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構(gòu)建“中國特色”煤炭利用之未來

中國科學(xué)報(bào)發(fā)布時(shí)間:2020-03-24 09:48:52

  受新冠肺炎疫情的影響,全球口罩需求量急劇增長(zhǎng)。為應(yīng)對(duì)當(dāng)前的形勢(shì)需要,近日,越來越多的煤炭企業(yè)開始生產(chǎn)口罩原料,加入了這場(chǎng)抗“疫”戰(zhàn)爭(zhēng)。

  煤炭企業(yè)成為生產(chǎn)防疫物資的“生力軍”,也讓業(yè)內(nèi)意識(shí)到,在碳減排壓力之下,從資源能源化向原材料化利用轉(zhuǎn)變,成為煤炭行業(yè)的大勢(shì)所趨。

  “煤炭由能源向能源和原料并重是國家倡導(dǎo)的發(fā)展方向。未來,煤炭原材料化的比例會(huì)逐漸增加。”中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長(zhǎng)劉中民對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》指出。

  由于能源資源的稟賦特征,近年來,我國煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。我國自主研發(fā)的煤炭間接液化技術(shù)、煤制烯烴技術(shù),以及我國率先開發(fā)的煤制芳烴技術(shù),都處于國際領(lǐng)先的地位。

  未來,煤炭利用將走向何方?

  煤化工的多重選擇

  實(shí)際上,以煤炭為原料制備口罩基本原料的工藝已經(jīng)成熟。山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院教授梁鵬介紹說,煤制烯烴是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù),通過烯烴分離可以獲得高純度的丙烯,丙烯用于生產(chǎn)口罩所用的主要基本材料——PP熔噴布、PP紡粘布等,其中,PP熔噴布是口罩中起關(guān)鍵作用的過濾層。

  梁鵬指出,煤炭企業(yè)可以利用基本原料優(yōu)勢(shì)(丙烯),進(jìn)入熔噴布生產(chǎn)領(lǐng)域,進(jìn)而生產(chǎn)口罩,延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈。“此外,煤化工的煤制乙烯技術(shù),還可生產(chǎn)大量聚乙烯,用于生產(chǎn)醫(yī)用防護(hù)服面料。”

  中國石油大學(xué)(北京)新能源研究院院長(zhǎng)周紅軍則介紹說,口罩的原料制備,全球有兩類生產(chǎn)路線。一條是石油化工路線,另一條則是中國獨(dú)有的煤化工路線。

  “將煤炭轉(zhuǎn)化為原料或材料加以利用是未來煤化工的發(fā)展趨勢(shì),同時(shí)會(huì)對(duì)煤炭行業(yè)提出更高的技術(shù)要求。”梁鵬認(rèn)為,如煤瀝青可以生產(chǎn)碳纖維用于航天、軍事及民用領(lǐng)域,從煤中分離高附加值化學(xué)品可用于生產(chǎn)醫(yī)藥、染料等產(chǎn)品。

  “站在整個(gè)工業(yè)過程來講,煤炭利用已經(jīng)到天花板,物質(zhì)流和能源流都要考慮。煤以后的出路就是材料化,及煤制氫等。”周紅軍說。

  “煤的主要成分是碳、氫、氧和少量的氮、硫或其它元素,從化學(xué)的角度講,這些元素可以組合出非常多種類的物質(zhì)。”劉中民解釋說,近些年興起的現(xiàn)代煤化工以煤熱解、氣化為基礎(chǔ),以一碳化學(xué)為主線,以新型催化劑和工藝過程為核心,以工藝流程裝備為保障,產(chǎn)品主要有合成油、天然氣、烯烴、乙二醇、乙醇等,人們生活中常用的塑料、合成橡膠、合成纖維等都離不開這些原料。

  以清潔高效為目標(biāo)

  清潔化利用是煤炭行業(yè)的主基調(diào),那么,目前的煤化工技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)清潔化?梁鵬認(rèn)為“完全可以”。不過,煤炭的深加工過程往往會(huì)帶來設(shè)備投資大、耗水量大等問題,因此,因地制宜開發(fā)適合我國國情的現(xiàn)代煤化工技術(shù),具有重要意義。

  劉中民認(rèn)為,相比于燃燒,煤炭作為原料利用的方式更多、更復(fù)雜。對(duì)技術(shù)、工藝、裝備的要求也更高,環(huán)保是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建過程中的重要問題之一。目前,污染物高效脫除技術(shù)、廢水(近)零排放技術(shù)及“三廢”資源化利用技術(shù)都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,污染物的排放可以降到非常低的水平。

  “從二氧化碳減排的角度,煤作為原料時(shí),煤中的碳元素轉(zhuǎn)移到新的產(chǎn)品中,可在一定程度上減少二氧化碳的排放。”劉中民強(qiáng)調(diào)說。

  周紅軍則指出,煤炭清潔轉(zhuǎn)化的煤化工技術(shù)主要包括煤轉(zhuǎn)化制取清潔燃料和煤轉(zhuǎn)化制取大宗及特殊化學(xué)品兩大技術(shù)方向。以清潔高效為目標(biāo),進(jìn)一步提高煤炭轉(zhuǎn)化效率、降低水耗及污染物排放等問題。

