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    【智库研报】陕北在望:煤炭热解的十年长征路      

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    天元公司粉煤热解配套精酚装置。 (李军 摄)

      作为国家能源战略的重点领域和主攻方向,“十三五”期间煤炭清洁高效转化利用在政策保障、技术创新、成果转化等方面力度空前,催生了一批重大创新项目落地,以煤炭热解为代表的煤炭分质分级利用就是其中很重要的方面。“十四五”期间,随着国家政策更大力度的加持,煤炭清洁高效利用有望进入更高发展阶段。

      煤炭热解世界看中国、中国看陕煤。作为陕西能源主力军和陕北能源化工热土上的重要奠基者、开拓者,陕西煤业化工集团在煤炭分质分级利用的探索上已有十余年的精进探索,在煤炭热解上也开创出了多条引领全国的创新工艺路线。在这其中,有一家十年磨一剑的企业,以独辟蹊径开拓“陕煤—榆林版煤制油”全新的煤炭热解工艺而闻名于世。这就是陕煤集团神木天元化工有限公司。

      2019年11月26日,神木天元首创的大型工业化低阶粉煤回转热解成套技术开发与应用科技成果在北京通过中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。“十四五”前夕,我们再一次走进神木天元,了解其煤炭热解探索实践的最新进展。“中国煤炭热解的十年长征路,已经陕北在望”,这是此行调研给我们一行最深的感受。

    煤炭热解担纲清洁利用重任

      煤炭和石油同根同源,其成分也均主要为碳氢化合物。但煤炭与石油又有不同,不同点在于煤炭的“进化”程度不如石油,其形态为固体、成分更为繁杂。经检测分析,煤炭中的成分以数万计,受限于纯化分离技术,其中大多数的成分时至今日依然没有向世人揭开其神秘面纱。

      成分复杂的煤炭该如何利用,是一个了解和实践不断深化的过程,但总体是从“囫囵吞枣”向精准精细、分质分级利用过渡和升级,煤炭热解就是在这一过程中诞生出来的生产工艺。煤炭热解又分为高温热解和中低温热解。其中,中低温热解是煤炭在隔绝空气或缺氧条件下,通过中低温干馏(热解),将煤分解为气体(热解气)、液体(煤焦油)和固体(半焦,也称兰炭)三相物质,是实现煤炭分质利用、清洁高效转化的重要方式,也是煤炭热解最具有挑战性的领域。尤其是对占我国煤炭资源总量一半以上的低阶煤,其油含率和水含率较高,热值较低,直接工业应用难度较大,热解是其清洁高效利用的最佳途径。

      低阶煤主要包括褐煤和低变质烟煤(包括长焰煤、不黏煤、弱黏煤),大多分布在陕西、内蒙古、新疆等地。其中陕北和神东的煤灰分5%~10%,硫分小于0.7%,是优良的低阶煤。

      煤炭中低温热解的发展源远流长,早在17世纪后期就开始出现,1805年低温热解开始在英国实现工业化。20世纪初至50年代,随着气化器式内燃机的出现和应用,汽油需求量激增,缺乏天然石油资源的国家千方百计从煤中制取液体燃料,低温热解工业迅速发展,相继出现了德国的Lurgi-Spuelgas、Lurgi-Ruhrgas、美国的Disco、前苏联的固体热载快速热解等工艺,并达到可观的规模。

      我国的煤炭中低温热解工业始于抗日战争期间。建国之初拟恢复和建立中低温热解工厂。上世纪50年代后期,中低温热解单炉规模达到330~450吨/天的能力。上世纪90年代以来,随着石油资源日益紧缺,国际油价不断上涨,中低温热解技术研发又进入了一个新的发展时期。尤其是近年来我国低阶煤热解技术开发和示范取得突破性进展,新一代热解技术达20多种,一半实现了工业化生产。其中尤以陕西榆林地区的煤炭热解产业发展迅猛,兰炭产能已占全国总产能的一半以上。

      从技术角度分析,热解是低阶煤清洁高效利用最为科学合理的方式,是煤炭利用从“粗吃”转向“精吃”的必由之路。一是可有效提高资源利用效率。低阶煤是由芳环、脂肪链等官能团缩合形成的大分子聚集体,直接燃烧会形成大量CO?。若气化处理依然存在对本原物质过度拆分的问题,会将高附加值组分南辕北辙转化为最基础的合成气CO和H?。而通过热解,可将煤中的焦油提取出来,同时产出煤气和半焦,将原煤一分为三,避免资源浪费。二是生产工艺条件温和。煤热解温度一般为550℃~700℃,反应压力接近常压,且采用隔绝空气加热,生产系统不需要大型空分装置,设备投资较小。三是具有良好的环保性,煤热解得到的半焦可作为锅炉燃料和气化原料,所含的污染物远少于原煤,对环境影响较小,同时热解过程相对于气化来说水耗较低。

