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煤固体热载体热解

课程设计（论文）

课程名称：

科技论文写作训练

题目：

煤固体热载体干馏工艺

的研究进展

院（系）：

材料科学与工程学院

2012年03月13日

西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书

专业班级：

学生姓名：

指导教师（签名）：

一、课程设计（论文）题目

煤固体热载体干馏工艺的研究进展

二、本次课程设计（论文）应达到的目的

了解科技论文的基本特征和写作过程，掌握科技论文各部分的撰写格式和撰写方法。

掌握文献资料的整理和归纳总结，熟悉综述性科技论文的写作要求和写作方法。

三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）

主要内容：

根据题目选定关键词，查阅国内外相关文献，归纳总结文献资料，深入了解本课题的研究进展情况及存在的问题，撰写一篇不少于6000字的综述性科技论文。

要求：

1.论文格式严格按照《西安建筑科技大学本科课程设计（论文）管理规定（试行）》执行；

2.科技论文中要包括标题、署名、摘要、关键词、引言、正文、结论、致谢、参考文献，各部分语言表达和格式要符合科技论文规范；

3.参考文献不少于30篇，其中外文文献不少于10篇。

四、应收集的资料及主要参考文献：

[1］郭树才.煤化工工艺学［M］.北京:

化学工业出版社，1995.

[2］StromA.H.,EddingerR.T..COEDplantforcoalconversion[J].Chemical

EngineeringProgress,1971,67（3）:

75-80.

[3]HarryP..Coalconversiontechnology[J].ChemicalEngineering,1974,22:

88-102.

[4]梁鹏，巩志坚，田原宇.固体热载体煤热解工艺的开发与进展[J]．燃料化学学报，2007,26（3）:

32-36．

［5］吴永宽.国外低温干馏技术的开发现状与面临的课题［J］.洁净煤技术，1995,

（1）:

39-45.

五、审核批准意见

教研室主任（签字）

煤固体热载体干馏工艺的研究进展

摘要

介绍了煤炭低温干馏工艺的发展，对国内外几种典型的以固体热载体作为热源将煤热解的工艺进行了比较和评述。

针对目前煤炭资源综合利用和环境保护的需要，利用循环流化床（CFB）锅炉的高温循环灰作为热载体将煤在干馏炉中进行干馏，析出煤气和焦油，热解半焦和循环灰返回CFB锅炉燃烧室继续燃烧发电，实现热、电、油、气的联合生产。

该工艺将热解、燃烧过程耦合起来，是提高煤炭资源利用率的有效手段之一,在燃煤电厂也具有良好的发展前景。

关键词：

固体热载体，固体热载体，煤干馏，多联产，循环流化床

TheresearchprogressofCoalcarbonizationwithsolidheatcarrier

Abstract

Introducesthedevelopmentofthecoallowtemperaturedistillationprocessofseveralkindsoftypicalathomeandabroadwithsolidheatcarrierasheatsourceofpyrolysistechnologycoalarecomparedandevaluatedinthispaper.Accordingtothecomprehensiveutilizationofcoalresourcesandtheneedtoprotecttheenvironment,useofcirculatingfluidizedbedboiler（CFB）ofhightemperaturecycleasheatcarriermakesthecoalashdistillinthedrydistillationoven,exhalationgasandtar,pyrolysiscarbocoalandcirculationashtoreturntotheboilercombustionchambertocontinueburningCFBpowergeneration,realizeheat,electricity,oil,gasjointproduction.Theprocesswillpyrolysis,combustionprocesscoupled,enhancethecoalresourcesutilizationrateisoneoftheeffectivemeansof,incoal-firedpowerplantsalsohavegooddevelopmentprospect.

Thekeywords:

Solidheatcarrier，Coalcarbonization，ploy-generation，CFB

目录

0引言5

1传统的固体热载体煤干馏工艺5

1.1Garrett工艺6

1.2Toscoal工艺6

1.3LR工艺7

1.4DG工艺8

2与循环流化床燃烧相结合的固体热载体煤热解工艺9

2.1热、电、煤气三联产工艺9

2.2循环流态化碳氢固体燃料的四联产工艺10

2.3CFB燃烧/煤热解多联产工艺11

3结论12

参考文献13

致谢16

0引言

我国煤炭资源丰富，原煤除部分用于炼焦、转化加工外，绝大部分用于直接燃烧。

将煤直接燃烧不但热效率低、对环境的破坏严重，而且煤中具有较高经济价值的富氢组分得不到合理利用。

因此，开发出把煤炭转化为洁净燃料和多种化工产品的工艺过程具有重要的现实意义。

煤的热解是将褐煤和高挥发分烟煤在惰性气氛下加热，制取半焦、煤气、焦油等产品。

与气化或液化过程相比，煤热解具有工艺过程简单，加工条件温和，投资少，生产成本低等优势。

对煤热解的研究始于19世纪，当时主要用于制取灯油和蜡。

二次世界大战期间，德国建立了大型低温干馏工厂，用褐煤为原料生产低温煤焦油，再高压加氢制取汽油和柴油[1]。

到上世纪70年代，煤炭热解生产低温焦油已受到各国学者的广泛重视，并开发出多种热解工艺。

煤热解工艺按加热方式可分为外热式和内热式两类。

外热式热效率低，煤料加热不均，挥发产物的二次分解严重；内热式工艺克服了外热式的缺点，借助热载体（根据供热介质不同又分为气体热载体和固体热载体）把热量直接传递给煤料，受热后的煤发生热解反应。

气体热载体热解工艺通常是将燃料燃烧的烟气引入热解室，代表性的有美国的CODE工艺[2-3]\ENCOAL工艺[4-5]和波兰的双沸腾床工艺[6]等；固体热载体热解工艺则利用高温半焦或其他的高温固体物料与煤在热解室内混合，利用热载体的显热将煤热解。

与气体热载体热解工艺相比，固体热载体热解避免了煤热解析出的挥发产物被烟气稀释，同时降低了冷却系统的负荷[7]。

比较而言，在能获得高温固体热源的情况下，固体热载体热解工艺优势明显，本文就国内外几种典型的固体热载体煤热解工艺分别进行评述。

1传统的固体热载体煤干馏工艺

传统的固体热载体煤干馏工艺的特点是利用高温半焦或其他的高温固体物料（如瓷球）为热载体与煤在热解室内混合，利用热载体的显热将煤热解，得到产物半焦、煤气和焦油。

国内外主要的传统固体热载体工艺有Garrett公司开发的Garrett工艺，油页岩公司开发的TOSCOAL工艺，鲁奇、鲁尔公司的LR工艺和大连理工大学的DG工艺。

1.1Garrett工艺

1煤仓；2煤提升管；3旋风分离器；4洗涤器;5热载体加热器；6热解反应器；7转鼓；8分离器；9气液分离器；10半焦冷却器；11热载体提升管

图1Toscoal工艺流程示意图

Garrett工艺最初由美国Garrett研究与开发公司开发，后来与西方石油公司共同对原工艺进行了改进和发展。

将煤粉碎至200目以下，用高温半焦（650~580℃）作为热载体，将煤粉在两秒钟内加热到500℃以上，由于停留时间很短，有效地防止了焦油的二次分解。

产品收率与性质取决于煤的种类，产油的最佳温度范围是560~580℃，高挥发分的烟煤在此温度下的油产率最高可达干煤的35%，600℃以上产油量逐渐减少，产气量逐渐增大。

1972年建成了处理煤量3.8t/d的中试装置，循环半焦量27t/d。

该工艺用部分半焦作为热载体实现煤的快速加热，有效地防止了焦油的二次分解；但生成的焦油和细颗粒的半焦附着在旋风分离器和冷却管路的内壁，影响系统的长期运行[8-9]。

1.2Toscoal工艺

TOSCOAL工艺是由美国油页岩公司开发的用陶瓷球作为热载体的煤炭低温热解方法[10-12]，其工艺流程见图1。

将6mm以下的粉煤加入提升管中，利用热烟气将其预热到260~320℃，预热后的煤进入旋转滚筒与被加热的高温瓷球混合，热解温度保持在427~510℃。

煤气与焦油蒸气由分离器的顶部排出，进入气液分离器进一步分离；热球与半焦通过分离器内的转鼓分离，细的焦渣落入筛下，瓷球通过斗式提升机送入球加热器循环使用。

该工艺于70年代建成处理量为25t/d的中试装置，但试验中发现由于瓷球被反复加热到600℃以上循环使用，在磨损性上存在问题；此外，粘结性煤在热解过程中会粘附在瓷球上，因此仅有非粘结性煤和弱粘结性煤可用于该工艺。

1.3LR工艺

1煤提升管；2煤仓；3螺旋进料器；4导管；5热解反应器；6半焦提升管；7半焦收集器；8空气预热器；9旋风分离器；10焦油捕集器；11除尘器；12气体冷却器；13分离器

图2LR工艺流程示意图

鲁奇和鲁尔公司开发的LR工艺流程如图2所示。

煤经螺旋给料器进入导管，导管中通入冷的干馏煤气使其流动并送入干馏炉，煤与循环热半焦一起在机械搅拌的干馏炉中混合，干馏温度为480~590℃，产生的半焦一部分用作燃料，一部分被循环使用，煤气与焦油蒸气进入分离系统进行分离。