  如重點(diǎn)解決以煤/合成氣/甲醇等為原料的碳?xì)溲踉踊瘜W(xué)鍵的定向調(diào)控、目標(biāo)產(chǎn)物的化學(xué)合成新途徑、催化劑的精準(zhǔn)合成,以及目標(biāo)產(chǎn)物的合成工藝及反應(yīng)器等重大問題,最終成功開發(fā)系列煤轉(zhuǎn)化制清潔燃料和化學(xué)品新技術(shù);重點(diǎn)解決煤直接液化和間接液化的原料、過程匹配和產(chǎn)品靈活調(diào)控,以及煤直接—間接液化工藝及耦合強(qiáng)化問題等。

  兩年前,中國科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng),由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所牽頭聯(lián)合院內(nèi)多所實(shí)施。

  該項(xiàng)目旨在推動(dòng)構(gòu)建我國多種能源資源融合發(fā)展的“中國特色”能源結(jié)構(gòu),以能源技術(shù)革命促進(jìn)能源革命。在煤化工方面,布局了合成氣下游及耦合轉(zhuǎn)化利用、甲醇下游及耦合轉(zhuǎn)化利用兩個(gè)項(xiàng)目,計(jì)劃到2023年,完成20萬噸/年煤基合成氣直接制低碳烯烴的工業(yè)示范;百萬噸煤炭清潔高效分級(jí)轉(zhuǎn)化利用工業(yè)示范等一批重大項(xiàng)目。

  “除此之外,鋼鐵企業(yè)在煉鐵工藝過程中會(huì)排放大量的尾氣,其中的一氧化碳和氫氣等有效成分與煤化工中的合成氣相似,可以把鋼鐵尾氣作為化工的原料,生產(chǎn)基礎(chǔ)化工產(chǎn)品等。這不僅是鋼鐵行業(yè)生態(tài)化發(fā)展的一個(gè)重要方向,也是煤化工的重要方向。”劉中民指出。

  煤化工的未來

  近年來,國內(nèi)鋼鐵企業(yè)還十分重視氣基直接還原鐵技術(shù)的研發(fā),受限于較為昂貴的天然氣,紛紛探討采用焦?fàn)t氣煤氣化的氣體進(jìn)行氣基直接還原鐵生產(chǎn),以降低合成氣也就是氫氣的生產(chǎn)成本 。

  “目前,國內(nèi)尚無真正意義的工業(yè)化氣基直接還原鐵。”周紅軍說。中國石油大學(xué)(北京)研發(fā)了焦?fàn)t氣二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化技術(shù),與中石化及中晉太行公司合作正在山西左權(quán)建設(shè)第一個(gè)采用焦?fàn)t氣為原料的30萬噸/年氣基直接還原鐵示范廠,計(jì)劃今年建成開車。其中的焦?fàn)t氣凈化和二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化采用該校開發(fā)的新工藝技術(shù),解決了還原氣來源的瓶頸問題。

  煤化工領(lǐng)域提出煤炭分質(zhì)分級(jí)利用,就是根據(jù)煤質(zhì)的基本特點(diǎn),對(duì)煤炭進(jìn)行逐級(jí)加工,獲取有價(jià)值的組分,總體得到最為理想的結(jié)果。這也是目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

  “煤炭作為原料,一定不能只生產(chǎn)一種產(chǎn)品,需要進(jìn)行多種產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn),即多聯(lián)產(chǎn),而目前已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。”梁鵬說。例如,將高揮發(fā)分煤炭采用先熱解后氣化的技術(shù)路線,在第一步的熱解階段獲得煤氣和煤焦油,其中煤氣可以做化工合成,煤焦油可以提取高價(jià)值的化學(xué)品;第二步的氣化階段將半焦進(jìn)行氣化,做化學(xué)品和材料的合成。

  梁鵬介紹說,針對(duì)高揮發(fā)分煤,他們目前正在進(jìn)行熱解/燃燒分級(jí)轉(zhuǎn)化方面的研究開發(fā)工作,并且完成了中試實(shí)驗(yàn)。另外還正在進(jìn)行超純煤方面的研究,即將煤中的灰含量降低到1%以下,取得了進(jìn)展。此外,正在開展的煤化工行業(yè)揮發(fā)性有污染物治理方面的工作也已完成工業(yè)示范。

  面向未來,劉中民建議,在煤化工層面,還需進(jìn)一步降低水耗和能耗,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的靈活調(diào)變;在煤熱解及多聯(lián)產(chǎn)、煤制天然氣、煤制芳烴和含氧化合物等方面,需要進(jìn)一步突破關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)成套工藝技術(shù)和工業(yè)示范。同時(shí),通過技術(shù)創(chuàng)新,加強(qiáng)新產(chǎn)品開發(fā),通過延伸產(chǎn)業(yè)鏈,發(fā)展高附加值、精細(xì)化、差異化產(chǎn)品。

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