基于過程強化與反應調控的煤定向熱解制高品質油氣產物基礎研究及中試驗證

王芳，曾璽，，王婷婷，王曉蓉，武榮成，許光文

（1北京工商大學生態環境學院，北京100048；2中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190；3沈陽化工大學資源化工與材料教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110142；4中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京 100083）

引 言

隨著國家“雙碳”戰略的實施，我國以廉價高碳化石燃料為主體的能源結構與經濟社會對綠色、低碳、可持續發展需求之間的矛盾日益突出。高碳能源的清潔轉化、低碳利用已成為能源革命的當務之急[1-2]。熱解是煤炭等含碳燃料在隔絕空氣、受熱條件下分解/裂解成可燃氣、焦油和焦炭的過程，具有操作條件溫和、熱效率高、產品豐富、碳排放量低等特點[3]。熱解轉化既是含碳燃料燃燒、氣化、液化、炭化等熱化學轉化過程的初始、必經階段，也是有效提取富H燃氣(CH4)/化工合成氣(H2、CO)和難合成化學品(苯類化合物)、生成潔凈富碳燃料/材料(焦炭、蘭炭、半焦等)的關鍵技術，已成為煤炭、油頁巖等燃料清潔、高效、低碳利用的重要途徑[4-5]。

根據目標產物的差異，煤熱解技術主要分為三類：(1)以獲取清潔固體燃料和炭產品為主的熱解提質技術；(2)以提取揮發分為主的熱解制油/氣技術；(3)以熱解為基礎的熱-電-氣-焦油多聯產技術[6]。目前，熱解提質技術比較成熟，已用于煉焦、蘭炭生產、褐煤干燥等。熱解提取油氣技術的研究已有上百年歷史；煤基多聯產技術自20世紀70年代就備受關注，而以熱解為基礎的多聯產技術與熱解制油/氣技術緊密相關。表1列舉了國內外重要的煤熱解制油氣技術，概括了各技術的研發歷程、熱載體種類、原料粒徑、油氣產率和工業化進度，并對其技術特色和局限性進行分析[7-11]。雖然上述熱解技術和工藝已進行了大量中試和示范工程，充分證明了可行性，但至今仍缺少規模化、穩定運行的應用工程及適合碎煤(粒徑≤15mm)的熱解技術，難點在于：(1)目標產物中油、氣收率偏低；(2)油氣品質差，焦油中粉塵和瀝青質含量高達4%和40%以上，造成焦油的穩定性和流動性差，影響焦油高值化利用；而熱解氣的熱值不高，用于燃燒和化工合成受限；(3)熱解氣出口處的粉塵含量高，焦油-熱解氣-粉塵的三相分離困難[12-13]。上述問題既涉及反應器中的熱質傳遞與強化，又涉及對熱解反應的調控，很有必要從化學反應工程的角度進行分析。

表1 煤熱解制油氣技術現狀分析［7-11］Table1 Technological analysis of coal pyrolysis for the production of tar and pyrolysis gas［7-11］

1 基于反應工程的煤熱解制油氣過程分析

熱解是一個復雜的物理變化和化學反應過程，與原料化學組成、反應條件和反應器結構緊密相關，涉及熱量、質量、動量傳遞和化學反應。解決熱解難題的關鍵在于反應調控、傳遞強化、粉塵爐內脫除。在分子層面上，熱解是煤中弱共價鍵在受熱條件下解離成揮發性自由基碎片及眾多自由基反應(聚合、氫轉移、取代、縮合等)并生成揮發性組分(焦油、熱解氣)和固體產物(焦炭)的過程[14-16]。其機理如圖1所示[17]，包含：(1)初級熱解反應，即煤受熱釋放揮發性自由基碎片和非揮發性自由基，前者反應生成揮發產物，后者在顆粒表面原位縮聚成穩定的焦炭前體；(2)二級熱解反應，即揮發性自由基碎片的反應及由此生成的揮發產物和積炭。初級熱解反應發生在煤顆粒內部或表面，與溫度、升溫速率、氣氛等緊密相關，決定了揮發分最大生成量；二級熱解反應發生在煤顆粒內空隙結構中及顆粒外高溫氣相環境中，影響因素包括：操作條件(溫度、壓力、氣氛)、熱解器結構、產物收集和分離方法等，決定產物的最終分布和品質[18]。

