1.2　煤熱解的耦合一體化特征

1.2.1　基本內涵

在我國半焦（蘭炭）產業的發展過程中，雖然已形成了六大產業鏈，但這些產業鏈只是上下游產物的利用，如“煤—蘭炭（焦油）—燃料油”產業鏈的工藝過程，見圖1-2。

由圖1-2可知，該工藝過程是煤熱解與煤焦加氫制燃料兩個工藝過程（兩個裝置）的組合，分別在兩個車間（或兩個工廠）進行生產。而目前正在研究開發的煤熱解與氣相焦油裂解耦合一體化，是將荒煤氣凈化除塵后，原位直接對氣相焦油進行裂解，經分離后制得芳烴產物和柴油餾分（圖1-3）。該一體化工藝過程不僅可在一個車間（一套裝置）內完成，而且其產物還實現了高附加值。

目前生產活性半焦的工藝過程基本都采用兩段法，即低階煤先在熱解爐內進行熱解反應，然后將生產的半焦送入活化爐制得活性半焦產品。而在煤熱解與半焦活化耦合一體化生產工藝過程中，是將低階煤在熱解活化一體化爐中制備（一段法）活性半焦，該一體化爐的上部為煤的熱解室，下部為半焦活化室，并于2018年實現了工業化生產。

電石是重要的基礎化工原料，其傳統的生產方法是：將生石灰與半焦經計量按一定比例加入高溫電石爐中，利用爐中電弧熱和低電壓大電流通過爐中混合料，產生大量電阻熱加熱反應生成電石。其生產工藝的主要特點是將半焦的生產單獨設置車間。但在煤熱解與電石生產耦合一體化工藝的工業試驗過程中，先將低階煤與生石灰按一定比例混合壓球制成冷團球；然后將冷團球送入熱解爐進行熱解反應，在生成熱團球的同時還副產煤氣；最后將熱團球送入高溫電石爐制備電石產品。其生產工藝的顯著特點是將半焦與電石兩種不同的生產方法進行了有機的耦合一體化。

煤熱解與半焦氣化耦合一體化的原理如圖1-4所示。煤粉經過密相氣力輸送（N₂）進入二段熱解爐，與來自一段氣化爐的高溫合成氣（含CO、H₂）混合傳熱，迅速升溫，在還原性氣氛條件下進行快速熱解反應；生成半焦、焦油、CH₄、C₂H₆、CO、CO₂、H₂、H₂O等產物；其熱解產物經過冷卻降溫、氣固分離（旋風分離器等），固態產物（半焦和煤灰等）通過N₂載氣循環回一段爐內氣化，產生的高溫合成氣為二段熱解過程提供所需的熱量。

該一體化裝置的主要特點是：

①煤的熱解和半焦氣化兩個反應在同一反應爐中的不同位置（空間）進行；

②用氣化爐的高溫合成氣對煤進行熱解，能明顯提高熱解產物中焦油的收率。

煤熱解與氣基直接還原法煉鐵耦合一體化工藝過程如圖1-5所示。該耦合一體化工藝過程，使煤熱解與煉鐵兩個不同領域的生產工藝耦合在一起，不僅產生相互利用和相互促進的作用，而且還能獲得熱解與煉鐵的雙重效益。該工藝過程具體如下：

①煤在熱解爐（650℃）中生成的產品半焦供外售，其產物熱解油氣送入移動床；

②在移動床（900℃）中，熱解油氣中的氣相焦油在鐵礦石的催化下進行輕質化反應，其中的氫氣與鐵礦石發生還原反應制得海綿鐵；

③由移動床輸出的油氣產物經冷凝分離器制得熱解氣和輕質焦油，可供化工利用。

綜上所述，煤熱解的耦合一體化與煤熱解多聯產的內涵是不同的。煤熱解多聯產的內涵如圖1-6所示。煤熱解的多聯產是以煤熱解為龍頭，將熱解生成的半焦、焦油、熱解煤氣進一步綜合利用，聯產油、氣、電、化工品等多種產品。

煤熱解的耦合技術一體化內涵如圖1-7所示。由此可見，煤熱解多聯產只是以煤熱解生成的產物為原料，進行的進一步加工和利用，如用煤氣發電、焦油加氫制燃料油品、直接將半焦用于高爐噴吹料等。但煤熱解的耦合技術一體化卻是將煤熱解與另一生產工藝（或另一領域的技術工藝）進行了優化集成，對化學反應、催化劑、傳熱、傳質和動量傳遞等進行了耦合，并實現了裝置的一體化，由此可研發出新技術、新裝置和新工藝。

1.2.2　主要特點

煤熱解的耦合技術一體化主要特點是：①可以明顯減少投資，降低生產成本；②可以實現原材料互補，提高資源利用率；③可以提高生產靈活性，增強產品市場競爭力；④可以實現產品多樣化、高端化、高值化；⑤可以實現大型化、基地化和園區化。

煤熱解的耦合技術一體化是一個非常復雜的系統工程，其實質是通過以煤熱解技術為“龍頭”的多種資源轉化技術的優化集成，不僅可以實現煤炭資源價值提升、利用效率和經濟效益的最大化，同時還能做到煤炭利用過程對環境最友好。

煤熱解的耦合技術一體化絕不是多種轉化技術的簡單疊加，而是以煤炭資源價值的合理利用為前提、以滿足國民經濟可持續發展為目標、建立在相關技術發展水平基礎之上，以價值提升、過程效率、經濟效益以及環保特性為綜合目標函數的多個子系統的優化集成。這其中包含幾層含義：

①發展前提是實現煤炭和相關資源寶貴價值的合理利用；具體方式是多種轉化技術的優化集成；深刻內涵是資源價值的梯級利用。

②各種目標產品的設置應以滿足國民經濟的快速、穩健發展為目標，而且也只有這樣，才能實現產品適銷對路，從而體現出經濟效益的最大化。

③在發展過程中要受到相關技術發展水平的限制，也就是說，被優化集成到系統中的各單項轉化技術必須成熟、可靠。

④資源轉化系統集成優化的目標函數并非單個的，而是多個目標函數的綜合平衡。顯然，多個目標函數綜合平衡的結果也應該隨著社會、經濟、技術等因素的發展變化而不斷向更深的層次和更高的水平發展。