張立棟，王子嘉，李偉偉，王擎，秦 宏，李少華

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 巢湖 238015；3.中國(guó)大唐電力科學(xué)研究院，北京 102206)

流化干餾工藝現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展

張立棟1，王子嘉1，李偉偉2，王擎1，秦 宏1，李少華3

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 巢湖 238015；3.中國(guó)大唐電力科學(xué)研究院，北京 102206)

流化床反應(yīng)器因具有高傳熱傳質(zhì)效率，床層溫度均勻等特點(diǎn)而在工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景，針對(duì)不同的干餾原料與工藝需求，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一系列研究并開(kāi)發(fā)出了多樣化的流化干餾技術(shù)，部分技術(shù)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)。對(duì)目前主要的6種流化干餾技術(shù)類(lèi)型進(jìn)行了對(duì)比分析，并對(duì)流化干餾技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。流化干餾未來(lái)的主要發(fā)展方向?qū)⑹谴笮突?、多?lián)產(chǎn)化，降低運(yùn)行能耗并解決除塵困難與設(shè)備磨損問(wèn)題。

流化床；干餾；現(xiàn)狀；趨勢(shì)

隨著全球油氣資源的日漸枯竭以及油氣燃料需求的迅速增長(zhǎng)，通過(guò)干餾制取油氣資源替代產(chǎn)物的技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視。目前干餾技術(shù)主要被應(yīng)用于加工煤炭、生物質(zhì)、油頁(yè)巖來(lái)制取焦油、煤氣、半焦等多種產(chǎn)物[1-2]。對(duì)應(yīng)于不同的干餾原料和目標(biāo)產(chǎn)物，不同國(guó)家和地區(qū)干餾工藝種類(lèi)繁多。按固體物料在干餾過(guò)程的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，可分為固定床干餾、移動(dòng)床干餾、流化床干餾三種。

流態(tài)化是流體向上通過(guò)床層從而使床層中固體顆粒具有一般流體性質(zhì)的現(xiàn)象。在現(xiàn)代工業(yè)中，有許多粉末或顆粒固體參與的工藝過(guò)程，流態(tài)化技術(shù)能將固體顆粒如流體一樣進(jìn)行輸送，從而簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)加工，而且流化狀態(tài)下顆粒間隙增大，氣相與固相接觸增加，所以流化狀態(tài)下床體內(nèi)溫度均勻且氣固相間有很高的傳熱傳質(zhì)效率，使得流態(tài)化技術(shù)在多個(gè)行業(yè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

1922年，Winkler在粉煤氣-固流化床氣化工藝中最早使用了流化技術(shù)，盡管技術(shù)不完善且當(dāng)時(shí)石油的大規(guī)模使用而很快中斷，但這次嘗試使得人們對(duì)流態(tài)化技術(shù)在工程應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景有了更為深入的認(rèn)識(shí)。此后，國(guó)內(nèi)外對(duì)于完善流化干餾技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，我國(guó)最早的流態(tài)化研究是1948年汪家鼎院士對(duì)褐煤流態(tài)化低溫干餾的研究[4]。迄今為止，世界各地開(kāi)發(fā)出了多種各具特色的流態(tài)化干餾技術(shù)，其中一部分已經(jīng)成功投入了商業(yè)化生產(chǎn)，流化干餾技術(shù)正處于一個(gè)快速發(fā)展完善的階段[5-6]。

1 流化干餾技術(shù)的特點(diǎn)

流化干餾與固定床或移動(dòng)床干餾相比具有諸多優(yōu)勢(shì)，使用不同反應(yīng)器進(jìn)行干餾的具體技術(shù)特征對(duì)比，如表1所示[7]。