圖1 煤快速熱解反應機理[17]Fig.1 Mechanism of coal rapid pyrolysis[17]

目前，關于初級和二級熱解反應的影響因素，文獻中已開展大量實驗和模擬研究，深化了對熱解過程的認識，有助于操作條件的優化。然而，對該過程熱量和質量傳遞的研究卻較少，使得實驗室研究成果很難在工業裝置上實現。20世紀中科院過程工程研究所郭慕孫院士提出了基于熱解提取油氣資源的“煤拔頭”分級綜合利用方案，并總結了原料快速加熱(高升溫速率)、揮發分快速逃逸(低停留時間)、氣-固產物快速分離的“三快”過程強化與反應調控方法，該前瞻性工作為煤熱解提取油氣技術的創新奠定了基礎[19]。北京化工大學的劉振宇教授從反應工程角度深刻揭示了現有熱解技術難題的根源在于揮發分釋放與熱載體之間的逆向熱質傳遞，提出抑制揮發分二次反應的關鍵是降低揮發分在反應器中溫升幅度，深化了對熱解反應中熱質傳遞的認識[20]。

在實際熱解爐內，單個煤顆粒熱解過程中涉及的傳遞[圖2(a)]包含：(1)煤顆粒受熱時顆粒內部的熱質傳遞階段(S1)；(2)釋放揮發分與熱載體之間的熱質傳遞階段(S2)；(3)揮發分在熱解器逃逸區內的熱質傳遞階段(S3)[21]。在S1階段，熱源溫度遠高于煤顆粒溫度，熱量從外(熱源)向內(煤顆粒)、從表(煤顆粒表面)及里(煤顆粒內部)傳遞，煤顆粒被加熱。當顆粒溫度達到一定程度后，揮發分開始從里(顆粒內部)到外(顆粒表面)由低溫區向高溫區釋放，顆粒內熱量與質量傳遞逆向進行[22-23]。加熱速率為關鍵因素，與顆粒尺寸、熱載體與煤質量比及兩者的溫度差等密切相關。對于流化床類固體熱載體工藝，因煤粒徑小(＜5mm)、載體與加煤量的質量比較大使得該過程加熱速率高，質量傳遞影響小，收集到的揮發分明顯高于理論值(格金法)。在S2階段，揮發分從煤顆粒中釋放后進入熱載體區域，兩者之間仍存在溫度差和逆向熱質傳遞，揮發分的加熱速率與在熱載體中的停留時間成為關鍵因素。由于揮發分的溫度較高且與熱載體直接接觸，二次反應加劇。揮發分逃離熱載體區進入逃逸區，開始反向加熱物料或向系統散熱，揮發分溫度逐步降低(S3)。該過程中揮發分降溫程度受熱解裝置和工藝影響。對于流化床熱解器，反應器出口溫度高，降溫幅度低；對于移動床類熱解器[圖2(b)]，還存在揮發分與原料之間的換熱，導致反應器出口處揮發分溫度較低、停留時間較長[24-29]。圖2(c)展示了溫度和停留時間對焦油形成積炭的影響，即使在550°C的低溫區內，當停留時間延長時也會存在嚴重的積炭形成過程[30]。理論上，S1階段內，熱質逆向傳遞不可避免；而在S2階段，揮發分的熱質傳遞方向可調控；在S3階段，可通過調節氣體停留時間來實現揮發分快速離開反應器。

圖2 煤熱解過程中的熱質傳遞及對焦油品質影響分析:(a)煤熱解過程中熱質傳遞；(b)煤熱解溫度變化曲線；(c)溫度和停留時間對焦油積炭影響Fig.2 Thermal and mass transfer in coal pyrolysis and its effect on tar quality:(a)Thermal and mass transfer in coal pyrolysis;(b)Temperature variation among coal particle,volatiles and thermal carrier;(c)Effect of temperature and residence time on tar cracking

