低阶煤热解提质技术发展现状及趋势研究

低阶煤热解提质技术发展现状及趋势研究

胡静泊

中国化学工程第十一建设有限公司 天津南开 300000

摘要：催化热解是低阶煤实现定向转化的必经之路。热解产物的二次裂解作用，即热解与催化裂解耦合是提高油气品质、保证焦油收率最有潜力的工艺之一。裂解催化剂的开发与选取，对低阶煤高效分级转化具有重要作用。与传统低阶煤加氢热解、催化加氢工艺相比，热解与催化裂解耦合技术优势明显，有望将来应用于工业化，但仍有许多工作需要解决，即今后低阶煤热解发展的主要方向。

关键词：低阶煤；热解提质技术；现状；发展趋势

开展以低阶煤为原料，以预处理、热解、发电、供热等多技术为基础．以低阶煤热解提质为核心的清洁、高效、分级、分质的新型低阶煤多联产综合利用，开发、优化、完善具有我国自主知识产权的、适用于具有我国低阶煤特征的低温、快速、热载体流化床热解技术，并加强各项技术的耦合、集成与优化，实现低阶煤中各有效组分的高效利用和能量的梯级利用，进一步降低设备投资和生产成本，提升低阶煤全产业链发展水平和经济效益．确保装置长周期、环保安全、高效节能的稳定运行．促进我国低阶煤分级分质利用的健康、长远发展。

1 褐煤热解基本原理

1.1 褐煤热解概念

褐煤热解是指在隔绝空气（或在惰性气体中）条件下将褐煤加热，最终可得到热解煤气、焦油和半焦产品的加工方法。一般的热解温度范围为500～650℃，褐煤在此过程中进行一系列的物理变化和化学变化，最基本的表现形式为化学键的断裂。

1.2 褐煤热解过程

褐煤热解过程和烟煤热解过程相似，都是发生分解、裂解和缩聚等反应，只是不产生胶质体。其热解过程具体如下：

（1）褐煤干燥脱气阶段（室温～300℃），温度低于120℃时，脱除褐煤中的水分和吸附的气体；120～200℃煤种吸附的CH₄、CO₂、N₂等气体脱除；200～ 300℃褐煤发生脱羧反应，析出大量的CO₂。（2）一次热解阶段（300～600℃），该阶段以褐煤分子的分解和解聚为主，生成大量挥发性气体组分和相对分子较大的粘稠液相组分，煤热解产生的焦油主要是在此阶段生成，并且得到发热量显著提高的固体半焦；（3）二次热解阶段（600～900℃），该阶段以缩聚反应和芳香烃边缘联结的小分子侧链（－CH₃）或氢的脱落为主，氢气主要在这阶段析出，同时半焦转化为焦炭。

2 低阶煤热解提质技术现状

2.1加氢热解

在煤热解过程中，外界提供的氢与热解产生的自由基结合，形成结构稳定的较小分子物质，降低了热解自由基之间的缩聚，不仅有利于提高焦油收率，而且有利于促进焦油组分轻质化、也可通过加氢作用脱除S、N等杂原子，改善焦油品质。研究表明加氢改变了二次反应历程，促进了焦油的生成，随着氢气浓度的增加，焦油中BTX(苯、甲苯、二甲苯)和PCX(苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚)含量增多。为了提高焦油收率，加氢热解研究主要集中在加氢催化热解方向。

2.2催化热解

煤催化热解是利用催化剂在热解过程中选择性地促进或抑制热解自由基或分子间的相互作用，实现热解产品的定向调控及品质优化，使热解反应条件温和、油气收率增加。催化热解是煤热解领域当下发展的主要趋势之一。常用的催化剂有碱金属和碱土金属、过渡金属及其化合物、负载型催化剂等。

2.3热解与催化裂解耦合

热解与催化裂解耦合工艺是指煤热解与热解产物焦油催化裂解的耦合。煤热解过程中产生的一次热解产物经过二次裂解作用可以有效改善煤热解油气品质，二次催化裂解即催化改质焦油是将重油转变成轻油及气体极有可能的一种方法。近年来的研究主要采用两段式固定床反应器或者是在一段式反应器中分段进行热解反应，即原煤在上层，催化剂在下层，原煤在上层发生热解反应，热解产物进入下层发生催化裂解反应。

