张启科，段小锋，胡小斌，毛吉会，张小琴

[陕西延长石油(集团)有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安 710075]

0 引 言

由陕西延长石油(集团)有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心(简称延长石油碳氢中心)自主研发的万吨级粉煤热解-气化一体化(CCSI)技术工业中试试验装置建于陕西兴平市兴化工业园区，历经多次试验与尝试，圆满完成了空气版和氧气版的气化试验，完成试验目标，达到预期效果。试验期间，CCSI空气气化技术于2017年4月通过了由中国石化联合会组织的专家鉴定；CCSI氧气气化技术于2019年7月14日顺利通过了由陕西省化工学会组织的72 h现场标定任务，完成装置的长周期、稳定运行考察。CCSI技术自开始研发以来，历经小试、冷模试验、工艺包设计编写、万吨级试验装置建设及试验等一系列研发阶段，历时8 a，开展了深入的探索、理论性研究和工程化技术开发工作，在万吨级试验装置上同时完成了空气气化、氧气气化条件下的试验评价，取得了一系列关键技术突破和重要的工程化数据。

CCSI技术的核心在于独创了“一器三区”粉煤热解与气化一体化反应器，在同一反应器内完成粉煤热解以及半焦或粉煤气化两种反应，生成焦油、粗合成气两种产物：焦油一般作为加工精制的原料制取各种化工产品，也可以直接循环利用；合成气是化工行业的重要原料，在化工生产中具有十分广泛的用途，可以制成不同形式的新型燃料等。CCSI技术开发的由一体化反应系统、高效分离系统、油气回收系统耦合集成的新工艺技术，反应过程中可实现物料互供、热量自平衡，反应过程能耗低、资源利用率高，产品回收率高，工艺流程简单，智能化控制水平高。研发过程中，通过持续开展中试装置试验，不断摸索、总结经验，探寻制约CCSI技术产业化的症结所在，并不断地整改问题、解决难题，以加快技术的产业化，实现资源的清洁化转型和高效利用，实现经济效益与技术突破的双丰收。

8 a的试验开展以及产业化探索表明，CCSI技术可实现煤炭的分质转化和高效清洁利用，该技术的成功研发及今后的工业化推广应用，必将为我国煤化工产业变革带来新的生机，对保障我国能源安全、实现煤炭资源高效清洁利用及解决大气污染等问题具有重要的战略意义。

1 CCSI中试装置试验的开展

1.1 试验目的

CCSI中试装置试验的目的是，据延长石油碳氢中心自主研发的粉煤热解-气化一体化(CCSI)技术的设计理念与初衷，通过持续的中试试验解决各种瓶颈问题、关键性问题，进而持续地在中试装置上进行改造，并通过试验运行来考察验证改造效果，以加快CCSI技术产业化的步伐。2021年8月25日，CCSI中试试验装置启动第17次试验，在此之前的16次中试试验主要开展的是空气版和氧气版的气化试验，解决了进煤堵塞、气/固/液三相彻底分离、气体取样和煤气洗涤效果等方面的问题，完成了试验任务，取得了现场72 h标定和鉴定，完成了产业化工艺包的编写，计划在陕北工业园区建厂试验，已列入“十四五”规划中。通过之前16次试验的总结，明确了目前CCSI技术存在旋风分离效率低下、热解炉锥部气化剂流化效果差和焦油取样困难等问题，并完成了三大重要项改造——多管旋风分离器改造、焦油取样系统改造、热解炉锥部气化剂流化分布改造，改造完成后启动第17次试验进行考察验证，以评估三大重要项改造后中试装置运行的平稳性和长周期性。本次改造技术难度大、安全环保要求高，试验准备周期长，旨在通过重大关键核心技术的突破解决中试装置长周期、稳定运行的“卡脖子”问题，为CCSI技术产业化提供有力的理论依据和技术支持。

1.2 试验过程与结果

1.2.1中试试验装置工艺流程简述

粉煤热解-气化一体化(CCSI)中试装置热解炉分为气化段和热解段两段循环流化床，煤粉与气化剂(氧气、蒸汽和二氧化碳)在其中进行反应——在热解段通过煤粉热解产生半焦及焦油，在气化段以热解产生的半焦为原料与气化剂反应生成粗合成气，粗合成气夹带的固体颗粒可用来作为热解的热载体。

