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    節能環保
    煤炭清潔高效轉化技術進展及發展趨勢
    2019-05-06 09:01:23   來源: 中國網

       能源生產與消費革命的大趨勢是能源的清潔高效利用,面對日益凸顯的能源與環境問題,推動能源轉型,實現能源清潔高效利用,成為我國能源發展的重要任務。我國是世界上唯一以煤為主的能源消費大國,在未來相當長的時期內,煤炭仍將在我國的能源結構中占主導地位。據預測,2030 年前我國能源消費需求仍將持續穩定增長,能源消費增量部分主要靠清潔能源提供,但煤炭年消費量仍將保持在 35 億噸左右。因此,煤炭清潔高效轉化是打贏污染防治攻堅戰和藍天保衛戰的重要支撐,是煤炭能源革命的重要內容。經過多年研究和技術開發,煤炭清潔高效轉化技術已取得了一系列突破性進展,成為我國煤炭行業持續健康發展的重要支撐。

      開展煤炭清潔高效轉化研究的意義

      能源是社會與經濟發展的物質基礎,世界各國均高度重視能源安全,竭力發展能源技術、保障能源供給。雖然每個國家的資源儲量不同,發展方向各有側重,但能源清潔化是共同的發展趨勢。

      我國是世界上最大的能源消費國,2017 年能源消費總量達 44.9 億噸標準煤,同比增長 2.9%,其中煤炭消費量占能源消費總量的 60.4%,同比下降 1.6%(圖 1)。戴彥德等提出的重塑中國能源情景下,2050 年非化石能源將占比達 55%。世界能源理事會《世界能源遠景:2050 年的能源構想》指出,到 2050 年,煤炭在一次能源消費中仍將發揮十分重要的作用。

      煤炭是我國重要的基礎能源和化工原料,為國民經濟發展和社會穩定提供了重要支撐。目前,煤炭的主要利用方式是直接燃燒發電和工業供熱,總體上效率較低、污染較重,這不僅造成了巨大資源浪費,而且導致嚴重的環境污染和溫室氣體 CO2的大量排放。我國石油和天然氣的探明可采儲量僅為世界人均值的 10% 和 3%。2018 年我國石油凈進口量 4.4 億噸,同比增長 11%,對外依存度高達 69.8%;天然氣進口量 1 254 億立方米,同比增長 31.7%,對外依存度 45.3%(圖 2)。未來我國油氣能源的高對外依存度態勢仍將長期存在。隨著我國經濟的快速發展,石油、天然氣供應缺口逐年加大,勢必影響我國經濟的可持續發展,也將造成能源供給的安全隱患。煤炭清潔高效轉化,不僅可以緩解我國能源供應緊張局面,保障國家能源安全,也是構建我國清潔低碳、安全高效的能源體系的必然選擇。

      習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上明確提出,要“大力推進煤炭清潔高效利用”;在十八屆中共中央政治局第四十一次集體學習時的講話中指出,要“推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、安全高效的能源體系”。李克強總理在國家能源委員會會議上指出,“把推動煤炭清潔高效開發利用作為能源轉型發展的立足點和首要任務”。國家發布一系列產業政策文件,如《能源技術創新“十三五”規劃》《煤炭深加工產業示范“十三五”規劃》《煤炭清潔高效利用行動計劃(2015—2020 年)》《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030 年)》等,將煤炭高效清潔利用提升為我國當前能源發展的基本戰略。科技部組織專家規劃的“科技創新 2030—重大項目”更是明確將“推進煤炭高效清潔利用”作為主要任務。

      國內外煤炭清潔高效轉化研究概況

      煤炭轉化的發展主要受資源條件、石油價格變動、技術裝備水平和政府政策等因素影響。煤炭清潔轉化方面國外起步較早,西方發達國家和煤炭主要消費國一直在支持煤炭清潔轉化及相關技術的研發,掌握了一系列核心技術。例如:1927 年,德國在萊那建成了世界第一套煤炭直接液化裝置;1976 年,美國美孚公司開發成功甲醇生產汽油的 MTG 技術;1981 年,德國在北威州建成了煤處理量為 200 噸/天的大型 IGOR(Injection Gas-Oil Ratio)中試廠;1986 年,日本三菱重工和科斯莫(COSMO)石油合作開發的由合成氣經二甲醚兩段合成油技術(AMSTG),建成了120千克/天的中間試驗裝置。雖然國外在煤炭轉化利用的基礎研究和關鍵技術研發方面具有一定優勢,但總體上仍處于高端技術研發與儲備階段。由于各國能源結構不同,在煤炭清潔轉化領域的研發和產業化方面投入力度不同,目前僅有南非和美國等少數國家開展了部分工程示范與商業運行。

