流化干馏工艺现状及技术发展

张立栋，王子嘉，李伟伟，王擎，秦 宏，李少华

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.华能巢湖发电有限责任公司，安徽 巢湖 238015；3.中国大唐电力科学研究院，北京 102206)

流化干馏工艺现状及技术发展

张立栋1，王子嘉1，李伟伟2，王擎1，秦 宏1，李少华3

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.华能巢湖发电有限责任公司，安徽 巢湖 238015；3.中国大唐电力科学研究院，北京 102206)

流化床反应器因具有高传热传质效率，床层温度均匀等特点而在工业中具有广阔的应用前景，针对不同的干馏原料与工艺需求，国内外进行了一系列研究并开发出了多样化的流化干馏技术，部分技术已成功应用于生产。对目前主要的6种流化干馏技术类型进行了对比分析，并对流化干馏技术未来的发展趋势进行了展望。流化干馏未来的主要发展方向将是大型化、多联产化，降低运行能耗并解决除尘困难与设备磨损问题。

流化床；干馏；现状；趋势

随着全球油气资源的日渐枯竭以及油气燃料需求的迅速增长，通过干馏制取油气资源替代产物的技术受到了越来越多的重视。目前干馏技术主要被应用于加工煤炭、生物质、油页岩来制取焦油、煤气、半焦等多种产物[1-2]。对应于不同的干馏原料和目标产物，不同国家和地区干馏工艺种类繁多。按固体物料在干馏过程的运动状态不同，可分为固定床干馏、移动床干馏、流化床干馏三种。

流态化是流体向上通过床层从而使床层中固体颗粒具有一般流体性质的现象。在现代工业中，有许多粉末或颗粒固体参与的工艺过程，流态化技术能将固体颗粒如流体一样进行输送，从而简便的实现大规模连续加工，而且流化状态下颗粒间隙增大，气相与固相接触增加，所以流化状态下床体内温度均匀且气固相间有很高的传热传质效率，使得流态化技术在多个行业中具有明显优势[3]。

1922年，Winkler在粉煤气-固流化床气化工艺中最早使用了流化技术，尽管技术不完善且当时石油的大规模使用而很快中断，但这次尝试使得人们对流态化技术在工程应用中的优势和发展前景有了更为深入的认识。此后，国内外对于完善流化干馏技术进行了诸多研究，我国最早的流态化研究是1948年汪家鼎院士对褐煤流态化低温干馏的研究[4]。迄今为止，世界各地开发出了多种各具特色的流态化干馏技术，其中一部分已经成功投入了商业化生产，流化干馏技术正处于一个快速发展完善的阶段[5-6]。

1 流化干馏技术的特点

流化干馏与固定床或移动床干馏相比具有诸多优势，使用不同反应器进行干馏的具体技术特征对比，如表1所示[7]。

表1 不同反应器干馏特点对比

总体上，流态化技术应用在干馏中的优势主要体现在适合连续操作，产物均匀，床层温度均匀、传热效率高，使得原料在干馏炉内的停留时间短，有效防止了焦油发生二次裂解焦化，进而有效提高了油收率。同时，流化干馏技术普遍存在能耗较大、装置易磨损、除尘困难、净化系统与分离系统易堵塞、结构复杂难以大型化等弊端[8]，这也是流化干馏技术难以投入正式生产的主要原因。

2 流化干馏工艺进展

2.1 煤炭流化干馏工艺

2.1.1 CSIRO工艺

CSIRO工艺由澳大利亚的联邦科学与工业研究院开发，该干馏装置由进料系统，流化床反应器，回收净化系统3部分组成。使用氮气作为流化介质，反应器中床层为0.3 mm-1 mm大小的砂粒，煤粉在反应器中完成停留时间小于0.5 s的快速干馏，离开反应器的气体通过旋风分离器使半焦分离，旋风分离器保持在约350 ℃来确保焦油不会冷凝，然后气体经过冷却器进入电捕焦油器，分离出焦油并回收收集[9]。流化床干馏工艺流程图，如图1所示。

2.1.2 清华大学流化床气-固热载体干馏工艺

清华大学提出了基于流化床的气-固热载体干馏工艺[10]。该干馏技术是热半焦作为固体热载体，干馏过程中生成的煤气作为流化介质与气相热载体，完成快速加热干馏而制取轻质半焦、焦油、煤气。褐煤经破碎筛分为0.5 mm-6 mm进入干燥床干燥，粒径小于0.5 mm部分进入燃烧床燃烧。干燥后的褐煤与燃烧床产生热半焦混合进行流化干馏，干馏产生的挥发分从干馏室的顶部排出，经过旋风分离器进入净化系统冷却除尘，粗分离后获得煤气和焦油。部分煤气返回到干馏室中作为流化床的流化介质及热载体，剩余部分净化后收集作为煤气产品，焦油分离后贮藏。干馏产生的半焦一部分冷却后作为半焦产品，另一部分由提升管气力输送进入燃烧床作为燃料[11]。工艺流程图，如图2所示。

