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本文作者：郝麗芳 宋文立 張香平 李洪鐘 單位：中國科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室

化石能源中，煤相對富碳，石油和天然氣相對低碳，而中國的能源特征是“富煤、少油、缺氣”。煤作為中國能源的主體，分別占一次能源生產(chǎn)和消費總量的76%和69%，且在未來相當(dāng)長時期內(nèi)仍將占據(jù)一次能源的主導(dǎo)地位。中國原煤產(chǎn)量已由2002年的13.8億t增加到2011年的35.2億t，增長到2.55倍；發(fā)電量由2002年的16540億kW•h增加到2011年的47000.7億kW•h，增長到2.84倍[1]，其中火力發(fā)電量達38253.2億kW•h，比上年增長14.8%，且占發(fā)電總量的81.4%。2011年煤炭消費量已達35億t，主要利用方式仍為燃燒發(fā)電，預(yù)計到2020年將達50億t左右。據(jù)專家預(yù)測，未來的30~50年內(nèi)煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的比例仍將超過50%，2010—2050年的總耗煤量在1000億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上，且發(fā)電耗煤量也在逐年增長[1][2]12。中國已探明的化石能源儲量中，石油和天然氣分別占5.4%和0.6%。2003年原油進口量為0.82億t，占消耗總量的32.5%[1]；2011年原油進口量已達2.54億t，占消耗總量的55.5%，遠超40%的國際能源安全警戒線；預(yù)計到2020年中國石油對外依存度將超過60%。另外，近年來中國對天然氣的需求量也大幅增長，2011年天然氣產(chǎn)量為1030.6億m3，而消費量為1173.8億m3，供需缺口達143.2億m3[1]，預(yù)計2020年的缺口將達900億m3，對外依存度將達40%[2]14。

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，石油、天然氣供應(yīng)缺口將逐年加大，勢必影響中國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，也將造成中國能源供給的安全隱患。因此，中國十分重視石油和天然氣的供需問題，從全局考慮制定了能源發(fā)展戰(zhàn)略，采取積極措施確保國家能源安全。目前已在增加原油和天然氣儲備、提升原油生產(chǎn)和加工水平方面取得積極成效。但由于缺口巨大，還需采用替代方式緩解油、氣進口壓力。經(jīng)研究表明，在多種替代石油和天然氣的方案中，煤炭轉(zhuǎn)化的量級最大，且已有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，可行性較高[3]。但是，煤炭的使用量以及使用過程中污染物和CO2的排放量遠大于石油和天然氣，因此，煤炭的高效清潔利用成為我國化石能源利用中最需重視的問題。眾所周知，煤雖然宏觀上富碳，但含有富氫低碳的結(jié)構(gòu)，特別是中低階煤（褐煤和高揮發(fā)分煙煤），其揮發(fā)分甚至可達40%以上，其中包含簡單芳香結(jié)構(gòu)和多種含氧官能團結(jié)構(gòu)。這些低碳組分可在遠低于煤氣化溫度（900℃）下與富碳組分“分離”，直接生成低碳液/氣燃料和芳烴、酚類等重要化學(xué)品，而且這些化學(xué)品的附加值顯著高于燃料。因此，煤通過轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料的路線逐步轉(zhuǎn)向了燃料和化學(xué)品聯(lián)產(chǎn)的路線。由煤熱解生產(chǎn)燃料并聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品的路線是與煤的組成結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的煤分級轉(zhuǎn)化，其核心技術(shù)充分利用了煤組成結(jié)構(gòu)的不均一性。

