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%。