變“臟煤”為清潔能源

文/陳福民

煤臟嗎？許多人都認為是。排放多、污染大、黑色產業是燃煤的固有標簽。

我國是個煤炭大國，但煤炭帶給國人的感受卻是“既愛又恨”，一方面，煤炭在我國能源消費結構中長期占據主導地位的現實，讓“拋棄煤炭談能源”在短期內不可能實現；但另一方面，當節能減排日益成為共識，煤炭污染重的弊病讓很多省份陷入兩難。

“十一五”期間，中國科學院在煤基清潔燃料及化工品生產領域形成一系列自主知識產權技術，成功解決了這一兩難的困境：慈林山礦是山西潞安集團的一個礦井，因為含硫量高、污染環境嚴重，這里的120億噸高硫煤只得棄采，礦井也面臨著關閉的境地。2008年底，作為我國863計劃和中國科學院聯合啟動的重大科技示范項目，潞安集團生產出了全中國第一桶鈷基催化煤基合成油，高硫煤也因此變廢為寶，慈林山礦隨之起死回生。

煤變的“石油”

還在1982年夏天的一個下午，一位美國專家在清華大學演講廳里做了一個有趣的表演。他雙手各持一個摻水30%的煤粉，一杯煤粒較粗，一杯煤粒較細。他舉起這兩個杯說：“我現在要將兩杯煤水混合物變成‘油’，如果失敗，愿請大家吃烤鴨。”說著，將兩杯慘水的煤粉倒在一起，用玻璃棒攪拌起來。不一會，泥土似的煤水混合物竟漸漸地變稀了，終于成了重油似的液體。這就是煤變石油——水煤漿。

水煤漿最初是由油煤漿發展來的。當時有人將煤與油對半混合，加上一點添加劑后，煤就會像油一樣流動。由干油可以燃燒，油煤漿便是“火上加油”了。但油的價格貴，而且黏性也大，因而沒有實用價值。

煤和水混合為什么能變成“油”呢？因為煤和油是同一“娘胎”的兄弟。它們的主要成分都是碳和氫，并有少量的氧、氮、硫等元素。只是煤的含氫量比石油的低得多，而含碳量則和石油差不多。所以，水的加入就是設法把煤的碳、氫元素重量的比例降低，達到接近右油的含量。這樣，它們的“性格”就接近了。

摻水煤粉混合成水煤漿

這種煤變的“石油”是一種煤基流體燃料，可在燒油的鍋爐和工業窯爐中代煤、代油、代氣燃燒，與固體煤炭相比，具有儲運方便、燃燒效率高、污染小的特點，是我國潔凈煤技術的重要分支。科學家做了一個特殊的噴嘴，使水煤漿與空氣混合，像霧一樣地噴出。鍋爐不用作很多的改造，就能迅速點燃，越燒越旺。目前，水煤漿燃燒效率可達98%以上，傳統鏈條鍋爐燃燒的灰渣是灰黑色，而水煤漿鍋爐燃燒后的灰渣是白色的。

我國是富煤、貧油、少氣國家，與天然氣、石油相比，水煤漿具有供給穩定、成本低廉的優勢。我國水煤漿技術經歷30余年的科技攻關與生產實踐，生產與應用規模均已高居世界首位。一臺670蒸噸的小型電站鍋爐，燃燒水煤漿可比燃油每年節約燃料費用8.3億元左右。截至2012年，全國燃料水煤漿的生產和使用量已達到3000萬噸/年，氣化水煤漿的使用量已超1億噸/年。

水煤漿的制作存在“挑食”的毛病，過去要用煉焦煤才能制漿，而我國的煉焦煤資源稀少，如果制漿工藝不改進，儲量豐富的低階煤無法進入水煤漿應用領域。針對制漿的“挑食”，我國科學家致力于低階煤水煤漿制備技術研發，成功研發出“分級研磨低階煤高濃度制漿技術”，不僅令我國儲量豐富的低灰、低硫煤成為水煤漿制漿用煤，而且將制漿濃度提高3%～5%，水煤漿的燃燒和氣化效率顯著提高，燃料煤漿的噸漿電耗下降30%以上。該技術已在氣化水煤漿領域推廣應用，每年可為應用單位創造9.72億元的直接經濟效益。

水煤漿的應用，使印染廠變身為節能環保的典范。如一家大型印染廠，自從引進這種新型水煤漿制備技術，采用印染廢水制備水煤漿，用水煤漿鍋爐代替燃煤鍋爐供熱、發電。每印染百米布的整體消耗標煤降低11千克，企業每年可節省7萬多噸標準煤；鍋爐煙氣中的二氧化硫含量降到53毫克/標準立方米，遠遠低于國家規定的400毫克/標準立方米，企業每年少排放1400噸二氧化硫。

