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分质利用:低阶煤的“救星”

   日期:2018-05-15     来源:能源评论    浏览:4208    评论:0    
核心提示:经济形势好转,让国内煤炭产业在2017年迎来企稳的转机,煤炭消费阶段性回升,煤炭产量恢复增长,进入2018年后依然保持着供需两旺
经济形势好转,让国内煤炭产业在2017年迎来企稳的转机,煤炭消费阶段性回升,煤炭产量恢复增长,进入2018年后依然保持着供需两旺态势。这在一定程度上说明,在我国能源基础中,煤炭依然是不可或缺的主体。我国煤炭储量接近世界总储量的五分之一,富煤、少气、贫油的化石能源资源禀赋,决定了我国不可能完全“去煤化”,至少“去煤化”的速度不可能如部分人预期的那么快。

与此同时,经济社会的快速发展、人民生活水平的日益提高、环保法律法规的日趋严格,对能源种类及洁净度提出了新的、更高的要求,清洁燃料油、天然气消费量稳步增加。对于煤炭,尤其是低阶煤来说,实现清洁高效利用,成为亟待解决且不可回避的课题。为此,国家能源局发布的《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》中,提出了推广煤制油、煤制天然气、低阶煤分质利用、煤制化学品、煤炭和石油综合利用等五类煤炭利用模式。

其中,以中低温热解制气、制油为主要产品路线的分质利用技术,因其可以实现对低阶煤的经济、高效、清洁利用,得到了学者的广泛认可和政府部门的关注。

清洁与效益兼备

煤炭分质利用技术是近年来煤炭高效清洁利用、现代煤化工领域的热点,因其具备反应条件缓和、工艺过程简单、投资小、水资源消耗少等优势,对改变我国煤炭利用及能源结构意义深远,因此成为“十三五”现代煤化工主要发展方向之一。

广义上而言,煤炭分质利用并不是一个新概念,早已在科学研究和生产实践上得到应用,即根据煤炭的变质程度及工艺性质,将其化分为无烟煤、烟煤、褐煤等大类,各大类煤种又可以被划分为不同的细分种类和牌号,然后按其种类、等级加以利用。

但近年来使用的“煤炭分质利用”术语,所指则有所不同。具体而言,一般是采用中低温热解技术对煤炭进行分质,获得气态、液态、固态产物,然后再根据各类热解产物的组成、性质,有区别地加以利用,生产化工原料和各类化学品。按照这个定义,煤炭炼焦实际上就是分质利用的典型工艺。然而,目前说起煤炭分质利用的时候,并不包含煤炭焦化,因为这个术语还有几个隐含的条件:煤炭特指褐煤、次烟煤等低阶煤;热解指的是中低温热解。

所谓低阶煤,是指成煤晚、处于低变质阶段的煤,它具有水分含量高、发热量低、挥发份含量高、反应活性高以及易燃易碎等特点。如果直接燃烧或气化,不仅效率低,而且污染严重。在我国10200亿吨探明煤炭储量中,55%以上为低阶煤。而且目前开采的低阶煤中,90%以上用作了发电、工业锅炉和民用燃料直接燃烧,由此引发一系列严重的生态和环境污染问题。对洁净能源的需求,催生了对我国丰富的低阶煤资源进行高效洁净利用技术的要求。

在这个背景下,依据低阶煤组成与结构特征实现清洁高效利用的分质利用技术体系就应运而生了。低阶煤分质转化利用技术可通过热解进行脱硫、脱氮、脱除热解水,可以避免散煤以及干煤运输的污染物排放,减少无效能耗,实现煤炭高效转换、分级分质的清洁利用。

分质利用技术在实现最大化利用低阶煤资源的同时,还能够有效提升我国油气自给能力、降低对外依存度,提高能源安全保障。低阶煤中蕴藏着丰富的油、气和化学品资源,如果按甲烷产率4.2%、热解油产率7.1%估算,我国目前每年消费的19亿吨低阶煤中可制取液化天然气0.81亿吨、燃料油1.37亿吨。根据中国煤炭工业协会公布的数据,截至2014年,我国已探明适于清洁高效梯级利用的低阶煤储量约8758亿吨,其中蕴藏的油品、天然气资源分别相当于我国已探明石油、天然气可采储量的20倍和11倍。

