探究低階煤熱解半焦規(guī)模化利用

郎群，王彥軍(陜西煤業(yè)化工集團神木天元化工有限公司，陜西 榆林 719319)

0 引言

據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒2020》數(shù)據(jù)顯示，2019我國煤炭產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的47.3%、煤炭消費量占全球總消費量的51.7%，同比2018年分別增長了1.6%和1.4%。《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》、《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020年)》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》等明確加強開展低階煤分質(zhì)利用研究，支持中低溫?zé)峤庵茪狻⒅朴蜑橹饕a(chǎn)品路線的煤炭分質(zhì)分級多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)穩(wěn)步推進、創(chuàng)新發(fā)展。積極推進煤炭分級分質(zhì)利用，同時鼓勵利用新疆哈密、準(zhǔn)東、陜西榆林等低階煤，采用先進煤化工技術(shù)推進低階煤中低溫?zé)峤獾让禾糠仲|(zhì)梯級利用示范項目建設(shè)。加大煤炭分質(zhì)利用生產(chǎn)清潔燃料和高端化工產(chǎn)品，加快低階煤熱解、油化電聯(lián)產(chǎn)一體化，鼓勵開展百萬噸/年低階煤熱解示范工程。

我國低階煤資源儲量豐富、價格低廉，未來將在能源領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在國家能源政策支持下，低階煤熱解技術(shù)的開發(fā)得到關(guān)注，以煤熱解為龍頭的低階煤分質(zhì)高效利用技術(shù)得到飛速發(fā)展。多種煤熱解提質(zhì)工藝取得了重大突破，并攻克了關(guān)鍵性技術(shù)和裝備。熱解半焦約占原煤質(zhì)量的50%～70%，所蘊含的能量約占原煤80%，其高效、清潔、規(guī)模化利用已成為低階煤分質(zhì)利用工業(yè)化、商業(yè)化推進的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 低階煤熱解半焦的基本性質(zhì)

低階煤不僅僅是能源，同時是重要的化工原料。在我國“富煤、缺油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)下，逐步采用先進的煤化工技術(shù)取代部分傳統(tǒng)的石油化工和天然氣化工，符合煤炭資源優(yōu)化利用的趨勢。熱解半焦是以揮發(fā)分含量較高的低階煤為原料采用中低溫?zé)峤?500～800 ℃)，得到的除熱解煤氣和煤焦油外的固體產(chǎn)品。按照熱解溫度的差別，低階煤熱解半焦可分為低溫半焦(500～600 ℃)、中溫半焦(700～800 ℃)。參照煤質(zhì)分析方法，對以神府煤田盛產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)侏羅紀(jì)低階煙煤粉煤(0～30 mm)為原料和采用回轉(zhuǎn)熱解提質(zhì)工藝生產(chǎn)的低溫半焦進行分析，結(jié)果見表1。

通過對回轉(zhuǎn)熱解提質(zhì)工藝生產(chǎn)的低溫半焦品進行全面檢測與分析后得出，熱解半焦可劃歸為低階煤中低溫干餾制得半焦類產(chǎn)品，不僅具有低階煤半焦的品質(zhì)、特征，同時具有無煙煤固定碳含量高、揮發(fā)分低等特點。和低階粉煤相比，熱解半焦的揮發(fā)分約減少65%，固定碳約升高34%。其中，揮發(fā)分含量(11.52%)遠(yuǎn)低于褐煤(＞40%)，固定碳含量(82.33%)略小于無煙煤。同時，熱解提質(zhì)過程中氮、硫等物質(zhì)大量較少。因此，熱解半焦適宜作為燃料。和傳統(tǒng)焦炭相比，熱解半焦的特點是揮發(fā)分含量高，孔隙率大，機械強度低，而與一氧化碳、蒸汽或氧具有更強的反應(yīng)活性，因而熱解半焦還可以代替焦炭，作為原料廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域，如電石生產(chǎn)、化肥造氣和冶煉等。在生產(chǎn)化肥和電石等高耗的產(chǎn)業(yè)中，熱解半焦的應(yīng)用效果甚至更優(yōu)。