1煤熱解技術(shù)的研究背景

中國科學(xué)院郭慕孫院士在20世紀(jì)80年代提出了“煤拔頭”工藝[4]。這是一種以熱解為先導(dǎo)的煤多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。該工藝是在常壓、中低溫的較溫和條件下，對高揮發(fā)分的年輕煤進行快速熱解、快速分離、快速冷凝，將煤中的高值富氫結(jié)構(gòu)產(chǎn)物，如酚、脂肪烴油、三苯（BTX）和多環(huán)芳香烴以液體產(chǎn)品的形式提取出來。剩余的半焦作為燃料進一步應(yīng)用，從而實現(xiàn)分級轉(zhuǎn)化、梯級利用的目的。中國煤炭資源中中高揮發(fā)分煤占80%以上，包括約13%的褐煤、42%的次煙煤和33%的煙煤。富含揮發(fā)分的煤可直接轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品（如酚、萘）、大宗燃料油及燃?xì)獾奶細(xì)浣Y(jié)構(gòu)，直接燃燒或氣化將導(dǎo)致煤中揮發(fā)分被等同于煤中的固體組分，未能實現(xiàn)資源的梯級利用，不僅造成煤炭資源高值成分的浪費，而且導(dǎo)致煤制油氣的煤化工路線長、效率低，同時排放大量污染物，使中國成為世界上排放SOx、NOx、灰塵最多的國家，而由煤炭利用方式排放的CO2已超過50億t/a，使中國承受著來自國際社會的減排壓力。而利用中低階煤直接生產(chǎn)燃油和燃?xì)猓淠苄Э商岣?0%以上[4]，煤炭節(jié)省量、CO2和其他污染物的減排量均非常顯著。顯然，中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品的路線將成為我國煤炭利用產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略需求。

2煤熱解技術(shù)的研究現(xiàn)狀

在上述技術(shù)思路的指導(dǎo)下，以熱解技術(shù)為先導(dǎo)的煤綜合利用技術(shù)逐漸受到各研究所和高校的關(guān)注。中國科學(xué)院過程工程研究所自20世紀(jì)90年代開始，對煤熱解技術(shù)的基礎(chǔ)理論、工藝和設(shè)備等方面進行了系統(tǒng)研究，獲得了國家科技部863、973項目以及中科院知識創(chuàng)新工程方向項目的支持，該研究的核心技術(shù)已獲得了多項國家發(fā)明專利。中國科學(xué)院過程工程研究所采用下行床熱解反應(yīng)器，與循環(huán)流化床耦合以實現(xiàn)工藝系統(tǒng)的集成。先后建立了煤處理量8kg/h和30kg/h的耦合提升管燃燒的下行床熱解拔頭實驗裝置[5]，并建立了與75t/h循環(huán)流化床鍋爐耦合的煤處理量為5t/h的中試裝置，進行了熱態(tài)實驗，對低揮發(fā)分的次煙煤，焦油產(chǎn)率為8.1%，煤氣產(chǎn)率為7.4%，值得注意的是煤氣中甲烷含量較高（28.70%），充分體現(xiàn)了煤低溫快速熱解后煤氣成分的特點。2009年獲得中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“煤熱解與焦油高值利用技術(shù)平臺及中試”的支持，將在廊坊基地配套建成10t/d的下行床熱解器中試平臺和700kg/d的煤焦油分離加氫精制中試平臺，現(xiàn)已基本完成裝置的搭建，預(yù)計于2012年底完成中試裝置的調(diào)試。浙江大學(xué)以循環(huán)流化床固體熱載體供熱的流化床熱解技術(shù)為基礎(chǔ)[6]，與淮南礦業(yè)集團合作開發(fā)的示范裝置于2007年8月完成72小時的試運行，獲得了工業(yè)試驗數(shù)據(jù)。該工藝的熱解器為常壓流化床，用水蒸氣和再循環(huán)煤氣為流化介質(zhì)，運行溫度為540~700℃，粒度為0~8mm的煤經(jīng)給煤機送入熱解氣化室，熱解所需要的熱量由循環(huán)流化床鍋爐來的高溫循環(huán)灰提供，熱解后的半焦隨循環(huán)灰送入循環(huán)流化床鍋爐燃燒，燃燒溫度為900~950℃。12MW工業(yè)示范裝置的典型結(jié)果為：熱解器加煤量10.4t/h，焦油產(chǎn)量1.17t/h，煤氣產(chǎn)量1910Nm3/h，煤氣熱值23.11MJ/Nm3，所得焦油中瀝青質(zhì)含量為53.53%~57.31%。中國科學(xué)院工程熱物理研究所開發(fā)了基于流化床熱解的示范裝置[7]，2009年5月與陜西省神木縣煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室共同確定神木10t/h固體熱載體粉煤快速熱解制油項目，正在進行中試試驗。中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開發(fā)了基于移動床熱解裝置的多聯(lián)供技術(shù)[8]，與陜西省府谷恒源煤焦電化有限責(zé)任公司合作，建成了與蒸發(fā)量75t/h循環(huán)流化床鍋爐匹配的熱解中試裝置。采用府谷西岔溝煙煤，在600℃下熱解，得到的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中，焦油產(chǎn)率約為6%，煤氣產(chǎn)率約為8%，半焦產(chǎn)率約為75%。#p#分頁標(biāo)題#e#