應用水煤漿，不僅令這個印染廠變身成“節能環保典范”，也使企業競爭能力大大增強。企業不僅解決了燃煤鍋爐污染物排放不達標的問題，還節省了一大筆廢水處理、煙氣脫硫成本。水煤漿燃燒后的灰渣更是優質的建筑材料，可直接出售。企業生產的水煤漿、電、蒸汽除滿足自用，還有富余出售給周邊企業，創收渠道不斷拓寬。

目前我國這種新型水煤漿技術已取得國家專利12項，達到國際領先水平。科學們正在著手研究第三代粒控級配制漿、低揮發分煤超細水煤漿制備等技術。

燒水煤漿的鍋爐

清潔煤氣化

許多人都有這樣的經驗：燒煤氣比燒煤餅方便得多。如果把地下的煤直接變成可燃氣體，輸送到家家戶戶使用，這該多好呀！煤在地下“就地”氣化，在科學家手中早已變成事實。

將地下的煤變成燃料要分兩步走。先按一定距離向煤層打兩個垂直鉆孔，采用鉆進、火力滲透和水力壓裂等方法，使鉆孔間的煤層形成通道，讓煤氣順利通過。然后從一個鉆孔將煤層點燃，鼓入空氣或氧氣、水蒸氣。這樣，煤層中發生熱裂、還原、氧化等氣化反應，產生一氧化碳、甲烷和氫氣等可燃性氣體，從另一個鉛孔中引出，通過管道輸送給用戶。

煤田變氣田的“魔術師”是氣化劑。氣化劑有空氣、水蒸氣、氧氣或氫氣等，也可以是純氧氣。用氧氣與煤反應便生成一氧化碳，一氧化碳再與水蒸氣反應得到甲烷，這就是一般天然氣的主要成分。

煤在地下氣化，能夠開采用一般采礦技術無法開采的深層煤田或煤層過薄的煤田。據估計，每打一個鉆孔，每小時大約可以得到上萬立方米的煤氣。開采這些使用方便的氣體燃料，可以免除礦工下井勞動，顯示出它的優越性。

清潔煤氣化

20世紀初，英國科學家拉姆賽首先提出煤的地下氣化建議。后來蘇聯、美國、日本、英國、波蘭、法國、德國、比利時等國先后投入力量進行試驗研究。煤層正式氣化前的一個關鍵技術問題是鉆孔貫通，也就是兩個鉆孔之間形成一條良好的可供氣體流通的通道。人們采用火力、電力、水力及定向鉆進等貫通方法，但鉆探的費用都是很高的。

影響煤炭地下氣化的因素還很多。由于地下條件復雜，煤的地下氣化過程很難控制，煤氣的產量質量不夠穩定；往往是使用的氣化劑不同，得到的煤氣成分和產量大不一樣。再加上地下水的污染問題沒有解決，所以，盡管試驗研究一直在進行，卻至今還沒有進入大規模生產和推廣應用。

經過科學家的多年探討研究，煤炭地下氣化已“搬”到地面。煤氣化技術是指把經過適當處理的煤送入反應器如氣化爐內，在一定煤氣化技術工藝流程的溫度和壓力下，通過氧化劑(空氣或氧氣和蒸氣)以一定的流動方式(移動床、流化床或攜帶床)轉化成氣體，得到粗制水煤汽，通過后續脫硫脫碳等工藝可以得到精制一氧化碳氣。

煤炭氣化時，必須具備三個條件，即氣化爐、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。

20世紀90年代，我國引進德國人開發的一種用塊煤生產煤氣的爐子，叫做德士古氣化爐。后來經過我國工程技術人員的努力，發明了自主知識產權的對置式四噴嘴氣化爐，在國內得到廣泛推廣應用，取得了顯著的經濟效益。

氣化過程發生的反應包括煤的熱解、氣化和燃燒反應。煤的熱解是指煤從固相變為氣、固、液三相產物的過程。煤的氣化和燃燒反應則包括兩種反應類型，即非均相氣－固反應和均相的氣相反應。

據了解，我國目前一年需37億噸的工業用煤量，若全部轉為天然氣，則需要至少3000億立方米的天然氣。按照目前1400億立方米的天然氣存量計算，需在目前的基礎之上翻2倍多，遠遠無法滿足工業燃料的用量。擺在工業企業面前的，一方面是無法滿足實際用量的天然氣緊缺；另一方面則是亟待解決的煤炭燃燒所造成的嚴重污染。因此，煤氣化爐的應用成為了煤炭清潔利用的有效途徑之一。