    粉煤热解技术破译“密码”

      尽管中低温热解是适合中国国情的煤炭清洁高效利用有效途径,国内技术开发也风生水起,甚至达到了国际领先水平,但目前仍然存在一些制约瓶颈。最为重要的是,粉煤热解技术尚未完全突破,离大规模产业化的成熟尚有距离,比如热解油、气、煤尘在线分离难,粉焦的钝化、储运和大规模应用,以及设备大型化、热解炉气固分布的特殊结构仍需完善优化等,导致粉煤热解大规模产业化应用迄今在全球仍凤毛麟角。正因如此,热解原料煤长期以来多为块煤和小粒煤,价格较高,存在一定局限性。

      同时,中低温煤焦油中的化合物种类繁多、组分复杂,主要成分为环烷烃、烷烃及酚类等,可制成各种液体燃料和化工原料等,甚至附加值更高的化工新材料、精细化学品等。但这种宝贵的资源,由于国内缺乏先进的分离纯化提取技术,中低温煤焦油难以高效高值加工利用,长期以来只能作为简单的工业燃料被作贱利用。

      试图改变这一局面的探索从新世纪初就已起步。早在2005年8月,神木天元依托拥有自主知识产权的中低温煤焦油制取轻质化燃料工艺技术,率先开工建设25万吨/年中温煤焦油轻质化项目,2008年4月建成。在此基础上,50万吨/年中温煤焦油轻质化工业示范项目2010年4月建成并一次开车成功,产出合格油品。这个国内单套规模最大、技术等级和煤炭资源转化率最高的煤焦油轻质化项目,同年6月通过了石化联合会组织的科技成果鉴定,专家认为该装置整体技术达到国内领先水平,填补了国内煤焦油深加工的技术空白。从此,“陕煤—榆林版煤制油”在业内广为流传。

      此后,作为陕煤集团国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室试验示范基地之一,神木天元研发中心投入科研力量,瞄准粒度为0~30毫米的低阶粉煤热解这个世界性难题开展研究攻关,与华陆工程公司联袂合作,正式立项低阶粉煤分质利用技术研发项目。

      技术开发过程中,他们主要针对干燥水和热解水梯级回收、分级处理,热解过程扬尘和粉尘处理,油气和烟气密封,关键高温设备材料,能源转化效率,提质焦粉应用等技术难点,做了大量基础实验和研究工作。通过工艺路线的选择、优化,研究、试验验证、分析,最终形成了成套的回转热解技术(包括回转干燥、回转热解、高效冷却及钝化)。

      2013年,神木天元5万吨/年低阶粉煤回转热解制取无烟煤工艺技术研究装置建成。经过中试验证以及工艺技术、关键设备的不断调整、优化,装置累计运行9300小时。期间,该公司还对新疆哈密地区的煤种做了试验,验证了不同煤种在装置中的运行情况。2015年,这项工艺技术通过了由陕西省科技厅组织的科技成果鉴定,专家认为该技术攻克了煤低温热解领域粉煤洁净化分质利用关键性技术和装备,整体技术达到国际先进水平。

      天有不测风云。2014年下半年以来,国际油价断崖式下跌,轻质化煤焦油单价由最高时的8000多元/吨暴跌至3000元/吨。同样依赖于块煤的神木天元50万吨/年煤焦油轻质化项目经济效益急速下滑,同时面临周边地区一哄而起的同类项目,同行之间抢原料、抢市场、抢人才,恶性竞争,很快就把一片“蓝海”市场变成了“红海”。

      近年来,煤炭的机械化综合开采技术日益成熟应用扩大,在开采效率大幅提高的同时,原煤中的块煤比例下降至20%左右,绝大部分为粉煤。面对量大且价格低廉的粉煤资源,神木天元敏锐地看到了自身存在的短板以及新的机遇,加快建设粉煤热解大型工业化示范项目迫在眉睫。

