探究低階煤熱解半焦規模化利用

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

0 引言

據《BP世界能源統計年鑒2020》數據顯示，2019我國煤炭產量占全球總產量的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%。《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》、《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020年)》《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》等明確加強開展低階煤分質利用研究，支持中低溫熱解制氣、制油為主要產品路線的煤炭分質分級多聯產技術穩步推進、創新發展。積極推進煤炭分級分質利用，同時鼓勵利用新疆哈密、準東、陜西榆林等低階煤，采用先進煤化工技術推進低階煤中低溫熱解等煤炭分質梯級利用示范項目建設。加大煤炭分質利用生產清潔燃料和高端化工產品，加快低階煤熱解、油化電聯產一體化，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，未來將在能源領域發揮著重要作用。在國家能源政策支持下，低階煤熱解技術的開發得到關注，以煤熱解為龍頭的低階煤分質高效利用技術得到飛速發展。多種煤熱解提質工藝取得了重大突破，并攻克了關鍵性技術和裝備。熱解半焦約占原煤質量的50%～70%，所蘊含的能量約占原煤80%，其高效、清潔、規模化利用已成為低階煤分質利用工業化、商業化推進的關鍵環節。

1 低階煤熱解半焦的基本性質

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”的能源結構下，逐步采用先進的煤化工技術取代部分傳統的石油化工和天然氣化工，符合煤炭資源優化利用的趨勢。熱解半焦是以揮發分含量較高的低階煤為原料采用中低溫熱解(500～800 ℃)，得到的除熱解煤氣和煤焦油外的固體產品。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 ℃)。參照煤質分析方法，對以神府煤田盛產的優質侏羅紀低階煙煤粉煤(0～30 mm)為原料和采用回轉熱解提質工藝生產的低溫半焦進行分析，結果見表1。

通過對回轉熱解提質工藝生產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品，不僅具有低階煤半焦的品質、特征，同時具有無煙煤固定碳含量高、揮發分低等特點。和低階粉煤相比，熱解半焦的揮發分約減少65%，固定碳約升高34%。其中，揮發分含量(11.52%)遠低于褐煤(＞40%)，固定碳含量(82.33%)略小于無煙煤。同時，熱解提質過程中氮、硫等物質大量較少。因此，熱解半焦適宜作為燃料。和傳統焦炭相比，熱解半焦的特點是揮發分含量高，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活性，因而熱解半焦還可以代替焦炭，作為原料廣泛應用于化工領域，如電石生產、化肥造氣和冶煉等。在生產化肥和電石等高耗的產業中，熱解半焦的應用效果甚至更優。

2 低階煤熱解半焦的利用

目前，半焦類產品以內熱式直立爐工藝為主，原料多采用塊煤(30～80 mm)，產能集中在陜西、山西、內蒙、寧夏及新疆等地。相比傳統半焦類產品，低階煤熱解半焦的化學活性、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，如此優良特性使得具有廣泛的應用領域和發展潛力。(1)高爐噴吹。高爐噴吹用燃料需要滿足低灰、低硫和揮發分適中等指標。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要求，可作為優質的無煙煤替代產品。與當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勢，向高爐內噴吹可對焦炭起到良好的替代作用。煤的礦物質中含有大量酸性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量相對較高，其碳素結構中主要以活性較高的無序碳為主，其揮發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口回旋區內的燃燒性能，可以對高爐內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構強度差、比表面積大、孔體積大、反應活性高、縮合程度較高的理化特性，可通過配煤煉焦方法生產冶金焦炭。在不同煉焦生產工藝中，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小于1 mm，粉碎粒度過大會使焦炭質量劣化。在同等條件下，配熱解半焦生產的焦炭機械強度可以達到和無煙煤、長焰煤同等水平。經過優化配煤結構，改善焦炭的熱性質，也可達到一級冶金焦質量水平；(3)鐵礦石燒結。文中熱解半焦是采用低階粉煤回轉窯熱解提質工藝獲取，其質量一程度優于直立爐半焦。對燒結工藝來說，單位質量的熱解半焦比神木蘭炭能提供更多的熱量，使得燒結過程燃耗降低，節約成本。作為先進工藝技術生產的優質產品，熱解半焦的揮發分較低，在燒結過程中避免了焦油在燒結煙氣循環系統中富集，從而影響燒結尾氣脫硫和排放，其在作為燒結燃料方向具有較多優勢；(4)民用燃料。目前，霧霾始終是國家極度重視的環境問題。環保部《民用煤燃燒污染綜合治理技術指南(試行)》提出了“民用煤污染治理應以環境空氣質量改善為核心，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。院士賀克斌認為非電工業和民用散煤成為進一步減排的主要領域。熱解半焦的燃燒特性與無煙煤接近，是污染嚴重的地區應民用替代燃料的優先選擇。熱解半焦各項污染排放指標優于無煙煤，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勢，既能達到節煤、降塵，減少有害氣體排放量的效果，又可取得綜合的環保和經濟效益。