表2統計了典型熱解爐中揮發分從煤顆粒中釋放后的溫度上升幅度和在反應器中停留時間對焦油產率和品質的影響[15]。對比發現，L-R熱解爐生成焦油中重質組分(瀝青質)最低，焦油品質最好。這主要是由于揮發分釋放后較小的溫度梯度及停留時間。流化床因高升溫速率使得焦油產率最高，但焦油中高的瀝青質含量也降低了其有效利用。焦爐中由于高溫度梯度和長停留時間使得焦油產率低、重質組分含量高。

現有熱解除塵技術可分為熱解器外非原位除塵和熱解器內原位除塵。前者包括：旋風除塵、靜電除塵、剛性陶瓷過濾、金屬濾網、顆粒層過濾等[31]。雖然上述技術對煙氣除塵效果顯著，但對于受溫度變化敏感、易相變、黏度系數高的焦油-熱解氣-粉塵系統很難適用。原位除塵主要通過創新熱解器結構、調控顆粒在熱解器內移動與氣體流動方向、抑制顆粒受熱破碎粉化等途徑來實現。研究表明，煤受熱破碎和粉化主要是由于內部傳熱不均勻造成熱應力和因揮發分快速釋放導致的高壓力梯度，高溫和高加熱速率將促進煤顆粒粉化加劇。眾所周知，反應器內顆粒移動越劇烈，塵含量越高；當顆粒與反應器相對靜止時，顆粒移動產生的粉塵相對較低[32]。因此，與流化床、輸送床、回轉窯等熱解工藝相比，焦爐和移動床中氣體塵含量被抑制。此外，氣體的釋放和運動也會攜帶粉塵逃逸。當對氣體流動進行引導、避免運動軌跡雜亂無章時，因氣體擾動攜帶的粉塵將受到較好的控制。鑒于爐外除塵的弊端，爐內粉塵的源頭減量和自除塵無疑是熱解工藝突破的關鍵。

基于上述分析，為滿足碎煤熱解提取油氣資源的規模化、連續化、高收率和高油氣品質的生產需求，熱解技術和工藝中需進行如下調控：(1)在分子/顆粒層面，滿足原料顆粒的高升溫速率，生成更多的初級熱解產物；(2)顆粒層面，匹配初級熱解產物在反應器內流動的溫度場、濃度場及流向，利用二次反應與揮發分的相互作用實現目標產物收率最大化；(3)反應器層面，選擇顆粒相對靜止或運動緩慢的反應器，提高自除塵效果[33]。通過多尺度研究，將基礎研究、中試驗證和應用工程相結合，實現碎煤定向熱解制高品質油氣的突破。

2 內構件移動床定向熱解原理與技術

針對非黏結性碎煤(粒徑小于15mm)的高值化、低碳和清潔利用，中科院過程工程研究所提出了煤制高品質油氣產物的定向熱解理念[34]，涉及熱解反應調控、過程強化和反應器創新。其技術理念如圖3所示，包括：(1)在揮發分生成和半焦縮聚階段分別采用高溫加熱和快速傳遞的加熱方式，最大化初次熱解產物生成；(2)在移動床反應器中設置中心集氣腔，定向引導熱解產物在反應器內的流動方向，使得揮發分向低溫區擴散并加熱鄰近的煤顆粒，確保揮發分擴散與傳熱方向同向；(3)利用半焦顆粒的催化作用重整重質組分，生成更多輕質焦油和不凝性氣體；利用半焦床層對氣體徑向流動攜帶的粉塵進行過濾，實現反應器內自除塵。

