煤转化技术现状及发展趋势

2016-11-17 10:28 [煤炭论文] 来源于：互联网作者：互联网

导读：煤炭是人类赖以生存和社会发展所必需的重要能源，不仅可以直接燃烧提供热量，而且可以通过转化生产各种产品。煤炭转化是煤炭高效洁净利用的先导技术和关键环节。大力发展煤炭转化技术对有效解决我国现阶段的能源安全问题、适当缓解石油供需矛盾，不仅十分必

　　煤炭是人类赖以生存和社会发展所必需的重要能源，不仅可以直接燃烧提供热量，而且可以通过转化生产各种产品。

　　煤炭转化是煤炭高效洁净利用的先导技术和关键环节。大力发展煤炭转化技术对有效解决我国现阶段的能源安全问题、适当缓解石油供需矛盾，不仅十分必要，而且已经非常紧迫。各地可以根据自己的实际情况，科学严谨、实事求是地选择煤转化技术路线和确定项目的终端产品，不失时机、量力而行地发展煤转化及煤化工产业。国家应该从政策上鼓励、并适当资助有勇气和实力的企业进行煤转化技术创新，规范和引导煤转化及煤化工产业的有序、高速及可持续发展。

　　所谓煤炭转化，通常是指对煤炭进行化学加工，从而得到各种非煤产物的工艺过程。当然，这里所说的非煤产物可能是终端产品，也可能是需要进一步加工才能得到终端产品的中间产物。

　　图1是以煤炭为原料、以生产化工产品和替代能源产品为主的大型煤化工技术路线示意框图。

　　图1 主要大型煤化工技术路线框图

　　可见，煤炭转化是煤化工系统的起始阶段和关键环节。煤炭转化技术一般可分为煤炭焦化、煤炭直接液化及煤炭气化三大类，可分别得到以固体、液体及气体形态为主的产物。

　　煤转化的技术现状

　　煤炭焦化

　　煤炭焦化是目前技术上相对比较成熟的传统煤化工产业，也是冶金工业高炉炼铁、机械铸造、铁合金等行业最主要的配套产业。我国是世界焦炭生产大国，焦炭生产能力已经超过3亿t/a，焦炭产量已经占到世界总产量的50％以上。近年来，焦炭产量一直在逐年增加。焦炭产量的提高必然引起炼焦煤供应的紧张，为此我国研究开发了许多提高弱粘结性甚至无粘结性煤配入比例的配煤炼焦新工艺，包括意在增加高变质煤和低变质配比的优化配煤方案研究，开发了捣固炼焦技术、配型煤炼焦技术、煤调湿技术、选择性粉碎等新工艺。另外，面对炼焦洗精煤供应过程中混配煤秩序混乱的实际情况，开发了炼焦煤性能检测和焦炭质量预测及调控新技术。

　　近年来新建的焦炉基本上都是炭化室高度为4.3m和6.0m的常规焦炉和炭化室高度为4.3m的捣固焦炉，太钢和兖矿集团引进了炭化室高7.63m的大型焦炉。今后室式焦炉炼焦技术将向特大容积、完全自动化、严格控制环境污染、扩大炼焦用煤资源、提高焦炭质量和炼焦生产效益等方向发展。

　　针对焦化行业的污染问题，近年来国内一些大中型焦炉装备了高压氨水喷射无烟装煤设施、装煤除尘地面站和装煤除尘车、推焦除尘地面站和推焦除尘热浮力罩等环保设施，大大减轻了炼焦生产过程中的粉尘污染，而且还建成投产了一大批脱硫装置和生物脱氮装置，加上干法熄焦和副产煤气的综合利用，焦化行业的环境污染情况得到了有效控制和明显改善。

　　针对焦化行业的高耗能问题，采用干法熄焦技术。该技术是近年来发展较块的一项先进炼焦技术，与传统的湿法熄焦技术相比，干熄焦可回收80％的红焦显热，并能减少对环境的污染，改善焦炭质量，可使焦炭M40提高3～8个百分点，M10改善0.3～0.8个百分点。

　　针对煤炭焦化行业的煤焦油和干馏煤气的合理加工与利用问题，一批大型炼焦化工产品回收与煤焦油精深加工以及焦炉煤气生产甲醇项目相继建成投产。

　　煤炭直接液化

　　对煤炭在一定的温度和压力条件下催化氢化直接获得液态产物的工艺过程称为煤炭直接液化。对煤炭直接液化得到的液态产物进一步加工，可以生产出汽油、柴油及航空煤油等各种燃料油品及化学品。