表1 低階粉煤及半焦的工業分析

3 存在的問題及建議

低階煤分質轉化利用技術作為煤炭清潔、高效的最佳途徑之一，符合國家能源結構與政策導向。低階煤分質利用核心熱解技術得到飛速發展，但也面臨著產業面臨技術裝備水平低、市場需求弱、節能減排壓力大等問題。熱解半焦的規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，國內的學者、院校和企業根據地域特點和結合自然資源開發了多種煤炭熱解技術，尤其是在低階煤(粉煤)熱解領域。但已實現工業化穩定運行的示范裝置的熱解裝置規模較小(單系列最大處理量＜100萬噸/年)，并且其相關高附加值產品的利用技術還不夠成熟，對老廠的配套依賴度較高，缺乏低階煤熱解全產業鏈的建設；(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焦炭在電石生產、化肥造氣和冶煉等行業的應用，并在高爐噴吹、配煤煉焦、碳素和吸附材料、民用燃料等領域得到推廣，但眾多應用領域屬于高耗能產業，發展受到國家嚴格限制，其需求量有限；(3)發展風險仍存。熱解半焦生產過程中，容易造成環境污染的熱解廢水處理等難題還未徹底解決，尚未實現真正意義上的清潔生產。因此，熱解半焦行業發展的政策風險仍然存在。

為進一步推進低階煤中低溫熱解等煤炭分質梯級利用示范項目，加快低階煤熱解、油化電聯產一體化，建設百萬噸/年低階煤熱解示范工程，非常有必要對熱解半焦產品尋求更高效的規模化利用方式，現提出如下建議：(1)在國家能源政策的鼓勵下，加快推進低階煤分質高效利用示范工程規范引導，集中技術優勢逐一突破關鍵瓶頸的桎梏，各種技術優化耦合、系統集成、產業協同，形成煤、油、電、化、冶一體化發展，積極尋求熱解半焦利用的多元化和資源化；(2)推進熱解半焦的規模化利用，應繼續關注傳統半焦類產品的替代應用，優化傳統市場、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化工等領域的應用。同時根據潛在的市場對半焦類產品的需求開發和完善熱解半焦利用技術，制定產業政策及標準，促進熱解半焦的規模高效利用；(3)通過采取進一步的技術開發或系統研究等手段來拓展熱解半焦利用領域，鼓勵和推動新技術和新工藝的研發，確保低階煤熱解半焦應用沿著規模化、高效化和清潔化的利用方向發展。

4 結語

低階煤熱解半焦是優質半焦類產品，擁有巨大的發展潛力。目前，熱解半焦的規模化面臨技術、市場和環保等一些列問題，在今后的發展中需在國家能源政策引領下，加快推進低階煤分質高效利用示范工程規范引導，集中技術優勢突破關鍵瓶頸，實現技術優化集成、產業協同，形成煤、油、電、化、冶一體化發展，推進熱解半焦的多元化、資源化利用。同時推動新技術和新工藝研發，完善產業政策和行業標準，促進熱解半焦規模化、高效化和清潔化利用。