表1 不同反應(yīng)器干餾特點(diǎn)對(duì)比

總體上，流態(tài)化技術(shù)應(yīng)用在干餾中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在適合連續(xù)操作，產(chǎn)物均勻，床層溫度均勻、傳熱效率高，使得原料在干餾爐內(nèi)的停留時(shí)間短，有效防止了焦油發(fā)生二次裂解焦化，進(jìn)而有效提高了油收率。同時(shí)，流化干餾技術(shù)普遍存在能耗較大、裝置易磨損、除塵困難、凈化系統(tǒng)與分離系統(tǒng)易堵塞、結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以大型化等弊端[8]，這也是流化干餾技術(shù)難以投入正式生產(chǎn)的主要原因。

2 流化干餾工藝進(jìn)展

2.1 煤炭流化干餾工藝

2.1.1 CSIRO工藝

CSIRO工藝由澳大利亞的聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究院開(kāi)發(fā)，該干餾裝置由進(jìn)料系統(tǒng)，流化床反應(yīng)器，回收凈化系統(tǒng)3部分組成。使用氮?dú)庾鳛榱骰橘|(zhì)，反應(yīng)器中床層為0.3 mm-1 mm大小的砂粒，煤粉在反應(yīng)器中完成停留時(shí)間小于0.5 s的快速干餾，離開(kāi)反應(yīng)器的氣體通過(guò)旋風(fēng)分離器使半焦分離，旋風(fēng)分離器保持在約350 ℃來(lái)確保焦油不會(huì)冷凝，然后氣體經(jīng)過(guò)冷卻器進(jìn)入電捕焦油器，分離出焦油并回收收集[9]。流化床干餾工藝流程圖，如圖1所示。

2.1.2 清華大學(xué)流化床氣-固熱載體干餾工藝

清華大學(xué)提出了基于流化床的氣-固熱載體干餾工藝[10]。該干餾技術(shù)是熱半焦作為固體熱載體，干餾過(guò)程中生成的煤氣作為流化介質(zhì)與氣相熱載體，完成快速加熱干餾而制取輕質(zhì)半焦、焦油、煤氣。褐煤經(jīng)破碎篩分為0.5 mm-6 mm進(jìn)入干燥床干燥，粒徑小于0.5 mm部分進(jìn)入燃燒床燃燒。干燥后的褐煤與燃燒床產(chǎn)生熱半焦混合進(jìn)行流化干餾，干餾產(chǎn)生的揮發(fā)分從干餾室的頂部排出，經(jīng)過(guò)旋風(fēng)分離器進(jìn)入凈化系統(tǒng)冷卻除塵，粗分離后獲得煤氣和焦油。部分煤氣返回到干餾室中作為流化床的流化介質(zhì)及熱載體，剩余部分凈化后收集作為煤氣產(chǎn)品，焦油分離后貯藏。干餾產(chǎn)生的半焦一部分冷卻后作為半焦產(chǎn)品，另一部分由提升管氣力輸送進(jìn)入燃燒床作為燃料[11]。工藝流程圖，如圖2所示。

1-煤粉上升管；2-煤斗；3-氣汽熱交換器；4-旋風(fēng)分離器；5-干餾爐；6-半焦燃燒器；7-半焦冷卻器；8-半焦漏斗；9-沉積池；10-半焦上升管；11-冷卻器；12-篩分；13-間接冷卻器；14-噴射器；15-脫硫脫氮裝置；16儲(chǔ)氣倉(cāng)；17干餾氣燃燒器圖2 清華大學(xué)流化床氣-固熱載體干餾工藝流程圖

2.1.3 陜西華祥流化床粉煤氣固熱解技術(shù)

陜西華祥能源科技集團(tuán)開(kāi)發(fā)的流化床粉煤氣固熱解技術(shù)[12]，結(jié)合了灰融聚流化床粉煤氣化與快速流化床工藝，以0 mm-8 mm的粉煤為原料，煤氣作為氣體熱載體，進(jìn)行低溫干餾以生產(chǎn)煤氣和焦油。干餾后的半焦進(jìn)入灰融聚流化床進(jìn)行氣化，氣化產(chǎn)生的煤氣進(jìn)入快速流化床以及提升管流化原料粉煤進(jìn)行低溫干餾，產(chǎn)生的熱解氣和氣化煤氣一起進(jìn)入回收系統(tǒng)對(duì)煤焦油進(jìn)行回收，凈化煤氣可作為合成氣或燃料氣，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)低變質(zhì)粉煤的清潔、高效利用[13]。工藝流程圖，如圖3所示。