圖3 煤定向熱解技術理念Fig.3 Technological concept of coal directional pyrolysis technology

基于上述理念，開發了煤制油氣產物的內構件移動床定向熱解技術，如圖4所示[34]。該技術采用外熱式內構件移動床熱解器進行碎煤熱解，內構件由導熱板和中心集氣腔組成，導熱板與外部熱源相連，強化熱量向內層煤顆粒傳遞，提高加熱速率；集氣腔固定于反應器中心，設置有分布篩板和孔道，引導熱解氣從高溫區向低溫氣體通道移動。該技術解決了小粒徑碎煤的利用問題，且通過對熱解反應、熱質傳遞和氣體流向的多尺度調控實現油氣高產率和高品質生成及熱解油氣粉塵的床內自過濾促進和熱解器的穩定運行。目前該技術已獲中國、加拿大、澳大利亞、俄羅斯、巴西等國家的專利授權(2011—2015年)。

圖4 內構件移動床熱解原理Fig.4 Mechanism of coal pyrolysis in moving bed with internals

目前，內構件移動床熱解技術已完成實驗室煤處理量為1～5kg/次的基礎研究(2011—2013年)、100kg/次的模試實驗(2013—2014年)、1000t/a的中試驗證(2014—2016年)、示范工程模塊的顆粒流動冷態驗證(2016年)及40萬t/a示范工程工藝包開發(2015—2017年)，適合處理的原料包括煤、油頁巖等，充分證實了該技術在同步提高油、氣質量和品質方面的優勢(圖5)[35-40]。

圖5 內構件移動床熱解技術研究進展:(a)5kg/次熱解裝置[36]；(b)100kg/次模試裝置[39]；(c)1000t/a熱解中試[40]；(d)示范工程用冷態裝置Fig.5 Research progress of coal pyrolysis in moving bed with internals:(a)Pyrolysis apparatus with a processing capacity(PC)of5kg/time[36];(b)Bench pyrolysis apparatus with a PC of100kg/time[39];(c)Pilot pyrolysis plant with a PC of1000t/a[40];(d)Coal cold-state apparatus for demonstration project

在此基礎上，研發團隊進一步開發了基于煤定向熱解的熱/電-油-氣聯產技術(2017—2018年)，如圖6所示[35]，該工藝耦合了原料熱解提質和半焦燃燒發電/獲取熱能等主要過程，包含：原料定向熱解系統、熱載體和半焦返料系統、半焦燃燒和熱載體加熱系統、氣固分離系統、熱載體和燃料混合系統等。熱解所需的熱量由燃燒室生成的高溫熱灰、殘焦等熱載體提供。熱載體與物料流均勻混合后進入內構件移動床熱解器中。通過熱載體的循環來維持熱解系統所需的熱量和燃燒系統中的熱能和電力生成。該工藝適用于煤、油頁巖等小粒徑原料的綜合利用。

圖6 基于內構件移動床熱解的多聯產技術[35]Fig.6 Poly-generation technology based on coal pyrolysis in moving bed with internals[35]

3 移動床中內構件強化傳熱和氣體流動對煤熱解特性影響

為考察內構件中導熱板強化傳熱和中心集氣腔導流熱解氣對油氣品質的改善效果，利用處理量為1.5 kg/次的實驗室熱解裝置對比了4種反應器中依蘭長焰煤的熱解行為，實驗結果如圖7所示[36-37]。當爐溫設定為900°C時，由4種反應器內中心煤樣的升溫曲線可見[圖7(b)]，安裝了導熱板和中心集氣管的反應器(D)中煤樣升溫速率最快，而無導熱板和中心集氣管的傳統反應器(A)中升溫速率最小。例如，當中心溫度達到500℃時，兩者所需的時間分別為40min(反應器D)和90min(反應器A)。相對于反應器B，反應器C內的升溫速率更快，達到定溫下所需要的時間更短。對比也顯示，導熱板和集氣腔均有利于提高反應器中顆粒的加熱速度，尤其是前者。在內構件反應器中，集氣腔使得氣體的雜亂運行受到控制，轉變為定向、有組織地釋放，高溫區釋放的熱解氣起到了很好的氣體熱載體作用。

