文/韓永濱 劉桂菊 趙慧斌

1 中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展局 北京 100864

2 中國科學(xué)院前沿科學(xué)與教育局 北京 100864

低階煤的結(jié)構(gòu)特點與熱解技術(shù)發(fā)展概述*

文/韓永濱1劉桂菊2趙慧斌2

1 中國科學(xué)院科技促進(jìn)發(fā)展局 北京 100864

2 中國科學(xué)院前沿科學(xué)與教育局 北京 100864

中科院提出的“低階煤清潔高效梯級利用關(guān)鍵技術(shù)與示范”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項旨在研發(fā)以熱解為先導(dǎo)的低階煤高效分級綜合利用技術(shù)及其示范應(yīng)用。解決熱解相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題是戰(zhàn)略先導(dǎo)專項順利實施的關(guān)鍵。自20世紀(jì)70年代以來，世界各國雖在煤熱解方面進(jìn)行了大量研究，取得了重要進(jìn)展，但仍未實現(xiàn)商業(yè)化運行，其主要原因是一些關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題未得到突破。因此，明確煤熱解過程中存在的技術(shù)問題，提出有效的解決方案，是實現(xiàn)其示范與應(yīng)用的必由之路。文章從分析低階煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)出發(fā)，剖析了熱解需要突破的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，并介紹了中科院所提出的熱解技術(shù)方案。

低階煤，熱解，戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項

DOI 10.3969/j.issn.1000-3045.2013.06.013

1 引言

煤炭是我國的主要能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占 70% 左右[1]，預(yù)計到 2015 年煤炭消費 量 仍將占65%左右[2]。在漫長的地質(zhì)演變過程中，煤炭的形成受多種因素的作用，致使煤炭品種繁多。依據(jù)結(jié)構(gòu)和組成不同，煤炭分為褐煤、煙煤和無煙煤3大類，而每大類又分為若干小類，其中煙煤可分為低變質(zhì)煙煤和中變質(zhì)煙煤，低變質(zhì)煙煤也叫次煙煤，與褐煤一起統(tǒng)稱為“低階煤”[3]。煤階這一概念用來表示煤炭煤化程度的級別。一般情況下，煤埋藏深度增加，其煤化程度增加，碳含量相應(yīng)增加。低階煤在我國煤炭儲量及產(chǎn)量中占很高比例。中國煤炭地質(zhì)總局第三次全國煤田預(yù)測，我國低階煤儲量占全國已探明煤炭儲量的55%以上，達(dá)5 612億噸，其中褐煤占12.7%，低變質(zhì)煤占42.5%（表 1）[4]；世界 能源委 員會《世 界能源 調(diào)查2010》數(shù)據(jù)也顯示，我國低階煤占煤炭儲量的比例為 46% ，其 中褐 煤 為 13% ，低 變質(zhì) 煙 煤 為 33%[5]。低階煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)中側(cè)鏈較多，氫、氧含量較高，結(jié)果導(dǎo)致其揮發(fā)分含量高、含水高、含氧多、易自燃、熱值低。根據(jù)低階煤揮發(fā)分及氫含量高的特點，通過分級轉(zhuǎn)化利用，可先獲得高附加值的油、氣和化學(xué)品，再將剩余半焦進(jìn)行燃燒或氣化，實現(xiàn)煤炭資源的梯級利用，從而，一方面提高了煤炭利用的能效，另一方面使難以利用的褐煤得到了有效利用，也可大大減少環(huán)境的污染。

表1 我國煤炭資源分類及其性質(zhì)

2 低階煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)[6-9]

從化學(xué)角度上講，煤是由芳環(huán)、脂肪鏈等官能團(tuán)縮合形成的超大分子聚集體，既含有由無定型碳和灰為主要組成的固體組分（60—80 wt.%）、也含有 10—40 wt.%的由鏈烷烴、芳香烴和碳氧支鏈大分子構(gòu)成的揮發(fā)分。但是，現(xiàn)代表征手段無法確定其具體結(jié)構(gòu)，只能從間接數(shù)據(jù)（如元素分析、紅外光譜和X衍射等）或從“破壞性”實驗結(jié)果推斷其可能的結(jié)構(gòu)，并用各種模型來描述，其中最有影響力的是“平均結(jié)構(gòu)單元模型”（average structure unit）和“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”（network structure model）。