      近年來,我國在煤炭清潔轉化方面的技術發展很快,取得了一系列重大成果。成功研發出 2 000—3 000噸/天水煤漿和干煤粉氣化技術并投入商業化運行,100 萬噸/年煤直接液化示范工程和 400 萬噸/年煤間接液化示范工程建成并投產,10 多套 60 萬噸/年甲醇制烯烴工業裝置投入商業化運行。在煤氣化、煤液化、煤制烯烴等方面,我國總體上處于世界領先水平,但還需進一步降低水耗和能耗,實現產品的靈活調變;在煤熱解及多聯產、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,形成成套工藝技術,開展工業示范。

      煤炭清潔高效轉化的主要技術

      煤轉化利用技術是用化學方法將煤炭轉變為氣體、液體和固體產品或半產品,而后進一步加工成能源和化工產品。目前,煤炭清潔高效轉化利用方式主要分為:熱解、氣化、液化(直接液化和間接液化)等。現在發展的煤化工主要是以傳統煤化工為基礎,以煤炭的清潔利用和高效轉化為目標的現代煤化工。

      煤熱解技術

      煤熱解技術是將煤中富氫組分通過熱解方式提取化工原料或優質液體燃料,以提高煤炭利用效率。20 世紀 70 年代能源危機后,煤熱解技術受到各國學者的廣泛重視,并開發出多種熱解新技術和新工藝,如美國食品機械公司(FMC)與煤炭研究辦公室(OCR,Office of Coal Research)開發的 COED 熱解工藝,以及日本煤炭能源中心與日本鋼鐵集團開發的煤炭快速熱解技術等。我國是世界上對煤熱解技術研發最活躍、投入最多的國家,我國比較典型的煤熱解技術見表 1。現階段以煤熱解為基礎的熱電氣多聯產技術已展現出明顯的節能降耗優勢,應在條件適合地區以先示范后推廣的原則,適度發展規模化、集成化的先導煤化工產業。對于煤熱解技術存在的產品氣固分離難、油氣產率低或品質差、能量利用效率低、環境污染嚴重以及工業化程度不高等技術瓶頸,仍需相關企業、科研院所進行大量的研究。

      煤氣化技術

      煤氣化是煤炭高效、清潔利用的核心技術之一,是現代煤化工的龍頭,無論是以生產油品為主的煤液化,還是以生產化工產品如合成氨、甲醇、烯烴等為主的煤化工,選擇合適的煤氣化技術都是整個生產工藝的關鍵。從 20 世紀 80 年代開始,我國陸續引進了多種煤氣化技術,主要有德國魯奇技術、美國德士古技術、荷蘭殼牌技術、德國 GSP 技術等。但這些技術在本土化過程中存在運行不穩定、投資偏高以及對國內的煤種適應性差等缺點。近年來,結合我國的實際情況陸續開發出多種自主創新的煤氣化技術(表 2)。截至 2017 年底,具有自主知識產權的氣化爐數共 318 臺,氣化能力 37.7 萬噸/天,市場占有率總和高達 51.6%。我國自主創新的煤氣化爐更適合我國國情和煤種,對我國煤化工的發展作出了巨大貢獻。煤氣化技術大型化、真正實現污水零排放、爐渣廢固全部綜合利用、水資源消耗量大幅降低等目標是煤氣化技術研究的重點。

      煤直接液化技術

      煤直接加氫液化技術是煤與氫氣在催化劑作用下通過加氫裂化,直接轉化成液態油品。煤直接液化制油產品可以作為軍民航空飛機、火箭以及裝甲車輛的油品,滿足我國日益增加的特種油品需求。1973 年后,因石油危機,西方各國相繼開發出煤液化工藝,但僅處于實驗室研究及中試開發階段。神華集團自“十五”期間開始研發煤直接液化制備燃料技術,并于 2010 年建成投產了世界上第一座百萬噸級的液化裝置,成為煤直接液化產業化領跑者,先后突破“煤直接液化核心工藝放大”“超大型設備制造和安裝”“首套工業化示范裝置的安全穩定長周期運行”三大世界性技術難題,并先后獲得美國、日本、俄羅斯、澳大利亞、加拿大、烏克蘭、印度、印度尼西亞等 9 個國家的專利授權。目前該液化技術仍存在氫耗量大、產品輕質化、溶劑油不平衡和油品收率低等問題,有待通過長期的穩定運行來進一步優化提升。