2 低階煤熱解半焦的利用

目前，半焦類產(chǎn)品以內(nèi)熱式直立爐工藝為主，原料多采用塊煤(30～80 mm)，產(chǎn)能集中在陜西、山西、內(nèi)蒙、寧夏及新疆等地。相比傳統(tǒng)半焦類產(chǎn)品，低階煤熱解半焦的化學(xué)活性、比電阻和固定碳相對較高，灰分、硫和氮、磷及三氧化鋁含量較低，如此優(yōu)良特性使得具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展?jié)摿Α?1)高爐噴吹。高爐噴吹用燃料需要滿足低灰、低硫和揮發(fā)分適中等指標(biāo)。熱解半焦具有較高的固定碳、較低的灰分和硫分，滿足高爐噴吹的技術(shù)要求，可作為優(yōu)質(zhì)的無煙煤替代產(chǎn)品。與當(dāng)前鋼鐵高爐噴吹使用的主流無煙煤相比，熱解半焦在碳素含量和有效熱值方面皆有較為明顯的優(yōu)勢，向高爐內(nèi)噴吹可對焦炭起到良好的替代作用。煤的礦物質(zhì)中含有大量酸性SiO2，進行大量噴吹將降低爐渣堿度，最終影響爐渣的流動性而導(dǎo)致渣鐵難于分離，熱解半焦中含有約1%的MgO，對爐渣起到一定的稀釋作用，可改善爐渣的高溫流動性能。熱解半焦中高活性官能團數(shù)量相對較高，其碳素結(jié)構(gòu)中主要以活性較高的無序碳為主，其揮發(fā)分裂解溫度與碳素起始燃燒溫度與煙煤較為接近，從而與不同煙煤進行混合時皆可得到燃燒性十分良好的混煤。此外，作為高爐噴吹用煤，熱解半焦可顯著改善混合煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)的燃燒性能，可以對高爐內(nèi)的焦炭起到更好的保護作用，并減少未燃煤粉給高爐冶煉帶來的副作用；(2)配煤煉焦。低階煤熱解半焦具有結(jié)構(gòu)強度差、比表面積大、孔體積大、反應(yīng)活性高、縮合程度較高的理化特性，可通過配煤煉焦方法生產(chǎn)冶金焦炭。在不同煉焦生產(chǎn)工藝中，建議配入量不宜超過5%～8%。熱解半焦在配煤煉焦中具有瘦化劑的作用，適量配入可改善焦炭塊度。用于配煤煉焦的焦粉粒度應(yīng)小于1 mm，粉碎粒度過大會使焦炭質(zhì)量劣化。在同等條件下，配熱解半焦生產(chǎn)的焦炭機械強度可以達(dá)到和無煙煤、長焰煤同等水平。經(jīng)過優(yōu)化配煤結(jié)構(gòu)，改善焦炭的熱性質(zhì)，也可達(dá)到一級冶金焦質(zhì)量水平；(3)鐵礦石燒結(jié)。文中熱解半焦是采用低階粉煤回轉(zhuǎn)窯熱解提質(zhì)工藝獲取，其質(zhì)量一程度優(yōu)于直立爐半焦。對燒結(jié)工藝來說，單位質(zhì)量的熱解半焦比神木蘭炭能提供更多的熱量，使得燒結(jié)過程燃耗降低，節(jié)約成本。作為先進工藝技術(shù)生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，熱解半焦的揮發(fā)分較低，在燒結(jié)過程中避免了焦油在燒結(jié)煙氣循環(huán)系統(tǒng)中富集，從而影響燒結(jié)尾氣脫硫和排放，其在作為燒結(jié)燃料方向具有較多優(yōu)勢；(4)民用燃料。目前，霧霾始終是國家極度重視的環(huán)境問題。環(huán)保部《民用煤燃燒污染綜合治理技術(shù)指南(試行)》提出了“民用煤污染治理應(yīng)以環(huán)境空氣質(zhì)量改善為核心，采取因地制宜、綜合治理、多措并舉、分步推進的步驟實施的治理思路。院士賀克斌認(rèn)為非電工業(yè)和民用散煤成為進一步減排的主要領(lǐng)域。熱解半焦的燃燒特性與無煙煤接近，是污染嚴(yán)重的地區(qū)應(yīng)民用替代燃料的優(yōu)先選擇。熱解半焦各項污染排放指標(biāo)優(yōu)于無煙煤，綜合了煙煤易點燃、燃凈率高、成本低的特點，兼具了無煙煤排放低的優(yōu)勢，既能達(dá)到節(jié)煤、降塵，減少有害氣體排放量的效果，又可取得綜合的環(huán)保和經(jīng)濟效益。