原料煤粉经过气力输送进入热解段流化床反应器，在热解段流化床反应器内进行加压快速热解反应；旋风分离器分离下来的半焦与气化剂在气化段流化床反应器内进行气化反应；生成的粗合成气夹带灰尘进入多管旋风分离器，旋风分离器捕集下来的细灰进入细灰排灰系统，粗合成气则进入洗涤单元处理，洗涤下来的油渣进入卧螺离心机进行固渣分离，洗涤后的粗合成气进入净化系统。

1.2.2试验过程简述

通过前期的考察调研，成功完成多管旋风分离器、焦油取样系统和热解炉锥部气化剂流化分布的改造调试。CCSI中试装置开启试验前的准备工作，于2021年8月25日进入试验阶段，8月27日开工烧嘴点火成功，8月30日热解段温度达580～600 ℃、系统压力达0.9～1.0 MPa，达到投煤条件，中试装置一次性投煤成功，完成系统的稳定切换。本次试验运行时长173 h，投煤运行106 h，中试装置运行平稳，累计进煤量100～120 t，进料负荷达80%～90%，氧气流量340～400 m3/h，蒸汽流量880～1 240 kg/h，气化段温度900～1 050 ℃、热解段温度580～620 ℃，气化段气速0.49～0.65 m/s、热解段气速7.6～10.0 m/s，系统压力0.9～1.1 MPa，粗/细灰排灰正常，后系统洗涤效果好，三相分离彻底，操作不频繁、干预少，中试装置实现了稳定运行，并取得合格样品数据。

1.2.3试验结果

本次试验验证了三大改造项(多管旋风分离器改造、焦油取样系统改造、热解炉锥部气化剂流化分布改造)的可行性和有效性：与以往试验工况相比，反应器流化状态平稳、温度和压力波动小，气化反应升温操作容易，内循环流化热解段、气化段及外循环温差小，温度均匀，循环规律性强；多管旋风分离器除尘效率高，较高时达80%以上；焦油取样系统实现了公斤级取样，取得了自主研发CCSI技术的重大进步，其产业化突破更进一步。

1.2.3.1多管旋风分离器除尘效率有效提高

经热解炉反应后气体夹带着灰尘进入多管旋风分离器，通过多管旋风分离器锥部细灰捕集量来验证旋风分离器的除尘效率。本次试验排灰量约60～100 kg/h，细灰取样分析数据显示捕集到的10 μm以上的颗粒占比约92.02%(质量分数，下同)、30 μm以上的颗粒占比约53.06%，除尘效率在60%～80%之间，减少了粗合成气携带大量固体颗粒进入洗涤单元，从而减轻了洗涤单元和卧螺离心机的负荷。本次试验有效验证了改造后的多管旋风分离器除尘效率良好，减轻了后系统的处理负荷压力，保证了中试装置的长周期、平稳运行。

1.2.3.2焦油取样系统实现公斤级取样

粉煤热解气化反应后的工艺气含尘量大、气速快，中试装置前16次试验时，取样系统管线设计尺寸小，取样量少，管线易堵塞且容易磨穿，焦油取样困难，易发生着火问题。

改造后的焦油取样系统流程如图1所示。从多管旋风分离器出口引出一支路进入焦油取样系统，取样系统管线尺寸由DN10扩至DN25，工艺气先进入高温除尘器，大多数粉尘被收集于灰渣收集器中(其中的灰渣待取样结束冷却至常温后拆卸卸出)，气体夹带少量灰尘进入一级冷却罐和二级冷却罐用溶剂(丙酮、二氯甲烷等)洗涤，溶剂的加入量据试验条件而定；制冷机制取的制冷剂温度设置在-15 ℃左右，制冷剂循环在冷却罐中对气体中夹带的焦油进行冷却，收集焦油的过程主要控制过气量，过气量不宜过大，以免溶剂被带出而影响洗涤效果，过气量由尾气排放阀控制流量在5～8 m3/h为最佳，此流量下取样效果较好，且可减少溶剂的消耗量，洗涤彻底；完成取样后的尾气排入火炬气中。

