煤炼制清洁油品及固体燃料系统研究

一 引言

随着大气污染防治工作推进，我国对清洁的固体和液体燃料需求与日俱增。同时，我国是一个“富煤、少油”的国家，将丰富煤炭转化为宝贵的油品资源，对改善国家能源结构、保障国家能源安全具有重要意义。煤低温热解是实现煤炭高效清洁转化的有效方法之一，^[1]有气体（煤气）、液体（焦油）和固体（半焦）三种形态产物，通过对气液固产物进一步提质加工，可以得到清洁的液体和固体燃料产品。

低温热解液体产物煤焦油加氢提质后，主要产品柴油硫氮含量很低（＜10ppm），是一种清洁的燃料，但是十六烷值较低（约为40）、密度较高（约为880kg/m³），^[2]达不到国家车用柴油标准（十六烷值＞45，密度为790～850kg/m³，GB 1947-2013），只能作为调和组分。同时，费托合成柴油也是一种非常清洁的燃料，基本不含硫、氮、芳烃，十六烷值高（约70），密度较低（约780kg/m³），^[3]与焦油加氢柴油调和，可以得到清洁的车用柴油。

针对上述问题，本文提出一种煤炼制清洁油品及固体燃料系统，以廉价丰富的碎煤为原料，最终生产出石脑油、车用柴油、洁净煤等清洁燃料产品。该系统利用固体热载体热解技术，^[4]首先将碎煤转化为半焦、焦油和煤气等中间产物；半焦通过成型，生产洁净煤产品；煤焦油经加氢，得到石脑油、柴油等组分；煤气首先经蒸汽转化后，一部分经变换后用于制氢，其余部分经净化后进行费托合成得到生产高十六烷值（达到70以上）柴油组分，与煤焦油加氢柴油组分调和得到清洁车用柴油产品。

二 系统介绍

煤炼制清洁油品及固体燃料系统以碎煤为原料，主要生产石脑油、车用柴油、洁净煤等清洁燃料产品，如图1所示。系统原理及流程如下：碎煤（＜25mm）经干燥后，送入热解反应器，与750℃～850℃半焦热载体混合并发生热解，生成半焦、焦油、煤气和水等中间产物，热解温度控制为550℃～600℃；焦油经预处理除去粉尘、水分等杂质后，送入加氢装置生产石脑油产品、低十六烷值柴油组分等；半焦送入成型装置，添加约5%的黏结剂成型后作为洁净煤产品；煤气经压缩后，送入脱硫等净化装置，净化后送入蒸汽转化装置，将CH₄等轻烃组分转化为CO和氢气，一部分经净化后，送入费托合成装置，生产合成油，经加氢后得到石脑油产品、高十六烷值柴油组分等，其余部分送入变换装置，将其中的CO转化为氢气，控制CO体积含量小于1%，然后进入净化装置，脱除其中的CO₂等，最后经吸附分离得到氢气，用于焦油加氢和合成油加氢装置。将煤焦油加氢得到的柴油组分与费托合成油加氢得到的柴油组分调和，得到清洁车用柴油产品。

图1 煤炼制清洁油品及固体燃料系统示意

三 系统模拟

（一）基础数据

本系统模型包括低温热解、煤气压缩、脱硫、蒸汽转化、变换及净化、费托合成、吸附分离、焦油预处理、焦油加氢、合成油加氢、油品调和和半焦成型等部分。利用Aspen Plus建立该系统模型，物性方法选择RK-SOAVE方程。其中，煤低温热解、焦油加氢、费托合成、合成油加氢部分采用收率模型进行计算，吸附分离氢气的效率为85%，轻烃蒸汽转化和CO变换采用Gibbs平衡反应模型计算，^[5]平衡温距设为20℃，^[6]CO变换平衡温距设为30℃，其余部分根据热力学平衡进行计算。^[7]

模拟所需要的基础数据包括：原煤工业分析和元素分析数据、热解半焦工业和元素分析数据、热载体半焦工业和元素分析数据、热解过程产物分布、费托合成产物分布、焦油加氢产物分布和费托合成油加氢产物分布数据等。

