低阶煤的固体热载体热解工艺

低阶煤的固体热载体热解工艺

发表时间：2019-08-30T16:39:11.633Z 来源：《基层建设》2019年第16期作者：冉启东张倍铭[导读] 摘要：低阶煤的热解是指煤在隔绝空气或惰性气氛条件下持续加热至较高温度时，所发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程。

国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心湖北武汉 430000

摘要：低阶煤的热解是指煤在隔绝空气或惰性气氛条件下持续加热至较高温度时，所发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程。低阶煤的固体热载体热解工艺则利用高温半焦或其它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，如Garrett、Toscoal、LR和DG等工艺。本文对煤的固体热载体热解工艺的相关专利进行了统计，并从专利申请趋势、专利申请分布和煤的固体热载体热解工艺发展趋势进行了分析。

关键词：煤，固体热载体，热解

对煤热解工艺的应用始于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。到上世纪七十年代，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过程。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，加热不均匀，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，煤受热后发生热解反应。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COED工艺、ENCOAL工艺和波兰的双沸腾床工艺等；固体热载体热解工艺则利用高温半焦或其它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，如Garrett、Toscoal、LR和DG等工艺。

1 专利申请量趋势分析

笔者检索到的国外关于低阶煤的固体热载体热解工艺的专利最早出现在1974年。上世纪80年代年开始，相关专利申请量保持了较为平缓的态势，以每五年为一个阶段统计国外专利申请量大概在40~60件之间。而相关工艺在国内起步较晚，国内专利最早出现在1995年，在2010年以前一共只有35件申请。但是从2012年以后，专利申请增长极为迅速，2012年的申请量为54件，2013年至今更是申请了296件，其中近两年的申请还有大量处于未公开状态。

2 煤的固体热载体热解工艺专利分布

排名靠前的国家依次为中国、日本、美国、德国和俄罗斯，并且中国和日本的申请量远远高于其他国家，显示出极高的开发研究活跃度。这与中国政府“十一五”规划中煤化工被列为大力发展对象有关。

进一步地，对在华申请人进行统计分析发现（如下图3 和图4 所示），企业的申请量占比最多，来自高校及科研院所的申请也比较多，分配比较均匀。中国的企业申请人中，中石化洛阳工程有限公司申请量最大，为12件，此外，中煤能源黑龙江煤化工有限公司、中石油的申请量均为11件。高校的申请人中，东北电力的申请量最大，为17件，长安大学和大连理工大学申请量均为14件，此外，上海交通大学的申请量也达到了8件。科研院所申请人中，中科院过程所、北京低碳清洁能源研究所、陕西煤业化工技术研究院有限责任公司在这一领域的研究也比较活跃，也都在10件左右。本领域个人申请相对较少。近年来企业申请量较大说明低阶煤的固体热载体热解工艺在国内企业中应用较多，前景较好，同时高校和科研院所也保持了很高的活跃度，说明至少在未来一段时间内低阶煤的固体热载体热解工艺仍是国内低阶煤热解工艺的重要工艺。

3 重要申请人特点

国内的主要申请人中，大连理工的申请主要研究CFB多联产工艺，以及依托自身开发的DG工艺进行流化床和固定床联用工艺的研究，这也是当前大部分高校和科研院所的改进重点。东北大学的申请侧重于将固体热载体热解与外热式工艺结合，其大部分申请都是为了提高干馏煤气的热值和降低焦油中的粉尘和重质组分。中石化洛阳工程有限公司的研究主要集中与对DG工艺和传统LR工艺的改进，该公司对低阶煤的热解工艺的申请大多是跟随类似的油页岩热解工艺的申请一起提出。中石油对低阶煤固体热载体热解工艺的研究并不活跃，但是其在油页岩热解领域的专利技术较多，油页岩和低阶煤具有相似的热解性质，这也是我们需要关注的地方。中科院过程所的专利大多专注于对热解反应器的改进。

结语

总体来说，低阶煤固体热载体热解工艺主要有Carrett工艺、LR工艺、DG工艺、Toscoal工艺和CFB工艺五大技术路线。CFB多联产工艺是国内目前研究的热点，约占了该领域申请量的64%。此外，大连理工大学开发的DG工艺以及对国内引进的传统LR工艺的改进也是当前研究的重点，而Carrett工艺和Toscoal工艺的研究和应用均比较少。在对CFB多联产工艺的改进中，最突出的技术问题是优化低阶煤能量利用，约占54％，此外，改善装置稳定性也是多联产工艺的研究热点，约占23%。针对优化低阶煤能量利用这一技术问题，该领域常用的技术手段主要有以下3 种：（1）将煤燃烧与热解耦合，将低阶煤干馏后的高温半焦（500℃～600℃）直接送入循环流化床锅炉燃烧，以燃烧后的高温热灰作为热载体热解低阶煤，充分利用了热灰和半焦的显热；（2）通过对低阶煤的分级转化，产出电、热、煤气和煤焦油。根据市场需求调节四种产品的产出，以达到最高的效益；（3）将低阶煤与其他劣质燃料配合利用，通过热解系统使用高挥发分的低阶煤，循环流化床锅炉使用劣质燃料（如煤矸石等），将热解产生的半焦加入在循环流化床锅炉的燃烧进料负荷之内，在一个系统中实现对优、劣燃料的合理利用。从总量来看，这三种技术手段的专利产出量基本相当，除此之外也还有其他的一些技术手段，包括将热解和气化耦合，实现对低阶煤的梯级利用等。

DG工艺整体思路和LR工艺相似，可以看成是对后者的改进，在对这两种工艺进行改进时面临的技术问题也有很多相同之处，其中，面临的较多的技术问题主要有以下两点：1）煤和半焦载热体混合不均导致热解效果差；2）由于半焦热载体在循环过程中发生磨损，产生的细小颗粒随着油气从热解装置中排除，最后在旋风分离器中随着焦油的冷凝粘附于旋风分离器中，导致设备腐蚀和堵塞。针对煤和半焦载热体混合不均这一技术问题，该领域一般采用添加烧炭器等燃烧设备和较小粉煤粒径来解决。针对半焦热载体在循环过程中发生磨损这一技术问题，该领域一般采用调节半焦运动速度和形成煤包半焦的状态。

参考文献：

【1】高晋生.煤的热解、炼焦和煤焦油加工[M].北京：化学工业出版社，201