作為國家能源戰(zhàn)略的重點領域和主攻方向，“十三五”期間煤炭清潔高效轉化利用在政策保障、技術創(chuàng)新、成果轉化等方面力度空前，催生了一批重大創(chuàng)新項目落地，以煤炭熱解為代表的煤炭分質分級利用就是其中很重要的方面。“十四五”期間，隨著國家政策更大力度的加持，煤炭清潔高效利用有望進入更高發(fā)展階段。
煤炭熱解世界看中國、中國看陜煤。作為陜西能源主力軍和陜北能源化工熱土上的重要奠基者、開拓者，陜西煤業(yè)化工集團在煤炭分質分級利用的探索上已有十余年的精進探索，在煤炭熱解上也開創(chuàng)出了多條引領全國的創(chuàng)新工藝路線。在這其中，有一家十年磨一劍的企業(yè)，以獨辟蹊徑開拓“陜煤—榆林版煤制油”全新的煤炭熱解工藝而聞名于世。這就是陜煤集團神木天元化工有限公司。
2019年11月26日，神木天元首創(chuàng)的大型工業(yè)化低階粉煤回轉熱解成套技術開發(fā)與應用科技成果在北京通過中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。“十四五”前夕，我們再一次走進神木天元，了解其煤炭熱解探索實踐的最新進展?！爸袊禾繜峤獾氖觊L征路，已經(jīng)陜北在望”，這是此行調研給我們一行最深的感受。
煤炭熱解擔綱清潔利用重任
煤炭和石油同根同源，其成分也均主要為碳氫化合物。但煤炭與石油又有不同，不同點在于煤炭的“進化”程度不如石油，其形態(tài)為固體、成分更為繁雜。經(jīng)檢測分析，煤炭中的成分以數(shù)萬計，受限于純化分離技術，其中大多數(shù)的成分時至今日依然沒有向世人揭開其神秘面紗。
成分復雜的煤炭該如何利用，是一個了解和實踐不斷深化的過程，但總體是從“囫圇吞棗”向精準精細、分質分級利用過渡和升級，煤炭熱解就是在這一過程中誕生出來的生產(chǎn)工藝。煤炭熱解又分為高溫熱解和中低溫熱解。其中，中低溫熱解是煤炭在隔絕空氣或缺氧條件下，通過中低溫干餾（熱解），將煤分解為氣體（熱解氣）、液體（煤焦油）和固體（半焦，也稱蘭炭）三相物質，是實現(xiàn)煤炭分質利用、清潔高效轉化的重要方式，也是煤炭熱解最具有挑戰(zhàn)性的領域。尤其是對占我國煤炭資源總量一半以上的低階煤，其油含率和水含率較高，熱值較低，直接工業(yè)應用難度較大，熱解是其清潔高效利用的最佳途徑。
低階煤主要包括褐煤和低變質煙煤（包括長焰煤、不黏煤、弱黏煤），大多分布在陜西、內蒙古、新疆等地。其中陜北和神東的煤灰分5%~10%，硫分小于0。7%，是優(yōu)良的低階煤。
煤炭中低溫熱解的發(fā)展源遠流長，早在17世紀后期就開始出現(xiàn)，1805年低溫熱解開始在英國實現(xiàn)工業(yè)化。20世紀初至50年代，隨著氣化器式內燃機的出現(xiàn)和應用，汽油需求量激增，缺乏天然石油資源的國家千方百計從煤中制取液體燃料，低溫熱解工業(yè)迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了德國的Lurgi-Spuelgas、Lurgi-Ruhrgas、美國的Disco、前蘇聯(lián)的固體熱載快速熱解等工藝，并達到可觀的規(guī)模。