3以熱解技術(shù)為先導(dǎo)的煤綜合利用及能效分析

根據(jù)我國低階煤為主的煤炭資源特點，提出了以熱解為先導(dǎo)的煤綜合利用的戰(zhàn)略思路，工藝路線如圖1所示。該思路結(jié)合了煤的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)綜合利用、分級轉(zhuǎn)化、污染治理、品位提高的原則，對煙煤、褐煤等年輕煤進行加工，借助快速加熱、快速分離、快速冷卻的技術(shù)，從煤中提取具有高附加值的富氫液體產(chǎn)品（尤其是一些目前難以直接合成的酚及作為液體燃料的碳數(shù)在7~20左右的中烴），同時可獲得中熱值煤氣和高熱值半焦，與先進的燃燒技術(shù)（如超超臨界發(fā)電技術(shù)）結(jié)合，或者與氣化技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)先進的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，提高煤炭整體利用效率。熱解過程還可將煤中部分硫、氮等污染元素富集于熱解油和煤氣中，可對它們實施更有效的低成本脫除，并通過降低半焦燃料中的這些污染元素含量而減少燃燒過程中硫、氮氧化物的排放，同時可使半焦產(chǎn)生單位能量所消耗的C降低，有利于減少CO2排放，從而實現(xiàn)煤炭資源與能源價值的梯級、高效轉(zhuǎn)化和清潔利用。根據(jù)現(xiàn)有的實驗結(jié)果和評價體系[9-12]，對上述以煤熱解為先導(dǎo)的煤綜合利用模式進行了能效和過程的碳排放分析（圖2），并對當(dāng)前煤化工相關(guān)產(chǎn)品的單位能耗、煤耗和排碳量進行了比較。由分析結(jié)果可知，以熱解為先導(dǎo)的煤先進發(fā)電、F-T合成油和制天然氣的工藝路線，綜合能效分別為49.5%、46%和55.1%，比目前較先進的IGCC（IntegratedGasificationCombinedCycle）（46%）、F-T合成油（41%）和煤制天然氣（54%）分別高3.5%、5%和1.1%。碳排放是指生產(chǎn)過程中排放的CO2當(dāng)量與輸入總煤量的比值。比較不同路線的碳排放，熱解為先導(dǎo)的先進發(fā)電、F-T合成油和制天然氣過程的碳排放分別為1.61、1.26、1.19，比目前較先進的IGCC（2.07），F(xiàn)-T合成油（1.57）和煤制天然氣（1.47）分別低0.46、0.31、0.28。上述分析表明，以熱解為先導(dǎo)的煤綜合利用技術(shù)具有更高的利用效率和更低的碳排放，表明其更具先進性，是未來煤炭利用的重要發(fā)展趨勢之一。

4以煤熱解技術(shù)為基礎(chǔ)的分級混合發(fā)電技術(shù)

