陜煤集團低階煤分質利用綠色低碳發展研究

尚建選, 張 喻, 劉 燕

(1. 陜西煤業化工集團有限責任公司，陜西省西安市，710100；.國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，陜西省西安市，710100；3.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西省西安市，710100；4.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西省西安市，710049)

基于我國“富煤、缺油、少氣”的基本國情，決定了煤炭清潔高效利用將是我國實現能源革命和達成“雙碳”目標的必由之路[1]。能源保供和綠色轉型是煤炭行業的重要責任，兩者互為支撐、相得益彰。2021年9月13日，習近平總書記在陜西榆林考察時指出：“煤化工產業潛力巨大、大有前途，要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能，促進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展，把加強科技創新作為最緊迫任務，加快關鍵核心技術攻關，積極發展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等。”

煤的分級分質利用是實現煤炭清潔高效利用，切實推動我國能源生產革命、煤炭供給側改革、煤炭行業轉型升級的重要有效途徑。近年來，我國陸續出臺了一系列鼓勵低階煤分質利用產業發展的政策，對煤炭清潔高效利用的推動作用也十分明顯。陜煤集團自成立初，就將煤炭分質清潔高效轉化利用作為企業追求的目標，依托所主導的國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室，在低階煤熱解、半焦利用、煤焦油加工制特種油品、煤基高端材料等領域均有所突破。

1 低階煤分質利用的重要意義

低階煤主要包含通常意義上的褐煤和低變質煙煤(長焰煤、不黏煤、弱黏煤)，具有煤化程度低、揮發分含量高、側鏈較多、氫氧含量高等特點。目前，低階煤占我國已探明煤炭儲量和產量的比例均已超過55%，目前主要分布在陜西、內蒙、寧夏和新疆等西部省(區)，隨著國家能源重心西移，低階煤產量的占比仍將擴大[2]。

依據低階煤的組成和結構特征，可以在中低溫、常壓條件下將其熱解制備成熱解氣、煤焦油、半焦，其中熱解氣含有大量的CO、H2和CH4，煤焦油中含有大量的脂肪烴和芳香烴，半焦特性與無煙煤相近。在此基礎上，對3種相態產物進一步加工，通過焦油提酚、熱解氣氫分離、焦油加氫、加氫尾氣氨分離、粉焦材料化利用等技術，優化產業鏈工藝路線，生產高附加值產品、特種油品及清潔熱電，不僅可以避免資源浪費、大幅降低水耗，還可以減少CO2排放，真正做到能量梯級利用、物盡其用、高效轉化。

因此，低階煤的大規模開發利用有必要先對其進行加工提質[3]。低階煤經過分質利用過程，是以潔凈半焦替代傳統低階煤[4]，以煤焦油和煤氣為基礎促進煤炭利用產業鏈的橫向拓展與縱向延伸[5]，推動煤炭分級分質利用與現有煤炭使用模式的有機結合，建立“熱解+”的煤炭使用新模式，將是提升煤炭資源價值、降低能耗和碳排放的有效手段。對資源儲量大、反應活性好、含油率高的低階煤進行分質梯級利用，可以實現煤炭使用價值和經濟價值的最大化[6]。

2 陜煤集團低階煤分質利用主要科技創新成果

陜煤集團通過技術引領、產業升級、系統優化、多措并舉，努力開拓出了一條具有陜煤特點的煤炭清潔高效利用及綠色低碳發展的新路徑[7]，低階煤分質利用關鍵技術研發布局如圖1所示。

經過10余年產學研合作研發和工業化實踐，目前陜煤集團已有4項熱解技術通過國家鑒定；2項熱解技術、2項煤制烯烴技術、2項煤焦油加氫技術、1項煤焦油制環烷基油及火箭煤油技術已完成產業化示范；1項粉煤快速熱解技術百萬噸級示范裝置、1項煤焦油制芳烴及特種油品示范裝置即將建成投產；2項煤制對二甲苯(PX)技術已完成工業化試驗。