我國的煤炭中低溫熱解工業(yè)始于抗日戰(zhàn)爭期間。建國之初擬恢復和建立中低溫熱解工廠。上世紀50年代后期，中低溫熱解單爐規(guī)模達到330~450噸/天的能力。上世紀90年代以來，隨著石油資源日益緊缺，國際油價不斷上漲，中低溫熱解技術研發(fā)又進入了一個新的發(fā)展時期。尤其是近年來我國低階煤熱解技術開發(fā)和示范取得突破性進展，新一代熱解技術達20多種，一半實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。其中尤以陜西榆林地區(qū)的煤炭熱解產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，蘭炭產(chǎn)能已占全國總產(chǎn)能的一半以上。
從技術角度分析，熱解是低階煤清潔高效利用最為科學合理的方式，是煤炭利用從“粗吃”轉向“精吃”的必由之路。一是可有效提高資源利用效率。低階煤是由芳環(huán)、脂肪鏈等官能團縮合形成的大分子聚集體，直接燃燒會形成大量CO?。若氣化處理依然存在對本原物質過度拆分的問題，會將高附加值組分南轅北轍轉化為最基礎的合成氣CO和H?。而通過熱解，可將煤中的焦油提取出來，同時產(chǎn)出煤氣和半焦，將原煤一分為三，避免資源浪費。二是生產(chǎn)工藝條件溫和。煤熱解溫度一般為550℃～700℃，反應壓力接近常壓，且采用隔絕空氣加熱，生產(chǎn)系統(tǒng)不需要大型空分裝置，設備投資較小。三是具有良好的環(huán)保性，煤熱解得到的半焦可作為鍋爐燃料和氣化原料，所含的污染物遠少于原煤，對環(huán)境影響較小，同時熱解過程相對于氣化來說水耗較低。
粉煤熱解技術破譯“密碼”
盡管中低溫熱解是適合中國國情的煤炭清潔高效利用有效途徑，國內技術開發(fā)也風生水起，甚至達到了國際領先水平，但目前仍然存在一些制約瓶頸。最為重要的是，粉煤熱解技術尚未完全突破，離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的成熟尚有距離，比如熱解油、氣、煤塵在線分離難，粉焦的鈍化、儲運和大規(guī)模應用，以及設備大型化、熱解爐氣固分布的特殊結構仍需完善優(yōu)化等，導致粉煤熱解大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用迄今在全球仍鳳毛麟角。正因如此，熱解原料煤長期以來多為塊煤和小粒煤，價格較高，存在一定局限性。
同時，中低溫煤焦油中的化合物種類繁多、組分復雜，主要成分為環(huán)烷烴、烷烴及酚類等，可制成各種液體燃料和化工原料等，甚至附加值更高的化工新材料、精細化學品等。但這種寶貴的資源，由于國內缺乏先進的分離純化提取技術，中低溫煤焦油難以高效高值加工利用，長期以來只能作為簡單的工業(yè)燃料被作賤利用。
試圖改變這一局面的探索從新世紀初就已起步。早在2005年8月，神木天元依托擁有自主知識產(chǎn)權的中低溫煤焦油制取輕質化燃料工藝技術，率先開工建設25萬噸/年中溫煤焦油輕質化項目，2008年4月建成。在此基礎上，50萬噸/年中溫煤焦油輕質化工業(yè)示范項目2010年4月建成并一次開車成功，產(chǎn)出合格油品。這個國內單套規(guī)模最大、技術等級和煤炭資源轉化率最高的煤焦油輕質化項目，同年6月通過了石化聯(lián)合會組織的科技成果鑒定，專家認為該裝置整體技術達到國內領先水平，填補了國內煤焦油深加工的技術空白。從此，“陜煤—榆林版煤制油”在業(yè)內廣為流傳。
此后，作為陜煤集團國家能源煤炭分質清潔轉化重點實驗室試驗示范基地之一，神木天元研發(fā)中心投入科研力量，瞄準粒度為0~30毫米的低階粉煤熱解這個世界性難題開展研究攻關，與華陸工程公司聯(lián)袂合作，正式立項低階粉煤分質利用技術研發(fā)項目。