1-煤粉上升管；2-煤斗；3-气汽热交换器；4-旋风分离器；5-干馏炉；6-半焦燃烧器；7-半焦冷却器；8-半焦漏斗；9-沉积池；10-半焦上升管；11-冷却器；12-筛分；13-间接冷却器；14-喷射器；15-脱硫脱氮装置；16储气仓；17干馏气燃烧器图2 清华大学流化床气-固热载体干馏工艺流程图

2.1.3 陕西华祥流化床粉煤气固热解技术

陕西华祥能源科技集团开发的流化床粉煤气固热解技术[12]，结合了灰融聚流化床粉煤气化与快速流化床工艺，以0 mm-8 mm的粉煤为原料，煤气作为气体热载体，进行低温干馏以生产煤气和焦油。干馏后的半焦进入灰融聚流化床进行气化，气化产生的煤气进入快速流化床以及提升管流化原料粉煤进行低温干馏，产生的热解气和气化煤气一起进入回收系统对煤焦油进行回收，净化煤气可作为合成气或燃料气，从而实现了对低变质粉煤的清洁、高效利用[13]。工艺流程图，如图3所示。

1-煤斗；2-提升床；3-快床；4-气化炉；5-渣斗；6-渣锁；7-一级旋风除尘器；8-二级旋风除尘器；9-深度除尘器；10-受灰斗；11-灰斗图3 陕西华祥流化床粉煤气固热解技术流程图

2.2 油页岩流化干馏工艺

2.2.1 茂名流化干馏工艺

茂名石油公司于1967年提出了粉末页岩流化干馏和粉末半焦流化燃烧的工艺方案。该工艺使用粒径小于15 mm的粉末页岩，经烟气干燥后送入到干馏反应器中部，被页岩灰以及过热蒸汽加热至480 ℃干馏，干馏生成的页岩油蒸汽和干馏气经过三级旋风分离器除尘后进入冷凝回收系统，页岩半焦与部分页岩灰的混合物送回干馏反应器，多余的页岩灰外排，热烟气经水洗除尘后放空[14-15]。工艺流程图，如图4所示。

1-破碎机；2-储料仓；3-计量器；4-反应器；5-燃烧器；6-洗尘塔；7-油水分离池；8-冷凝系统；9-吸收塔；10-蒸脱塔图4 茂名流化干馏工艺流程图

2.2.2 Chattanooga工艺

Chattanooga工艺是一种流化床反应器和裂解炉相结合的干馏工艺。通过烃气的热裂化和半焦的加氢作用，使油页岩进行低温干馏。产生的烃气经过除尘后冷凝，未被冷凝的残留氢气、轻烃和酸性气体通过氨气吸收塔使H2S反应生成硫磺。冷凝的页岩油通过加氢处理来提高油品。氢气和轻烃循环送入裂解炉加热后返回流化床。裂解炉以干馏生成的页岩油为原料，减少对轻烃的消耗。1000吨油页岩可生产130 t的API为28-30的页岩油。加氢处理后，油品的API可提高到38-40[16-17]。工艺流程图，如图5所示。

1-粉碎机；2-干馏炉；3-除尘装置；4-加热器；5-脱硫系统；6-冷凝器；7-加氢处理系统8-氨吸收塔；9-压缩机；10裂解炉图5 Chattanooga工艺流程图

2.2.3 上海流化床干馏工艺

上海博申工程技术有限公司与哈尔滨气化厂联合开发了一种油页岩流化床干馏工艺[18]。该工艺使用颗粒页岩作为原料，采用高温干气和高温蒸汽为热载体和流化介质，将粉末油页岩在流化状态下其中所含的页岩油气化，同时干气对油页岩中的有机物有一定的溶解作用，达到流化干馏脱油的目的。分离出页岩油后的粉体在富氧条件下，被高温空气流化燃烧，除去油页岩中剩余的碳。脱碳反应器产生的高温烟进入烟气轮机和余热锅炉系统，经能量回收后的烟气在进入净化系统脱硫脱氮净后排放[19-20]。工艺流程图，如图6所示。

