2024年5月30日发(作者：)

煤气热载体分段多层低阶煤热解成套工业化技术(SM—GF)的

应用

郑锦涛

【摘 要】论述了煤气热载体分段多层低阶煤热解成套工业化技术(SM-GF)的工艺

流程和技术组成,介绍了SM-GF技术在30 mm以下全粒径混煤领域的应用情况,

分析了其经济效益,总结了该技术在低阶混煤热解领域的多项优势.应用案例结果表

明,SM-GF技术可以实现低阶混煤的清洁高效分质利用,改善传统工艺对环境的污染,

具有显著的经济效益和环保效益,极大地提高了煤炭资源综合利用效率.

【期刊名称】《煤炭加工与综合利用》

【年(卷),期】2018(000)008

【总页数】5页(P55-58,74)

【关键词】烟煤;热解;工业规模;应用;技术经济效果

【作 者】郑锦涛

【作者单位】陕西陕北乾元能源化工有限公司,陕西榆林 719000

【正文语种】中 文

【中图分类】TE624.33

我国能源呈“富煤、贫油、少气”的结构现状，根据2016年《中国矿产资源报告》

报道，我国煤炭资源可采储量超过16 000亿t，占化石能源储量90%以上。虽然

我国煤炭储量相对丰富，但煤炭资源质量相对较差，低阶煤占到煤炭总储量的46%

左右，可采储量超过6 000亿t[1,2]。

低阶煤一般指褐煤和低变质程度的烟煤，具有高水分、高挥发分、高化学活性等特

点[3-4]。低阶煤利用技术有很多种，主要包括分质综合利用、燃烧发电、液化和

气化[5-7]。低阶煤分质综合利用指低阶煤经热解分解为煤气、焦油和半焦的气、

液、固三相物质，实现对原料的分质，再根据各类产物性质及结构差异，区别加工，

生产化工原料和各类精细化学品。

目前，国内多数低阶煤热解技术是针对碎煤或块煤开发的，具有生产规模小、原料

适应性差、煤气热值低、焦油品质差、油/尘/气分离效率低等工艺缺陷，因采用氨

水熄焦，半焦显热无法回收造成热利用率低，熄焦产生的废水较难处理，环保投入

较大。2015年，国家能源局发布《煤炭清洁高效利用行动计划（2015—2020

年）》，鼓励开展煤炭分质分级梯级利用，提高煤炭资源综合利用效率。因此，在

新的时代背景下，开发先进的混煤中低温热解技术将会推动兰炭产业升级，有助于

低阶煤分质综合利用技术的提升[8]。

1 SM-GF技术简介

煤气热载体分段多层低阶煤热解成套工业化技术(SM-GF)由陕西煤业化工集团有限

责任公司和北京国电富通科技发展有限责任公司联合开发的。该技术集分段多层处

理、均匀传质传热、自产富氢煤气热载体蓄热式加热、干法熄焦、油/尘/气高效分

离、中低温分级耦合热解等多项技术为一体，解决了油/尘/气分离效率低、单套处

理量小、原料适应性差、煤气热值低、焦油品质差等行业难题，实现了30 mm以

下全粒径混煤热解工业化。2018年7月31日，该技术通过石化联合会组织的科

技成果鉴定，综合性能和指标达到国际领先水平。

1.1 工艺流程

SM-GF技术主要包括国富炉热解单元、煤气冷却净化单元、加热炉单元、烟气净

化单元和废水处理单元。工艺流程描述：原煤经炉顶储煤仓进入国富炉干燥段，与

高温烟气充分换热并脱除全部水分，换热后的烟气经除尘、脱硫系统之后进入国富

炉冷却段。干燥后的原煤进入国富炉热解段与来自热解段混合室的高温气体热载体

换热，生成半焦、焦油、煤气和热解水，高温半焦进入国富炉冷却段与来自脱硫系

统的低温烟气换热，换热后半焦温度降至100℃以下，烟气温度升高并循环至干

燥段继续加热原煤。热解产生的油-水-气混合物经煤气净化系统充分净化后得到洁

净的煤气，煤气返回一部分经加热炉升温后进入国富炉热解段充当热源，剩余部分

外送。净化产生的油-水混合物进入焦油回收系统，实现高效的油/水分离。

1.2 技术组成

通过对国内外低阶煤分质综合利用技术的应用状况分析，总结行业中存在的共性技

术问题，为实现陕北低阶混煤热解技术和装置的工程化，项目组进行了全面的研究

工作，集成多项单体技术形成了SM-GF技术体系。

1.2.1 分段多层技术

该技术实现了炉体干燥、热解、冷却分段设计，干燥段提前脱除煤的游离水，降低

废水产量；炉体多层布气结构降低混煤热解床层阻力，实现大气量低阻力运行。

热解装置国富炉按照干燥、热解、冷却分段设计，实现了废水减量。每处理1 t原

煤，可减少废水量100 kg以上，减少67%以上。国富炉分层设置可以有效降低

床层阻力，床层阻力可控制在1 000 Pa以内。

1.2.2 均匀传质传热技术