2.4炭基催化剂在热解与催化裂解耦合中的应用

热解与催化裂解耦合研究常用的催化剂是金属系列催化剂，金属催化剂成本高，易中毒，且回收利用较为困难。近年来，炭基催化剂逐渐用于煤热解产物的二次裂解研究，归因于其具有以下性能：①抗硫、抗毒和抗积碳的能力；②便于改性及负载金属活性组分提高活性；③丰富的比表面积和孔结构；④成本低、易制备等。具有代表性的炭基催化剂是半焦和活性炭。

3 低阶煤热解提质技术未来发展趋势

3.1 以促进稳定性为发展方向

首先就是以促进稳定性为主要发展方向，稳定性并非是单纯地指生产效率问题，很多时候还包括安全性问题，在低阶煤热解提质技术当中，一定不能够给人们生命安全带来威胁。另外稳定性还包括稳定的生产效率，在低阶煤热解提质技术当中，如果技术不够成熟，就可能导致某一生产过程效率较高，而某一生产效率比较低，这样依然不能够达到人们的需求，只有稳步地满足人们的生产需要，在使用的过程中能够基本维持在同一水平，这样才是对低阶煤热解提质技术有着较为良好的掌握。

3.2 多元化热解提质技术推进低阶煤的转化

在多元化热解提质技术中，所要考虑的主要问题就是温度的智能控制，要想实现温度的智能控制并非容易的事情，因为很多时候要想探测准确的温度，要对每个过程都能够精准地把控，要通过各种各样的电子元件和半导体才能够实现目的。但是因为在高温的情况下，半导体却受到了很多的影响，在低阶煤热解提质的过程中还会对其他的一些精密仪器造成一定的破坏，使得其无法正常工作，这也就给人们带来了一系列难题。如何将半导体和低阶煤热解提质的反应容器分离开来，但还能够保证其更好地发挥作用，也给我们提出了一系列的难题。总而言之，在低阶煤热解提质生产方式当中，还有许多问题有待改进。在实际控制外界变量的过程中，要能够根据实际的反应情况以及机械的运转情况进行智能控制，这一过程中仅仅通过人为的控制是不够精准的，很多时候还有利用电子计算机，并配合一系列的传感器，对温度进行准确的感知，相对应地进行一定的调控。

3.3 梯级生产方式有待改进

梯级方式提炼的过程中包括干馏，分离，液化等技术，充分地考验了技术水平。很多时候并非是人们没有认识的到梯级生产方式的重要性，而是实际生产的过程中受到多方面因素的影响，要想达到标准其实是很难的。梯级生产方式虽然说有着较为良好的理论，但是实际应用过程中却遇到很多的困难。在初步模型建设的过程中就看出了梯级生产方式的优越性，但是在实际使用过程中却有待改进，一是要考虑成本问题，二是要考虑安全性问题，并非是梯级生产方式当中只有成本问题和安全性问题，而是这两方面比较重要，我们在实际的生产过程中要将其放在首要位置。一要保证安全保证，不会发生各种各样的问题，二是要考虑成本，这样才是符合人们的核心利益。

综上所述，目前，世界各国的煤炭热解进展速度缓慢，而我国由于能源需求及资源特征等因素，煤炭热解技术研究正在日新月异的发展，许多技术达到甚至超过了国际先进水平，工业化程度也在不断扩大。尽管国内先进的褐煤热解技术种类较多，但主要采用的还是固体热载体工艺，而且大多数处于试验阶段，最多是产业化示范装置在运营，可以说到目前为止也没有特别成功的大规模运行。示范工艺的技术可靠性和经济行还需要各个项目长期稳定运行来验证。

参考文献：

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[4]低阶煤提质工艺优化研究进展 [J]. 范雯阳,王理想,林远奎,李青松,闫厚春,廖朝晖. 应用化工. 2019(07)