煤炭分質利用緣何“熱得快”

文/陳繼軍 陳光達

煤炭分質利用緣何“熱得快”

文/陳繼軍 陳光達

隨著油價下跌和煤化工產品競爭力減弱，煤化工正悄然降溫。據中國石化聯合會2011年8月公布的數據，當時全國在建擬建的煤制烯烴、煤制油和煤制氣產能分別高達2800萬噸、4000萬噸和1500億立方米；但以目前開展前期工作和正在建設的項目推算，到“十三五”末，我國煤制烯烴、煤制油和煤制氣有效產能很難突破1500萬噸、2000萬噸和680億立方米，較預計產能銳減一半。

與此形成明顯對比的是，以煤熱解為龍頭的煤炭分質利用卻悄然升溫。目前，國內建成、在建、擬建的煤熱解產能超過1.8億噸。其中，僅2015年投產的中低溫煤焦油加氫項目產能就有200萬噸，對應的熱解產能超過2000萬噸。2016年，我國還將有160萬噸中低溫煤焦油加氫和1600余萬噸煤熱解產能釋放。

人們不禁要問，煤炭分質利用緣何“熱得快”？

技術瓶頸逐一突破

2015年7月12日，由陜西煤業化工技術研究院與北京柯林斯達科技發展有限公司聯合開發的氣化—低階煤熱解一體化技術（CGPS），在北京通過由石化聯合會組織的科技成果鑒定。由中國工程院院士謝克昌、倪維斗、金涌等9位專家組成的鑒定組認為：該技術通過熱解與半焦氣化技術的耦合，以半焦粉氣化產生的高溫煤氣作為熱載體，進行逆向串級直接接觸熱解，實現了高溫煤氣顯熱的高效合理利用與低階煤的梯級熱解。其萬噸級工業化試驗裝置工藝流程主裝置及自動化控制先進合理，便于操作和穩定運行。整套技術推進了低階煤定向熱解制高品質焦油與煤氣技術研發進程，屬國際首創、居領先地位。

這是時隔不足20天，我國通過鑒定的又一先進煤熱解技術。2015年6月25日，由陜煤化集團神木天元化工有限公司與華陸工程科技有限公司聯合開發的低階粉煤回轉熱解制取無煙煤工藝技術，順利通過由陜西省科技廳組織的科技成果鑒定。以金涌院士為組長的鑒定組認定：該技術攻克了煤低溫熱解領域粉煤潔凈化分質利用關鍵性技術和裝備，整體技術達到國際先進水平。

上述兩項成果，只是我國煤分質利用技術突飛猛進的一個縮影。事實上，近幾年，以煤熱解為龍頭的我國煤分質利用領域新技術層出不窮。

2010年，神木天元化工公司將自主開發的中低溫煤焦油輕質化技術與塊煤中低溫熱解技術、煤焦油延遲焦化技術集成耦合，建成年產135萬噸塊煤熱解/50萬噸煤焦油加氫制取石腦油、柴油餾份工業化示范裝置；2011年，河南龍成集團開發成功低階煤旋轉床熱解技術，并建成30萬噸/年工業化裝置；2013年4月，陜煤化集團神木富油能源科技有限公司開發的中/低溫煤焦油全餾分加氫多產中間餾分油成套工業化技術（FTH），被以中國科協副主任謝克昌院士為組長的鑒定組認定為“系世界首創，居領先水平”，采用該技術建設的12萬噸/年工業化裝置，已穩定運行兩年多；2015年7月，采用上海新佑能源科技有限公司與河北新啟元能源技術開發股份有限公司聯合開發的劣質油全返混沸騰床加氫技術（EUU）建設的河北新啟元公司15萬噸/年中低溫煤焦油全餾分加氫裝置，一次投料成功并實現穩定運行；2015年8月，采用延長（石油）集團與美國KBR公司合作開發的渣油懸浮床加氫催化裂化技術（VCC）建設的全球首套煤焦油懸浮床加氫裂解工業化裝置——延長安源化工有限公司50萬噸/年中低溫煤焦油懸浮床加氫工業化裝置實現中交……