      该公司随即规划了660万吨/年粉煤分质综合利用工业化蓝图,其中一期工程60万吨/年示范项目于2017年6月开始设计,2018年3月动工建设,2018年12月25日中交。2019年5月11日,业内翘首以盼的规模化粉煤回转热解技术取得突破性成果:60万吨/年粉煤分质综合利用示范项目打通工艺流程,一次投料试车成功,主要技术指标全部达到或优于设计值,装置运行平稳。

      2019年11月底,由谢克昌、倪维斗、杨启业、李洪钟等9位院士专家组成的鉴定委员会认为:该技术攻克了煤低温热解领域粉煤清洁高效分质转化利用的关键性技术和装备,拥有完全自主知识产权,创新性强,对于促进低阶粉煤高效转化、煤热解科技进步具有积极意义,整体技术达到国际领先水平;低阶粉煤清洁高效分质转化利用是我国的重大课题,该技术成果攻坚克难,探索出一条低阶粉煤高效分质转化的新途径,资源综合利用和经济效益优势显著,建议尽早开展百万吨级大型工业化示范及推广应用。

      根据专家现场考核,该装置负荷达到设计值的107.7%,热解煤气收率12.16%,煤焦油收率10.35%,提质焦粉收率70.04%,单位产品水耗0.05t/t,综合能耗0.169tce/t,能源转化效率达86.31%。

      据神木天元公司党委书记、董事长毛世强介绍,在这项具有原创性的技术研发及工业化过程中,他们先后攻克了油气粉尘含量高、管道堵塞、设备大型化及长周期稳定运行、设备结焦、产品应用、污水处理等粉煤热解技术系列关键难题。在8年研发期间,该项目累计获得国家授权专利56件,其中发明专利12件、实用新型专利44件。

      十年磨一剑,从出海、蓝海变红海、再创一片新蓝海,神木天元始终傲立中国煤炭分质利用和煤炭热解创新的最前沿。

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    调研组在天元公司考察交流。(李军 摄)

      我们调研了解到,神木天元60万吨/年粉煤分质综合利用示范装置,以粒度为0~30毫米的粉状褐煤、长焰煤、弱黏煤、不黏煤等为原料,采用回转干燥、回转反应炉低温热解等技术,生产提质焦粉、煤焦油、煤气等。其中粉煤经热解提质后,焦粉质量达到无烟煤标准,平均固定碳含量82%、全水分10%、灰分7%、挥发分10%,产品可根据用户需求调整,可用于替代无烟煤、动力配煤、冶金高炉喷吹、环保燃料等领域,还可用于制造各种碳素材料、吸油剂等;煤焦油含尘量小于1%,是深加工制取轻质化燃料、新型碳材料及高附加值化工产品的优质原料,可直接用于该公司现有装置;热解煤气热值7200Kcal/Nm3以上,有效成分达85%以上,其中甲烷含量占40%以上,是制取LNG、LPG和其他化学品的优质原料。

      而且,该装置的回转干燥系统兼具除尘功能,干燥炉内设置防破碎构件能有效防止二次破碎。干燥烟气通过旋风分离和布袋除尘,除去烟气中的干燥细煤粉,成为优质的锅炉燃料。

    煤炭清洁高效利用迎新“风口”

      煤炭是中国的资源国本和能源的压舱石。中国作为全球煤炭生产和消费第一大国,煤炭占我国化石能源基础储量的96%、能源总消费量的60%~70%,以煤为主的能源格局在相当长时间内难以改变。我国“富煤缺油少气”的资源禀赋,迫切需要开辟一条煤炭资源清洁、高效、可持续开发利用的新道路。

      为贯彻中央财经领导小组第六次会议和新一届国家能源委员会首次会议精神,加快推动能源消费革命,进一步提高煤炭清洁高效利用水平,2015年4月,国家能源局印发《煤炭清洁高效利用行动计划(2015~2020年)》,提出的目标是,到2020年现役燃煤发电机组改造后平均供电煤耗低于310克/千瓦时,电煤占煤炭消费比重提高到60%以上;现代煤化工产业化示范取得阶段性成果,形成更加完整的自主技术和装备体系;稳步推进煤炭优质化加工、分质分级梯级利用、煤矿废弃物资源化利用等示范,建设一批煤炭清洁高效利用示范工程项目。

      该《行动计划》提出的重点工作中,一是稳步推进现代煤化工产业发展。二是开展煤炭分质分级梯级利用,提高煤炭资源综合利用效率,鼓励低阶煤提质技术研发和示范。开展单系统年处理原料煤百万吨级中低温干馏制气、制油为主要产品路线的大规模煤炭分质利用示范。到2020年,建成一批百万吨级分级提质示范项目。