1961年在Dorsten建成处理煤量为260t/d的热解工厂，连续运转时间达到200h，但后续开发工作由于油价的下跌而中断。

该工艺利用部分循环半焦与煤进行热交换，而且燃烧热解气体用于煤的干燥，因此整个过程具有较高的热效率。

但由于大量焦渣颗粒被带入焦油中，焦油中固体颗粒物含量高达40%~50%，给焦油的加工和利用带来了困难；同样，使用粘结性煤会因焦油和粒子的凝集而引起故障；该工艺采用机械搅拌对煤和热半焦进行混合，磨损和设备放大等方面存在问题［13-14］。

此外，LR工艺也适合于用砂子作为热载体将重油热解的过程，并在德国、日本、中国等地建起砂子炉［15］。

1煤提升管；2焦仓；3混合器；4热解反应器；5半焦提升管；6焦仓；7流化床锅炉；8旋风分离器；9洗涤器；10气液分离器；11焦油罐；12脱硫箱

图3DG工艺流程示意图

1.4DG工艺

大连理工大学开发的DG工艺主要由煤干燥及提升、半焦流化燃烧及提升、煤焦混合、煤干馏、焦油及煤气的回收系统等部分组成，其工艺流程如图3所示。

将小于6mm的粉煤与用作热载体的半焦在螺旋式混合器中混合，煤焦混合物被送入干馏反应器完成干馏反应。

热解半焦在提升过程中加热，通过半焦储槽后进入反应器循环使用。

所用原料为灰分17%~32%、热值4500kcal/kg的低质褐煤，生产热值为16~18MJ/m3的中热值煤气，同时获得干煤量30%~40%的半焦和2%~3%的优质低温焦油。

在10kg/h的连续装置上完成了20余种褐煤和油页岩的固体热载体快速热解实验的基础上［16］，于1993年在平庄建成了处理褐煤的能力为150t/d的固体热载体热解的工业试验装置［17］。

但半焦细粒子与重质焦油在旋风分离器内壁凝集等技术问题并未彻底解决，该工艺没有进行后续开发。

上述固体热载体煤热解工艺起步较早，但至今没有实现商业化应用，其主要原因在于：

传统固体热载体工艺与气体热载体工艺相比，以大量粉煤为原料，利用了热载体的显热，具有较高的热效率。

工艺不仅解决了环境污染问题，而且产生的焦油收率及煤气热值均较高。

但亦存在不足之处。

虽然反应过程中利用了热载体的显热，但仍需要通过额外的燃料燃烧对其供热；得到的半焦产品是燃烧过的焦渣与新鲜焦渣的混合物，其作为优质燃料的利用价值较低。

2与循环流化床燃烧相结合的固体热载体煤热解工艺

图4循环流化床锅炉燃烧／热解多联产工艺

近年来，随着循环流化床燃烧技术的发展和煤炭综合利用的要求，基于循环流化床的固体热载体煤热解工艺作为煤炭资源综合利用的最佳方式之一日益受到重视[18]。

循环流化床锅炉燃烧除具有煤种适用性强、清洁高效、炉内脱硫等优点外，还有两个重要特征：

一是可以高效地燃烧劣质煤；二是炉内存在稳定的高温热灰循环流，它携带了大量可在炉外利用的热量。

利用这两个特征，可以在使用循环流化床锅炉的燃煤电厂建立一种新的工艺系统，以循环流化床锅炉的高温循环热灰作为热载体，干馏原煤产生高质星的煤气和焦油，干馏后的半焦作为锅炉燃料送人炉内燃烧以生产蒸汽，用来发电和供热，实现煤的洁净、综合利用。

工艺流程如图4所示[19]。

2.1热、电、煤气三联产工艺

浙江大学[20-21]在循环流化床锅炉燃烧与热解结合工艺方面研究起步较早，工艺以循环流化床锅炉的高温循环热灰为热载体，将其送人用循环热煤气作为流化介质的气化炉（热解炉）内，在气化炉内循环热灰可将粉煤热解并发生部分气化。

产生的粗煤气和细灰颗粒经分离、净化、洗涤、电捕焦油器后，部分粗净化后的煤气送回气化炉底部作为气化炉的流化介质；气化后的半焦随循环物料一起送回锅炉燃烧室内燃烧、产热、发电，从而实现了多联产。