表1 低階粉煤及半焦的工業(yè)分析

3 存在的問題及建議

低階煤分質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)作為煤炭清潔、高效的最佳途徑之一，符合國家能源結(jié)構(gòu)與政策導(dǎo)向。低階煤分質(zhì)利用核心熱解技術(shù)得到飛速發(fā)展，但也面臨著產(chǎn)業(yè)面臨技術(shù)裝備水平低、市場需求弱、節(jié)能減排壓力大等問題。熱解半焦的規(guī)模化利用和粉煤熱解及熱解裝置大型化、熱解廢水處理并稱為低階煤分質(zhì)利用的三大難題。造成此種局面的原因主要包括：(1)目前，國內(nèi)的學(xué)者、院校和企業(yè)根據(jù)地域特點和結(jié)合自然資源開發(fā)了多種煤炭熱解技術(shù)，尤其是在低階煤(粉煤)熱解領(lǐng)域。但已實現(xiàn)工業(yè)化穩(wěn)定運行的示范裝置的熱解裝置規(guī)模較小(單系列最大處理量＜100萬噸/年)，并且其相關(guān)高附加值產(chǎn)品的利用技術(shù)還不夠成熟，對老廠的配套依賴度較高，缺乏低階煤熱解全產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)；(2)低階煤熱解半焦的下游市場需求量有限。熱解半焦有望替代傳統(tǒng)焦炭在電石生產(chǎn)、化肥造氣和冶煉等行業(yè)的應(yīng)用，并在高爐噴吹、配煤煉焦、碳素和吸附材料、民用燃料等領(lǐng)域得到推廣，但眾多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)儆诟吆哪墚a(chǎn)業(yè)，發(fā)展受到國家嚴(yán)格限制，其需求量有限；(3)發(fā)展風(fēng)險仍存。熱解半焦生產(chǎn)過程中，容易造成環(huán)境污染的熱解廢水處理等難題還未徹底解決，尚未實現(xiàn)真正意義上的清潔生產(chǎn)。因此，熱解半焦行業(yè)發(fā)展的政策風(fēng)險仍然存在。

為進一步推進低階煤中低溫?zé)峤獾让禾糠仲|(zhì)梯級利用示范項目，加快低階煤熱解、油化電聯(lián)產(chǎn)一體化，建設(shè)百萬噸/年低階煤熱解示范工程，非常有必要對熱解半焦產(chǎn)品尋求更高效的規(guī)模化利用方式，現(xiàn)提出如下建議：(1)在國家能源政策的鼓勵下，加快推進低階煤分質(zhì)高效利用示范工程規(guī)范引導(dǎo)，集中技術(shù)優(yōu)勢逐一突破關(guān)鍵瓶頸的桎梏，各種技術(shù)優(yōu)化耦合、系統(tǒng)集成、產(chǎn)業(yè)協(xié)同，形成煤、油、電、化、冶一體化發(fā)展，積極尋求熱解半焦利用的多元化和資源化；(2)推進熱解半焦的規(guī)模化利用，應(yīng)繼續(xù)關(guān)注傳統(tǒng)半焦類產(chǎn)品的替代應(yīng)用，優(yōu)化傳統(tǒng)市場、開拓潛力市場和培育新興市場，進一步擴大其在碳素和吸附材料及精細(xì)化工等領(lǐng)域的應(yīng)用。同時根據(jù)潛在的市場對半焦類產(chǎn)品的需求開發(fā)和完善熱解半焦利用技術(shù)，制定產(chǎn)業(yè)政策及標(biāo)準(zhǔn)，促進熱解半焦的規(guī)模高效利用；(3)通過采取進一步的技術(shù)開發(fā)或系統(tǒng)研究等手段來拓展熱解半焦利用領(lǐng)域，鼓勵和推動新技術(shù)和新工藝的研發(fā)，確保低階煤熱解半焦應(yīng)用沿著規(guī)模化、高效化和清潔化的利用方向發(fā)展。

4 結(jié)語

低階煤熱解半焦是優(yōu)質(zhì)半焦類產(chǎn)品，擁有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳埃瑹峤獍虢沟囊?guī)模化面臨技術(shù)、市場和環(huán)保等一些列問題，在今后的發(fā)展中需在國家能源政策引領(lǐng)下，加快推進低階煤分質(zhì)高效利用示范工程規(guī)范引導(dǎo)，集中技術(shù)優(yōu)勢突破關(guān)鍵瓶頸，實現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化集成、產(chǎn)業(yè)協(xié)同，形成煤、油、電、化、冶一體化發(fā)展，推進熱解半焦的多元化、資源化利用。同時推動新技術(shù)和新工藝研發(fā)，完善產(chǎn)業(yè)政策和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，促進熱解半焦規(guī)模化、高效化和清潔化利用。