图1 改造后焦油取样系统流程简图

本次试验焦油取样系统捕集到的10 μm以上的颗粒占比约65.49%、30 μm以上的颗粒占比约21.02%，取样试验的重现性较好，单次焦油取样量在2.0～3.0 kg。

1.2.3.3热解炉锥部气化剂流化分布更均匀

热解炉锥部气化剂流化口完成由4个增至8个的改造后，8个气化剂流化口上、下均匀对称分布，有效地合理地分配了气化剂，气化剂与煤粉(半焦)在充分流化的状态下进行气化反应，炉膛床层流化状态整体平稳、热量均衡，热解炉锥部流化彻底，内、外循环稳定，排灰顺畅，有效避免了结焦的发生。

1.2.3.4内循环与外循环控制稳定

反应器提升段由三段组成，分别是气化段、热解段和过渡段，炉膛床层内的物料由内循环和外循环两部分组成：内循环由上循环和下循环组成，上循环返料至热解段，下循环返料至气化段；外循环物料通过一级旋风分离器、二级旋风分离器、立管、循环密封罐返回气化段。通过内、外循环形成一个双循环流化系统，依靠立管与炉膛床层的料位差、稳定的流化床层以及适宜的松动流化气量形成高倍率循环，内、外双循环调节控制稳定，能有效提高煤粉(半焦)的转化率，从而提高粗合成气的产率。

2 CCSI技术产业化探讨

2.1 我国煤炭利用现状

目前，我国以直接燃烧和单一转化为主的煤炭利用方式不仅未充分利用好煤炭这一宝贵的不可再生资源，还带来了严重的环境污染问题，因此，开发多种技术相耦合的煤炭资源梯级利用技术，是当前我国煤化工产业发展须解决的问题。

另外，我国的煤热解分质利用技术还停留在半焦、焦油、煤气的生产阶段，技术成熟度偏低，产品半焦、焦油主要作为初级产品出售，半焦循环利用难、产能过剩严重，煤气被放空或直接燃烧，产品同质化严重，焦油收率低、能源转化效率低，制约了煤炭分质利用技术的规模化发展。国内已产业化的煤热解技术普遍存在焦油收率低、焦油与粉尘分离难、反应系统能源利用效率低、废气废水治理难以及半焦转化利用难、转化后附加值不高等问题。

2.2 煤炭主要利用方式——高效转化与多联产

一直以来煤的利用主要以燃烧为主，一般分为直接燃烧和间接燃烧，民用大多采用直接燃烧，化工企业则采用间接燃烧并最终产出化工产品，间接燃烧过程中释放出的有毒有害气体会污染环境和损害人体健康，故煤的清洁气化技术研究从未停止。旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等洁净煤转化利用新技术，已成为全球解决环境问题的主导技术，也是能源利用技术国际竞争的一个重要领域。

以煤气化技术为龙头的多种煤炭转化技术，将煤炭分级转化、分级利用技术优化组合集成在一起，实现煤的高效转化，以获得高附加值的化工产品和洁净的二次能源。针对不同的原料煤特性，进行气化炉和气化工艺的差异化设计，对各种级别能量综合利用，实现煤的高效清洁气化、分质分级转化，从而提高煤炭的利用效率，减少粉尘和二氧化硫等污染物的排放。如煤气化联合发电，将粉煤经气化产出中低热值煤气，中低热值煤气经净化除去其中的硫化物、氮化物、粉尘等变为洁净的气体燃料，燃烧后驱动燃气轮机发电，并利用高温烟气余热在废热锅炉内产生高压过热蒸汽驱动汽轮机发电，把高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统与洁净煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有很好的环保性能，即通过多联产实现煤的高效转化与利用。

2.3 CCSI技术产业化探讨

2.3.1CCSI技术的工艺特点

① 以煤粉为原料，煤种适应性广，具有很强的原料优势；② 加氢热解，焦油收率高；③ 系统高度耦合集成，设计理念先进；④ 过程低能耗，真正做到低碳节能；⑤ 单炉处理能力大，易于实现规模化；⑥ 工艺条件灵活，操作稳定、可靠；⑦ 工艺过程环保，废水产生量少；⑧ 与悬浮床加氢裂化、F-T等技术相结合，可实现两头见“油”。