      煤間接液化技術

      煤炭間接液化是首先將煤氣化得到合成氣,再利用一定的催化劑在合適的溫度和壓力之下,將得到的合成氣轉化為各類液體燃料和化學品的技術。南非沙索(Sasol)公司的煤間接液化技術是世界上最早的商業化技術;此外,長期以來,世界上其他石油化工公司也開展了大量的研究開發工作,典型的有荷蘭殼牌公司的 SMDS 技術、美國美孚公司的 MTG 合成技術等。

      目前,我國煤炭間接液化技術已進入商業化發展階段,上海兗礦公司從 2002 年起開展煤炭間接液化技術的研發工作,成功開發了三相漿態床低溫費托合成和高溫固定流化床費托合成技術。中科合成油技術有限公司研發了高溫漿態床費托合成和油品加工成套技術,形成了“基礎研究—工程化技術研發—工程設計與承包—催化劑生產—特種專用設備加工制造”的一體化技術研發和產業化支撐體系;采用中科合成油技術有限公司自主研發技術建成投產的世界單套規模最大的神華寧煤 400 萬噸/年煤炭間接液化制油工業示范裝置于 2016 年 12 月 21 日成功投產,2017 年 12 月 17 日全線實現滿負荷穩定運行,標志著我國在能源戰略技術儲備方面邁出了實質性步伐。截至 2018 年底,我國已經建成 7 個煤炭間接液化項目,總產能達到 770 萬噸/年(表 3),目前示范項目均實現了長周期的穩定運行。隨著這些示范工程的成功運行,我國煤制油技術工藝得到了進一步的驗證。

      中國科學院煤炭清潔轉化技術進展

      煤炭清潔高效利用技術研發始終是中國科學院的優勢戰略方向。30 多年前,針對我國富煤貧油的能源結構,中國科學院戰略部署了煤制油、煤制烯烴和煤制乙二醇等清潔轉化利用技術。今天,自主研發的煤炭燃燒、煤制烯烴、煤制乙二醇和煤制油等清潔利用技術破繭而出,走在了國際前列。循環流化床燃燒技術得到了廣泛應用;全球首套 60 萬噸煤制烯烴裝置運行穩定,煤制烯烴年產能達到 1 000 萬噸;20 萬噸煤制乙二醇工業示范技術日趨完善;煤制油技術 16 萬—18 萬噸示范裝置穩定運行,各項技術指標國際領先,400 萬噸/年合成制油項目達到全系統滿負荷運行。

      “十二五”期間,中國科學院在保持傳統優勢的基礎上,集中 10 個研究所的優勢力量,組織實施了戰略性先導科技專項“低階煤清潔高效梯級利用關鍵技術與示范”。專項研究提出了適合我國資源特征的高能效、低污染、低排放、高值化的低階煤綜合利用解決方案,形成了“熱解—油氣提質—燃燒—發電”“熱解—氣化—費托合成—油品共處理”和“熱解—氣化—合成液體燃料與化學品”3 條清潔高效梯級利用途徑。通過專項的實施突破了熱解、燃燒、氣化、合成、CO2利用等多項重大戰略性關鍵技術,建成了若干重大示范轉化工程,對加快新一代煤化工及清潔高效燃燒發電產業的發展,推動我國煤炭利用產業及區域經濟的結構調整與升級,促進我國經濟健康發展產生深遠的影響。

      煤炭清潔高效轉化的重點方向

      經過幾十年的努力,我國已掌握了煤制油、煤制烯烴/芳烴、煤制乙二醇等現代煤化工技術,技術產業化也走在世界前列,各地相關開發的積極性也很高。但由于規劃工作滯后、認識不一致、地方政府就地轉化要求和企業的盲目投資也導致煤化工項目中存在一些問題。

      就中長期規劃而言,我國煤炭清潔高效轉化利用主要圍繞國家經濟社會發展戰略需求,針對我國煤炭開發利用中的關鍵科技瓶頸問題,通過理論創新、技術創新和管理創新,構建我國煤炭清潔高效可持續開發利用技術和管理體系,重點突破關鍵技術,開展工程示范驗證,實現技術集成創新,大幅度提高我國煤炭開發利用自主創新水平和綜合技術能力。到 2030 年,實現煤炭向科學開發方式轉變,煤炭科學產能將由 55% 左右增加到 90% 以上,突破一批關鍵技術和重大裝備,形成煤礦無害化開發和資源化利用技術體系,使我國成為煤炭開發國際標準制定者和技術主導者。

