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

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和消費總量的76%和69%，且在未來相當長時期內仍將占據一次能源的主導地位。中國原煤產量已由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]，其中火力發電量達38253.2億kW•h，比上年增長14.8%，且占發電總量的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電，預計到2020年將達50億t左右。據專家預測，未來的30~50年內煤炭在我國能源結構中的比例仍將超過50%，2010—2050年的總耗煤量在1000億t標準煤以上，且發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。

隨著中國經濟的快速發展，石油、天然氣供應缺口將逐年加大，勢必影響中國經濟的可持續發展，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展戰略，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。經研究表明，在多種替代石油和天然氣的方案中，煤炭轉化的量級最大，且已有較好的技術基礎，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構，特別是中低階煤（褐煤和高揮發分煙煤），其揮發分甚至可達40%以上，其中包含簡單芳香結構和多種含氧官能團結構。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、酚類等重要化學品，而且這些化學品的附加值顯著高于燃料。因此，煤通過轉化生產燃料的路線逐步轉向了燃料和化學品聯產的路線。由煤熱解生產燃料并聯產化學品的路線是與煤的組成結構直接相關的煤分級轉化，其核心技術充分利用了煤組成結構的不均一性。

1煤熱解技術的研究背景

中國科學院郭慕孫院士在20世紀80年代提出了“煤拔頭”工藝[4]。這是一種以熱解為先導的煤多聯產技術。該工藝是在常壓、中低溫的較溫和條件下，對高揮發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構產物，如酚、脂肪烴油、三苯（BTX）和多環芳香烴以液體產品的形式提取出來。剩余的半焦作為燃料進一步應用，從而實現分級轉化、梯級利用的目的。中國煤炭資源中中高揮發分煤占80%以上，包括約13%的褐煤、42%的次煙煤和33%的煙煤。富含揮發分的煤可直接轉化為高價值化學品（如酚、萘）、大宗燃料油及燃氣的碳氫結構，直接燃燒或氣化將導致煤中揮發分被等同于煤中的固體組分，未能實現資源的梯級利用，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燃油和燃氣，其能效可提高10%以上[4]，煤炭節省量、CO2和其他污染物的減排量均非常顯著。顯然，中低階煤分級轉化聯產低碳燃料和化學品的路線將成為我國煤炭利用產業的戰略需求。

2煤熱解技術的研究現狀

在上述技術思路的指導下，以熱解技術為先導的煤綜合利用技術逐漸受到各研究所和高校的關注。中國科學院過程工程研究所自20世紀90年代開始，對煤熱解技術的基礎理論、工藝和設備等方面進行了系統研究，獲得了國家科技部863、973項目以及中科院知識創新工程方向項目的支持，該研究的核心技術已獲得了多項國家發明專利。中國科學院過程工程研究所采用下行床熱解反應器，與循環流化床耦合以實現工藝系統的集成。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，進行了熱態實驗，對低揮發分的次煙煤，焦油產率為8.1%，煤氣產率為7.4%，值得注意的是煤氣中甲烷含量較高（28.70%），充分體現了煤低溫快速熱解后煤氣成分的特點。2009年獲得中國科學院知識創新工程重要方向項目“煤熱解與焦油高值利用技術平臺及中試”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，現已基本完成裝置的搭建，預計于2012年底完成中試裝置的調試。浙江大學以循環流化床固體熱載體供熱的流化床熱解技術為基礎[6]，與淮南礦業集團合作開發的示范裝置于2007年8月完成72小時的試運行，獲得了工業試驗數據。該工藝的熱解器為常壓流化床，用水蒸氣和再循環煤氣為流化介質，運行溫度為540~700℃，粒度為0~8mm的煤經給煤機送入熱解氣化室，熱解所需要的熱量由循環流化床鍋爐來的高溫循環灰提供，熱解后的半焦隨循環灰送入循環流化床鍋爐燃燒，燃燒溫度為900~950℃。12MW工業示范裝置的典型結果為：熱解器加煤量10.4t/h，焦油產量1.17t/h，煤氣產量1910Nm3/h，煤氣熱值23.11MJ/Nm3，所得焦油中瀝青質含量為53.53%~57.31%。中國科學院工程熱物理研究所開發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業發展領導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。中國科學院山西煤炭化學研究所開發了基于移動床熱解裝置的多聯供技術[8]，與陜西省府谷恒源煤焦電化有限責任公司合作，建成了與蒸發量75t/h循環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，得到的產物結構中，焦油產率約為6%，煤氣產率約為8%，半焦產率約為75%。#p#分頁標題#e#

3以熱解技術為先導的煤綜合利用及能效分析

根據我國低階煤為主的煤炭資源特點，提出了以熱解為先導的煤綜合利用的戰略思路，工藝路線如圖1所示。該思路結合了煤的結構特點，根據綜合利用、分級轉化、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，從煤中提取具有高附加值的富氫液體產品（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（如超超臨界發電技術）結合，或者與氣化技術結合，實現先進的多聯產系統，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，同時可使半焦產生單位能量所消耗的C降低，有利于減少CO2排放，從而實現煤炭資源與能源價值的梯級、高效轉化和清潔利用。根據現有的實驗結果和評價體系[9-12]，對上述以煤熱解為先導的煤綜合利用模式進行了能效和過程的碳排放分析（圖2），并對當前煤化工相關產品的單位能耗、煤耗和排碳量進行了比較。由分析結果可知，以熱解為先導的煤先進發電、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%。碳排放是指生產過程中排放的CO2當量與輸入總煤量的比值。比較不同路線的碳排放，熱解為先導的先進發電、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-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，以熱解為先導的煤綜合利用技術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展趨勢之一。

4以煤熱解技術為基礎的分級混合發電技術

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

5“低碳”煤熱解技術發展的關鍵問題

目前，在煤炭分級轉化技術方面雖然已有較好的積累，但是在分子水平上對煤的結構特征和核心化學反應規律的認識還處于統觀和模糊的水平，對傳遞和反應工程及過程調控的認識還處于經驗層面，對復雜產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，產品附加值不高。因此，實現煤的高效清潔燃燒和轉化不能僅僅依賴對煤炭組成的宏觀認識，還必須從分子水平上認識物質的組成和結構，認識不同條件下的化學變化及反應行為。煤炭組成、結構和性質的復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構的認識，揭示自由基反應調控原理和過程強化機制，建立煤結構和熱解反應行為間的關系，是煤分級轉化利用技術取得突破的關鍵。

6小結

針對中國的能源特征，開展以熱解為先導的煤炭資源化清潔高效綜合利用技術路線，尤其是最新提出的以煤熱解為基礎的分級混合發電技術，不僅能充分利用高揮發分的褐煤資源，而且通過熱解析出揮發分生成液態焦油以提取高價值的化學品，并與生成的氣體和半焦用于蒸汽–燃氣輪機聯合發電技術集成，還可對國內現有的中小型發電廠進行改造，以實現節能減排。因此，力求解決制約熱解技術應用的關鍵科學和技術問題，研發煤炭熱解定向轉化的煤炭分級綜合利用制備油氣產品的技術以及混合發電成套技術，對于實現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產發電的戰略性新興產業的發展具有十分重要的戰略意義。