“目前，僅陜煤化集團就開展了6個不同方向的煤熱解技術研究。其中3項已完成中試，另外3項研究取得關鍵技術突破。”陜煤化集團黨委書記華煒自豪地表示。

據華煒介紹，煤分質利用理念的整體思路是：含油率較高（5%以上）的低階煤，經中低溫（550～850℃）熱解，抽取其中的焦油、煤氣等輕質組分，同時獲得熱值較高的清潔炭素材料半焦。煤氣用于制氫或甲烷；煤焦油經提酚等處理后與氫氣催化裂化反應生產石腦油和柴油餾分；脫除了揮發份的半焦，比原煤熱值更高、更潔凈，既可氣化生產合成氣，繼而生產化工產品，又可作為優質民用燃料和電廠燃料，還可替代無煙煤，用于煉鋼爐的高爐噴吹，從而實現煤的分質分級高效清潔利用。

據了解，我國于20世紀80年代末成功開發立式爐塊煤熱解技術，一直沿用至今，目前全國煤熱解產能超過8000萬噸/年。但立式爐只能以塊煤作原料，煤氣有效成份和熱值低、單爐產能小，進一步推廣受到限制，也難以真正體現高效與清潔。為此，近幾年粉煤或全煤熱解技術成為眾多企業和科研單位競相開發的方向。這其中，高溫煤氣中的油塵分離、高濃度（含焦油、酚、苯、氨氮、COD）熱解廢水的處理與資源化利用，以及裝置大型化成為制約煤熱解的3大難題。

經過科技人員的不懈努力，上述3大難題而今全部有了較為合理的解決方案。

油塵分離方面，神木天元與華陸公司開發的低階粉煤回轉熱解制取無煙煤工藝技術，在用熱煙氣干燥粉煤的同時，吹出粒徑小于0.2毫米的煤塵，大幅減少了后序熱解過程煤焦油中的煤塵量，并巧妙運用高速離心分離技術，將含有少量煤塵的焦油進行高效分離，最終破解了粉煤熱解過程油塵難以分離的難題。

CGPS技術則將粒徑小于25毫米的末煤經分級布料進入帶式爐，形成多層移動顆粒床層，利用不同顆粒煤層組成的移動過濾層，通過慣性碰撞、擴散沉積、重力沉積、直接攔截、靜電吸引等過濾原理，實現對熱解煤氣的高效自除塵（除塵率達96%以上，焦油中含塵量降至0.32克/標方以下）。

熱解廢水處理方面，神木富油能源科技有限公司50噸/小時中低溫煤熱解及煤焦油加氫廢水處理示范裝置已經平穩運行1年多，經處理的廢水指標達到新的《黃河流域（陜西段）污水綜合排放標準》一級標準要求。

至于熱解裝置大型化問題，河南龍成集團開發的低階煤旋轉床熱解技術已建成并運行了兩套80萬噸/年工業化裝置；北京柯林斯達公司開發的帶式爐內熱式粉煤（或褐煤）熱解技術單爐規模可達100萬噸/年；陜煤化技術研究院有限公司開發的模塊化工藝，一個模塊年處理煤量可達300萬～400萬噸……

“此前人們擔心的煤熱解所得半焦（或焦粉）的出路問題，同樣有了理想解決方案。”華煒透露。

他說，早在3年前，立志于煤炭分質分級利用的陜煤化集團就開始關注半焦（焦粉）的出路，并委托陜煤化技術研究院開展這方面的研究。經過幾年的努力，大量工業化應用試驗表明，半焦（焦粉）制備水煤漿氣化或直接氣化，其效果與原煤并無多大區別；用于高爐噴吹替代無煙煤也是完全可行的；用作居民冬季取暖的燃料，由于在熱解過程已經脫除了硫、氮、揮發分，不僅熱值高，且潔凈耐用。

“我們開發的純氧連續氣化技術，不僅可以無煙煤為原料，也可用焦炭、煙煤、型煤等碎煤作原料。”江西昌昱實業有限公司總工程師趙樂群的話證明了華煒的說法。

府谷奧維乾元化工有限公司總經理任濤亦表示，該公司30萬噸/年合成氨、52萬噸/年尿素裝置配套的水煤漿氣化爐所用原料，一半以上是企業自產的焦粉，裝置2年多的運行結果表明，焦粉替代原煤制漿造氣沒有問題。

“目前，京津冀地區散燒煤量高達7200萬噸/年，由于散燒煤過程會排放大量二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳和煙塵，導致霧霾不斷加劇且很難治理。但若全部換成天然氣，因受各種因素制約短期內難以實現。后期，一旦清潔半焦或型焦能夠在京津冀地區推廣應用，不僅能極大緩解環境壓力，也將徹底解決困擾煤分質利用發展的半焦（焦粉）的出路問題。”謝克昌表示。