“平均結(jié)構(gòu)單元模型”認(rèn)為，煤分子是由無數(shù)個平均結(jié)構(gòu)單元組成，每個平均結(jié)構(gòu)單元包含 3—5 個芳環(huán)/氫化芳環(huán)，這些環(huán)狀結(jié)構(gòu)以短的脂肪鏈或者醚橋相連；硫、氮主要以雜環(huán)化合物的形式存在，氧以酚和醚的形式存在；煤階增加，芳香碳比例增加，平均縮合芳香環(huán)數(shù)增加，氫和氧的含量下降。這種模型盡管直觀地展示了煤的結(jié)構(gòu)，并解釋其化學(xué)反應(yīng)性能，但無法解釋煤的許多其他現(xiàn)象，如煤在有機溶劑中的溶脹和在一些特定溶劑中的高抽提率等現(xiàn)象。圖1是比較典型的低階煤的“平均結(jié)構(gòu)單元模型”[9]。

“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”是科學(xué)家將高分子物理化學(xué)理論逐步應(yīng)用到煤化學(xué)研究當(dāng)中發(fā)展起來的，特點是利用線型或支鏈型大分子結(jié)構(gòu)來模擬煤的大分子。“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”主要有兩類，一類是共價鍵型“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”，另一類是非共價鍵型“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”（圖2）。共價鍵型模型假定煤是通過共價鍵結(jié)合、不溶于任何溶劑的巨大網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（主結(jié)構(gòu)），但存在一些被“主結(jié)構(gòu)”收容的、溶劑可溶的“低分子量物質(zhì)（客分子）”的流

動相，因此這種模型也稱作“兩相模型”。非共價鍵型模型認(rèn)為，煤分子完全是通過非共價鍵形成的，非共價鍵在煤的大分子結(jié)構(gòu)中起著重要的交聯(lián)作用。在低階煤中，非共價鍵主要為離子鍵和氫鍵，而高階煤（無煙煤）則主要為π-π相互作用和電荷轉(zhuǎn)移作用，這種結(jié)構(gòu)模型很好地解釋了煤在一些特定溶解中表現(xiàn)出的粘彈性、力學(xué)性能和溶脹行為。

圖1 高揮發(fā)性煙煤的“平均結(jié)構(gòu)單元模型”

圖2 共價鍵型和非共價鍵型“網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型”示意圖

其他類似的模型還有很多，但沒有一種模型可以很好描述煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)并解釋所有發(fā)現(xiàn)的實驗現(xiàn)象。研究表明，煤化程度增加，芳環(huán)縮合度增加，連接在芳環(huán)核周圍的側(cè)鏈變短、官能團(tuán)數(shù)量減少。如圖3所示，低階煤縮合芳環(huán)數(shù)較少，含氧官能團(tuán)較多且含有較多的氧橋；隨著煤化程度的提高，結(jié)構(gòu)中的芳環(huán)數(shù)增加，含氧官能團(tuán)減少；到無煙煤時，縮合芳環(huán)數(shù)量達(dá)到10個以上，僅含有少量醚氧橋和其他短橋，其結(jié)構(gòu)更加接近于純碳元素的同素異形體——石墨。

圖3 不同煤階的化學(xué)典型結(jié)構(gòu)

盡管對于煤結(jié)構(gòu)的研究已進(jìn)行了一個多世紀(jì)，然而真正解決的問題并不多，特別是低階煤的結(jié)構(gòu)由于煤田所在的地域、煤層的深度以及煤炭前處理的方式不同而差異非常大。這種差異也導(dǎo)致了低階煤綜合高效利用的難度加大，特別是熱解過程的復(fù)雜性大大提高，使得相應(yīng)的利用成本居高不下。

3 低階煤的熱解[10-12]