　　我国从上世纪70年代末开始进行煤炭直接液化技术研究开发。“八五”、“九五”期间，我国的煤炭直接液化技术有了一定的发展。“十五”期间，煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院成功开发了具有自主知识产权的高活性煤直接液化专用催化剂，并已经在建设中的油品生产能力为100万t/a煤直接液化商业化示范装置的工程设计中得到了应用。神华集团在上海建成了一套投煤量6t/d的煤炭直接液化中试装置，采用了具有自主知识产权的煤直接液化关键技术和专用催化剂，并实现了多次长周期连续稳定运行。神华集团煤直接液化商业化示范一期工程的生产线已进入工程建设末期，预计2008年初建成投运，设计年产油品100万t/a。目前可以说，我国煤炭直接液化技术水平及工程化发展进程已经位居世界领先地位。

　　煤炭气化

　　煤炭气化是指煤炭经过适当处理后，在一定的温度和压力条件下与气化剂（有效成分为氧气和水蒸气等）发生一系列化学反应，生成可燃气态产物的工艺过程。对煤炭气化得到的气态产物进一步加工，可以生产出化肥、合成油、合成天然气、甲醇及其后续加工产物等若干种煤化工产品和替代能源产品。

　　目前，全世界商业化运行的大型气化炉400台以上，额定产气总量超过4亿Nm3/d，产气量排在前10名的煤气化生产厂主要是采用鲁奇（Lurgi）、德士古（Texaco）、壳牌（Shell）三种气化炉型，且绝大多数是以煤为气化原料，终端产品主要是F-T合成油、合成甲醇、合成天然气及IGCC发电等。

　　已经实现商业化运行的煤气化技术主要有常压固定床气化炉，加压固定床气化炉（以鲁奇炉为主）、德士古加压气流床水煤浆气化炉、壳牌加压气流床干煤粉气化炉、GSP加压气流床干煤粉气化炉、温克勒（Winkler）常压流化床气化炉和恩德（Ende）常压流化床气化炉等多种气化炉型。

　　几乎各种煤气化工艺在我国都有应用，目前大约有8000台各种类型的气化炉在运行，其中化工行业所用气化炉占半数左右，但绝大部分仍是技术已经落后、环保设施简陋、间歇式操作的常压固定床气化炉，而大型先进煤气化技术的应用所占比例不高。煤质与气化炉的适应性是选择煤气化工艺的关键，也是决定煤化工项目经济性好坏甚至项目成败的重要因素。

　　国家和有关企业非常重视大型煤气化技术的引进消化吸收和自主研究开发，国家“十五”和“十一五”“863”计划安排了多个自主研发项目。经过多年的努力，我国已成功开发了一些具有自主知识产权的煤气化新工艺及关键设备，其中部分已经实现商业化应用。引进大型气化炉的本地化生产比例和国产化水平也在日益提高。今后一段时间内，煤气化技术将继续朝着大型化、高温高压、原料煤适应性更宽、环保特性更好、经济性更佳等方向发展。

　　煤转化技术的发展趋势

　　由于煤转化技术的直接产物多半并非终端产品，往往需要配套后续加工技术才能得到终端产品，从而构成完整的煤化工项目。因此，煤转化技术的发展趋势取决于煤化工的发展方向。

　　煤化工今后的发展方向主要是大型化、基地化、多联产，并贯彻清洁生产和循环经济理念，实现高效节水和节能减排。

　　煤转化技术今后的发展趋势总体上可以概括为：原料煤适应性更加广泛；单体设备生产能力更大；煤炭转化综合效率更高；设备运转可靠性更好；经济上竞争力更强。

　　煤炭焦化技术在今后一段时间内的发展方向主要是拓宽炼焦用煤范围、扩大炭化室容积、提高焦炭质量、降低炼焦能耗及减少污染物排放等。

　　煤炭直接液化技术在今后一段时间内的发展方向主要是在高质量完成第一个商业化示范工程后，尽快完善和优化整个工艺系统，一边加快推广应用，一边继续进行创新开发，包括开发原料煤质适应性更加宽泛的煤炭直接液化新工艺、新设备以及新型高效廉价专用催化剂等。

　　煤炭气化技术在今后一段时间内的发展方向主要是在推广应用已经引进消化吸收和自主开发成功的一批大型先进煤气化工艺的同时，加快煤气化新工艺和新设备的自主开发力度和进程，包括可气化高灰熔融性温度原料煤的新工艺和可靠性更高、连续运转周期更长的新设备等。

　　对几个问题的初步探讨

　　发展煤转化技术的必要性与紧迫性

　　国家发改委在《能源发展“十一五”规划》中指出：我国能源资源总量比较丰富，但人均占有量较低，特别是石油、天然气人均资源量均不足世界平均水平的十分之一。随着国民经济平稳快速发展，能源消费结构优化升级，能源消费量将继续保持强劲增长态势，而且对优质洁净能源的需求更为迫切，资源约束矛盾更加突出，能源安全保障面临更严峻的挑战。以煤为主的能源消费结构和粗放的经济增长方式，带来了许多资源、环境及社会问题，经济社会可持续发展受到严重威胁。国际石油价格大幅震荡、不断攀升、居高不下，给我国经济社会发展带来多方面的不利影响。

