煤在隔绝空气条件下加热至较高温度时，所发生的一系列物理变化和化学反应的复杂过程，称为煤的热解，或称热分解和干馏。煤热解是煤转化的关键步骤,煤气化、液化、焦化和燃烧都要经过或发生热解过程。在不同的工艺中,煤热解的加热速率和环境气氛是不同的。迄今为止煤加工的主要工艺仍是热加工，煤炼焦工业就是典型的例子，煤的气化和液化过程也都与煤的热解过程分不开。研究煤的热解对热加工技术有直接的指导作用。另外还可指导开发新的热加工技术，如高温快速热解，加氢热解和等离子体热解等。 煤热解过程的3个阶段：
（1）第一阶段（室温~300）煤外形无变化，脱水发生在120以前，而脱气（CH4、CO2、N2）大致在200前后完成。
（2）第二阶段（300~600） 解聚、分解为主，煤黏结成半焦，发生一系列变化。450前后析出焦油量最大，450~600析出的气体最多。 （3）第三阶段（600-1000） 半焦聚合形成焦炭，以缩聚反应为主。析出的焦油极少，挥发
物主要是煤气，700后煤气主要成分是H2。
煤热解工艺的开发已经历几十年时间,形成了多种技术方法和工艺流程。按反应温度可分为低温热解工艺(<600℃)和高温热解工艺(>600℃)；按反应压力，可分为常压热解工艺、加压热解工艺和负压热解工艺；按反应器类型，可分为流化床热解工艺和其他方式(固定床、振动床、旋转锥等)热解工艺。下面根据反应器类型对目前的热解工艺进行总结。
1.1流化床热解工艺
流化床是目前应用最多的热解工艺方法,根据其反应器数目，可以划分为单床、双床以及多床。其中，单床热解工艺由于空间较小，往往需要通过提高反应器温度和压力等参数实现较高的热解效率；双床热解工艺中，通常将热解过程与热量产生的过程分离，因此需要较大的空间，但反应条件相对要求较低。总体上看，反应器数量越多，热解的产品收率与效率越高,但是工艺复杂性也随之增加。
1.1.1双床热解工艺
1.ETch--175粉煤快速热解工艺[46]。工艺产生于20世纪30年代,采用了固体热载体作为煤粉
热解的能量来源。煤粉经过流化床的干燥后,进入干馏器中干馏,干馏蒸气经过分离、冷凝后形成焦油与干馏气。该工艺可以生产热值约15MJ/Kg的煤气和19%的油产品。整体能量效率达到83%~87%。对液相产品的分析表明,在此装置上改变条件后,液相产品产量可提高40%~60%。
2.西方热解(Garrett)法[47〕。该工艺由Garrett研究与开发公司开发,后来由西方石油公司进行了改进和发展。该工艺是为生产液体和气体燃料以及适于作动力锅炉的燃料设计的，其依据是短停留时间快速干馏能获得较高的焦油产率。该工艺使用半焦作热载体,采用气流床使煤在短时间内进行快速热解,以提高焦油收率。煤被粉碎至200目以下,并与高温半焦混合后进入反应炉内,在1s内快速升至约280℃,其反应压力最高达344kPa。非凝结性煤气做为流化介质返回炉内循环使用。该工艺在热解温度510℃下,采用加州西部烟煤试验的结果为焦油产率13.5%,半焦产率70.7%,干煤气产率7.1%,热解温度升高后,半焦产率下降,煤气产率升高。 3.L-R固体热载体热解工艺[47】。该工艺是世界上较早也是较成熟的热解工艺之一,目前己经在世界上已建成多个以该工艺为基础的热解商业装置。工艺中采用固体热载体进行快速
热解,在600℃左右获得最高的焦油产率。该工艺的半焦产率为40%~50%,焦油产率2%~10%,其中高沸点的重焦油占到约65%,热解煤气产量为150~250m3/t,其中甲烷和氢气含量较高,因此煤气热值较高.