如前所述，煤的結(jié)構(gòu)特點決定了低階煤揮發(fā)分高、活性強。由于水分和氧含量高而熱值低，直接利用（燃燒或氣化）效率低，經(jīng)濟(jì)價值遠(yuǎn)不如高階煤，大規(guī)模開發(fā)利用必須先對其進(jìn)行加工提質(zhì)。最為科學(xué)和常用的方法之一是熱解，即“干餾”或“熱分解”。熱解是指煤在隔絕空氣或在惰性氣體條件下持續(xù)加熱至較高溫度時，所發(fā)生的一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng)。在此過程中煤會發(fā)生交聯(lián)鍵斷裂、產(chǎn)物重組和二次反應(yīng)，最終得到氣體（煤氣）、液體（焦油）及固體（半焦）等產(chǎn)物。焦油中含有苯、萘、蒽、菲以及目前尚無法人工合成的多種稠環(huán)芳香烴類化合物及雜環(huán)化合物。與直接燃燒相比，熱解實現(xiàn)了煤中不同成分的梯級轉(zhuǎn)化，是一種資源高效綜合利用方法，具有減少燃煤造成的環(huán)境污染，提高低階煤資源綜合利用價值的優(yōu)勢，可創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。按煤熱解溫 度 可 分 為 低 溫 熱 解（500℃ —600℃）、中溫?zé)峤猓?50℃—800℃）、高溫?zé)峤猓?00℃—1 000℃）和超高溫?zé)峤猓ǎ? 200℃）。為得到高產(chǎn)率的焦油和煤氣，低階煤多采用低溫?zé)峤饴肪€。除低溫?zé)峤馔猓€可以利用加氫熱解來提高熱解產(chǎn)率，即通過外加氫氣來飽和熱解產(chǎn)生的自由基，擬制二次反應(yīng)。煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，同時礦

物質(zhì)對熱解又有催化作用，導(dǎo)致熱解過程中發(fā)生許多化學(xué)反應(yīng)，如煤中有機質(zhì)的裂解、縮聚和重組；裂解產(chǎn)物中輕質(zhì)部分和裂解殘留物的揮發(fā)、分解或聚合。從煤的分子結(jié)構(gòu)看，基本結(jié)構(gòu)單元周圍的側(cè)鏈、橋鍵和官能團(tuán)等在加熱條件下不穩(wěn)定，是煤結(jié)構(gòu)中的活性組分。在加熱過程中，這些單元逐漸裂解，形成氣體化合物揮發(fā)出去，而縮合芳香核部分則互相縮聚形成固體產(chǎn)品（半焦或焦炭）。煤熱解過程前期以裂解反應(yīng)為主，后期以縮聚反應(yīng)為主。

4 煤熱解技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀[13-17]

煤熱解技術(shù)歷史久遠(yuǎn)，早在19世紀(jì)就已出現(xiàn)，當(dāng)時主要用于制取照明用的燈油和蠟，隨后由于電燈的發(fā)明，煤熱解研究趨于停滯狀態(tài)。但在第二次世界大戰(zhàn)期間，德國由于石油禁運，建立了大型煤熱解廠，以煤為原料生產(chǎn)煤焦油，再通過高壓加氫制取汽油和柴油。在當(dāng)時的戰(zhàn)爭背景下，熱解成本并不是考慮的主要因素，但是，隨著戰(zhàn)后石油開采量大幅增加，煤熱解研究受到市場因素的影響再次陷于停滯狀態(tài)。我國早在1865年9月就由英商在上海蘇州河畔建成了中國第一座煤氣廠，采用水平式煤熱解爐工藝向公共租界供應(yīng)煤氣。隨后，繁華的外灘、南京路一帶開始啟用煤氣路燈，取代了早期的煤油燈。直到20世紀(jì)50年代，我國很多城市用的煤氣還是通過煤熱解產(chǎn)生的。

20世紀(jì)70年代初期，世界范圍的石油危機再度引起了世界各國對煤熱解工藝的重視。70年代以后，煤化學(xué)基礎(chǔ)理論得到了迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了各種類型的面向高效率、低成本、適應(yīng)性強的煤熱解工藝，典型的有回轉(zhuǎn)爐、移動床、流化床和氣流床熱解技術(shù)。表2列出了不同熱解工藝的技術(shù)指標(biāo)、特點和規(guī)模。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，許多煤熱解技術(shù)（如美國的ACCP和COED工藝、前蘇聯(lián)的 ETCH-175 工藝、德國的 Lurgi-Ruhrgas工藝，我國煤科院的 MRF 工藝和大連理工大學(xué)的DG工藝等）均已進(jìn)行了中試或工業(yè)示范，但至今未得到大規(guī)模應(yīng)用，其主要原因是這些技術(shù)在中試或工業(yè)示范過程中遇到了尚未解決的技術(shù)問題：如，生成的熱解油重質(zhì)組分多，氣固分離困難，含塵多、品質(zhì)低，加工利用成本過高。