优化国富炉内结构件设置，实现均匀布料；优化床层布置，实现均匀高效换热，确

定换热强度和换热后气体温度。

均匀传热传质技术实现国富炉内温度场和压力场的均匀分布，保证了换热效率。干

燥段、热阶段、冷却段换热强度分别高达92.1MJ/m3·h-1、83.7MJ/m3·h-1、

75.4MJ/m3·h-1；干燥段出口烟气温度控制在120 ℃左右，热解段出口煤气温度

控制在350 ℃左右。

1.2.3 油/尘/气综合分离技术

图1 SM-GF工艺流程示意图

优化国富炉内构件和开发高效除尘器，提高除尘效率，降低焦油含尘量，同时避免

设备和管道堵塞，保证系统连续稳定运行。

油/尘/气综合分离技术充分利用多层颗粒床的抑尘能力，干馏段出口气体含尘量控

制在2 g/m3以内；通过对旋风除尘器的优化开发和合理设计，设备除尘效率90%

以上，焦油灰分为0.12%。

1.2.4 自产富氢煤气热载体蓄热式加热技术

以自产富氢煤气作为热载体，分析煤气受热后组分变化状况，确定加热炉的运行参

数和加热方式，开发了适用于热解煤气的气体加热炉。采用顶燃式加热炉对煤气进

行加热，并确定了燃烧室、蓄热室、换热格子砖等部件的优化参数。以富氢煤气作

为热载体，可有效抑制焦油的分解，焦油收率有所提高。

1.2.5 惰性烟气循环干法熄焦与热量回收再利用技术

该技术借助干燥段换热后的烟气直接与热半焦接触换热，充分利用半焦的余热，还

能避免湿法熄焦带来的酚氨污水及半焦的固定碳含量的降低，从而提高系统能效，

提升半焦产品质量。国富炉冷却段采用干法熄焦工艺，换热后半焦温度降至100 ℃

以下，烟气温度达到250 ℃左右，可用于干燥段加热原煤，系统能效在90%以上，

半焦水分低于2%，固定碳高于86%，而且减少了酚氨废水生成量。

2 SM-GF技术的工业应用实例

2015年10月，北京国电富通科技发展有限责任公司与陕西陕北乾元能源化工有

限公司投资约1.86亿元，在榆林市麻黄梁工业园区建成一套50万t/a年SM-GF

技术示范装置。该项目以陕北榆林粒径30 mm以下长焰煤为原料，通过国富炉煤

热解装置，设计生产半焦31.55万t/a，煤气0.47亿Nm3/a，焦油4.0万t/a。

2016年12月示范装置完成了热解炉的冷态及热态性能试验；2017年4月底至

10月初完成了以烟气为热载体的热态带料试生产；12月完成了加热炉系统在内的

全系统建设；2018年3月15日开始第二阶段调试（以煤气为热载体），3月27

日全系统工艺流程打通，3月29日生产出合格半焦，至6月25日系统连续运行

91天，累计处理原煤116 848 t，生产半焦74 902 t，焦油9 188 t，外送煤气1

049万m³。连续生产期间的产品指标如下表1—3所示。6月26—28日，该装

置通过了中国石化联合会组织的72h现场标定考核。

表1 原料及半焦指标物料 累积产量/t 产率/%煤质分析及兰炭等级Mt/% Ad/%

Vdaf/% FCd/%入炉煤 116 848 100.00 12.40 4.31 - 35.80 - 61.43 -半焦中料

40 911 35.01 1.9 6.10 A-3 7.55 V-2 86.31 FC-3半焦小料 21 130 18.08 1.8

6.27 A-3 6.80 V-2 87.36 FC3半焦焦面 12 861 11.01 2.1 5.80 A-2 7.66 V-2

86.98 FC-3

表2 煤气组分及热值组分/% LHV/MJ·m-3 H2/% CH4/% CO/% CO2/%

CnHm/%38.91 29.54 15.38 5.68 0.53 17.13

表3 焦油性质密度（20℃）/g·cm-3 灰分/% 馏程/℃初馏点 10% 30% 50%

80%1.034 0.12 96 190 215 253 310

由表1可知，半焦（中料+小料+焦面）产率为64.10%，超过设计值63.10%。

焦油产率高，达到格金值的87.20%；通过干法熄焦技术，半焦水分在2%以内，

显著改善了焦炭的质量，提高半焦产品的市场竞争力；中料、小料和焦面的灰分、

挥发分和固定碳等指标均达到行业内较高水平。由表2可知，焦油品质较好， 密

度（20 ℃）小，灰分低，80%的馏程温度仅为310 ℃，可用于加氢生产汽、柴油。

由表3可知，煤气有效组分高达84.4%，其中H2、CH4含量分别为38.91%、

29.54%，热值高达17.17 MJ/m3，是理想的制氢、制LNG、合成氨、合成石油、