技術開發(fā)過程中，他們主要針對干燥水和熱解水梯級回收、分級處理，熱解過程揚塵和粉塵處理，油氣和煙氣密封，關鍵高溫設備材料，能源轉化效率，提質焦粉應用等技術難點，做了大量基礎實驗和研究工作。通過工藝路線的選擇、優(yōu)化，研究、試驗驗證、分析，最終形成了成套的回轉熱解技術（包括回轉干燥、回轉熱解、高效冷卻及鈍化）。
2013年，神木天元5萬噸/年低階粉煤回轉熱解制取無煙煤工藝技術研究裝置建成。經(jīng)過中試驗證以及工藝技術、關鍵設備的不斷調整、優(yōu)化，裝置累計運行9300小時。期間，該公司還對新疆哈密地區(qū)的煤種做了試驗，驗證了不同煤種在裝置中的運行情況。2015年，這項工藝技術通過了由陜西省科技廳組織的科技成果鑒定，專家認為該技術攻克了煤低溫熱解領域粉煤潔凈化分質利用關鍵性技術和裝備，整體技術達到國際先進水平。
天有不測風云。2014年下半年以來，國際油價斷崖式下跌，輕質化煤焦油單價由最高時的8000多元/噸暴跌至3000元/噸。同樣依賴于塊煤的神木天元50萬噸/年煤焦油輕質化項目經(jīng)濟效益急速下滑，同時面臨周邊地區(qū)一哄而起的同類項目，同行之間搶原料、搶市場、搶人才，惡性競爭，很快就把一片“藍海”市場變成了“紅?！薄?/span>
近年來，煤炭的機械化綜合開采技術日益成熟應用擴大，在開采效率大幅提高的同時，原煤中的塊煤比例下降至20%左右，絕大部分為粉煤。面對量大且價格低廉的粉煤資源，神木天元敏銳地看到了自身存在的短板以及新的機遇，加快建設粉煤熱解大型工業(yè)化示范項目迫在眉睫。
該公司隨即規(guī)劃了660萬噸/年粉煤分質綜合利用工業(yè)化藍圖，其中一期工程60萬噸/年示范項目于2017年6月開始設計，2018年3月動工建設，2018年12月25日中交。2019年5月11日，業(yè)內翹首以盼的規(guī)?；勖夯剞D熱解技術取得突破性成果：60萬噸/年粉煤分質綜合利用示范項目打通工藝流程，一次投料試車成功，主要技術指標全部達到或優(yōu)于設計值，裝置運行平穩(wěn)。
2019年11月底，由謝克昌、倪維斗、楊啟業(yè)、李洪鐘等9位院士專家組成的鑒定委員會認為：該技術攻克了煤低溫熱解領域粉煤清潔高效分質轉化利用的關鍵性技術和裝備，擁有完全自主知識產(chǎn)權，創(chuàng)新性強，對于促進低階粉煤高效轉化、煤熱解科技進步具有積極意義，整體技術達到國際領先水平；低階粉煤清潔高效分質轉化利用是我國的重大課題，該技術成果攻堅克難，探索出一條低階粉煤高效分質轉化的新途徑，資源綜合利用和經(jīng)濟效益優(yōu)勢顯著，建議盡早開展百萬噸級大型工業(yè)化示范及推廣應用。
根據(jù)專家現(xiàn)場考核，該裝置負荷達到設計值的107。7%，熱解煤氣收率12。16%，煤焦油收率10。35%，提質焦粉收率70。04%，單位產(chǎn)品水耗0。05t/t，綜合能耗0。169tce/t，能源轉化效率達86。31%。
據(jù)神木天元公司黨委書記、董事長毛世強介紹，在這項具有原創(chuàng)性的技術研發(fā)及工業(yè)化過程中，他們先后攻克了油氣粉塵含量高、管道堵塞、設備大型化及長周期穩(wěn)定運行、設備結焦、產(chǎn)品應用、污水處理等粉煤熱解技術系列關鍵難題。在8年研發(fā)期間，該項目累計獲得國家授權專利56件，其中發(fā)明專利12件、實用新型專利44件。
十年磨一劍，從出海、藍海變紅海、再創(chuàng)一片新藍海，神木天元始終傲立中國煤炭分質利用和煤炭熱解創(chuàng)新的最前沿。
調研組在天元公司考察交流。（李軍 攝）