　　《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020年）》指出：能源在国民经济中具有特别重要的战略地位。我国目前能源供需矛盾尖锐，结构不合理；能源利用效率低；一次能源消费以煤为主，化石能的大量消费造成严重的环境污染。今后15年，满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，对能源科技发展提出重大挑战。

　　我国是以煤为主要能源资源的国家，在已探明可采化石资源中，煤炭占90％以上。我国能源建设需要解决的主要问题是：石油资源相对短缺、石油供需矛盾以及由此引起的能源安全问题突出；煤炭直接燃烧造成的大气环境污染严重。因此，通过大力发展煤炭转化及煤化工产业，把煤炭资源转化为优质洁净的石油及石化替代产品，对于有效解决我国现阶段的能源安全问题，特别是适当缓解石油供需矛盾，不仅十分必要，而且非常紧迫。

　　显然，由于受到本国能源资源条件、社会发展阶段、经济发展水平、军事实力现状及国际政治环境等因素的制约，现阶段我国发展煤转化及煤化工技术的必要性和紧迫性比世界上其他任何国家都更加突出。

　　煤转化技术路线的选择

　　选择煤转化技术路线的关键是对拟用原料煤的适应性和终端产品的定位。在三种大型煤化工技术路线中，任何一种技术路线对原料煤都有具体要求，而且煤转化得到的产物所能生产出的终端产品也有很大区别。

　　煤炭焦化的主要产品是固体形态的焦炭，同时副产一定数量的热解煤气和多种化工产品。煤炭焦化技术要求所用原料煤必须具有足够的粘结性能和较低的灰含量、硫含量等。由于在我国的煤炭资源中，炼焦煤资源所占比例不高，而且其中有相当数量的炼焦煤源由于高灰、高硫难洗选和非炼焦利用等种种原因不能用于炼焦生产。因此，在有炼焦煤源、炼焦煤易得或对焦炭有自用需求的地方，应尽可能优先选择发展煤炭焦化技术，以实现宝贵炼焦煤资源的合理与有效利用。

　　煤炭直接液化的主要产物是液体形态、可以进一步加工成各种燃料油品和多种化工产品的液化粗油，同时副产一定数量的燃料气和LPG等。煤炭直接液化技术要求所用原料煤必须具有足够的催化加氢反应活性和较低的灰含量、惰质组含量等。初步研究表明，现阶段我国可用于直接液化的合适原料煤源只有十余处。由于在以燃料油品为主要终端产品时，煤炭直接液化比煤气化合成油品和合成醇醚燃料等的当量耗水量低得多，且能源利用效率也相对较高。因此，在具有可用于直接液化的合适原料煤源及其附件地区，应尽可能优先选择发展煤炭直接液化技术，以适当缓解我国现阶段的石油供需矛盾。

　　煤炭气化的主要产物是气体形态、可以进一步加工成若干种下游终端产品的可燃气体。煤炭气化技术对所用原料煤的要求最宽松。理论上讲，几乎各种原料煤都可以用作气化原料煤，只不过是原料煤质越好，气化过程的经济性越佳。当然，任何一种气化工艺对所用原料煤的性质都有其特定的具体要求，世界上从来就不曾有、也不可能会有能适合气化各种原料煤质的所谓“万能气化炉”。不过，各种气化工艺生产出的煤气的主要成分差别并不大，只不过是每种具体成分的相对含量会有一定差别，且一般情况下气化工艺对煤气组成的影响要远大于原料煤质的影响。还有一点需强调指出，虽然煤炭气化技术可以使用高硫等质量较差的原料煤，但决不是煤炭气化技术最适合气化质量较差的原料煤，而肯定是原料煤质越好，气化性能越佳，包括气化效率高、投资省、效益好。

　　煤转化技术创新的风险

　　煤转化技术创新的特点主要是难度大、投入高，因而存在较大风险。以前，任何一种大型先进煤转化工艺的原始创新开发都要历时十几年乃至数十年，耗资数十亿美元甚至更高。在现阶段，开发成功任何一种大型先进煤转化新工艺也需要历时数年，耗资数亿人民币甚至更高。煤转化技术创新的最难环节是工程化放大示范，这在一些经济实力较强的发达国家也不是轻而易举的事情。因此，近些年来我国成了国内外多种大型先进煤转化新工艺工程化放大示范的主战场，对此出现了各种不同的意见和说法，很值得探讨和深思。

　　在现阶段，我国迫切需要推广应用各种大型先进煤转化新工艺，而且已经具备承担一定风险的经济实力。因此，我们应该有勇气、也非常值得来承担必要的煤转化技术创新风险，在煤炭转化技术创新上有所作为，占据应有的领先地位。否则，我们已经等不及让别人再去进行工程化放大示范，况且等待后还要付出承担别人收回风险费用加高额利润与附加成本的更高代价。

（编辑：东北亚）

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