上述以熱解為先導(dǎo)的煤高值化、清潔與綜合利用，可克服煤的單一利用模式，實現(xiàn)煤的分級轉(zhuǎn)化，是一種充分反映國家戰(zhàn)略需求的新型煤利用途徑。而且，中國對熱解技術(shù)擁有完整的自主知識產(chǎn)權(quán)，技術(shù)路線本身也符合中國煤炭資源的特征。因此，基于煤熱解的技術(shù)路線可推廣應(yīng)用于中國的大部分熱電及合成氣生產(chǎn)過程，實現(xiàn)燃燒和氣化用煤的高值與綜合轉(zhuǎn)化，而生成的油氣產(chǎn)品又能彌補國家在油氣資源上的不足和緊張。因此，在前期技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院過程工程研究所又提出了基于煤熱解的分級混合發(fā)電技術(shù)[14]，利用低溫?zé)峤饧夹g(shù)對煤進行分級提取并利用。其工藝具體為，將產(chǎn)生的焦油提純精制生成高品位化學(xué)品和液體燃料，產(chǎn)生的熱解氣用于燃?xì)廨啓C發(fā)電，將熱解半焦作為高品位清潔燃料在鍋爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的蒸汽用于汽輪機發(fā)電。該技術(shù)是一種利用煤炭本身組成與結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)燃料分級轉(zhuǎn)化、煤清潔高效利用的最佳方式之一。雖然煤熱解的油氣產(chǎn)率遠低于液化和氣化過程，但煤熱解工藝轉(zhuǎn)化條件溫和、工藝流程短、煤種適應(yīng)性寬、能效高、水耗低、油和氣的熱值較高。據(jù)估算，利用煤熱解的混合發(fā)電效率為47%~50%，高于IGCC（46%）和超超臨界（45%）的發(fā)電技術(shù)，而成本和復(fù)雜性較IGCC大大降低。另外，目前國內(nèi)存在的很多中小型熱電廠，主要采用鍋爐燃燒蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，效率較低，發(fā)電效率僅為36%，而且輪機發(fā)電效率隨容量增大而帶來的影響并不大，因此，可通過熱解為基礎(chǔ)的分級混合發(fā)電技術(shù)，熱解半焦進入原系統(tǒng)發(fā)電，油氣產(chǎn)品用于燃?xì)?ndash;蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，其系統(tǒng)效率可達42%。總之，該技術(shù)不僅可用于大型發(fā)電廠，達到目前現(xiàn)有煤炭發(fā)電系統(tǒng)的最高效率，還可用于采用中、高壓參數(shù)的小型發(fā)電機組，且對小型機組發(fā)電效率提高的幅度更大，可實現(xiàn)節(jié)能減排的戰(zhàn)略指導(dǎo)作用。目前，中國科學(xué)院過程工程研究所正在廊坊基地建設(shè)煤處理量為3000t/a的熱解中試平臺與700kg/d的煤焦油分離加氫精制中試平臺，以及集成分級混合發(fā)電技術(shù)的中試平臺，并將與冀州熱電廠合作進行示范工程，針對電廠現(xiàn)有的2×130t/h鍋爐+2×25MW蒸汽機組（發(fā)電效率為31%）進行改造，利用分級混合發(fā)電技術(shù)改造后的2×30t/h鍋爐+2×25MW蒸汽機組+30MW燃?xì)鈾C組，綜合發(fā)電效率可達38%，據(jù)估算，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤8.5萬t/a，CO2減排量可達21.33萬t/a。該計劃將于2013年底完成調(diào)試。

5“低碳”煤熱解技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題

目前，在煤炭分級轉(zhuǎn)化技術(shù)方面雖然已有較好的積累，但是在分子水平上對煤的結(jié)構(gòu)特征和核心化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的認(rèn)識還處于統(tǒng)觀和模糊的水平，對傳遞和反應(yīng)工程及過程調(diào)控的認(rèn)識還處于經(jīng)驗層面，對復(fù)雜產(chǎn)物的組成特征和分離行為仍了解不夠，因而過去的工藝大都止步于粗放開發(fā)，產(chǎn)品附加值不高。因此，實現(xiàn)煤的高效清潔燃燒和轉(zhuǎn)化不能僅僅依賴對煤炭組成的宏觀認(rèn)識，還必須從分子水平上認(rèn)識物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，認(rèn)識不同條件下的化學(xué)變化及反應(yīng)行為。煤炭組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的復(fù)雜性決定了其能源合理利用形式的多樣性和綜合性。顯然，進一步加強對分子水平煤結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，揭示自由基反應(yīng)調(diào)控原理和過程強化機制，建立煤結(jié)構(gòu)和熱解反應(yīng)行為間的關(guān)系，是煤分級轉(zhuǎn)化利用技術(shù)取得突破的關(guān)鍵。

6小結(jié)

針對中國的能源特征，開展以熱解為先導(dǎo)的煤炭資源化清潔高效綜合利用技術(shù)路線，尤其是最新提出的以煤熱解為基礎(chǔ)的分級混合發(fā)電技術(shù)，不僅能充分利用高揮發(fā)分的褐煤資源，而且通過熱解析出揮發(fā)分生成液態(tài)焦油以提取高價值的化學(xué)品，并與生成的氣體和半焦用于蒸汽–燃?xì)廨啓C聯(lián)合發(fā)電技術(shù)集成，還可對國內(nèi)現(xiàn)有的中小型發(fā)電廠進行改造，以實現(xiàn)節(jié)能減排。因此，力求解決制約熱解技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，研發(fā)煤炭熱解定向轉(zhuǎn)化的煤炭分級綜合利用制備油氣產(chǎn)品的技術(shù)以及混合發(fā)電成套技術(shù)，對于實現(xiàn)中國煤炭資源的資源化清潔高效利用并帶動煤熱解制油氣并聯(lián)產(chǎn)發(fā)電的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。