圖2-11 無熱載體蓄熱式旋轉床干餾新技術流程
旋轉床式干餾爐核心結構特征為環形移動床，粒度為10～80mm的原料煤經過預處理后，進入煤倉，通過布料裝置裝入旋轉床干餾爐內，均勻鋪放在爐底上部。爐底機械帶動爐底連續轉動，鋪在爐底上部的料層隨爐底轉動，依次經過爐子的預熱段、升溫段和提質段，最終被加熱到550～650℃完成干餾反應。高溫油氣從爐膛頂端或側面多個出口快速排出，匯集后送往油氣冷卻系統和油水分離單元，由于油氣在爐膛內停留時間很短，所以可以保證焦油的高產率。從油水分離罐分離出的高濃度污水送入污水焚燒系統焚燒或生化處理后作為制作水焦漿用水。半焦由出料裝置卸出爐外，進入噴霧熄焦冷卻裝置進行冷卻，熱交換后的熱蒸汽作為原料煤烘干或生產蒸汽的熱源，冷卻后的半焦輸入焦倉。
該技術已建成3t/h的中試裝置，焦油產率為9.79%，半焦產率72.06%，煤氣產率11.06%，有效氣組分超過82%。
2.2.6 帶式爐熱解工藝
帶式爐由北京柯林斯達科技發展有限公司開發，以此為基礎，陜西煤業化工集團聯合柯林斯達公司開發了氣化-低階煤熱解一體化（CGPS）技術。該技術是較早開展熱解與氣化過程耦合探索的技術之一，以粒煤（3～25mm）和成型粉煤（0～3mm）為原料，通過低階煤的熱解和粉焦或粉煤常壓氣化的有機耦合，在中低溫條件下（500～800℃），將煤中有機揮發組分提取出來，制備煤焦油、半焦、熱解煤氣的成套新技術。充分利用了氣化其顯熱，將其作為帶式爐熱解的熱源，實現煤氣化、熱解兩種工藝高效耦合，進一步提高整個系統的能源效率，熱解氣品質高，工藝流程如圖2-12所示。
圖2-12 氣化-低階煤熱解一體化（CGPS）技術工藝流程
1—氣化爐；2—分級布料器；3—熱風爐；4—帶式爐；5—冷凝水回收系統；6—油洗噴淋塔；7—油洗間冷塔；8—電捕焦油器；9—終冷器；10—除霧器
由備煤系統輸送而來的原料煤經分級布料進入帶式熱解爐，依次經過干燥段、低溫熱解段、中溫熱解段和余熱回收段得到清潔燃料半焦；干燥段濕煙氣經冷凝水回收裝置凈化回收其中水分后外排；帶式熱解爐熱源來自粉焦常壓氣化高溫合成氣顯熱，熱解段煤層經氣體熱載體穿層熱解產生荒煤氣，荒煤氣經焦油回收系統凈化回收焦油后得到產品煤氣，部分產品煤氣返回帶式爐余熱回收段對熾熱半焦進行冷卻并回收其顯熱，隨后進入氣化爐與高溫氣化氣調溫后一起作為帶式爐熱解單元的氣體熱載體。
該技術已建成萬噸級工業試驗裝置，熱解爐進煤量1.25t/h，半焦產率57.84%，煤氣產量309.17m3/t煤，干基焦油產率9.07%，煤氣成分見表2-26。
表2-26 煤氣成分（體積分數）
2.2.7 其他爐型熱解工藝
這里主要介紹一種思路較為新穎的真空微波煤熱解技術。該技術由西安龍華微波煤化工有限公司開發，利用OMCK-10型、裝機容量75kW的真空微波煤熱解試驗爐，先后對塊煤、粉煤、煤泥、焦炭泥煤、型焦煤球、油頁巖、油砂、油渣等不同物料進行了熱解試驗，取得了大量數據。
該技術對進料煤種、粒度沒有嚴格要求，適應范圍寬；熱心效應顯著，急速加熱，整體加熱均勻；制得的半焦揮發分低，品質好。已建成了2萬噸/年中試裝置，真空微波爐功率450kW，熱解溫度500～650℃，壓力-2500～-3000Pa，進煤粒度0～50mm，神木煤焦油產率大于18.2%，半焦產率65%（揮發分小于1%），煤氣產量207.6m3/t，其中甲烷含量54.8%，低位熱值6031.8kcal/m3。