熱解油重質(zhì)組分多引起的另一個致命問題是降低熱解氣的溫度時會造成其凝結(jié)粘壁，同時與粉塵混合形成油泥狀熱解油，堵塞管道，結(jié)果導(dǎo)致熱解過程不能長時間穩(wěn)定運行。熱解過程形成重質(zhì)組分較多的原因是：自由基產(chǎn)生速度過快，未有效及時阻斷大分子片斷的聚合反應(yīng)，從而形成了高沸點的大分子組分，且這些大分子組分未能在反應(yīng)器中通過二次反應(yīng)裂解，進(jìn)入最終產(chǎn)品。換言之，其原因是自由基大量快速產(chǎn)生但聚合反應(yīng)未能有效或定向調(diào)控，導(dǎo)致大自由基片段聚合形成重質(zhì)組分，且反應(yīng)器中發(fā)生的二次反應(yīng)未能有效裂解重質(zhì)組分。顯然，進(jìn)一步加強對煤分子水平的認(rèn)識，揭示自由基反應(yīng)調(diào)控機制和反應(yīng)器中二次反應(yīng)的調(diào)控機制等基礎(chǔ)科學(xué)問題是熱解技術(shù)成功與否的關(guān)鍵。

5 煤熱解過程的科學(xué)問題

煤熱解的實質(zhì)是自由基反應(yīng)過程，起始于煤結(jié)構(gòu)中的弱共價鍵解離，包括自由基的產(chǎn)生、聚合、重組、加氫以及這些產(chǎn)物的“二次”反應(yīng)。提高熱解油品質(zhì)量和產(chǎn)率的核心是通過對煤自由基形成、轉(zhuǎn)移和穩(wěn)定的定向控制，抑制自由基縮聚形成大分子的可能。具體來講，主要包括如下幾個方面的核心科學(xué)問題：

（1）煤結(jié)構(gòu)的識別和描述。在分子水平上識別和描述煤的物理與化學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)、煤中各種化學(xué)鍵的存在形態(tài)。探索煤中有效

組分的結(jié)構(gòu)特征及其在熱場中的轉(zhuǎn)化規(guī)律，碳、氫、氧鍵合結(jié)構(gòu)的分布特征及其在熱場中的變化,階段熱解產(chǎn)物與其他物質(zhì)（如煤中其他組分、反應(yīng)氣氛、添加物、催化劑）的相互作用及反應(yīng)控制理論。

表2 世界范圍內(nèi)主要熱解工藝概況

流產(chǎn) 熱為系油。焦分 ，，需,。粉焦易段油好 要作，焦多床組 快高碎 快高的，不多焦質(zhì) 需回質(zhì)，焦化質(zhì) 度率粉耗 熱率煤高焦：，品， ：返介雜粉流重 速收的能 加：收：耗粉點床高 點氣化復(fù)含段中 熱油煤加 點油點能與離優(yōu)化率 缺解流統(tǒng)中單油高 加焦但增 優(yōu)焦缺碎油分，但 產(chǎn) 度為 調(diào) 度 油 ，高，%油 粒量 成 粒 焦 化率產(chǎn)油焦，01—%5焦下以m 煤原、產(chǎn)含質(zhì)青油完，油焦、煤原、產(chǎn)%tw8.01，%53達(dá)氣焦半段床 率m4 聯(lián)多瀝焦、氣氣聯(lián)多約率可下，化流產(chǎn)氣70.0油焦中油、焦燃業(yè)油焦產(chǎn)氣率產(chǎn)解熱段多，%09率效熱煤，%9.12—%2.11在 徑粒煤，熱加、氣、電、熱，體載焦，%t11約 率半產(chǎn)生時同，體載工產(chǎn)生時 同，體載、氣、電、熱，體載煤，%tw21約率油 焦，mm1.0＜ 徑 道管塞粉煤段上，體載熱油，率 體 熱產(chǎn)%熱 熱 熱產(chǎn) 粒堵 體焦燒燃焦半產(chǎn)油 焦，雜載熱體氣%32體固，燒油焦；13.75—體固，燒體固，化體固，燒油焦試小，煤，體載易容焦半氣，床流質(zhì)輕和氣為源熱好量質(zhì)復(fù)統(tǒng)系和體固達(dá)可率燃焦半mm8＜%35.35燃焦半氣焦半行運試燃焦半mm1＜ 熱焦半塵粉和氣段兩煤到得調(diào)浙調(diào)步于步試初木 位 初城 中范范 成神 試 成藁 天/示示完，西 中，完，北 噸業(yè) 試 業(yè) 試陜 試 試河 試02工 小 工 中于 中 中于 中 和天/天/天/天/位 天 天/位 天 天/噸 噸 噸 噸試/山 噸試/噸05584.0 042 042中，試噸6.3蕭江021中，試噸8.3 001代代 代年3年07年07年07 002紀(jì)世02紀(jì)世02年7002年0102年9002年9002紀(jì)世02和0002 O所和RISC 理物熱所程工所程工解熱DEOC 的亞利學(xué)大程工院程過院程過院tterraG 煤粉ORP國 大 江 科 科 科 國 本OC美 澳 浙 中 中 中 美 日E床床床化行流流下氣

