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構建“中國特色”煤炭利用之未來

日(ri)期(qi): 2020-03-25  作者(zhe): 中國科學報  點擊數:

受新冠肺炎疫情(qing)的(de)影響,全球口罩需求量急劇增長。為(wei)應(ying)對當前的(de)形勢需要(yao),近日,越來越多的(de)煤炭企業開始生產(chan)口罩原料,加入了這(zhe)場抗“疫”戰(zhan)爭(zheng)。

煤炭企業成為生產防疫物資(zi)的“生力軍”,也讓業內意識到(dao),在碳(tan)減(jian)排壓(ya)力之下,從資(zi)源能源化向原材料化利用(yong)轉變,成為煤炭行業的大(da)勢所趨。

“煤炭由能源向(xiang)(xiang)能源和原(yuan)料并重是國(guo)家倡導的發展(zhan)方(fang)向(xiang)(xiang)。未來,煤炭原(yuan)材(cai)料化(hua)(hua)的比(bi)例(li)會逐(zhu)漸(jian)增加。”中(zhong)國(guo)工(gong)程(cheng)院(yuan)院(yuan)士、中(zhong)國(guo)科學院(yuan)大連化(hua)(hua)學物理研究所所長劉中(zhong)民(min)對《中(zhong)國(guo)科學報(bao)》指(zhi)出。

由于(yu)能源(yuan)(yuan)資源(yuan)(yuan)的(de)稟賦(fu)特征,近年來,我國煤(mei)(mei)化(hua)工產業規模實現快速增(zeng)長。我國自(zi)主研發的(de)煤(mei)(mei)炭間接液化(hua)技(ji)術(shu)、煤(mei)(mei)制烯烴技(ji)術(shu),以及我國率先開發的(de)煤(mei)(mei)制芳烴技(ji)術(shu),都處于(yu)國際領先的(de)地位。

未來,煤炭利用(yong)將走向何方?

煤化工的(de)多重選擇

實際上,以(yi)煤炭為原料制備口罩基本(ben)(ben)原料的(de)工藝已經(jing)成熟。山東科技大學化(hua)學與環境工程(cheng)學院教授梁鵬介紹說,煤制烯(xi)烴(jing)是現代煤化(hua)工產業中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)一(yi)項重要(yao)技術,通過烯(xi)烴(jing)分離可以(yi)獲得(de)高純(chun)度(du)的(de)丙(bing)烯(xi),丙(bing)烯(xi)用(yong)于生(sheng)產口罩所(suo)用(yong)的(de)主要(yao)基本(ben)(ben)材料——PP熔噴(pen)(pen)布(bu)、PP紡粘布(bu)等(deng),其(qi)中(zhong)(zhong)(zhong),PP熔噴(pen)(pen)布(bu)是口罩中(zhong)(zhong)(zhong)起(qi)關鍵作用(yong)的(de)過濾層。

梁鵬指出,煤(mei)(mei)炭(tan)企(qi)業可以利(li)用基(ji)本原料(liao)優勢(shi)(丙烯),進入熔噴布生(sheng)(sheng)產(chan)領域(yu),進而生(sheng)(sheng)產(chan)口(kou)罩,延長產(chan)業鏈。“此外,煤(mei)(mei)化工的煤(mei)(mei)制乙烯技術,還可生(sheng)(sheng)產(chan)大量聚乙烯,用于生(sheng)(sheng)產(chan)醫用防護服面料(liao)。”

中國(guo)石油(you)大學(北京)新能源研究院院長周紅軍則(ze)介紹說(shuo),口罩的原(yuan)料制(zhi)備(bei),全(quan)球有兩類生產路線(xian)。一(yi)條(tiao)是石油(you)化(hua)工路線(xian),另一(yi)條(tiao)則(ze)是中國(guo)獨(du)有的煤化(hua)工路線(xian)。

