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構(gòu)建“中國特色”煤炭利用之未來

中國科學報發(fā)布時間: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。為應對當前的形勢需要,近日,越來越多的煤炭企業(yè)開始生產(chǎn)口罩原料,加入了這場抗“疫”戰(zhàn)爭。

  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)的大勢所趨。

  “煤炭由能源向能源和原料并重是國家倡導的發(fā)展方向。未來,煤炭原材料化的比例會逐漸增加。”中國工程院院士、中國科學院大連化學物理研究所所長劉中民對《中國科學報》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)模實現(xiàn)快速增長。我國自主研發(fā)的煤炭間接液化技術、煤制烯烴技術,以及我國率先開發(fā)的煤制芳烴技術,都處于國際領先的地位。

  未來,煤炭利用將走向何方?

  煤化工的多重選擇

  實際上,以煤炭為原料制備口罩基本原料的工藝已經(jīng)成熟。山東科技大學化學與環(huán)境工程學院教授梁鵬介紹說,煤制烯烴是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中的一項重要技術,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(丙烯),進入熔噴布生產(chǎn)領域,進而生產(chǎn)口罩,延長產(chǎn)業(yè)鏈。“此外,煤化工的煤制乙烯技術,還可生產(chǎn)大量聚乙烯,用于生產(chǎn)醫(yī)用防護服面料。”

  中國石油大學(北京)新能源研究院院長周紅軍則介紹說,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,同時會對煤炭行業(yè)提出更高的技術要求。”梁鵬認為,如煤瀝青可以生產(chǎn)碳纖維用于航天、軍事及民用領域,從煤中分離高附加值化學品可用于生產(chǎn)醫(yī)藥、染料等產(chǎn)品。

  “站在整個工業(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,以一碳化學為主線,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

  清潔化利用是煤炭行業(yè)的主基調(diào),那么,目前的煤化工技術能否實現(xiàn)清潔化?梁鵬認為“完全可以”。不過,煤炭的深加工過程往往會帶來設備投資大、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,具有重要意義。

  劉中民認為,相比于燃燒,煤炭作為原料利用的方式更多、更復雜。對技術、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、廢水(近)零排放技術及“三廢”資源化利用技術都已經(jīng)得到廣泛應用,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,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。”劉中民強調(diào)說。

  周紅軍則指出,煤炭清潔轉(zhuǎn)化的煤化工技術主要包括煤轉(zhuǎn)化制取清潔燃料和煤轉(zhuǎn)化制取大宗及特殊化學品兩大技術方向。以清潔高效為目標,進一步提高煤炭轉(zhuǎn)化效率、降低水耗及污染物排放等問題。

  如重點解決以煤/合成氣/甲醇等為原料的碳氫氧原子化學鍵的定向調(diào)控、目標產(chǎn)物的化學合成新途徑、催化劑的精準合成,以及目標產(chǎn)物的合成工藝及反應器等重大問題,最終成功開發(fā)系列煤轉(zhuǎn)化制清潔燃料和化學品新技術;重點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化問題等。

  兩年前,中國科學院啟動了“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”A類戰(zhàn)略性先導科技專項,由中國科學院大連化學物理研究所牽頭聯(lián)合院內(nèi)多所實施。

  該項目旨在推動構(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),以能源技術革命促進能源革命。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)化利用兩個項目,計劃到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轉(zhuǎn)化利用工業(yè)示范等一批重大項目。

  “除此之外,鋼鐵企業(yè)在煉鐵工藝過程中會排放大量的尾氣,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的研發(fā),受限于較為昂貴的天然氣,紛紛探討采用焦爐氣煤氣化的氣體進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(北京)研發(fā)了焦爐氣二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化技術,與中石化及中晉太行公司合作正在山西左權(quán)建設第一個采用焦爐氣為原料的30萬噸/年氣基直接還原鐵示范廠,計劃今年建成開車。其中的焦爐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,解決了還原氣來源的瓶頸問題。

  煤化工領域提出煤炭分質(zhì)分級利用,就是根據(jù)煤質(zhì)的基本特點,對煤炭進行逐級加工,獲取有價值的組分,總體得到最為理想的結(jié)果。這也是目前國內(nèi)外學者關注的重點。

  “煤炭作為原料,一定不能只生產(chǎn)一種產(chǎn)品,需要進行多種產(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值的化學品;第二步的氣化階段將半焦進行氣化,做化學品和材料的合成。

  梁鵬介紹說,針對高揮發(fā)分煤,他們目前正在進行熱解/燃燒分級轉(zhuǎn)化方面的研究開發(fā)工作,并且完成了中試實驗。另外還正在進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,還需進一步降低水耗和能耗,實現(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,需要進一步突破關鍵技術,實現(xiàn)成套工藝技術和工業(yè)示范。同時,通過技術創(chuàng)新,加強新產(chǎn)品開發(fā),通過延伸產(chǎn)業(yè)鏈,發(fā)展高附加值、精細化、差異化產(chǎn)品。

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