圖1 低階煤分質利用關鍵技術研發布局

2.1 新型直立爐熱解技術

陜煤集團東鑫垣公司通過自主創新，攻克了傳統直立爐熱解提質工藝高排放、高污染、高耗能等技術瓶頸，通過對制氫解吸氣替代回爐煤氣、爐頂密封微正壓、火道磚異形結構設計等多項工藝裝備進行優化改進，實現了粉煤、小粒煤、塊煤的綜合熱解提質，熱解效率大幅提升，且能耗水平顯著降低。開發的封閉式烘干及“水油氨硫”分質回收處理技術，一是解決了現有技術中烘干床露天設置烘干煙氣無法回收處理的技術難題，二是在烘干過程中實現了“水油氨硫”分質回收處理，三是解決了傳統工藝烘干過程中VOCs無組織排放的環保問題。通過熱解裝置多項專利技術的集成應用，形成了直立爐煤熱解提質新工藝成套化技術集成。

目前，已利用該技術建成3套年處理混煤36萬t的直立爐熱解裝置，并在實際生產中取得了良好的經濟效益和環保效益，該技術與傳統直立爐熱解技術對比見表1。

表1 新型與傳統直立熱解爐對比

2.2 小粒煤熱解工藝

2.2.1 煤氣熱載體分段多層移動床熱解技術(SM-GF)

陜煤集團與國電富通公司聯合開發的煤氣熱載體分段多層移動床熱解技術(SM-GF)，能夠較好地解決熱解工藝普遍存在的單爐能力小、熱解效率低、只適用于塊煤、傳質傳熱不均、油塵氣分離困難、熱解氣品質差、能耗高、有機廢水量大等問題，同時該技術還被列為國家重點研發計劃“煤炭清潔高效利用和新型節能技術”課題[8]。熱解爐為分段多層立式矩形爐，從上至下可分為干燥段(預熱段)、干餾段和冷卻段，每段由多層布氣和集氣裝置組成。SM-GF熱解工藝流程如圖2所示。

1-煤斗；2-熱解爐；3-旋風除塵器；4-直冷塔；5-橫管冷卻器；6-捕霧器；7-電捕焦油器；8-煤氣通風機；9-氣柜；10-煤氣加熱爐；11-燃燒器；12-機械化澄清槽；13-重油罐；14-氨水槽；15-LAB水處理；16-輕油罐；17-集液槽；18-空氣通風機；19-煙氣通風機；20-水膜除塵器；21-布袋除塵；22-脫硫塔圖2 SM-GF熱解工藝流程

目前陜煤集團陜北乾元能源化工有限公司已利用該技術在榆林建成處理原煤50萬t/a的工業示范裝置。

2.2.2 回轉熱解技術(SM-TY)

陜煤集團和華陸工程科技公司共同研發的回轉熱解技術(SM-TY)，其工藝技術特點如下：一是原料適用性強，適合不大于30 mm多種高揮發分煤種；二是操作環境好，煤干燥、熱解、冷卻全密閉生產；三是干燥水、熱解水可以分級回收，減少了水資源消耗和污水處理量；四是系統能效高，中試裝置能效≥80%，工業化裝置綜合能效≥85%；五是單系列設備原煤處理量大，單套裝置規模可達60～100萬t/a。SM-TY熱解工藝流程如圖3所示。

圖3 SM-TY熱解工藝流程

該項目的總體規劃是660萬t/a的粉煤分質綜合利用項目，目前60萬t/a示范裝置已建成投產。

2.3 粉煤熱解工藝

2.3.1 低階粉煤氣固熱載體雙循環快速熱解技術(SM-SP)