“將煤炭轉化為原料(liao)或(huo)材料(liao)加(jia)以利用(yong)是(shi)未來煤化工的(de)發(fa)展趨勢,同時(shi)會對煤炭行業提出更(geng)高(gao)的(de)技術要求。”梁(liang)鵬認(ren)為,如煤瀝青可(ke)以生產碳纖維用(yong)于航天、軍事及(ji)民用(yong)領域,從煤中分離高(gao)附加(jia)值(zhi)化學品可(ke)用(yong)于生產醫藥(yao)、染(ran)料(liao)等產品。

“站(zhan)在整個(ge)工業過程(cheng)來(lai)講(jiang),煤炭利用已經到天(tian)花(hua)板,物質流和能源流都要考慮(lv)。煤以后的出路就是材料化(hua),及煤制氫等(deng)。”周紅軍說。

“煤的(de)(de)主(zhu)要成(cheng)分是碳(tan)、氫、氧和少量的(de)(de)氮、硫(liu)或其它元素,從化(hua)學的(de)(de)角度講,這些元素可以組合(he)出非常(chang)多(duo)種類(lei)的(de)(de)物質。”劉中民解(jie)釋說,近些年興起(qi)的(de)(de)現代(dai)煤化(hua)工以煤熱解(jie)、氣化(hua)為(wei)(wei)基礎,以一碳(tan)化(hua)學為(wei)(wei)主(zhu)線,以新型催(cui)化(hua)劑和工藝過(guo)程為(wei)(wei)核(he)心,以工藝流程裝備為(wei)(wei)保障,產品(pin)主(zhu)要有(you)合(he)成(cheng)油、天然氣、烯(xi)烴(jing)、乙(yi)二醇、乙(yi)醇等(deng),人們生活(huo)中常(chang)用的(de)(de)塑(su)料、合(he)成(cheng)橡膠(jiao)、合(he)成(cheng)纖維等(deng)都離不開這些原料。

以清潔高(gao)效(xiao)為目標

清潔(jie)化(hua)利(li)用是煤(mei)炭(tan)(tan)行業的(de)(de)主基(ji)調,那么,目(mu)前的(de)(de)煤(mei)化(hua)工技術(shu)能否實現清潔(jie)化(hua)?梁(liang)鵬(peng)認(ren)為“完全可以”。不過(guo),煤(mei)炭(tan)(tan)的(de)(de)深加(jia)工過(guo)程往(wang)往(wang)會帶來設備(bei)投資大、耗水(shui)量大等問(wen)題(ti),因此,因地(di)制(zhi)宜開發(fa)適合我國國情(qing)的(de)(de)現代煤(mei)化(hua)工技術(shu),具有重(zhong)要意義(yi)。

劉中民(min)認為(wei),相比于燃燒,煤(mei)炭作為(wei)原(yuan)料利用(yong)(yong)的方式更多、更復雜。對技術(shu)、工藝(yi)、裝備的要求也更高,環保是現代煤(mei)化工產業體系構(gou)建過(guo)程中的重要問題之一。目前,污染物(wu)高效脫除技術(shu)、廢水(近)零(ling)排放技術(shu)及“三廢”資源化利用(yong)(yong)技術(shu)都已經得到廣(guang)泛應用(yong)(yong),污染物(wu)的排放可以(yi)降(jiang)到非常低的水平。

“從二氧化碳(tan)減(jian)排(pai)的角度,煤作為(wei)原料時,煤中的碳(tan)元素轉(zhuan)移到新的產品中,可在一定程度上減(jian)少二氧化碳(tan)的排(pai)放(fang)。”劉中民強調(diao)說。

周(zhou)紅軍則指出,煤炭(tan)清(qing)潔(jie)轉(zhuan)化的煤化工技術(shu)主要包括煤轉(zhuan)化制取清(qing)潔(jie)燃料和煤轉(zhuan)化制取大宗及特殊化學(xue)品兩大技術(shu)方向(xiang)。以清(qing)潔(jie)高效(xiao)為目標,進一步提高煤炭(tan)轉(zhuan)化效(xiao)率、降(jiang)低水耗及污染物排放等(deng)問(wen)題。