（2）氣固條件下的自由基反應(yīng)控制。從煤中有機大分子結(jié)構(gòu)的微觀角度認(rèn)識和掌握煤熱解產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律以及煤熱解過程中的一二次反應(yīng)對產(chǎn)物分布的控制機理，實現(xiàn)煤炭熱解過程中碳鏈斷裂與自由基終止定向調(diào)控，通過揭示低階煤特征結(jié)構(gòu)與熱解過程物種形成與產(chǎn)物組成的關(guān)系，建立調(diào)控自由基生成、轉(zhuǎn)移與穩(wěn)定的方法，實現(xiàn)抑制重質(zhì)成分生成、提高輕質(zhì)油氣產(chǎn)率的定向轉(zhuǎn)化目標(biāo)。

（3）熱解反應(yīng)器中的流動、傳熱、傳質(zhì)和熱解反應(yīng)速率的匹配。煤的熱轉(zhuǎn)化過程是包含一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的過程，它不僅涉及轉(zhuǎn)化過程中的物理、化學(xué)問題，同時還涉及到氣-固兩相流流動、傳熱和傳質(zhì)等問題。熱解初期大量自由基生成，自由基的穩(wěn)定速率低于自由基的生成速率，結(jié)果因二次反應(yīng)導(dǎo)致焦油產(chǎn)率和品質(zhì)下降，因此傳質(zhì)是關(guān)鍵的控制步驟。從反應(yīng)器的宏觀角度認(rèn)識多相流動、傳遞和分離等工程基礎(chǔ)對熱解產(chǎn)物分布的影響，實現(xiàn)熱解反應(yīng)器中的流動、傳熱、傳質(zhì)和熱解反應(yīng)速率的匹配調(diào)控。

（4）熱解油氣的高效分離與凈化技術(shù)。煤熱解產(chǎn)生的熱解氣中含有大量的粉焦，必須實施分離才能保證熱解產(chǎn)品的品質(zhì)，因此需要開發(fā)高效氣固分離設(shè)備，在熱解氣中的焦油冷凝之前分離出固體成分，并防止后續(xù)系統(tǒng)的堵塞。同時，開發(fā)高效低溫?zé)峤饨褂偷牟都蛢艋夹g(shù)，為焦油提質(zhì)精制提供合格的產(chǎn)品。

6 戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項熱解方案

煤的熱解過程極其復(fù)雜，包括無數(shù)個裂解、縮聚、重排、再裂解、再縮聚等反應(yīng)。熱解過程的穩(wěn)定運行不僅要求自由基形成與終止反應(yīng)速率有機匹配，而且需要反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和反應(yīng)工藝的優(yōu)化，匹配熱解二次反應(yīng)，并從轉(zhuǎn)化系統(tǒng)有機集成，開展從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)突破到系統(tǒng)集成的深入研究，涉及化學(xué)、化工、工程熱物理、機械、材料和控制等多種學(xué)科。中科院依據(jù)低階煤的組成與結(jié)構(gòu)特征，提出了以熱解為先導(dǎo)的低階煤清潔高效梯級利用的技術(shù)方案[18]。