低階粉煤氣固熱載體雙循環快速熱解技術(SM-SP)由陜煤集團自主研發，采用提升管反應器進行粉煤熱解反應，以循環粉狀半焦為熱載體，使粉煤在提升管內與熱載體充分混合接觸后快速反應實現煤的熱解。粉煤熱解產生的部分焦粉在流化床燒炭器內進行燃燒加熱載體，為熱解反應提供熱量。熱解油氣經急冷塔降溫減少二次反應，通過分餾技術分離制取輕焦油、中焦油、重焦油和煤氣產品，SM-SP熱解工藝流程如圖4所示。

圖4 SM-SP熱解工藝流程

該技術煤焦油收率達17.11 %(格金干餾收率的155 %)，能源轉化效率達80.97 %，目前陜煤榆林化學公司120萬t/a工業示范裝置即將建成。

2.3.2 輸送床粉煤快速熱解技術

輸送床粉煤快速熱解技術由陜煤集團和西安建筑科技大學共同開發，適用于平均粒徑為0.074 mm的粉煤(水分<1 %)，系統主要由備煤、熱解、氣固分離、焦油回收、干法熄焦及余熱回收等單元組成，輸送床粉煤快速熱解工藝流程如圖5所示。

圖5 輸送床粉煤快速熱解工藝流程

目前該技術已完成萬噸級工業化試驗，驗證了粉煤熱解與粉煤鍋爐發電耦合的可行性，具備大規模推廣應用的潛力，百萬噸級工業示范裝置正在籌建。

2.4 煤焦油加工技術

2.4.1 煤焦油延遲焦化加氫技術

煤焦油延遲焦化加氫技術由陜煤集團自主研發，煤焦油經預處理進入延遲焦化單元，通過加大循環比使煤瀝青焦化，徹底脫除煤瀝青和半焦粉末對加氫過程的影響。作為煤焦油輕質化過程，延遲焦化具有眾多優點：可以加工殘炭值及金屬含量較高的各種劣質煤焦油，過程比較簡單，投資和操作費用較低；所產餾分油的柴汽比較高，柴油餾分十六烷值較高；能為乙烯生產提供石腦油原料；可生產優質瀝青焦。利用該技術，陜煤集團已在旗下天元公司建成50萬t/a的示范裝置、在東鑫垣公司建成80萬t/a的工業化裝置，均已平穩運行多年。

2.4.2 煤焦油全餾分加氫多產中間餾分油技術(FTH)

煤焦油全餾分加氫多產中間餾分油技術(FTH)由陜煤集團自主研發，通過特制金屬過濾網除去煤焦油中的喹啉不溶物，再借助電場凈化設施除去煤焦油中的鈣、鎂、鐵、鈉等金屬離子，提高煤焦油的收率，為實現煤焦油全餾分加氫提供了保證；采用獨特的爐前預加氫處理、合理的催化劑級配技術等特有技術，解決了低溫煤焦油瀝青難以加氫轉化的世界性難題，解決了煤焦油全餾分加氫工藝的穩定性和可靠性問題，為煤焦油全餾分加氫產業化打下了堅實基礎。

此外，利用該項技術，陜煤集團于2010年在神木富油公司建成16萬t/a的工業示范裝置。2013年，中國石油和化學工業聯合會鑒定該技術為世界首創，居國際領先水平。

2.4.3 煤焦油全餾分加氫制環烷特種油品技術(SM-FU)

煤焦油全餾分加氫制環烷特種油品技術(SM-FU)由陜煤集團自主研發，以中低溫煤焦油為原料，采用全氫型、短流程工藝，經全餾分加氫生產變壓器油、冷凍機油、白油等環烷基油和航天煤油、火箭煤油等特種油品[9]。該技術拓寬了環烷基資源渠道，實現了產品的差異化、高值化，摒棄了已有的煤焦油加氫制燃料油品路線，形成了煤焦油全餾分加氫制特種油品和精細化工品的新路徑，實現產業轉型升級，占領煤基生產高端油品制高點。