我們調研了解到，神木天元60萬噸/年粉煤分質綜合利用示范裝置，以粒度為0~30毫米的粉狀褐煤、長焰煤、弱黏煤、不黏煤等為原料，采用回轉干燥、回轉反應爐低溫熱解等技術，生產(chǎn)提質焦粉、煤焦油、煤氣等。其中粉煤經(jīng)熱解提質后，焦粉質量達到無煙煤標準，平均固定碳含量82%、全水分10%、灰分7%、揮發(fā)分10%，產(chǎn)品可根據(jù)用戶需求調整，可用于替代無煙煤、動力配煤、冶金高爐噴吹、環(huán)保燃料等領域，還可用于制造各種碳素材料、吸油劑等；煤焦油含塵量小于1%，是深加工制取輕質化燃料、新型碳材料及高附加值化工產(chǎn)品的優(yōu)質原料，可直接用于該公司現(xiàn)有裝置；熱解煤氣熱值7200Kcal/Nm3以上，有效成分達85%以上，其中甲烷含量占40%以上，是制取LNG、LPG和其他化學品的優(yōu)質原料。
而且，該裝置的回轉干燥系統(tǒng)兼具除塵功能，干燥爐內設置防破碎構件能有效防止二次破碎。干燥煙氣通過旋風分離和布袋除塵，除去煙氣中的干燥細煤粉，成為優(yōu)質的鍋爐燃料。
煤炭清潔高效利用迎新“風口”
煤炭是中國的資源國本和能源的壓艙石。中國作為全球煤炭生產(chǎn)和消費第一大國，煤炭占我國化石能源基礎儲量的96%、能源總消費量的60%~70%，以煤為主的能源格局在相當長時間內難以改變。我國“富煤缺油少氣”的資源稟賦，迫切需要開辟一條煤炭資源清潔、高效、可持續(xù)開發(fā)利用的新道路。
為貫徹中央財經(jīng)領導小組第六次會議和新一屆國家能源委員會首次會議精神，加快推動能源消費革命，進一步提高煤炭清潔高效利用水平，2015年4月，國家能源局印發(fā)《煤炭清潔高效利用行動計劃（2015~2020年）》，提出的目標是，到2020年現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后平均供電煤耗低于310克/千瓦時，電煤占煤炭消費比重提高到60%以上；現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)化示范取得階段性成果，形成更加完整的自主技術和裝備體系；穩(wěn)步推進煤炭優(yōu)質化加工、分質分級梯級利用、煤礦廢棄物資源化利用等示范，建設一批煤炭清潔高效利用示范工程項目。
該《行動計劃》提出的重點工作中，一是穩(wěn)步推進現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展。二是開展煤炭分質分級梯級利用，提高煤炭資源綜合利用效率，鼓勵低階煤提質技術研發(fā)和示范。開展單系統(tǒng)年處理原料煤百萬噸級中低溫干餾制氣、制油為主要產(chǎn)品路線的大規(guī)模煤炭分質利用示范。到2020年，建成一批百萬噸級分級提質示范項目。
此前，中國工程院完成的《能源“金三角”發(fā)展戰(zhàn)略研究》也指出，結合我國以化石能源特別是煤為主的國情，必須要以煤炭清潔、低碳、安全、高效轉化為目標，推動能源生產(chǎn)、消費和技術革命。煤炭資源革命要在全產(chǎn)業(yè)鏈上實現(xiàn)綠色開發(fā)清潔高效利用，實現(xiàn)清潔高效利用的煤炭就是清潔能源。
在今年的全國兩會上，《政府工作報告》首次提出要推動煤炭清潔高效利用，并將其置于保障國家能源安全的優(yōu)先位置。從部委和行業(yè)意志上升到國家意志，煤炭清潔高效利用的戰(zhàn)略地位愈加牢固，國家推進現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)、開展煤炭分質分級梯級利用的思路更加清晰、腳步更加堅定。