2.3.2CCSI技术的核心

CCSI技术的核心是在同一个反应器内完成煤的热解及半焦的气化反应，以空气(或氧气)与水蒸气作为气化剂，煤粉在反应器上段的热解区快速热解生成焦油、半焦末，半焦末返回到反应器下段的气化区气化生成粗合成气，在一个反应器中既有内循环又有外循环，实现物料多相流循环流化，反应器中不同区域反应生成不同的产物——粗合成气和焦油；反应器内独特的流化状态和温度梯度分布，可加快热解反应产物的扩散速率、饱和不稳定自由基、减少焦油二次反应，使得焦油收率大幅提升。同时，创新性开发的产物分离工艺和专用设备可实现高效除尘、尾气精制，解决热解油、气、尘在线分离的世界性难题，提高碳转化率，将煤炭分质分级利用技术提升到更高的水平。

2.3.3CCSI技术实现煤的燃料/原料化清洁利用

延长石油碳氢中心在借鉴石油化工理念的基础上，自主研发的粉煤热解-气化一体化(CCSI)技术，以空气或氧气作为气化剂，可将粉煤一步法转化为高品质的中低温焦油和粗合成气，吨煤可产焦油150 kg和粗合成气约3 500 m3。其中，焦油收率超过15%，深度转化后可转变为高附加值的精细化工产品或清洁燃料油品；粗合成气可直接作为燃煤锅炉的燃料，也可净化后作为燃气轮机的燃料进行发电等。

煤炭的燃料/原料化是煤炭清洁利用的根本出路。依靠技术创新将煤炭热解-气化一体化(CCSI)分质分级转化——煤炭先高效转化成气(工业燃气或合成气)、液(低温焦油)产物，再向下游延伸生产高附加值的油品、化工品和用于绿色发电、供热，构建新型的煤、油、电、化等多联产应用：通过清洁工业燃气或粗合成气的后续加工利用，实现煤炭的高效清洁利用，粗合成气可以作为燃煤锅炉的燃料，也可以经脱硫、除尘净化后作为燃气轮机的燃料进行发电等；焦油与悬浮床加氢裂化、F-T等技术结合实现两头见“油”，制取不同用途的产品。简言之，CCSI技术可实现煤炭的燃料/原料化清洁利用，使煤炭生产利用清洁、环保，实现煤炭资源利用率以及转化效率和附加值的最大化，是煤炭高效清洁利用的一种新型技术路线。

2.4 CCSI技术产业化前景

CCSI技术可实现煤炭的分质分级转化和高效清洁利用，生产不同产品或原料，气体用于IGCC联合发电、燃气轮发电或燃烧等；液相产物用于煤油共炼装置生产化工品、高附加值油品，或装置循环洗涤利用，分离出的固体油渣通过煤基油渣分离萃取工艺处理，焦油进一步循环回收利用，实现大型成套工艺装置联合运行、配套设置，减少更多的设备与技术的支撑，减少运行成本，促进环保达标，实现产能和利润的最大化。总之，CCSI技术超高收率提取焦油的同时可实现煤的气化，可与C1化工、煤制油、煤制气、煤制烯烃及燃气发电等技术深度耦合集成，最大化生产高附加值能源化工产品；提取的焦油可通过煤油共炼、加氢等工艺生产优质油品，也可加工转化为附加值更高的化工产品。CCSI技术的产业化应用，将从深度和广度上推动煤基多联产技术的持续优化创新，在不同行业间形成产业集群和循环经济发展模式，有效提高资源的综合利用率和相关产业的经济效益。

3 结束语

由陕西延长石油(集团)有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心自主研发的万吨级粉煤热解-气化一体化(CCSI)技术，在对之前16次中试试验总结的基础上，完成了关键设备的改造——多管旋风分离器改造、焦油取样系统改造和热解炉锥部气化剂流化分布改造，并启动第17次中试试验进行考察验证。第17次中试试验结果表明：多管旋风分离器分离效果明显，细灰捕集量增多，解决了制约中试装置长周期运行的“卡脖子”问题；热解炉锥部气化剂流化分布均匀，流化效果良好，反应彻底；焦油取样系统实现公斤级取样，样品回收简单方便。目前，CCSI技术产业化有序推进，接下来将继续予以优化完善，探讨与落实大型产业化的问题，推动现代煤化工向清洁转化、环保经济、资源高效利用的能源化工转型。