煤焦油全餾分加氫制環烷特種油品工藝流程如圖6所示。

圖6 煤焦油全餾分加氫制環烷特種油品工藝流程

目前，利用該技術建成的50萬t/a的示范工程，已“安、環、穩、長、滿、優”產業化運行1 a 以上，該技術于2022年6月9日通過了中國石油和化學工業聯合會鑒定，鑒定結論為“創新性強，整體技術居于國際領先水平。”

2.4.4 煤焦油制芳烴及特種油品技術

煤焦油制芳烴及特種油品技術由陜煤集團自主研發，煤焦油高溫高壓分級臨氫裂解制取芳烴的新方法是以分子結構定向轉化為原則，采用分子分割進行分級臨氫裂解的方法，將多環芳烴化合物首先高溫臨氫裂解為2～4個環狀結構的芳烴(中油)，然后將其進一步高溫、臨氫、裂解生產成富含BTX芳烴的石腦油產品。以此石腦油為原料制取BTX芳烴具有收率高、氫氣產率低、工藝流程短、能耗低等優勢。煤焦油制芳烴工藝流程如圖7所示。

圖7 煤焦油制芳烴工藝流程

煤焦油加氫組合工藝生產特種油品技術是在高活性專有級配催化劑的作用下，煤焦油通過懸浮床加氫裂化、固定床加氫改質以及臨氫異構降凝的加氫組合工藝，靈活生產超低凝柴油、低硫船用燃料油及3號噴氣燃料、高密度航空燃料、JP-900燃料和航空汽油等高品質航空燃料，同時副產高芳潛石腦油、低凝點特種潤滑油基礎油等高附加值副產品，可實現煤焦油利用經濟效益與環保效益的最大化，煤焦油制特種油品工藝流程如圖8所示。

圖8 煤焦油制特種油品工藝流程

目前，陜煤集團正在建設的50萬t/a煤焦油加氫裝置采用煤焦油懸浮床加氫固定床加氫改質組合工藝，以煤焦油為原料，加氫生產芳烴原料16.25萬t/a、輕質燃料油23.36萬t/a。下一步將采用陜煤集團上海勝幫化工技術有限公司和中國石油大學(華東)合作開發的煤基重油加氫組合工藝生產特種燃料，在原有示范裝置的基礎上，利用加氫生產的輕質燃料油，建設臨氫異構化降凝裝置生產超低凝柴油、低硫重質船用燃料及高密度航空煤油等特種油品，開展煤焦油加氫制特種油品技術示范。

2.5 半焦利用技術

為了突破低階煤熱解半焦利用工業化和商業化的關鍵技術難點[10]，陜煤集團與多家科研機構合作，完成了干焦粉氣化試驗、水焦漿氣化試驗、半焦粉燒結與噴吹試驗、流化床鍋爐半焦燃燒試驗、干焦粉鍋爐燃燒試驗、工業鍋爐和民用灶爐半焦燃燒試驗等，驗證了半焦對煤替代的可行性。

此外，陜煤集團還承擔了2項國家重點研發計劃課題“超低揮發分碳基燃料清潔燃燒關鍵技術”和“大比例摻燒超低揮發分碳基燃料電站煤粉鍋爐關鍵技術試驗及示范”，成功開發了半焦的清潔高效利用技術。未來陜煤集團在建設1 500萬t/a煤炭分質利用多聯產示范項目的基礎上，半焦將實現規模化大宗利用，即轉化干基原料煤1 500萬t/a，生產半焦890萬t/a，并可以通過熱解-氣流床氣化耦噴高濃度有機廢水技術生產百萬噸級化工產品，同步處置利用高COD有機廢液，大大減少了環保問題和資金的投入。

2.6 熱解煤氣利用技術

熱解煤氣是低階煤分質利用的三大產物之一，對其充分利用將有效提升煤炭分質利用全生命周期的效率及經濟社會效益[11]。

陜煤集團基于自身擁有的新型直立爐，通過技術攻關，首次實現了荒煤氣無變換制氫工業化應用，氫氣收率提高至85%以上，氫氣純度達99.99%，作為焦油加工原料或外售；利用制氫解吸氣替代回爐煤氣，有效利用了煤氣；開發的變壓吸附-脫碳工藝提純解吸氣制氮氫(H2+N2)技術，能夠為合成氨、尿素生產提供低成本原料，有效利用了CO2、降低了碳排放、延伸了熱解煤氣分質利用產業鏈。