“可以說，一度制約煤分質利用的幾大關鍵核心問題，現已全部得到解決，煤分質利用已經擁有較為堅實的技術支持。”華煒如是說。

效益較好贏得認可

煤分質利用示范項目較好的經濟效益，顯著的節能環保效果、能源轉換效率，以及廣泛的外延特性，同樣令業界振奮。

目前，國內共有3家煤分質利用示范企業，分別是：陜煤化集團神木天元化工有限公司、內蒙古慶華集團煤化工公司、黑龍江寶泰隆煤化工股份公司。這3家企業均以煤熱解為龍頭，然后對熱解產生的煤氣、煤焦油、焦炭進行深加工利用。其中，神木天元采用中低溫煤熱解工藝；寶泰隆選擇高溫煤熱解路徑；慶華集團同時采用煤中溫和高溫熱解兩種工藝。

神木天元公司擁有年產135萬噸煤中低溫熱解、2.2萬噸精酚、50萬噸中低溫煤焦油加氫生產能力。自2010年4月投產以來，公司累計實現工業產值176.3億元，實現利潤14億元。據該公司董事長毛世強介紹，2015年，在國內成品油、焦炭及其他化工產品價格持續大幅下跌，傳統煤化工企業大面積虧損，現代煤化工企業微利甚至虧損經營的情況下，神木天元各項經濟指標雖有所下降，但依然實現工業產值20.2億元，實現營業收入18.8億元，實現利潤四五千萬元。

慶華集團、寶泰隆公司兩家煤分質利用示范企業同樣取得了不俗業績。其中，寶泰隆公司2015年1～9月實現凈利潤8470萬元，同比激增1.46倍。而據慶華集團常務副總經理陳學偉介紹，雖受油價低、稅負重等不利因素影響，2015年慶華集團利潤明顯縮水，但也會有上千萬元的利潤。

煤分質利用項目顯著的節能減排效果同樣令業界稱道。

北京焦化廠原總工程師陳衛國表示，煤的有用成分主要包括揮發分和固定炭。雖然國內外煤的利用途徑很多，但無論是燃燒取暖發電，還是作為化工生產原料，均未對揮發分和固定炭進行分離，而是直接燃燒或氣化，不能發揮兩種成分的各自優勢，導致煤的利用效率與能量轉化率低下、排放物多、環境污染重。但煤分質利用則不同。它先通過熱解將固定炭和揮發分分離，再對其分別加工利用，從而最大限度利用了能源與資源，整個過程能源轉換率高達70%以上，真正實現了清潔高效利用。

陜西省石化聯合會副會長胡海峰、延長石油集團高級顧問張積耀等專家則表示，無論傳統煤化工還是現代煤化工，合成氣中都存在碳多氫少的問題。為了實現碳氫平衡，煤化工企業不得不用超過1/4的煤生產氫氣。每生產1噸氫氣，又會產生22噸二氧化碳，導致煤化工二氧化碳排放量居高不下。而煤分質利用項目，從煤氣或荒煤氣中提取氫氣，沒有為制氫單獨消耗煤炭，二氧化碳排放量因此大幅減少，綜合能耗顯著下降。

陜西省化工學會名譽理事長賀永德以神木天元135萬噸/年煤中溫熱解聯產50萬噸/年中溫煤焦油加氫項目運行多年的實際數據為例分析表示，與直接或間接煤制油項目相比，煤分質利用制油的綜合能耗相當于前者的2/3，二氧化碳排放量相當于前者的1/2，項目投資額為前者的1/3～1/2，50萬噸/年規模煤制油年減排二氧化碳量可達43萬噸。

據陳學偉透露，已形成年產800萬噸潔凈煤、500萬噸煤熱解、66萬噸煤焦油加氫、20萬噸焦爐煤氣制甲醇、20萬噸甲醇制芳烴、10萬噸粗苯加氫、20萬噸己內酰胺、200噸碳纖維、1億塊粉煤灰制磚生產能力的慶華集團，憑借完整的循環經濟產業鏈，年回收利用焦爐煤氣10.8億立方米，節約標煤50萬噸，減少二氧化硫排放量1.5萬噸。