如重(zhong)點(dian)解決以(yi)煤(mei)(mei)/合(he)成氣/甲醇等為(wei)原料(liao)的(de)(de)碳氫氧原子化學鍵的(de)(de)定向調(diao)控(kong)(kong)、目(mu)標產(chan)物(wu)的(de)(de)化學合(he)成新途(tu)徑、催(cui)化劑的(de)(de)精準合(he)成,以(yi)及目(mu)標產(chan)物(wu)的(de)(de)合(he)成工(gong)(gong)藝(yi)及反應器等重(zhong)大問題(ti),最終(zhong)成功(gong)開(kai)發系(xi)列煤(mei)(mei)轉化制清潔燃料(liao)和化學品新技術(shu);重(zhong)點(dian)解決煤(mei)(mei)直接液化和間(jian)接液化的(de)(de)原料(liao)、過程匹配和產(chan)品靈活調(diao)控(kong)(kong),以(yi)及煤(mei)(mei)直接—間(jian)接液化工(gong)(gong)藝(yi)及耦合(he)強化問題(ti)等。

兩年前,中國(guo)科(ke)學(xue)(xue)院(yuan)啟動了“變(bian)革性(xing)潔凈能源關鍵(jian)技(ji)術與(yu)示范”A類戰略性(xing)先導(dao)科(ke)技(ji)專項,由中國(guo)科(ke)學(xue)(xue)院(yuan)大連化(hua)學(xue)(xue)物理研究所(suo)牽(qian)頭(tou)聯(lian)合院(yuan)內多所(suo)實施(shi)。

該項(xiang)目(mu)(mu)旨在推動構建我國多(duo)種(zhong)能(neng)源(yuan)(yuan)資源(yuan)(yuan)融(rong)合發(fa)展的(de)“中國特(te)色”能(neng)源(yuan)(yuan)結構,以能(neng)源(yuan)(yuan)技術革(ge)命促進能(neng)源(yuan)(yuan)革(ge)命。在煤(mei)(mei)化(hua)工(gong)方(fang)面(mian),布局了合成氣下游及(ji)耦合轉化(hua)利(li)(li)用、甲醇(chun)下游及(ji)耦合轉化(hua)利(li)(li)用兩個項(xiang)目(mu)(mu),計劃到(dao)2023年(nian),完成20萬(wan)噸/年(nian)煤(mei)(mei)基合成氣直接制低碳烯烴(jing)的(de)工(gong)業示(shi)范;百(bai)萬(wan)噸煤(mei)(mei)炭(tan)清(qing)潔高(gao)效分級轉化(hua)利(li)(li)用工(gong)業示(shi)范等一批重(zhong)大項(xiang)目(mu)(mu)。

“除(chu)此之外(wai),鋼(gang)鐵(tie)企業在(zai)煉鐵(tie)工(gong)藝過程中會排放大量的(de)尾(wei)氣(qi),其中的(de)一氧化碳和(he)氫氣(qi)等有效成(cheng)分與煤化工(gong)中的(de)合(he)成(cheng)氣(qi)相似,可以把鋼(gang)鐵(tie)尾(wei)氣(qi)作為(wei)化工(gong)的(de)原料,生產(chan)基(ji)礎化工(gong)產(chan)品(pin)等。這(zhe)不僅是鋼(gang)鐵(tie)行業生態化發(fa)展的(de)一個重(zhong)要(yao)方(fang)向,也是煤化工(gong)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)向。”劉中民(min)指出。

煤化工的(de)未來(lai)

近(jin)年(nian)來(lai),國內鋼(gang)鐵企業還(huan)十分重視氣(qi)基(ji)直(zhi)(zhi)接還(huan)原(yuan)鐵技(ji)術(shu)的(de)研(yan)發(fa),受限于較為昂(ang)貴的(de)天然氣(qi),紛紛探討采用焦爐氣(qi)煤氣(qi)化(hua)的(de)氣(qi)體進行氣(qi)基(ji)直(zhi)(zhi)接還(huan)原(yuan)鐵生產,以(yi)降(jiang)低合(he)成氣(qi)也(ye)就是氫氣(qi)的(de)生產成本 。