此外,低阶煤分质利用经济竞争力强。以煤热解为龙头的分质利用技术具有极强的延展性和耦合性,能够实现煤、油、气、电、化多联产一体化,其水耗和投资分别是传统煤化工的1/7和1/3。基于一定的煤质指标和假设条件,对低阶煤分质利用与低阶煤直接发电的技术经济指标进行测算的结果表明,低阶煤分质利用的综合能效、内部收益率分别比低阶煤直接发电高大约11个和2个百分点。

期待更多工程实践

与煤制油、煤制气、煤基甲醇制烯烃、煤制乙二醇和煤制芳烃等五大新型煤化工技术路线相比,低阶煤先分级提质、后开发利用的技术路线,具有显著提升物质与能量转化率、降低能耗与水耗、提高能效、减少污染的特点,适合在我国低阶煤资源丰富、生态脆弱和水资源缺乏的地区开发利用。在《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》中,对低阶煤分支利用到2020年的发展预期是产能达到1500万吨/年。

其实,低阶煤分质利用的思路早在上世纪90年代中期便已诞生。当时,由于国内油气消费对外依存度逐年增大,有学者提出对较年轻的煤种采用快速热解和快速冷凝的煤拔头工艺,获得较高的油品资源。煤拔头工艺的提出,突破了传统的煤炭利用方式,这与石油多层次加工、梯级转化、分质利用的思想有异曲同工之妙。

进入21世纪,学术界对采用煤炭快速热解的煤拔头工艺开展了多方面的研究。2012年,中国科学院依据低阶煤的组成与结构特征,提出低阶煤清洁高效梯级利用的解决方案,即以高效热解为先导,提取煤炭中存在的油气资源,剩余的半焦用于燃烧发电或经气化定向转化为液体燃料和化学品,形成了“热解—油气提质—半焦燃烧—发电”“热解—气化—合成”和“热解—气化——费托合成——油品共处理”三条技术路线。为推动技术的研发和工业化,在中国科学院“还牵头成立了“低阶煤利用产学研协同创新联盟”,联合国内近30家大型企业、设计院开展技术攻关。不过,2012〜2014年,受宏观经济形势影响,低阶煤分质利用技术的研究、开发和应用稍有迟滞。

直到2015年1月,国家能源局、环保部、工信部联合下发《关于促进煤炭安全绿色开发和清洁高效利用的意见》,提出要鼓励低阶煤分质利用技术研发和示范,以提高煤炭利用附加值,不久之后出台的《煤炭清洁高效利用行动计划(2015-2020)》也对煤炭分质利用抛出了橄榄枝。其后,煤炭分质利用技术的研发与应用得以全面展开。比较突出的新技术有陕西煤业化工技术研究院与北京柯林斯达联合开发的CGPS技术;工业应用的代表项目则有北大青鸟内蒙古青鸟蒙兴化工有限公司规划建设的1000万吨/年低阶煤分质清洁高效综合利用示范项目。

低阶煤分质利用技术的逐级分质、梯级利用特点,造就了分质利用技术天然的灵活性,基于煤质特性、以市场为导向,通过优化组合产品方案,可形成不同的多联产系统,组成各种产业链。

不过,虽然在过去几年中,研究机构、工业企业多方攻关,但是煤炭分质利用仍有多个关键技术或装备尚未取得决定性突破,有些目前甚至还看不见胜利的曙光,比如,迄今为止,进入工业化应用、能较长周期稳定运行的低阶煤热解技术和设备,基本上是以块煤、碎煤为原料,为了进一步提高油品产率和质量,降低原料煤的粒度、增大热解升温速度是主要的技术途径,然而,受热解流体产物与固体产物在线分离困难、热解废水难以处理等因素制约,粉煤热解的工程化一直未得到有效突破。再如煤热解定向制备油气产品工艺运行的长期稳定性、热解后化学品的分离方法与技术等等,都有待进一步的技术突破。

实验室研究永远代替不了实践探索,低阶煤分支利用技术发展当前存在的难题与瓶颈,只能在接下来的工程实践中逐步解决。
 
标签: 清洁能源

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