“在目前的情況下，分質分級利用無疑是煤炭最合理的利用路徑和煤炭清潔高效利用的方向。”金涌表示。

金涌說，以煤熱解為龍頭的煤炭分質分級利用，先通過溫和的物理方式，將煤中輕質易揮發同時附加值高的部分“拔”出來，剩余部分該怎么用還怎么用，等于用最低的能量消耗獲得了高附加值產品。更為可貴的是，通過熱解獲得的煤焦油、煤氣、焦炭（半焦或焦粉）能夠方便地與傳統煤化工、現代煤化工、超超臨界發電、IGCC、城市熱電聯供、建材甚至石油化工對接耦合，實現多聯產與不同工藝之間的優勢互補，從而構筑起跨行業發展的大煤化工構架，使煤炭高效利用的途徑更豐富、前景更廣闊。

政策惠顧前景可期

煤分質利用示范企業近幾年良好的表現，也獲得了認可。

2014年8月，國家發改委發布的《西部地區鼓勵類產業目錄》中，5大現代煤化工未能入列，而 “15萬噸/年及以上單套無水煤焦油深加工”列入其中。此前發布的《產業結構調整指導目錄（2011年本）》和《中西部地區外商投資優勢產業目錄（2013年修訂）》，也分別將煤焦油深加工和焦炭副產品綜合利用列入“鼓勵類”。由于煤焦油深加工或綜合利用均屬煤炭分質利用的重要組成部分，因此，該《目錄》被解讀為國家鼓勵在西部地區發展煤分質利用。

2014年11月，國務院下發的《能源發展戰略行動計劃（2014～2020）》指出：要制定和實施煤炭清潔高效利用規劃，積極推進煤炭分級分質梯級利用，加大煤炭洗選比重，鼓勵煤矸石等低熱值煤和劣質煤就地清潔轉化利用。

2015年1月，國家能源局、環保部、工信部聯合下發的《關于促進煤炭安全綠色開發和清潔高效利用的意見》指出：在條件適合地區，積極推進煤炭分級分質利用，優化褐煤資源開發，鼓勵低階煤提質技術研發和示范，推廣低階煤產地分級提質，提高煤炭利用附加值。

2015年7月，國家能源局發布《關于規范煤制燃料示范工作的指導意見》（第二次征求意見稿），大型煤提質（熱解）技術，包括干燥、熱解、焦油加工等成套技術等都位列該指導意見的6大示范內容。

一位參與《“十三五”煤炭規劃（草案）》編制工作的專家最近向筆者透露，利用熱解和煤焦油加氫技術生產石腦油和柴油餾分，不僅能增加我國油品供應，還為富煤缺水的西部地區找出了經濟與環境協調發展的路子。因此，《“十三五”煤炭規劃（草案）》將鼓勵利用新疆哈密、準東，陜西榆林等地含油量較高的低階煤或富流煙煤進行煤分質利用試驗示范。

而據謝克昌院士透露，煤分質利用已被確定為煤炭高效利用的方向，國家科技部已將百萬噸煤定向熱解制高品質焦油及煤氣確定為“十三五”重大科技攻關項目，要求2020年以前取得突破，建成百萬噸級示范項目。

不久前國家環保部發布的《現代煤化工建設項目環境準入條件（試行）》指出：在現代煤化工示范階段，應在煤炭分質高效利用、資源能源耦合利用、污染控制技術等方面承擔環保示范任務。這也從一個側面證明，煤分質利用將成為“十三五”煤化工發展和示范的重點。

另據陜西省人大常委會副主任李金柱介紹，2014年四季度，陜西省及榆林市政府就向國家能源局遞交了一份《關于用榆林蘭炭（半焦）替代無煙塊煤助京津冀地區減霾的報告》。該報告得到有關部門的高度重視，并委托陜煤化集團等單位進行科學、客觀、翔實的調研論證。2015年初，一份翔實報告再度上報給國家能源局。報告認為，只要熱解過程采用了油洗和干法熄焦或清水熄焦，并踐行煤分質分級利用的理念，不僅能確保生產過程高效清潔，也能保證所得半焦（焦粉）清潔，可以替代無煙塊煤用作民用燃料。

“2015年以來，在環保部接連否決數個現代煤化工環評報告的情況下，煤分質利用依然能夠受到政策鼓勵和投資者熱捧，表明煤分質利用得到了認可。相信在不久的將來，一個能與現代煤化工及石油化工、電力、冶金、建材等諸多行業對接耦合、實現煤的清潔高效利用的新興產業會快速崛起。”陜煤化集團常務副總經理尤西蒂充滿期待地說。