      我國未來煤炭清潔高效轉化利用研究重點是開展煤炭/合成氣直接轉化制燃料與化學品的反應和催化基礎科學問題研究;煤制清潔燃氣關鍵技術,煤制液體燃料及大宗化學品關鍵技術的研究等(圖 3)。

      煤轉化制清潔燃料

      煤氣化及制天然氣技術

      研究適應我國典型煤種的大規模高效煤氣化技術,開發高可靠性煤氣顯熱回收技術及中溫煤氣除塵凈化;研發不同產品目標的超臨界煤氣化、加氫煤氣化、催化氣化等新型煤氣化技術。開發高效、低成本煤制天然氣催化劑;開發短流程、低成本煤制天然氣工藝;煤制天然氣過程能量、質量集成優化技術,提高煤制天然氣能量轉化效率;降低生產能耗和水耗。

      預期成果:突破適應我國典型煤種的大規模煤氣化關鍵技術,實現長周期安全穩定運行,氣化投資成本降低30%左右;突破大規模的煤制天然氣工業化關鍵技術,形成具有自主知識產權的短流程清潔煤制天然氣技術,能效顯著提高;40 億立方米級的煤制天然氣工程可全部使用國產化技術和催化劑,催化劑成本大幅降低。

      煤液化制油品

      開發煤溫和加氫和間接液化耦合新工藝及催化劑技術,開發液化油制取燃料、高值油品、含氧清潔燃料及化學品工藝技術,研究液化殘渣制高端碳材料、瀝青等綜合利用技術,研究直接液化-費托合成一體化耦合技術并開展工程示范。

      預期成果:完成百萬噸級煤直接-間接液化耦合及聯產特種油品及芳烴工業技術驗證,系統能效 55% 以上,系統水耗降低 30%;完成百萬噸級煤溫和加氫液化工業技術驗證。

      煤制大宗化學品

      煤轉化制取含氧化合物技術

      開展煤經合成氣或者甲醇制含氧化合物研究,開發高活性高選擇性催化劑及成套反應工藝;進行煤制乙二醇、乙醇和低碳混合醇等含氧清潔燃料/化學品成套技術開發。

      預期成果:實現 50 萬噸/年煤制乙二醇工業裝置技術驗證;完成煤制聚甲氧基二甲醚、合成氣制低碳醇、煤制乙醇成套技術開發,開展百萬噸級工業示范裝置驗證。形成合成氣直接制乙醇等成套技術。

      煤轉化制取烯烴/芳烴技術

      研究高效、高烯烴收率、乙烯丙烯靈活調控的甲醇制烯烴催化劑及工藝;研究甲醇制芳烴高性能催化劑、反應器及成套工藝技術。開發合成氣直接制烯烴/芳烴復合高效催化劑。

      預期成果:完成百萬噸級甲醇制烯烴、甲醇制芳烴工業技術驗證;形成合成氣直接制烯烴/芳烴成套技術,其中合成氣直接轉化目標產物選擇性達到 80% 以上,合成氣綜合能源效率顯著提高。

      總結及建議

      能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎,我國油氣資源嚴重不足,原油和天然氣對外依存度不斷攀升、煤炭清潔高效轉化利用勢在必行,這種能源結構和現狀決定了我國未來必須發展煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制芳烴、煤制乙二醇等現代煤化工技術。在堅持創新、堅持示范、堅持合作、科學發展的煤清潔高效轉化原則基礎上,本文提出 3 個方面具體建議。

      國家政策方面。政府應該明確發展的戰略定位,加強煤炭清潔利用政策支持力度;通過優勢科技資源整合,加強自主創新平臺建設,建立“政產學研用”一體化的科技創新模式;加強基礎研究和技術攻關,加大對關鍵共性技術的支持力度,促使企業真正成為技術創新、研發投入和成果轉化的主體,促進有利于創新發展的市場環境形成。

      產業化方面。以綠色低碳為方向,著力推進重大技術研究和重大技術裝備項目,切實把示范項目作為實現技術國產化、知識產權自主化和市場競爭力的標桿,帶動產業升級。

      國際合作方面。積極響應國家“一帶一路”倡議,努力爭取“一帶一路”周邊國家和地區的優勢資源,加強國際合作和關鍵技術開發力度,踐行“引進來”與“走出去”相結合的戰略,推進成果轉化和技術輸出,開拓國際市場。

    (作者:衛小芳,中國科學院山西煤炭化學研究所;王建國,中國科學院山西煤炭化學研究所;丁云杰,中國科學院大連化學物理研究所。《中國科學院院刊》供稿)


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