2012年，我國原煤產量為38.6億噸，如提升5%，則可以節約煤炭1.93億噸。在目前的技術和生產條件下，輸出同樣量的能源，清潔煤氣化技術的成本是風電的1/2，太陽能的1/3。同時，煤氣化爐的使用可將煤炭的利用效率提升15%。

煤氣化是煤化工的龍頭，煤氣化技術是煤炭高效清潔利用的核心和基礎。然而，沒有萬能的煤氣化技術，也沒有能夠適應任何氣化技術的煤種。在不同的技術、經濟條件下，煤化工所用煤炭的品種不盡相同。作為企業，必須積極開展新型煤化工技術的開發和應用，對清華爐、兩段爐、東方爐、塔式爐、GSP、科林爐、四噴嘴、殼牌爐等大型煤氣化技術進行長期技術跟蹤，根據技術的發展，選定爐型重點突破，尋找適合自己企業發展的關鍵技術，充分發揮技術創新優勢。

煤制烯烴術

所謂煤制烯烴，即是用煤基甲醇制取烯烴，也就是指以煤為原料合成甲醇后再通過甲醇制取乙烯、丙烯等烯烴的技術。

當前，乙烯產量的高低已成為衡量一個國家石油化工發展水平的標志，它的生產能力被看作是一個國家經濟實力的體現。因為乙烯產品直接繁衍和帶動發展塑料深加工、橡膠制品、紡織、石蠟深加工、助劑加工、包裝材料、建設材料、化工機械制造、工程建筑、運輸、餐飲服務等產業。大到航空航天，小到吃飯穿衣，它與國民經濟、人民生活息息相關。因此，無論是美國、西歐，還是日本等發達國家地區和一些發展中國家，在經濟起飛階段，無不把石油化工作為支柱產業，加以發展。而烯烴作為重要的化工原料，作為石油化工核心產品，被稱為“石化工業之母”。

那么這乙烯、丙烯等烯烴是從哪里來的呢？傳統的乙烯、丙烯是用一種沸點高于汽油而低于煤油的“粗汽油”通過裂解制取的，得到烯烴就得依賴石油。特別是在世界石油危機中，各國都在尋找替代由石油生產烯烴的方法。

最早提出煤制烯烴工藝的是美孚石油公司，隨后巴斯夫、埃克森石油公司、環球石油公司及海德魯公司等相繼投入開發，在很大程度上推進了煤制烯烴的工業化，美國環球石油公司和挪威海德魯公司于1995年合作開發成功煤制烯烴工藝。該工藝以甲醇為原料，通過甲醇裂解制得以乙烯和丙烯為主的烯烴產品。按照甲醇原料的來源不同，可以有天然氣和煤兩種路線。1998年采用環球石油／海德魯工藝的20萬噸／年乙烯工業裝置開始建設，目前已實現50萬噸／年乙烯裝置的工業設計；2008年1月，新加坡Eurochem技術公司旗下的Viva公司將在尼日利亞的Lekki建設330萬噸年甲醇裝置。

煤制烯烴主要分為煤制甲醇、甲醇制烯烴這兩個過程。我國從20世紀80年代初便率先開展了甲醇制取低碳烯烴的新工藝過程的研究，先后開發了兩代甲醇制取低碳烯烴技術。甲醇轉化制烯烴的核心技術之一是催化劑，其性質和性能決定著煤制烯烴新工藝技術的發展方向。

我國投入運行的煤制烯烴項目

在煤制甲醇這個工序中的節能降耗空間比較大，目前比較成熟的技術是我國擁有自主知識產權的技術工藝——甲醇熱泵精餾工藝。熱泵精餾工藝不設加壓塔，而是直接壓縮精餾塔(常壓)塔頂精甲醇氣體，提高塔頂精甲醇氣體的壓力和冷凝溫度，作為精餾塔塔釜再沸器或中間再沸器的熱源，從而極大節省了塔釜熱公用工程和塔頂冷公用工程消耗。采用甲醇熱泵精餾工藝的裝置因為不設加壓塔，直接省去了這部分的投資規模，與廢鍋流程相比投資幅度降低了40%～45%。以年產45萬噸甲醇的煤制甲醇裝置為例，與典型的甲醇雙效精餾、水冷余熱發電工藝相比，采用煤制甲醇工藝成套節能降耗技術，噸甲醇水耗降低30%，每年可以節水167萬噸，運行能耗降低17%。

在變“臟”煤為清潔能源的高效利用中，煤制烯烴是公認和可行的發展方向，我國大連化物所研發的煤制烯烴技術已經實現了甲醇轉化率近100%，成功地發展了一條制取基本化工原料的非石油原料路線。但甲醇制烯烴是在世界范圍內目前尚未實現工業化應用的關鍵技術，已經成為發展新型煤化工的瓶頸。