1-煤斗；2-提升床；3-快床；4-氣化爐；5-渣斗；6-渣鎖；7-一級(jí)旋風(fēng)除塵器；8-二級(jí)旋風(fēng)除塵器；9-深度除塵器；10-受灰斗；11-灰斗圖3 陜西華祥流化床粉煤氣固熱解技術(shù)流程圖

2.2 油頁(yè)巖流化干餾工藝

2.2.1 茂名流化干餾工藝

茂名石油公司于1967年提出了粉末頁(yè)巖流化干餾和粉末半焦流化燃燒的工藝方案。該工藝使用粒徑小于15 mm的粉末頁(yè)巖，經(jīng)煙氣干燥后送入到干餾反應(yīng)器中部，被頁(yè)巖灰以及過(guò)熱蒸汽加熱至480 ℃干餾，干餾生成的頁(yè)巖油蒸汽和干餾氣經(jīng)過(guò)三級(jí)旋風(fēng)分離器除塵后進(jìn)入冷凝回收系統(tǒng)，頁(yè)巖半焦與部分頁(yè)巖灰的混合物送回干餾反應(yīng)器，多余的頁(yè)巖灰外排，熱煙氣經(jīng)水洗除塵后放空[14-15]。工藝流程圖，如圖4所示。

1-破碎機(jī)；2-儲(chǔ)料倉(cāng)；3-計(jì)量器；4-反應(yīng)器；5-燃燒器；6-洗塵塔；7-油水分離池；8-冷凝系統(tǒng)；9-吸收塔；10-蒸脫塔圖4 茂名流化干餾工藝流程圖

2.2.2 Chattanooga工藝

Chattanooga工藝是一種流化床反應(yīng)器和裂解爐相結(jié)合的干餾工藝。通過(guò)烴氣的熱裂化和半焦的加氫作用，使油頁(yè)巖進(jìn)行低溫干餾。產(chǎn)生的烴氣經(jīng)過(guò)除塵后冷凝，未被冷凝的殘留氫氣、輕烴和酸性氣體通過(guò)氨氣吸收塔使H2S反應(yīng)生成硫磺。冷凝的頁(yè)巖油通過(guò)加氫處理來(lái)提高油品。氫氣和輕烴循環(huán)送入裂解爐加熱后返回流化床。裂解爐以干餾生成的頁(yè)巖油為原料，減少對(duì)輕烴的消耗。1000噸油頁(yè)巖可生產(chǎn)130 t的API為28-30的頁(yè)巖油。加氫處理后，油品的API可提高到38-40[16-17]。工藝流程圖，如圖5所示。

1-粉碎機(jī)；2-干餾爐；3-除塵裝置；4-加熱器；5-脫硫系統(tǒng)；6-冷凝器；7-加氫處理系統(tǒng)8-氨吸收塔；9-壓縮機(jī)；10裂解爐圖5 Chattanooga工藝流程圖

2.2.3 上海流化床干餾工藝

上海博申工程技術(shù)有限公司與哈爾濱氣化廠(chǎng)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種油頁(yè)巖流化床干餾工藝[18]。該工藝使用顆粒頁(yè)巖作為原料，采用高溫干氣和高溫蒸汽為熱載體和流化介質(zhì)，將粉末油頁(yè)巖在流化狀態(tài)下其中所含的頁(yè)巖油氣化，同時(shí)干氣對(duì)油頁(yè)巖中的有機(jī)物有一定的溶解作用，達(dá)到流化干餾脫油的目的。分離出頁(yè)巖油后的粉體在富氧條件下，被高溫空氣流化燃燒，除去油頁(yè)巖中剩余的碳。脫碳反應(yīng)器產(chǎn)生的高溫?zé)熯M(jìn)入煙氣輪機(jī)和余熱鍋爐系統(tǒng)，經(jīng)能量回收后的煙氣在進(jìn)入凈化系統(tǒng)脫硫脫氮凈后排放[19-20]。工藝流程圖，如圖6所示。