基于種種跡象我們認為，2020年成為我國推進煤炭清潔高效利用具有標志性意義的元年，煤炭熱解等煤炭清潔高效利用產(chǎn)業(yè)正迎來新風口，有望在新世紀的第三個十年綻放出一個新春天。
天元的由1而10值得期待
“小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭”。熱解革命、天元創(chuàng)造，疊加煤炭清潔高效利用正迎新風口的歷史性契機，讓我們有充分的理由相信：中國煤炭熱解的十年長征路，已經(jīng)陜北在望。
今年上半年，我國原油和天然氣對外依存度分別攀升至73。4%和41。0%。中國工程院的一份研究報告預測，到2035年我國石油消費量將達到7。4億噸左右，屆時原油對外依存度將超過75。4%。從國家能源供應安全的角度出發(fā)，如果原油對外依存度的安全警戒線控制在60%，超出警戒線的部分以國內非油氣能源替代，以此計算到2035年替代規(guī)模潛力將達1。1億噸石油。這就是煤基燃料的機遇所在，也是粉煤熱解生產(chǎn)輕質化油品的機遇所在。與化學合成的煤制油工藝相比，粉煤熱解制油的能源轉化效率、單位產(chǎn)品投資強度、水耗等指標具有顯著優(yōu)勢，有望在實踐對比中逐漸獲得市場的青睞。
通過工藝創(chuàng)新組合，神木天元開發(fā)的核心設備回轉反應爐易于大型化，且具有煤種適用廣、熱循環(huán)利用率高、投資省、耗水少等特點，將煤炭中的有效成分分級利用、吃干榨凈，產(chǎn)品成本較低，非常適合在我國煤炭資源和水資源呈逆向分布的低階煤資源豐富地區(qū)推廣使用。
作為一個關聯(lián)和帶動力極強的平臺工程，天元粉煤熱解技術的想象空間和發(fā)展?jié)摿o疑是巨大的，有望成為撬動我國煤炭清潔高效利用的主流工藝技術和發(fā)展方向。
在一期裝置成功運行和持續(xù)優(yōu)化完善的基礎上，神木天元目前正在推進二期600萬噸/年大型工業(yè)化工程。該項目被陜西省政府列入《〈中國制造2025〉陜西實施意見》重大項目，被陜西省工信廳、陜西省財政廳列入《2016年省級工業(yè)轉型升級專項和高端裝備制造專項資金項目計劃》，可年產(chǎn)提質煤（清潔無煙煤）455萬噸、煤焦油56萬噸等。目前項目整體設計、方案優(yōu)化、物流布局等前期工作已著手開展，條件成熟時將開工建設。
在調研中，神木天元的創(chuàng)業(yè)團隊坦言，二期項目建設依然存在不少困難，但對于煤炭熱解的前景以及這份事業(yè)的價值，他們沒有絲毫的懷疑。作為旁觀者，我們深為天元人對事業(yè)的執(zhí)著而感染并感動，也在長期調研的基礎上預判，天元十年磨一劍實現(xiàn)粉煤熱解由0到1，而后期由1而10的推廣應用則更值得期待。
正如毛世強暢想的，發(fā)揮天元粉煤熱解示范項目的帶動作用，在低階煤資源豐富的地區(qū)多點開花，同步推進工業(yè)化推廣應用，將產(chǎn)能規(guī)模擴大至6000萬噸/年甚至更大，是完全有可能的，這將對緩解國家能源安全、實現(xiàn)煤炭清潔高效利用和推動現(xiàn)代煤化工轉型升級產(chǎn)生重大而深遠的影響。
當然，隨著天元粉煤熱解二期項目的推進建設，現(xiàn)階段有關部門在項目審批、環(huán)保容量和水資源、信貸資金等方面提供一臂之力，共同做好煤炭分質分級利用這篇大文章，是否也是體現(xiàn)戰(zhàn)略眼光和前瞻洞見的切實之舉呢？
以上內容摘自于智庫研報由中國化工報社產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究中心，如有侵權，聯(lián)系刪除！