      此前,中国工程院完成的《能源“金三角”发展战略研究》也指出,结合我国以化石能源特别是煤为主的国情,必须要以煤炭清洁、低碳、安全、高效转化为目标,推动能源生产、消费和技术革命。煤炭资源革命要在全产业链上实现绿色开发清洁高效利用,实现清洁高效利用的煤炭就是清洁能源。

      在今年的全国两会上,《政府工作报告》首次提出要推动煤炭清洁高效利用,并将其置于保障国家能源安全的优先位置。从部委和行业意志上升到国家意志,煤炭清洁高效利用的战略地位愈加牢固,国家推进现代煤化工产业、开展煤炭分质分级梯级利用的思路更加清晰、脚步更加坚定。

      基于种种迹象我们认为,2020年成为我国推进煤炭清洁高效利用具有标志性意义的元年,煤炭热解等煤炭清洁高效利用产业正迎来新风口,有望在新世纪的第三个十年绽放出一个新春天。

    天元的由1而10值得期待

      “小荷才露尖尖角,早有蜻蜓立上头”。热解革命、天元创造,叠加煤炭清洁高效利用正迎新风口的历史性契机,让我们有充分的理由相信:中国煤炭热解的十年长征路,已经陕北在望。

      今年上半年,我国原油和天然气对外依存度分别攀升至73.4%和41.0%。中国工程院的一份研究报告预测,到2035年我国石油消费量将达到7.4亿吨左右,届时原油对外依存度将超过75.4%。从国家能源供应安全的角度出发,如果原油对外依存度的安全警戒线控制在60%,超出警戒线的部分以国内非油气能源替代,以此计算到2035年替代规模潜力将达1.1亿吨石油。这就是煤基燃料的机遇所在,也是粉煤热解生产轻质化油品的机遇所在。与化学合成的煤制油工艺相比,粉煤热解制油的能源转化效率、单位产品投资强度、水耗等指标具有显著优势,有望在实践对比中逐渐获得市场的青睐。

      通过工艺创新组合,神木天元开发的核心设备回转反应炉易于大型化,且具有煤种适用广、热循环利用率高、投资省、耗水少等特点,将煤炭中的有效成分分级利用、吃干榨净,产品成本较低,非常适合在我国煤炭资源和水资源呈逆向分布的低阶煤资源丰富地区推广使用。

      作为一个关联和带动力极强的平台工程,天元粉煤热解技术的想象空间和发展潜力无疑是巨大的,有望成为撬动我国煤炭清洁高效利用的主流工艺技术和发展方向。

      在一期装置成功运行和持续优化完善的基础上,神木天元目前正在推进二期600万吨/年大型工业化工程。该项目被陕西省政府列入《〈中国制造2025〉陕西实施意见》重大项目,被陕西省工信厅、陕西省财政厅列入《2016年省级工业转型升级专项和高端装备制造专项资金项目计划》,可年产提质煤(清洁无烟煤)455万吨、煤焦油56万吨等。目前项目整体设计、方案优化、物流布局等前期工作已着手开展,条件成熟时将开工建设。

      在调研中,神木天元的创业团队坦言,二期项目建设依然存在不少困难,但对于煤炭热解的前景以及这份事业的价值,他们没有丝毫的怀疑。作为旁观者,我们深为天元人对事业的执著而感染并感动,也在长期调研的基础上预判,天元十年磨一剑实现粉煤热解由0到1,而后期由1而10的推广应用则更值得期待。

      正如毛世强畅想的,发挥天元粉煤热解示范项目的带动作用,在低阶煤资源丰富的地区多点开花,同步推进工业化推广应用,将产能规模扩大至6000万吨/年甚至更大,是完全有可能的,这将对缓解国家能源安全、实现煤炭清洁高效利用和推动现代煤化工转型升级产生重大而深远的影响。

      当然,随着天元粉煤热解二期项目的推进建设,现阶段有关部门在项目审批、环保容量和水资源、信贷资金等方面提供一臂之力,共同做好煤炭分质分级利用这篇大文章,是否也是体现战略眼光和前瞻洞见的切实之举呢?


      (智库研报由中国化工报社产业发展研究中心原创出品,本期研报由崔学军、李军、刘全昌、曲京佳、张伟局、常婷婷执笔。报告版权归中国化工报社所有,未经许可和授权不得擅自商业目的转载使用,否则本报社将依法追究法律责任)

      


    关键字:煤热解
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