1-混合罐；2-干餾反應(yīng)器；3-脫碳反應(yīng)器；4-分餾塔；5-氣體分離罐圖6 上海流化床干餾技術(shù)流程圖

2.3 流化干餾工藝特性對(duì)比

以上幾種流化干餾技術(shù)的工藝特性對(duì)比，如表2所示。目前各項(xiàng)流化干餾工藝主要以油料作為目標(biāo)產(chǎn)物，使用小粒徑原料進(jìn)行低溫干餾，充分發(fā)揮了流化床反應(yīng)器傳熱效率高，干餾停留時(shí)間短，油料不易裂解，油收率高的優(yōu)勢(shì)。各工藝大多采取了將半焦燃燒加熱熱載體的方式來(lái)提高原料利用率。裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以大型化是阻礙工藝投入商業(yè)化生產(chǎn)的主要原因。

表2 各項(xiàng)流化干餾工藝特性對(duì)比

3 流化干餾技術(shù)研究進(jìn)展

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于流化干餾工藝進(jìn)行了大量研究，其中一部分是建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究不同反應(yīng)條件對(duì)干餾過(guò)程的影響。Ly等[21]對(duì)海藻類(lèi)生物質(zhì)在鼓泡床中快速流化干餾中干餾溫度和流化速度對(duì)產(chǎn)物收率和品質(zhì)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究；Khraisha等[22]進(jìn)行了油頁(yè)巖流化干餾實(shí)驗(yàn)以尋找EL-Lajjun和Sultani頁(yè)巖的最佳熱解溫度；鄭建祥等[23]根據(jù)粘附性顆粒碰撞動(dòng)力學(xué)研究了流化干餾過(guò)程中油頁(yè)巖的團(tuán)聚現(xiàn)象，并找出了團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重的區(qū)域；Erkiaga[24]等研究了不同溫度、進(jìn)料量、顆粒大小對(duì)木屑噴動(dòng)床熱解產(chǎn)物比例的影響。

另一種研究是針對(duì)現(xiàn)有流化干餾的工藝進(jìn)行改進(jìn)，或設(shè)計(jì)符合特定要求的干餾工藝。Fernandez-Akarregi 等[25]設(shè)計(jì)了一種生物質(zhì)噴動(dòng)床熱解裝置并建立了1∶1比例的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證可行性與穩(wěn)定性，并確定了油收率最高的反應(yīng)溫度；Hwang[26]等對(duì)于一種新型能源作物的流化干餾工藝進(jìn)行了全面設(shè)計(jì)與優(yōu)化；姜殿臣等[27]進(jìn)行了粉末頁(yè)巖的流化干餾中試實(shí)驗(yàn)，證明了粉末頁(yè)巖流化干餾將得到比塊狀頁(yè)巖更輕的頁(yè)巖油。

另外部分學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究流化干餾過(guò)程的參數(shù)變化。呂奇錚等[28]用模擬分析雙流化床快速熱解生產(chǎn)流程，找出利用率較低的可能影響因素，并提出了改善方案；王莎[29]提出了一個(gè)集成油頁(yè)巖干餾煉油，半焦燃燒發(fā)電的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并模擬考察了干餾溫度、停留時(shí)間、燃燒溫度和壓力等對(duì)系統(tǒng)性能的影響；柏靜儒等[30]對(duì)包含循環(huán)流化床的油頁(yè)巖濁-電-氣三聯(lián)戶(hù)工藝進(jìn)行了過(guò)程模擬，結(jié)果表明綜合利用工藝能有效提高利用效率；唐松濤等[31]建立了流化床內(nèi)熱解的混沌神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并對(duì)其進(jìn)行模擬，可以對(duì)熱解產(chǎn)物給出較好的預(yù)測(cè)。