圖7 反應器中內構件對煤熱解特性的影響[36]:(a)4種反應器結構(A—無內構件，B—有集氣腔，C—有導熱板，D—有導熱板和集氣腔)；(b)不同反應器中心區的升溫曲線；(c)反應器A和D的油氣產率；(d)4種反應器中輕質組分的含量Fig.7 Effect of internals in reactor on coal pyrolysis characteristics[36]:(a)Four kinds of reactor(A—with internals,B—with central gas collection pipe,C—with heating plate,D—with heating plate and central gas collection pipe);(b)Heating curves of four reactors for the central zone;(c)Tar and pyrolysis gas yield for reactors A and D;(d)Content of light fractions in tar samples from four reactors

對比不同溫度下反應器A和D中煤熱解產物的分布情況發現[圖7(c)]，隨溫度增加，反應器D中焦油和熱解氣的產率同步增加，說明在集氣腔作用下揮發分從高溫向低溫有序擴散能明顯降低二次反應的發生；反應器A中，焦油產率逐步減小，而氣體產率快速增加。氣體產率的增加一方面源于半焦中殘余揮發分在高溫下的二次釋放，但更多是由于揮發分的二次反應，如焦油熱裂解和縮聚；此外，與反應器A相比，反應器D中焦油產率增加明顯，尤其是在1000℃時，是反應器A中焦油產率的2.3 倍，說明內構件反應器對焦油二次反應的強抑制作用。利用高溫氣相色譜對4種反應器收集到的焦油樣品進行模擬蒸餾分析發現[圖7(d)]，在有集氣腔的情況下(反應器B和D)，焦油中輕質組分(沸點低于350℃)的含量明顯提高。在內構件反應器D中，集氣腔不僅改變了氣體的擴散路徑，還縮短了氣體在反應器中的停留時間。

為揭示導熱板和中心集氣腔的作用機制，利用流體軟件對上述4種反應器中的溫度場和流場進行流體力學模擬分析，結果如圖8所示[38]。對于反應器A和C，揮發分在從煤顆粒中釋放后逐漸從鄰近加熱壁的區域流出，這主要是由于煤受熱后水分蒸發和揮發分的快速釋放導致生成半焦層中的孔隙率提高。鄰近高溫區(壁面周邊)的孔隙率明顯比遠離壁面區域處的孔隙率大，引起壓力降低，容易形成氣體通道，導致揮發分從低溫區向高溫區流動。而對于反應器B和D，由于集氣腔的設置使得反應器中心區域形成低壓區，釋放的揮發分更傾向于從鄰近邊壁的高溫區向反應器中心的低溫區流動，最后由集氣腔導流出并從反應器中釋放。此時，高溫區生成的揮發分實際上起到了氣體熱載體的作用，進一步強化了床層內的傳熱。比較不同反應器徑向位置的熱對流、熱傳導與熱輻射等傳熱方式對總傳熱量的貢獻，揭示了傳熱強化板和中心集氣管對反應器中顆粒床強化傳熱、提升顆粒加熱速率的不同作用機理。中心集氣管的主要功能是使顆粒床內的氣體定向流動并匯入集氣管，其強化傳熱主要表現為增強了熱對流，從而利用了由高溫向低溫流動的氣流顯熱。相對應，導熱板則主要通過熱傳導和熱輻射加快對顆粒的升溫。

圖8 模擬具有不同內構件的四種反應器(A～D)中顆粒的加熱行為[38]Fig.8 Heating behavior simulation of coal particle in four kinds of reactors(A—D)[38]

圖9對比了不同爐溫下煤在反應器A和D中生成焦油樣品的GC-MS譜圖。在一定程度上，焦油中萘含量變化可揭示揮發分二次反應的程度。對于無內構件的反應器A，隨爐溫升高，焦油中的組分變化非常明顯。其中，萘含量快速增加，高級烷烴的含量持續降低，說明隨溫度升高二次反應更加劇烈，焦油的縮聚反應明顯。而對于反應器D，隨爐溫升高，各焦油組分的相對含量變化不大，說明在反應器D中焦油受煤熱解溫度的影響非常有限，發生二次反應的程度被大大抑制。

圖9 不同爐溫下反應器A(a)和D(b)中收集到焦油樣品的GC-MS分析[36]Fig.9 GC-MS analysis of tar sample from coal pyrolysis in reactors A(a)and D(b)[36]