实验结果表明：

采用该工艺焦油收率可达10％左右，目前已经完成12MW循环流化床热电气焦油多联产工业示范装置的试运行。

2.2循环流态化碳氢固体燃料的四联产工艺

1煤仓；2混合器；3料阀；4下行床反应器；5快速气固分离器；6快速冷凝器；7返料阀；8流化床燃烧室；9旋风分离器；10灰仓；11焦油泵

图5循环流态化碳氢固体燃料的四联产

工艺流程示意图

中科院化工冶金研究所提出了循环流态化碳氢固体燃料的四联产工艺［22］，如图5所示。

将煤与来自锅炉的热灰在固-固混合器中快速混合，然后进入下行管，煤在下行流动的同时进行热解，析出挥发分。

气固混合物随后被送入气固分离器快速分离，气相产物经冷凝器降温后可得到焦油和煤气，半焦和循环灰则继续下行，通过固体返料装置送回锅炉内燃烧。

该工艺整个过程全部采用气力控制技术，无机械密封或搅拌装置，不存在运输过程造成的磨损问题[19-25]。

目前已在处理量为8kg／h的装置上进行了热态实验的考察，该工艺的主要特点是可获得较高的液体收率。

与其它技术相比，循环流化床锅炉燃彬热解多联产技术具有突出优势：

充分利用热灰和半焦的显热，整个过程不需要外部供热；热解系统相对循环流化床锅炉为独立系统，可靠性较强；热解系统使用高挥发分的烟煤或褐煤，循环流化床锅炉使用劣质燃料，可实现优、劣煤种的合理利用；煤在干馏过程中先行脱出有机硫和挥发分的氮，使循环流化床SO2和NO2的排放明显降低；实现电、热、煤气和煤焦油四联产，达到最高经济效益。

1循环流化床锅炉；2旋风分离器；3分灰器；4煤仓；5鼓风机；6热解反应器；7除尘器；8气液分离器

图6CFB燃烧/煤热解多联产工艺流程示意图

2.3CFB燃烧/煤热解多联产工艺

中科院山西煤炭化学研究所开发的基于循环流化床的煤热解多联产工艺的主要特征在于：

来自CFB锅炉旋风分离器的热灰通过组合式U型返料器完成热灰的分配；热灰与煤依靠重力在一特殊的固-固混合器内快速混合均匀后在移动床热解反应器内发生反应；使用移动颗粒床过滤器实现气固分离；热解后的半焦和热灰由半焦返送阀控制返回锅炉燃烧室内。

该工艺流程如图6所示。

针对该工艺过程中的关键技术问题，对循环流化床煤燃烧/热解双反应器中流体的流动特性、粉煤-固体热载体快速热解、煤与热载体混合方式、热解煤气的除尘及U型返料阀的返料特性等方面进行了大量的研究工作［23-27］。

结果表明，利用循环灰自身携带的氧化钙作为固硫剂，可将热解产生的大部分气相硫固定在循环灰中，有利于降低多联产系统中气、液产物的含硫量。

对于高挥发分烟煤，热解焦油收率可达干煤重量的10%左右，经济效益显著。

目前陕西府谷正在建立该工艺的中试示范装置。

3结论

综上所述，传统的固体热载体热解工艺的开发起步较早，但由于存在过程热效率低、固体产品利用价值低等问题，已基本停止了研究。

基于循环流化床燃烧的固体热载体煤热解工艺合理地利用循环流化床锅炉的高温热灰作为煤热解热源，实现热、电、油、气的多联产，克服了传统固体热载体工艺存在的问题，因而比传统工艺更具有竞争力。

（1）循环流化床锅炉提供了大量可在炉外利用的热灰，不需要专门的热载体加热设备就可获得稳定的高温热载体来源；热解半焦直接用于循环流化床的燃烧，充分利用了半焦的显热，整个系统的热利用率高。

（2）利用循环流化床锅炉燃烧劣质煤的优势，被热载体稀释的热解半焦无需分离直接返回锅炉燃烧，从而克服了传统固体热载体热解工艺固体产物利用价值低的问题。

（3）在污染物脱除方面，由于煤中的部分含硫含氮化合物在干馏过程中富集脱除，使得循环流化床脱硫脱氮负荷显著降低。

作为一种煤炭资源综合利用方式，虽然基于循环流化床燃烧的固体热载体煤热解工艺优势明显，但在工业化方面仍存在很多问题，主要原因在于过程开发中普遍遇到了一些技术问题，如固体物料混合、含尘热解气的净化及热解后半焦与灰的返送等，阻碍了该工艺的进一步开发。

热载体与煤的混合是否均匀不仅直接影响到热载体与煤颗粒之间的传热效率，而且也是避免焦粒黏结、保证固体颗粒在耦合系统中稳定流动的关键因素。

而粉尘与热解煤气若得不到分离，将会给焦油的加工和利用带来困难，严重时还会堵塞焦油冷却系统的管路。

相信在通过对工艺过程中的技术难点改进和优化后，这种既能实现煤炭资源经济合理利用，又能缓解燃煤造成的环境污染的洁净煤技术，在经济效益和社会效益方面有光明的前景。

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