針對低階煤熱解的難題，該專項通過深入探索熱解反應(yīng)器中的流動、傳熱、傳質(zhì)和熱解反應(yīng)速率的匹配等關(guān)鍵科學(xué)問題，依據(jù)熱解后的半焦的不同利用途徑，提出了兩條技術(shù)路線：一是低溫?zé)峤?，即?00℃—600℃范圍內(nèi)通過自由基產(chǎn)生和自由基穩(wěn)定之間、反應(yīng)器流動傳遞與二次反應(yīng)的平衡匹配，實現(xiàn)對熱解油氣產(chǎn)品的收率及品質(zhì)的控制，防止形成大分子聚合物在熱解系統(tǒng)中阻塞管道，并提升產(chǎn)品品質(zhì)；二是加氫熱解，即通過外加氫氣飽和產(chǎn)生的自由基，并將加氫熱解與間接液化有機結(jié)合，將熱解后的半焦進(jìn)行間接液化生產(chǎn)液體燃料，通過利用煤炭的結(jié)構(gòu)特征實現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)而提高低階煤轉(zhuǎn)化的能量利用的效率。在第一條技術(shù)路線中（低溫?zé)峤猓?，提出了兩種解決思路，一種是通過以快速升溫、梯級降溫和快速導(dǎo)出為特點的內(nèi)構(gòu)件移動床強化熱解技術(shù)，另一種是以快速熱解、快速分離、快速冷卻為特點的下行床熱解技術(shù)。圖4列出了中科院提出的熱解技術(shù)示意圖。

內(nèi)構(gòu)件移動床強化熱解以熱解氣為熱載體，利用導(dǎo)熱板強化傳熱，通過熱解氣定向?qū)С鰺峤猱a(chǎn)物將其引向低溫區(qū)，避免熱解產(chǎn)物在高溫區(qū)的過度二次反應(yīng)而降低焦油收率，同時在低溫區(qū)截留、再分解重質(zhì)組分，增加輕組分，并通過反應(yīng)器內(nèi)的顆粒層過濾減少隨熱解氣夾帶的顆粒粉塵，顯著提高焦油產(chǎn)品品質(zhì)及產(chǎn)率。該技術(shù)的核心在于反應(yīng)器的創(chuàng)新，一方面使移動床適應(yīng)包括小顆粒的寬粒度分布物料，另一方面使熱解產(chǎn)物在物料層內(nèi)由高溫向低溫流動，匹配熱解反應(yīng)的二次裂解過程，生成輕質(zhì)焦油。專項的目標(biāo)是在5年內(nèi)建成煤處理量萬噸以上的工業(yè)示范裝置并形成

30萬噸以上工業(yè)應(yīng)用設(shè)計工藝包，帶動煤低溫?zé)峤庵朴蜌猱a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

圖4 中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項中熱解方案示意圖

下行床煤熱解技術(shù)適合與半焦燃燒耦合，熱解后的半焦直接導(dǎo)入循環(huán)流化床（CFB）鍋爐燃燒發(fā)電。下行床熱解以高溫半焦為熱載體，具有氣固停留時間短、氣固徑向濃度分布均勻、返混小、實現(xiàn)快速熱解等優(yōu)點，耦合快速分離、快速冷卻技術(shù)，可望高效率、大規(guī)模熱解制油氣，特別是大規(guī)模熱解制備富氫合成氣。通過開發(fā)可實現(xiàn)大規(guī)模固固快速混合的技術(shù)和新型混合反應(yīng)器實現(xiàn)快速熱解，集成快速高效氣-固分離器并最大程度地縮短產(chǎn)物與顆粒的接觸時間而實現(xiàn)快速分離、擬制二次反應(yīng)，以及開發(fā)有利于熱解氣快速冷卻的冷凝裝置，以快速終止二次反應(yīng)而實現(xiàn)自由基生成與穩(wěn)定的平衡匹配調(diào)控。專項的目標(biāo)是在5年內(nèi)建成 3 000 噸/年的下行床快速熱解中試研究裝置以及10萬噸級煤熱解-燃燒耦合的示范工程，實現(xiàn)油氣-熱電聯(lián)產(chǎn)的連續(xù)運行。