4 內構件移動床熱解效果驗證

為進一步驗證內構件熱解器對煤熱解油氣品質的改善效果，設計并建立了處理量為100kg/次的煤熱解裝置，采用無內構件(A)和有內構件(D，導熱板和集氣腔)的兩種反應器模式，實驗裝置、流程及反應器結構如圖10所示[39]。實驗用煤為依蘭長焰煤，粒徑為0～10mm。在1000℃的爐溫條件下，反應器D中的焦油產率與格金測定產率之比可達到85%，遠高于無內構件的常規反應器A(47%)。利用高溫氣相色譜對焦油樣品的組成進行模擬蒸餾分析，結果見圖10(c)。研究表明，經內構件反應器制備的焦油中輕質組分含量為71.0%(質量)，高于反應器A[67%(質量)]，說明氣體通道的導流作用改變了熱解氣體產物的流動方向。熱解氣經過低溫區域流出反應器時減少了焦油的二次熱解，降低了焦油中重質組分的含量，進而提高了焦油中輕質組分的含量，使得焦油具有更高的品質。分析熱解氣的組成和熱值發現[圖10(d)]，內構件反應器生成熱解氣中H2含量為46.7 4%(體積)，高于無內構件反應器的32.4 0%(體積)；對于CH4，內構件反應器的含量為25.3 6%(體積)，低于無內構件反應器的30.5 0%(體積)；對于CO和CO2，兩個反應器中的含量接近；對于C2+C3，無內構件反應器A中的含量為10.6 0%(體積)，遠高于內構件反應器B的4.4 4%(體積)。由于反應器A中無中心氣體通道，貼近反應器壁的高溫區先發生熱解，生成半焦層的孔隙率遠大于煤層的孔隙率，使得內層煤樣熱解后生成的揮發分會優先通過高溫半焦層的空隙釋放，發生嚴重的二次熱解反應，產生大量的C2+C3氣體。對氣體的熱值分析進行分析發現，反應器A生成的氣體熱值為6278kcal/m3（1kcal=4.18 kJ），遠大于反應器D生成的氣體熱值5026kcal/m3，這主要是由于其低的CH4和C2+C3的含量。

圖10 100kg/次的內構件熱解模試裝置中煤熱解特性[39]Fig.10 Pyrolysis characteristics of coal particle in pyrolysis apparatus with a PC of100kg/time[39]

在前期研究的基礎上，設計并建立了1000t/a的內構件移動床煤熱解中試平臺，其流程如圖11(a)所示[40]。該裝置主要由電加熱爐、內構件移動床反應器、半焦冷卻系統、焦油冷卻和吸收系統、煤氣計量和焚燒系統組成。電加熱爐的加熱區域高度為3m，內構件固定床反應器材質為不銹鋼，外部尺寸長1m、寬0.5m、高4m。反應器內部加裝了由導熱板和集氣腔組成的內構件。熱解器中心區域不同高度上煤層的溫度變化通過一系列熱電偶進行檢測，在3m左右的煤層高度上均勻布置了6個測溫點[圖11(b)]。實驗用原料為依蘭長焰煤，粒徑為0～15mm。升溫曲線顯示，裝置運行10h后，各測溫點的溫度逐漸趨于穩定。在900℃和1000℃兩種設定爐溫情況下，熱解氣中的氣體組分隨時間的變化分別見圖11(c)、(d)。裝置啟動10h后，氣體組成趨于穩定。與900℃相比，當爐溫增加到1000℃時，H2和CO的含量增加顯著。其中，H2含量從45.8 9%(體積)提高到49.0 2%(體積)，CO含量從11.9 8%(體積)提高到14.6 0%(體積)。然而，在1000℃下，CH4、CO2和C2+C3的含量卻較低。其中，CH4的含量從23.0 4%(體積)降低到20.3 5%(體積)，CO2的含量從14.4 4%(體積)降低到12.2 5%(體積)，C2+C3的含量從4.6 5%(體積)降低到3.7 8%(體積)。上述氣體組分的變化也直接導致對應的熱解氣熱值從4865kcal/m3降到了4613kcal/m3。