有机合成等的原料。系统能源转化效率达91.90%，吨煤能耗为74.15 kg，吨煤

耗电33.92 kW·h，吨煤耗水0.14 t，半焦单位产品能耗为112.88 kg/t，达到行

业先进值。

根据工业示范装置运行期间的原辅材料、动力消耗量以及价格，得出SM-GF技术

经济效益，如表4所示。一套年处理量50万t的热解装置投资约为1.86亿元，

税后投资回收期仅为3.6 a。由此可见，该技术加工混煤，生产半焦、焦油和煤气，

经济效益非常可观，即使将来原料成本、产品价格等发生波动，该技术仍能保持较

高的利润。

表4 SM-GF技术经济效益表项目 收支出项 年总额/万元干馏系统原辅材料 31

319动力消耗 985人员工资、设备维修折旧等 4 086合计 36 390收入 半焦、焦

油、煤气 41 575利润 / 5 185支出

3 SM-GF技术优势

SM-GF技术集分段多层处理、均匀传质传热、自产富氢煤气热载体蓄热式加热、

中低温分级耦合热解、干法熄焦、油/尘/气高效分离、中低温分级耦合热解等技术

于一体，多项技术相互耦合，解决透气性差、炉内结焦、产品方案可控性差、焦油

品质差、单炉处理量小、污染严重、废水难处理等行业内的普遍难题，与行业内其

他工艺相比，具有明显的技术优势和较强的竞争力。具有以下技术优势。

（1）原料适应性强，可处理30 mm以下全粒径混煤。拥有独特布气结构和炉内

设计的国富炉可克服细粒度物料堆积引起的换热不均，对物料粒度适应范围更广，

可实现30 mm以下全粒径原煤直接入炉，充分解决了兰炭市场上主流炉型对入炉

煤粒度要求苛刻的难题，能够打破块煤供不应求、碎煤无处可用的僵硬局面，不仅

提高了原煤利用率，还能降低兰炭的生产成本。

（2）单套处理量大，高达50万t/a。国富炉采用干燥、干馏和冷却分段方式，打

破常规炉型的结构缺陷，在各段内部设置多层内构件，实现均匀布料布气和炉内自

除尘，降低床层阻力和气体携带粉尘量，提高了单炉年处理量。

（3）焦油收率高。采用自产富氢煤气作为循环热载体，有效抑制成油活性碎片聚

合及焦油在炉内的裂解，国富炉内构件设置使焦油能够及时导出炉外，减少焦油裂

解，提高焦油收率。

（4）焦油、半焦、煤气品质好。国富炉的工艺移动床设计及炉体内采用沉降式设

计，极大减少煤气出口处的粉尘含量。旋风除尘器除尘效率可达90%以上，确保

油/尘/气高效分离，焦油机械杂质含量低。干法熄焦可避免湿法熄焦因水煤气反应

引起的半焦固定碳含量降低，因此SM-GF技术具有半焦产品高固定碳含量的得天

独厚优势。煤气有效组分高达80%以上，煤气热值高，可达17 MJ/m3以上。

（5）产品品质稳定。在国富炉内通过设计多层布气阵伞和集气阵伞，形成专用的

气道通道，使得炉内温度场和压力场的均匀分布，实现了均匀传质传热，产品均匀

性好，煤气、焦油、半焦品质稳定。

（6）废水产生少，系统能效高。国富炉干燥段提前脱除煤的游离水，减少废水产

生，冷却段采用干法熄焦工艺，借助干燥段换热后的烟气与热半焦直接换热，将半

焦冷却到100 ℃以下，充分利用半焦的余热，提高系统能效，还能避免湿法熄焦

带来的含酚氨污水，节能环保。

（7）工艺灵活，产品丰富多样。SM-GF技术多层热解形式可实现中低温分级耦

合热解，通过调整各层热载体温度以控制煤的最终热解温度，生产出不同规格和性

能的产品，满足不同行业需求。

（8）自主污水处理工艺更加高效清洁。采用自主技术LAB（活性焦吸附生化降解

耦合技术）废水处理工艺处理系统生成的废水，出水达到城镇污水处理厂污染物排

放标准（GB 18918—2002）中的一级A标准。

（9）工艺成熟可靠及投资运行成本低。SM-GF技术相比现有热解技术，具有工

艺可靠、投资省、运行成本低、占地面积小等特点，能够广泛适用于低阶煤的清洁

高效转化分质利用。

4 展望

目前，50万t/a SM-GF煤热解工业示范装置已经实现连续稳定运行，取得了良好

的效果，100万t/a 工艺包也已进入全面开发工作。我国低阶煤资源丰富、分布广

泛，尤以神府煤田圈、内蒙古东部及新疆一带储量最大，这些地区的低阶煤具有挥

发分高、灰分低、化学反应性好等特点，非常适合通过SM-GF技术进行分质综合

利用，实现煤炭的分质高效转化，有利于缓解我国石油、天然气对外依存度高的问

题，因此该技术具有广阔的推广应用前景。

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