加氫熱解技術(shù)方案，旨在將低階煤加氫熱解與高溫費托合成有機結(jié)合，通過利用煤結(jié)構(gòu)特點的多聯(lián)產(chǎn)和系統(tǒng)強化而提高低階煤轉(zhuǎn)化的能量利用效率。首先，低階煤在較溫和的條件下部分加氫，轉(zhuǎn)化其富氫揮發(fā)份得到一部分輕質(zhì)油品；加氫熱解后的半焦經(jīng)氣化制備合成氣，可減少低階煤直接干燥所需要的能耗；經(jīng)氣化以及FT合成過程中產(chǎn)生的高濃度CO2和甲烷重整制備的合成氣，進(jìn)入體系循環(huán)利用。兩部分油品共同處理可得到優(yōu)質(zhì)的柴油、航空煤油和石腦油。該工藝系統(tǒng)的能量得到了梯級利用。專項的目標(biāo)是在五年內(nèi)建成萬噸/年示范裝置并穩(wěn)定運行，形成百萬噸級工藝包和能效評價軟件，系統(tǒng)能效提升4—6個百分點。

7 結(jié)語

低階煤的結(jié)構(gòu)和特點非常復(fù)雜，而且不同地域的低階煤表現(xiàn)出的特性差異也是千差萬別，這給低階煤的熱解和綜合利用開發(fā)帶來了巨大的挑戰(zhàn)；低階煤的熱解經(jīng)過百余年的發(fā)展，雖然曾經(jīng)在特殊的戰(zhàn)爭背景下有過短期的大規(guī)模應(yīng)用，但是熱解產(chǎn)率低、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題依然未得到很好的解決，其中還有很多復(fù)雜的科學(xué)問題和工程問題需要探索。同時，在當(dāng)前的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)保要求日益提高的大背景下，單純的依靠包括熱解在內(nèi)的某一項單元技術(shù)來解決低階煤的高效利用問題是不現(xiàn)實的，必須通過將熱解技術(shù)與燃燒、氣化、間接液化等一系列相關(guān)技術(shù)耦合起來，形成低階煤利用的系統(tǒng)解決方案，才能真正實現(xiàn)梯級和高效利用。

致謝 感謝中科院過程工程所許光文研究員，中科院山西煤炭化學(xué)所樊衛(wèi)斌研究員，中科院國家科學(xué)圖書館武漢分館張軍研究員提供的幫助。

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韓永濱 中科院科技促進(jìn)發(fā)展局副研究員，博士。曾在原高技術(shù)研究與發(fā)展局從事潔凈煤領(lǐng)域科技管理和能源科技政策研究。E-mail:ybhan@cashq.ac.cn

Structural Characteristics of Low-rank Coaland its Pyrolysis Technology Development

Han Yongbin1Liu Guiju2Zhao Huibin2
（1 Bureau of Science&Technology for Development,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China 2 Bureau of Frontier Sciences and Education,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China）

The Demonstration of Key Technologies for Clean and Efficient Utilization of Low-rank Coal,one of the Strategic Priority Research Programs carried out by Chinese Academy of Sciences （CAS）,has been initiated to develop a new staged-utilization solution of low-rank coal.The pyrolysis of low-rank coalis one of the key technologies and a lotof scientific,technicaland engineering challenges need to be addressed.Since the 1970s,many countries have carried outa large number of scientific and technicalresearches about coalpyrolysis,butthere is stillnotlarge-scale commercialoperation of coal pyrolysis technology.Therefore,it is highly needed to have deep insight into the scientific and technical issues of coalpyrolysis and thereby to achieve innovation ideas in process design and engineering development in order to commercialize the pyrolysis technology of low rank coal.This paper begins with an introduction of the structural characteristics of low-rank coal and a description of the potential difficulties in coal pyrolsyis.In turn,the paper presents a simple review on the experienced developments for coalpyrolysis technologies and a highlightof the new process ideas for pyrolysis under developmentin CAS.

low-rank coal,the strategic priority research programs,pyrolysis

* 修改稿收到日期：2013年8月29日