圖11 1000t/a內構件移動床煤熱解中試裝置的煤熱解特性效果驗證[40]Fig.11 Verification of coal pyrolysis characteristics in a moving bed pyrolyzer with internals with a PC of1000t/a[40]

表3展示了不同爐溫下煤在內構件反應器中熱解后的產物分布情況。與900℃相比，爐溫增加后煤熱解更加充分，焦油、氣體和熱解水的產率同步增加，分別從5.0 2%提高到6.5 7%、13.6 2%提高到14.6 0%、7.9 8%提高到8.6 0%；而對應的半焦產率從73.3 8%降低到70.2 3%；且高溫下焦油產率與格金測定產率的比值從61.2%增加到80.1%。中試實驗進一步驗證內構件熱解器對油氣產率的促進作用。

表3 內構件熱解中試裝置中煤熱解產物分布[40]Table3 Product distribution from pilot plant adopted moving bed pyrolyzer with internals[40]

密度、含塵量(甲苯不溶物)和輕質組分含量是顯示焦油品質的三個重要指標。表4展示了不同爐溫下焦油的物理特性。在爐溫為900℃和1000℃這兩種情況下，焦油的密度均小于水，且在1000℃下生成焦油的密度更小；兩種情況下焦油中含塵量極低，維持在0.1%左右；焦油中輕質組分均高于70%。目前，對于焦爐生成的焦油產品，上述指標分別在1.0 ～1.2 5g/cm3、3.0%～9.0%和＜40%的范圍內。中試運行結果與實驗室基礎研究和100kg級模試測試的結果一致，充分證明了內構件移動床反應器對煤熱解過程油氣產品產率的提高和產物品質的改善。

表4 中試裝置生成焦油的基本性質[40]Table4 Fundamental properties of tar sample from pilot test[40]

5 總 結

基于化學反應工程的“三傳一反”理論，本文分析了碎煤熱解過程中揮發分在煤顆粒內生成與釋放、在顆粒間傳遞和反應器內停留等子過程中的熱質傳遞和化學反應特性，揭示了目前碎煤熱解制油氣技術中普遍存在的油氣產率低、品質差、塵含量大等技術難題背后的傳遞與反應不匹配等問題的本質。在此基礎上，研發團隊提出了煤定向熱解制備高品質油氣資源的技術理念，并開發了內構件移動床熱解器。為驗證該技術的可行性和技術特點，研發團隊先后進行了煤處理量為1～5kg/次的實驗室基礎研究、100kg/次的模試研究、1000t/a中試驗證、示范工程冷態模塊顆粒流動測試及工藝設計，并對不同內構件(傳熱板和集氣腔)組合形式的反應器進行模擬。

針對粒徑小于15mm的碎煤原料，在實驗室和模試實驗中均驗證了內構件反應器強化傳熱和引導生成的熱解氣從高溫區到低溫區的有序釋放特性。與無內構件反應器相比，采用內構件能實現焦油和氣體產率隨熱解器爐溫的同步增長和焦油品質的改善。流體模擬研究進一步揭示了導熱板和集氣腔這兩個內構件的功能差異。導熱板主要通過熱傳導和熱輻射加快對顆粒加熱速率，中心集氣管定向引導顆粒床內的氣體流動，強化了對流傳熱。在1000t/a中試裝置中考察了不同煤種的熱解特性。依蘭長焰煤的高溫熱解(1000℃)運行結果如下：焦油收率6.5 7%(格金分析的80.1%)，氣體產率14.6 0%；氣體中H2、CO、CH4、CO2和C2+C3的體積含量分別為49.0 2%、14.6 0%、20.3 5%、12.2 5%和3.7 8%，對應的氣體熱值為4613kcal/m3；焦油密度968kg/m3、塵含量0.1 2%，輕質組分含量73%。中試結果充分證明了內構件移動床反應器提高油氣產率及品質、源頭抑制灰塵生成的技術優勢，促進了煤制油氣用熱解技術的發展。