1.2　煤热解的耦合一体化特征

1.2.1　基本内涵

在我国半焦（兰炭）产业的发展过程中，虽然已形成了六大产业链，但这些产业链只是上下游产物的利用，如“煤—兰炭（焦油）—燃料油”产业链的工艺过程，见图1-2。

由图1-2可知，该工艺过程是煤热解与煤焦加氢制燃料两个工艺过程（两个装置）的组合，分别在两个车间（或两个工厂）进行生产。而目前正在研究开发的煤热解与气相焦油裂解耦合一体化，是将荒煤气净化除尘后，原位直接对气相焦油进行裂解，经分离后制得芳烃产物和柴油馏分（图1-3）。该一体化工艺过程不仅可在一个车间（一套装置）内完成，而且其产物还实现了高附加值。

目前生产活性半焦的工艺过程基本都采用两段法，即低阶煤先在热解炉内进行热解反应，然后将生产的半焦送入活化炉制得活性半焦产品。而在煤热解与半焦活化耦合一体化生产工艺过程中，是将低阶煤在热解活化一体化炉中制备（一段法）活性半焦，该一体化炉的上部为煤的热解室，下部为半焦活化室，并于2018年实现了工业化生产。

电石是重要的基础化工原料，其传统的生产方法是：将生石灰与半焦经计量按一定比例加入高温电石炉中，利用炉中电弧热和低电压大电流通过炉中混合料，产生大量电阻热加热反应生成电石。其生产工艺的主要特点是将半焦的生产单独设置车间。但在煤热解与电石生产耦合一体化工艺的工业试验过程中，先将低阶煤与生石灰按一定比例混合压球制成冷团球；然后将冷团球送入热解炉进行热解反应，在生成热团球的同时还副产煤气；最后将热团球送入高温电石炉制备电石产品。其生产工艺的显著特点是将半焦与电石两种不同的生产方法进行了有机的耦合一体化。

煤热解与半焦气化耦合一体化的原理如图1-4所示。煤粉经过密相气力输送（N₂）进入二段热解炉，与来自一段气化炉的高温合成气（含CO、H₂）混合传热，迅速升温，在还原性气氛条件下进行快速热解反应；生成半焦、焦油、CH₄、C₂H₆、CO、CO₂、H₂、H₂O等产物；其热解产物经过冷却降温、气固分离（旋风分离器等），固态产物（半焦和煤灰等）通过N₂载气循环回一段炉内气化，产生的高温合成气为二段热解过程提供所需的热量。

该一体化装置的主要特点是：

①煤的热解和半焦气化两个反应在同一反应炉中的不同位置（空间）进行；

②用气化炉的高温合成气对煤进行热解，能明显提高热解产物中焦油的收率。

煤热解与气基直接还原法炼铁耦合一体化工艺过程如图1-5所示。该耦合一体化工艺过程，使煤热解与炼铁两个不同领域的生产工艺耦合在一起，不仅产生相互利用和相互促进的作用，而且还能获得热解与炼铁的双重效益。该工艺过程具体如下：

①煤在热解炉（650℃）中生成的产品半焦供外售，其产物热解油气送入移动床；

②在移动床（900℃）中，热解油气中的气相焦油在铁矿石的催化下进行轻质化反应，其中的氢气与铁矿石发生还原反应制得海绵铁；

③由移动床输出的油气产物经冷凝分离器制得热解气和轻质焦油，可供化工利用。

综上所述，煤热解的耦合一体化与煤热解多联产的内涵是不同的。煤热解多联产的内涵如图1-6所示。煤热解的多联产是以煤热解为龙头，将热解生成的半焦、焦油、热解煤气进一步综合利用，联产油、气、电、化工品等多种产品。

煤热解的耦合技术一体化内涵如图1-7所示。由此可见，煤热解多联产只是以煤热解生成的产物为原料，进行的进一步加工和利用，如用煤气发电、焦油加氢制燃料油品、直接将半焦用于高炉喷吹料等。但煤热解的耦合技术一体化却是将煤热解与另一生产工艺（或另一领域的技术工艺）进行了优化集成，对化学反应、催化剂、传热、传质和动量传递等进行了耦合，并实现了装置的一体化，由此可研发出新技术、新装置和新工艺。

1.2.2　主要特点

煤热解的耦合技术一体化主要特点是：①可以明显减少投资，降低生产成本；②可以实现原材料互补，提高资源利用率；③可以提高生产灵活性，增强产品市场竞争力；④可以实现产品多样化、高端化、高值化；⑤可以实现大型化、基地化和园区化。

煤热解的耦合技术一体化是一个非常复杂的系统工程，其实质是通过以煤热解技术为“龙头”的多种资源转化技术的优化集成，不仅可以实现煤炭资源价值提升、利用效率和经济效益的最大化，同时还能做到煤炭利用过程对环境最友好。

煤热解的耦合技术一体化绝不是多种转化技术的简单叠加，而是以煤炭资源价值的合理利用为前提、以满足国民经济可持续发展为目标、建立在相关技术发展水平基础之上，以价值提升、过程效率、经济效益以及环保特性为综合目标函数的多个子系统的优化集成。这其中包含几层含义：

①发展前提是实现煤炭和相关资源宝贵价值的合理利用；具体方式是多种转化技术的优化集成；深刻内涵是资源价值的梯级利用。

②各种目标产品的设置应以满足国民经济的快速、稳健发展为目标，而且也只有这样，才能实现产品适销对路，从而体现出经济效益的最大化。

③在发展过程中要受到相关技术发展水平的限制，也就是说，被优化集成到系统中的各单项转化技术必须成熟、可靠。

④资源转化系统集成优化的目标函数并非单个的，而是多个目标函数的综合平衡。显然，多个目标函数综合平衡的结果也应该随着社会、经济、技术等因素的发展变化而不断向更深的层次和更高的水平发展。