3 陜煤集團低階煤分質利用中長期發展目標

我國低階煤資源豐富，隨著煤炭主產區西移，未來低階煤產量會越來越大。分質利用路線耗水低、排放少、能效高，可最大限度利用原煤的高值組分與化學能，是合理的煤化工方向。假設采用低階煤分質利用工藝在西部礦區就地轉化10億t原料煤，粗略計算，可生產清潔能源1.5億t(油氣當量)，有利于緩解我國石油、天然氣對外依存度高的問題；可生產潔凈半焦5億t，將其供給中東部民用灶爐和工業窯爐，將極大地緩解當地污染問題；同時，還可向市場提供芳烴、烯烴等基礎化工原料6 000萬t，有利于緩解化工原料生產分散、能效較低、污染難以治理等問題。隨著單項技術和耦合技術研發的深入，未來低階煤的節能減排效果會更好，不僅可實現特種燃料及大量石化產品的煤化工經濟替代，也必將大幅提升煤炭的高效利用，促進地方的經濟發展，極大地推進我國能源生產與消費革命進程[12]。

“十四五”期間，陜煤集團將全面提升分質利用產業鏈，建立以中低溫煤焦油和熱解煤氣為主體原料的新型化工體系，同時推動潔凈半焦對商品煤的“應替盡替”， 分質利用產業路線如圖9所示。分質利用產業鏈具體提升方向包括以下5個方面。

(1)對煤氣進行分質利用，生產合成氨、甲醇、碳酸二甲酯、氫氣、LNG等產品，實現低碳排放。

(2)對煤焦油進行分質利用，生產高芳潛含量的石腦油，進而生產芳烴產品，延伸發展可降解塑料，煤焦油用于生產高密度航空煤油、超低凝清潔柴油、低凝點特種潤滑油基礎油，未轉化殘渣綜合利用，制備孔隙豐富的儲能炭材料或吸附材料、高性能電池材料等。

(3)蘭炭分質利用，生產石墨化碳(電池材料)、清潔民用炭(燒烤炭)和定制特色碳材料(比如超純炭、超細炭等)。也可以通過對部分現有煤化工裝置或燃煤電廠進行升級改造，增加熱解裝置，粉焦用于氣化原料或鍋爐燃料，最大限度實現低階煤的高效清潔綜合利用。

(4)引入綠氫、綠氧，減少煤化工裝置空分負荷及煤氣變換深度，降低二氧化碳排放。

(5)探索礦區與化工園區間物質、能量循環利用技術開發、煤炭熱解與現有燃煤鍋爐、氣化爐、煉鐵及燒結爐耦合技術開發、采煤沉陷區生態重構及CO2強光和植物與高效光伏發電協同技術研發。

圖9 分質利用產業路線

4 結語

我國的能源資源稟賦決定煤炭在較長時期內仍將是我國的主體能源和重要的化工原料，且低階煤在我國原煤產量中占比已超過一半。低階煤的理化特性及地域分布決定了低能耗、低水耗、低排放的分質利用技術產業鏈是實現低階煤清潔高效利用的最佳途徑，是煤制油氣及化學品技術的優先之選。隨著煤炭產區向低階煤富集的西部地區移動，未來低階煤產量將更大。

未來，陜煤集團將繼續堅持市場主導、創新驅動、綠色安全、開放合作的基本原則，形成自主創新能力強、結構布局合理、綠色安全低碳的高質量發展格局，持續開展低階煤分質利用技術開發與產業示范，努力成為技術領先的清潔能源提供商和高端煤基材料的供應商，為實現“雙碳”目標，發揮更好的保障國家能源安全的積極作用。