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煤炭“變形記”:從能源到原料

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開始生產口罩原料,加入了這場抗疫戰爭。

  煤炭企業成為生產防疫物資的“生力軍”,也讓業內意識到,在碳減排壓力之下,從資源能源化向原材料化利用轉變,將成為煤炭行業的大趨勢。

  “煤炭由能源走向能源和原料并重是國家倡導的發展方向。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》表示。

  由于能源資源的稟賦特征,近年來,我國煤化工產業規模快速增長。我國自主研發的煤炭間接液化技術、煤制烯烴技術以及率先開發的煤制芳烴技術,都處于國際領先地位。

  未來,煤炭利用走向何方?

  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成熟。山東科技大學化學與生物工程學院教授梁鵬介紹說,煤制烯烴是現代煤化工產業中的一項重要技術,通過烯烴分離可以獲得高純度的丙烯。丙烯可用于生產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,煤炭企業可以利用基本原料優勢(丙烯),進入熔噴布生產領域,進而生產口罩,延長產業鏈。“此外,煤化工的煤制乙烯技術,還可生產大量聚乙烯,用于生產醫用防護服面料。”

  中國石油大學(北京)新能源研究院院長周紅軍則介紹,對于口罩的原料制備,全球有兩條生產路線,一條是石油化工路線,另一條就是中國獨有的煤化工路線。

  “將煤炭轉化為原料或材料加以利用是未來煤化工的發展趨勢,同時會對煤炭行業提出更高的技術要求。”梁鵬舉例說,煤瀝青可以生產碳纖維用于航天、軍事及民用領域,從煤炭中分離出的高附加值化學品還可用于生產醫藥、染料等產品。

  “站在整個工業過程的角度,煤炭利用已經到達天花板。因此,煤以后的出路就是材料化,以及煤制氫等。”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多種的物質。”劉中民解釋說,近年來興起的現代煤化工以煤熱解、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、合成纖維等也都離不開這些原料。

  以清潔高效為目標

  清潔化利用是煤炭行業的主基調。那么,目前的煤化工技術能否實現清潔化?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,因此因地制宜開發適合我國國情的現代煤化工技術,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。環保是現代煤化工產業體系構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,煤中的碳元素轉移到新的產品中,可在一定程度上減少二氧化碳的排放。”劉中民強調說。

  周紅軍則指出,煤炭清潔轉化的煤化工技術主要包括煤轉化制取清潔燃料和煤轉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,要進一步提高煤炭轉化效率、降低水耗及污染物排放等。

  例如,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控、目標產物的化學合成新途徑、催化劑的精準合成,以及目標產物的合成工藝及反應器等重大問題,最終成功開發系列煤轉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、過程匹配和產品靈活調控,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合院內多所實施。該項目旨在推動構建我國多種能源資源融合發展的“中國特色”能源結構,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化利用、甲醇下游及耦合轉化利用兩個項目,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示范、百萬噸煤炭清潔高效分級轉化利用工業示范等一批重大項目。

  “除此之外,鋼鐵企業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,生產基礎化工產品等。這不僅是鋼鐵行業生態化發展的一個重要方向,也是煤化工的重要方向。”劉中民指出。

  煤化工的未來
 
  近年來,受限于價格昂貴的天然氣,國內鋼鐵企業十分重視氣基直接還原鐵技術的研發,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,以降低合成氣即氫氣的生產成本。不過,周紅軍說,“目前,國內尚無真正意義的工業化氣基直接還原鐵。”

  為此,中國石油大學(北京)研發了焦爐氣二氧化碳干重整轉化技術,與中石化及中晉太行公司合作,正在山西左權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化采用該校開發的新工藝技術,解決了還原氣來源的瓶頸問題。

  此外,煤化工領域還提出煤炭分質分級利用,就是根據煤質的基本特點,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果。這也是目前國內外學者關注的重點。

  “煤炭作為原料,一定不能只生產一種產品,需要進行多種產品的聯合生產,即多聯產。這方面目前已經有了很大的進展。”梁鵬說。例如,高揮發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;第二步的氣化階段則將半焦進行氣化,做化學品和材料的合成。

  梁鵬介紹說,針對高揮發分煤,他們目前正在進行熱解/燃燒分級轉化方面的研究開發工作,并且完成了中試實驗。另外,還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,目前已取得進展。此外,正在開展的煤化工行業揮發性污染物治理方面的工作也已完成工業示范。

  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,實現成套工藝技術和工業示范。同時,通過技術創新,加強新產品開發,通過延伸產業鏈,發展高附加值、精細化、差異化產品。


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