本系统原煤为神东长焰煤，其分析数据如表1所示。热解产物分布及产品性质，在公斤级固体热载体热解实验平台上获得，热解温度为600℃，见表1～表3。将煤在20g级干馏炉内加热至800℃，得到半焦热载体，分析数据见表1。

表1 神东长焰煤及半焦分析数据

表2 神东长焰煤热解产物分布（干基）

表3 热解煤气体积组成

煤焦油全馏分加氢氢耗为5.0%左右，石脑油收率为14.0%，柴油收率为76.6%，尾油收率为7.5%，水产率为5.6%^[8]。

以天然气为原料制合成气，费托合成产物分布如下：C₁～C₄为12.9%，汽油（C₅～C₁₁）为17.5%，柴油（C₁₂～C₁₈）为21.7%，重质油/蜡为47.9%，CO转化率约90%。费托合成重质油/蜡通过加氢裂化可获得高质量的二次加工产品，如石脑油、柴油等，其中石脑油收率为10%，柴油收率为81.9%，氢耗约1%^[9]。

（二）模拟结果

以年处理1000万吨神东长焰碎煤（＜25mm）系统为例进行模拟计算，年工作小时数为8000，模拟结果如表4所示。

对于煤低温热解部分，根据给定的工艺条件（干燥温度200℃，热解温度600℃，半焦热载体温度800℃），模拟得到半焦热载体与干燥煤质量比为3.3，半焦产品干基收率为60.5%，焦油产品干基收率为7.2%，煤气产品干基收率为10.0%。半焦产品中热载体半焦（800℃）占82%，热解半焦（600℃）占18%，半焦产品挥发分为8.7%，热值大于6000kcal/kg，是一种清洁的固体燃料。

模拟结果表明，该系统煤焦油加氢装置规模为62.5万吨/年，费托合成装置规模为36.0万吨油/年，可年产洁净煤为618.0万吨，石脑油为18.4万吨，车用柴油为75.1万吨（十六烷值＞50，硫含量＜10ppm，达到国V标准），重油为4.9万吨，系统能效达到75%以上，高于煤直接制油、煤制天然气过程的能效（约60%）。

表4 模拟结果

四 政策建议

煤炼制清洁油品及固体燃料系统，在将煤部分转化为清洁油品的同时，也使煤成为更清洁的固体燃料，是实现煤分质高效清洁转化的有效途径之一。为推动煤炼制清洁油品及固体燃料系统发展与应用，建议国家在以下方面出台相关政策措施。

（1）鼓励使用清洁煤产品。散煤燃烧是造成大气污染的重要因素之一，在城郊及农村推广使用清洁煤产品，对于大气污染防治、改善城市空气质量具有重要作用，应该出台和加大鼓励措施。

（2）减免煤基清洁油品税费。目前，煤基清洁油品与石油基油品征收相同的税费，在国际油价持续低迷情况下，不利于煤制油产业健康发展及石油替代战略实施，应考虑减免煤基清洁油品相关税费。

五 结论

本文提出了一种煤炼制清洁油品及固体燃料系统，以廉价丰富的碎煤为原料，利用固体热载体热解技术，将碎煤转化为半焦、焦油和煤气等中间产物，然后经煤气蒸汽转化、费托合成、焦油加氢、半焦成型等加工过程，最终生产出石脑油、车用柴油、洁净煤等清洁燃料产品。模拟及分析结果表明，对于年处理能力为1000万吨煤的煤炼制清洁油品及固体燃料系统，可生产约618.0万吨洁净煤（挥发分＜10%，热值＞6000kcal/kg）和98.4万吨清洁油品（主要为车用柴油，其十六烷值＞50，硫含量＜10ppm，达到国V标准），系统能效达到75%以上。

煤炼制清洁油品及固体燃料系统，在将煤部分转化为清洁油品的同时，也使煤成为更清洁的固体燃料，是实现煤炭分质高效清洁转化的有效途径之一。为推动煤炼制清洁油品及固体燃料系统发展和应用，建议国家在鼓励清洁煤使用、减免煤基清洁油品税费等方面出台政策措施。