1-混合罐；2-干馏反应器；3-脱碳反应器；4-分馏塔；5-气体分离罐图6 上海流化床干馏技术流程图

2.3 流化干馏工艺特性对比

以上几种流化干馏技术的工艺特性对比，如表2所示。目前各项流化干馏工艺主要以油料作为目标产物，使用小粒径原料进行低温干馏，充分发挥了流化床反应器传热效率高，干馏停留时间短，油料不易裂解，油收率高的优势。各工艺大多采取了将半焦燃烧加热热载体的方式来提高原料利用率。装置结构复杂，难以大型化是阻碍工艺投入商业化生产的主要原因。

表2 各项流化干馏工艺特性对比

3 流化干馏技术研究进展

目前国内外学者对于流化干馏工艺进行了大量研究，其中一部分是建立实验台研究不同反应条件对干馏过程的影响。Ly等[21]对海藻类生物质在鼓泡床中快速流化干馏中干馏温度和流化速度对产物收率和品质的影响进行了系统的研究；Khraisha等[22]进行了油页岩流化干馏实验以寻找EL-Lajjun和Sultani页岩的最佳热解温度；郑建祥等[23]根据粘附性颗粒碰撞动力学研究了流化干馏过程中油页岩的团聚现象，并找出了团聚现象严重的区域；Erkiaga[24]等研究了不同温度、进料量、颗粒大小对木屑喷动床热解产物比例的影响。

另一种研究是针对现有流化干馏的工艺进行改进，或设计符合特定要求的干馏工艺。Fernandez-Akarregi 等[25]设计了一种生物质喷动床热解装置并建立了1∶1比例的实验台进行了长期实验以验证可行性与稳定性，并确定了油收率最高的反应温度；Hwang[26]等对于一种新型能源作物的流化干馏工艺进行了全面设计与优化；姜殿臣等[27]进行了粉末页岩的流化干馏中试实验，证明了粉末页岩流化干馏将得到比块状页岩更轻的页岩油。

另外部分学者通过数值模拟方法，研究流化干馏过程的参数变化。吕奇铮等[28]用模拟分析双流化床快速热解生产流程，找出利用率较低的可能影响因素，并提出了改善方案；王莎[29]提出了一个集成油页岩干馏炼油，半焦燃烧发电的多联产系统，并模拟考察了干馏温度、停留时间、燃烧温度和压力等对系统性能的影响；柏静儒等[30]对包含循环流化床的油页岩浊-电-气三联户工艺进行了过程模拟，结果表明综合利用工艺能有效提高利用效率；唐松涛等[31]建立了流化床内热解的混沌神经网络模型并对其进行模拟，可以对热解产物给出较好的预测。

4 流化干馏发展趋势与展望

从流化干馏技术研究与应用现状来看，流化干馏技术具有良好应用价值的发展前景，它具有固定床或移动床干馏技术无法相比的优点，流态化干馏作为干馏工业中的一股新生代工艺，正处于技术快速发展和产业化成长阶段。但目前流化干馏技术仍存在以下问题：(1)设备结构较复杂，不利于大型化，单炉生产能力较低，运行能耗高，相对经济效益较差；(2)生成焦油中含尘量高，且半焦粉末吸附力强，容易黏附在分离设备上，影响系统的长期运行。

未来流化干馏技术的发展重点将是如何解决以上问题，开发结构简单可靠，适应性强，能满足大规模，高效益生产的流化干馏技术。

流化干馏工艺的另一个重要发展趋势是多联产化，现有干馏产业模式大多仅通过干馏制取半焦，焦油和煤气作为初级产品简单出售，利用干馏产物进一步生产热、电、化学品等，构建多联产系统，尽可能的提高原料利用率，做到原料清洁、高效、环保利用，这将是未来流化干馏工艺重要发展方向。

5 结 语

对应不同的原料和不同的工艺需求，国内外流化干馏技术种类繁多，各有其特点。目前国内自主流化干馏技术仍大多处于试验阶段，同时引进了数项国外先进流化干馏技术投入生产。我国现有的技术水平依然与国外存在较大差距，通过自身的研发和吸取国外先进技术，现有的技术水平存在较大的进步空间，流化干馏技术正处在一个快速发展完善的阶段，随着流态化技术的不断进步，可以预见未来将有适合大型化大规模生产，更加高效率低能耗的流化干馏技术投入使用。

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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

教育部长江学者和创新团队发展计划(IRT13052)；吉林省自然科学基金(20150101033JC)；吉林市科技计划项目(201464044)；吉教科合字资助的课题(2015-237)

张立栋(1980-)，男，山东省泰安人，东北电力大学能源与动力工程学院副教授，博士，主要研究方向：油页岩综合利用及电厂设备优化.

1005-2992(2016)06-0007-07

TP29

A