4 流化干餾發(fā)展趨勢(shì)與展望

從流化干餾技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，流化干餾技術(shù)具有良好應(yīng)用價(jià)值的發(fā)展前景，它具有固定床或移動(dòng)床干餾技術(shù)無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)，流態(tài)化干餾作為干餾工業(yè)中的一股新生代工藝，正處于技術(shù)快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化成長(zhǎng)階段。但目前流化干餾技術(shù)仍存在以下問(wèn)題：(1)設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于大型化，單爐生產(chǎn)能力較低，運(yùn)行能耗高，相對(duì)經(jīng)濟(jì)效益較差；(2)生成焦油中含塵量高，且半焦粉末吸附力強(qiáng)，容易黏附在分離設(shè)備上，影響系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。

未來(lái)流化干餾技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)將是如何解決以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，能滿(mǎn)足大規(guī)模，高效益生產(chǎn)的流化干餾技術(shù)。

流化干餾工藝的另一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是多聯(lián)產(chǎn)化，現(xiàn)有干餾產(chǎn)業(yè)模式大多僅通過(guò)干餾制取半焦，焦油和煤氣作為初級(jí)產(chǎn)品簡(jiǎn)單出售，利用干餾產(chǎn)物進(jìn)一步生產(chǎn)熱、電、化學(xué)品等，構(gòu)建多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，盡可能的提高原料利用率，做到原料清潔、高效、環(huán)保利用，這將是未來(lái)流化干餾工藝重要發(fā)展方向。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)應(yīng)不同的原料和不同的工藝需求，國(guó)內(nèi)外流化干餾技術(shù)種類(lèi)繁多，各有其特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)自主流化干餾技術(shù)仍大多處于試驗(yàn)階段，同時(shí)引進(jìn)了數(shù)項(xiàng)國(guó)外先進(jìn)流化干餾技術(shù)投入生產(chǎn)。我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)水平依然與國(guó)外存在較大差距，通過(guò)自身的研發(fā)和吸取國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)有的技術(shù)水平存在較大的進(jìn)步空間，流化干餾技術(shù)正處在一個(gè)快速發(fā)展完善的階段，隨著流態(tài)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)將有適合大型化大規(guī)模生產(chǎn)，更加高效率低能耗的流化干餾技術(shù)投入使用。

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Current Status and Prospect of Fluidized Retorting Technology

ZHANG Li-dong1，WANG Zi-jia1，LI Wei-wei2，WANG Qing1，QIN Hong1，LI Shao-hua3

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.Huaneng Chaohu Power Generation Co.Ltd，Anhui Chaohu 238015；3 China Datang Corporation Science and Technology Research Institute，Beijing 102206)

Fluidized bed reactor has been researched and applied in industry because its high heat and mass transfer efficiency and uniform bed temperature.According to different materials and different retorting requirements，a series of research were made around world and a variety of distinctive fluidized retorting technology were developed now.Some of these technologies have been successfully applied in commercial production.This paper introduce 6 main types of fluidized retorting technology，and discuss the development prospect of fluidized retorting technology in the future.The main development directions of will be large-scale，poly generation，reducing energy consumption and solving the problem of dust removal equipment wear.

Fluidized bed；Retorting；Current status；Prospect

2016-04-12

教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT13052)；吉林省自然科學(xué)基金(20150101033JC)；吉林市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201464044)；吉教科合字資助的課題(2015-237)

張立棟(1980-)，男，山東省泰安人，東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授，博士，主要研究方向：油頁(yè)巖綜合利用及電廠(chǎng)設(shè)備優(yōu)化.

1005-2992(2016)06-0007-07

TP29

A