“目前,國內尚無真正意義(yi)的(de)(de)工(gong)業化氣(qi)(qi)(qi)基(ji)直(zhi)接還原(yuan)鐵。”周紅(hong)軍說。中國石油(you)大學(北京)研發(fa)了(le)(le)焦(jiao)爐(lu)氣(qi)(qi)(qi)二氧(yang)化碳干重(zhong)(zhong)整轉化技術,與中石化及中晉太行公司合作正在山西左權建設第一個采用(yong)焦(jiao)爐(lu)氣(qi)(qi)(qi)為(wei)原(yuan)料(liao)的(de)(de)30萬噸/年氣(qi)(qi)(qi)基(ji)直(zhi)接還原(yuan)鐵示范(fan)廠,計劃今年建成開(kai)(kai)車。其中的(de)(de)焦(jiao)爐(lu)氣(qi)(qi)(qi)凈化和二氧(yang)化碳干重(zhong)(zhong)整轉化采用(yong)該校(xiao)開(kai)(kai)發(fa)的(de)(de)新工(gong)藝(yi)技術,解決了(le)(le)還原(yuan)氣(qi)(qi)(qi)來源的(de)(de)瓶頸(jing)問(wen)題。

煤化工領域(yu)提出煤炭(tan)分(fen)質分(fen)級利用(yong),就是根據煤質的基(ji)本特點(dian),對(dui)煤炭(tan)進行逐級加工,獲取有價值的組分(fen),總體(ti)得到最為理想的結果。這也(ye)是目前國內外學者關注(zhu)的重點(dian)。

“煤炭作為原(yuan)料,一定不能只生(sheng)(sheng)產一種產品,需要進行(xing)多種產品的(de)聯合(he)生(sheng)(sheng)產,即(ji)多聯產,而目前(qian)已(yi)經有(you)了很大的(de)進展。”梁鵬說(shuo)。例如,將(jiang)高揮發(fa)分(fen)煤炭采用先熱解后氣(qi)化(hua)的(de)技術路線,在第(di)一步的(de)熱解階段獲得煤氣(qi)和(he)煤焦油,其中煤氣(qi)可(ke)以做化(hua)工合(he)成,煤焦油可(ke)以提取高價值(zhi)的(de)化(hua)學品;第(di)二步的(de)氣(qi)化(hua)階段將(jiang)半焦進行(xing)氣(qi)化(hua),做化(hua)學品和(he)材料的(de)合(he)成。

梁鵬(peng)介紹(shao)說,針對高揮發(fa)分(fen)(fen)煤(mei)(mei),他們目前正(zheng)在進行熱解(jie)/燃(ran)燒分(fen)(fen)級轉化方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)研究(jiu)開發(fa)工(gong)作,并且完成(cheng)了中(zhong)試實驗。另(ling)外還正(zheng)在進行超(chao)純煤(mei)(mei)方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)研究(jiu),即將煤(mei)(mei)中(zhong)的(de)(de)灰(hui)含量降低(di)到1%以(yi)下,取得了進展。此外,正(zheng)在開展的(de)(de)煤(mei)(mei)化工(gong)行業揮發(fa)性有污染物(wu)治理方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)工(gong)作也已完成(cheng)工(gong)業示范(fan)。

面向未(wei)來,劉中民建議(yi),在煤化工層(ceng)面,還需進(jin)一步(bu)降低水(shui)耗(hao)和能耗(hao),實現產(chan)品(pin)的靈活調變(bian);在煤熱解(jie)及多聯(lian)產(chan)、煤制天然氣(qi)、煤制芳烴和含氧化合物等方面,需要進(jin)一步(bu)突破(po)關鍵技(ji)術,實現成(cheng)套工藝技(ji)術和工業示范(fan)。同(tong)時(shi),通過技(ji)術創(chuang)新(xin),加強新(xin)產(chan)品(pin)開(kai)發(fa),通過延伸(shen)產(chan)業鏈,發(fa)展(zhan)高(gao)附加值、精(jing)細(xi)化、差異化產(chan)品(pin)。

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