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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260 t/d的热解工厂,连续运转时间达到200 h,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。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。
防老剂dnp4.DG法工艺。该工艺由大连理工大学开发,其全称为褐煤固体热载体新法干馏工艺[48]。工
艺中利用半焦作为热载体进行煤的热解,热解室采用移动床方式。烟气流程为:燃烧炉一半焦加热提升管一半焦储仓一原煤加热提升管一烟囱,煤的流程为:原煤加热提升管一储仓一热解室一半焦加热提升管(部分半焦外排)一半焦储仓一热解室。工艺中,原料煤粒度<6~,热解室温度为550-650℃,产生的煤气热值为16-20MJ/m3,煤气产量约为0.2m3/Kg,煤焦油产率约3%,半焦产率约40%。该工艺还可用于处理油页岩,生产人工石油。DG工艺的煤焦油产率较低,主要原因是原料煤粒度较大,热解产物向煤表面扩散的过程中被再度捕集。由于工艺中多处采用了机械装置,工艺的维护成本较高。
l一原料煤储槽;2一干燥提升管;3一干煤储槽;4一混合器;5一反应器;6一加热提升管;
7一热半焦储槽:8一流化燃烧炉;9一旋风分离器;10一洗气管;11一气液分离器;
气液混合器12一焦渣分离槽;13一煤气间冷器;14一除焦油器;15一脱硫箱;16一空气鼓风机;
17一烟气引风机;18一煤气鼓风机
凌日图1.3DG法褐煤热解干馏工艺流程图
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6 mm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4500 kcal/kg的低质褐煤,生产热值为16～18 MJ/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10 kg/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[15],于1993年在平庄建成了处理褐煤的能力为150 t/d的固体热载体热解的工业试验装置[16]。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。
微透析5.下行床煤拔头工艺['9〕。根据郭慕孙院士提出的煤拔头理念,中国科学院过程工程研究所王杰广等建立了一套下行床煤拔头工艺试验装置。在该装置上进行了以内蒙古霍林河褐煤为原料,普通河砂为固体热载体,给煤量为8kg/h的热态试验。考察了反应温度和煤粉粒径对气、液、固体产品产率分布和液体组成的影响规律。结果表明,在实验温度范围内,随着温度的升高,气体和液体产品的产率增加;液体产率随粒径的增大而降低.当反应温度为660℃、煤粉粒径小于0.28mm、加料率为4.7kg/h时,轻质焦油(焦油中的正己烷可溶物)的产率可达7.5%一wt,其中酚类占57.1%,粗汽油(脂肪烃类)占12.9%,芳香烃占21.4%,极性组分和其他组分占8.6%。实验表明,下行床中气体和固体具有沿重力场并流向下流动的特点,是适合煤拔头工艺的比较理想的反应器。
1一加料装置;2一混合器;3一提升管;4一下行床;5一气固快速分离器;6一高温过滤器;
7一急冷器;8一返料器;9一气固分离器;10一热载体料仓;11一高温固体料阀
图1.4煤拔头工艺流程图
1.3.1.2单床及多床热解工艺
1.澳大利亚cSIRo流化床快速热解工艺[50]。该工艺属于中温闪速裂解(反应时间小于1s)。工艺中以气固两相流为热载体,反应区处于流化床运行。固体载体为0.3-1.0mm热砂,热解煤粒径<200um,经过氮气流化和水冷却后进入热解反应器,反应器的热量由外部电热器提供。热解焦油气经350℃保温的旋风分离器分离后冷却捕集。采用LoyYang褐煤(灰分<0.7%)进行试验的最大焦油产率23%(580℃),为葛金分析焦油产率的150%,焦油在70℃时为普通流体状态。从试验产品看,该工艺的热解效率非常高。
图1.5CSIRO流化床快速热解工艺流程图
2日本煤粉快速热解技术[5']。该技术采取中温加压方式进行煤的热解。热解燃料为煤粉,粒径小于740um的颗粒占燃料质量的80%。热解段温度为600一950℃,压力0.3MPa,煤粉在数秒内完成热解;在半焦气化段,一部分热解半焦在1500一1650℃和0.3MPa的高温高压条件下与氧气和水蒸气发生气化反应,为热解提供热量。根据两种褐煤的热解试验结果,其半焦产率为45%~65%,煤气产率为25%~40%,含水焦油产率为10%~15%。该工艺中将热解与气化反
应集中在同一反应器中的不同阶段,节约了空间,使设备结构紧凑,但加压条件需要额外附加设备和成本。
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