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(cháng)。為應對當前的形勢需要，近日，越來(lái)越多的煤炭企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)口罩原料，加入了這場(chǎng)抗疫戰爭。

煤炭企業(yè)成為生產(chǎn)防疫物資的“生力軍”，也讓業(yè)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(yè)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(fā)展方向。未來(lái)，煤炭原材料化的比例會(huì )逐漸增加。”中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長(cháng)劉中民對《中國科學(xué)報》表示。

由于能源資源的稟賦特征，近年來(lái)，我國煤化工產(chǎn)業(yè)規?？焖僭鲩L(cháng)。我國自主研發(fā)的煤炭間接液化技術(shù)、煤制烯烴技術(shù)以及率先開(kāi)發(fā)的煤制芳烴技術(shù)，都處于國際領(lǐng)先地位。

未來(lái)，煤炭利用走向何方?

煤化工的多重選擇

實(shí)際上，以煤炭為原料制備口罩基本原料的工藝已經(jīng)成熟。山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院教授梁鵬介紹說(shuō)，煤制烯烴是現代煤化工產(chǎn)業(yè)中的一項重要技術(shù)，通過(guò)烯烴分離可以獲得高純度的丙烯。丙烯可用于生產(chǎn)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(guān)鍵作用的過(guò)濾層。

梁鵬指出，煤炭企業(yè)可以利用基本原料優(yōu)勢(丙烯)，進(jìn)入熔噴布生產(chǎn)領(lǐng)域，進(jìn)而生產(chǎn)口罩，延長(cháng)產(chǎn)業(yè)鏈。“此外，煤化工的煤制乙烯技術(shù)，還可生產(chǎn)大量聚乙烯，用于生產(chǎn)醫用防護服面料。”

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

“將煤炭轉化為原料或材料加以利用是未來(lái)煤化工的發(fā)展趨勢，同時(shí)會(huì )對煤炭行業(yè)提出更高的技術(shù)要求。”梁鵬舉例說(shuō)，煤瀝青可以生產(chǎn)碳纖維用于航天、軍事及民用領(lǐng)域，從煤炭中分離出的高附加值化學(xué)品還可用于生產(chǎn)醫藥、染料等產(chǎn)品。

“站在整個(gè)工業(yè)過(guò)程的角度，煤炭利用已經(jīng)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(shuō)。

“煤的主要成分是碳、氫、氧和少量的氮、硫或其它元素。從化學(xué)的角度講，這些元素可以組合出多種的物質(zhì)。”劉中民解釋說(shuō)，近年來(lái)興起的現代煤化工以煤熱解、氣化為基礎，以一碳化學(xué)為主線(xiàn)，以新型催化劑和工藝過(guò)程為核心，以工藝流程裝備為保障，產(chǎn)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(kāi)這些原料。

以清潔高效為目標

清潔化利用是煤炭行業(yè)的主基調。那么，目前的煤化工技術(shù)能否實(shí)現清潔化?梁鵬認為“完全可以”。不過(guò)，煤炭的深加工過(guò)程往往會(huì )帶來(lái)設備投資大、耗水量大等問(wèn)題，因此因地制宜開(kāi)發(fā)適合我國國情的現代煤化工技術(shù)，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(shù)、工藝、裝備的要求也更高。環(huán)保是現代煤化工產(chǎn)業(yè)體系構建過(guò)程中的重要問(wèn)題之一。目前，污染物高效脫除技術(shù)、廢水(近)零排放技術(shù)及“三廢”資源化利用技術(shù)都已經(jīng)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(shí)，煤中的碳元素轉移到新的產(chǎn)品中，可在一定程度上減少二氧化碳的排放。”劉中民強調說(shuō)。

周紅軍則指出，煤炭清潔轉化的煤化工技術(shù)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(xué)品兩大技術(shù)方向。以清潔高效為目標，要進(jìn)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(diǎn)解決以煤、合成氣、甲醇等為原料的碳氫氧原子化學(xué)鍵的定向調控、目標產(chǎn)物的化學(xué)合成新途徑、催化劑的精準合成，以及目標產(chǎn)物的合成工藝及反應器等重大問(wèn)題，最終成功開(kāi)發(fā)系列煤轉化制清潔燃料和化學(xué)品新技術(shù);重點(diǎn)解決煤直接液化和間接液化的原料、過(guò)程匹配和產(chǎn)品靈活調控，以及煤直接—間接液化工藝及耦合強化問(wèn)題等。

兩年前，中國科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”A類(lèi)戰略性先導科技專(zhuān)項，由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所牽頭聯(lián)合院內多所實(shí)施。該項目旨在推動(dòng)構建我國多種能源資源融合發(fā)展的“中國特色”能源結構，以能源技術(shù)革命促進(jìn)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(gè)項目，計劃到2023年，完成20萬(wàn)噸/年煤基合成氣直接制低碳烯烴的工業(yè)示范、百萬(wàn)噸煤炭清潔高效分級轉化利用工業(yè)示范等一批重大項目。

“除此之外，鋼鐵企業(yè)在煉鐵工藝過(guò)程中會(huì )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(chǎn)基礎化工產(chǎn)品等。這不僅是鋼鐵行業(yè)生態(tài)化發(fā)展的一個(gè)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(lái)

近年來(lái)，受限于價(jià)格昂貴的天然氣，國內鋼鐵企業(yè)十分重視氣基直接還原鐵技術(shù)的研發(fā)，紛紛探討采用焦爐氣煤氣化的氣體進(jìn)行氣基直接還原鐵生產(chǎn)，以降低合成氣即氫氣的生產(chǎn)成本。不過(guò)，周紅軍說(shuō)，“目前，國內尚無(wú)真正意義的工業(yè)化氣基直接還原鐵。”

為此，中國石油大學(xué)(北京)研發(fā)了焦爐氣二氧化碳干重整轉化技術(shù)，與中石化及中晉太行公司合作，正在山西左權建設第一個(gè)采用焦爐氣為原料的30萬(wàn)噸/年氣基直接還原鐵示范廠(chǎng)，計劃今年建成開(kāi)車(chē)。其中的焦爐氣凈化和二氧化碳干重整轉化采用該校開(kāi)發(fā)的新工藝技術(shù)，解決了還原氣來(lái)源的瓶頸問(wèn)題。

此外，煤化工領(lǐng)域還提出煤炭分質(zhì)分級利用，就是根據煤質(zhì)的基本特點(diǎn)，對煤炭進(jìn)行逐級加工，獲取有價(jià)值的組分，總體得到最為理想的結果。這也是目前國內外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

“煤炭作為原料，一定不能只生產(chǎn)一種產(chǎn)品，需要進(jìn)行多種產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn)，即多聯(lián)產(chǎn)。這方面目前已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。”梁鵬說(shuō)。例如，高揮發(fā)分煤炭采用先熱解后氣化的技術(shù)路線(xiàn)，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(jià)值的化學(xué)品;第二步的氣化階段則將半焦進(jìn)行氣化，做化學(xué)品和材料的合成。

梁鵬介紹說(shuō)，針對高揮發(fā)分煤，他們目前正在進(jìn)行熱解/燃燒分級轉化方面的研究開(kāi)發(fā)工作，并且完成了中試實(shí)驗。另外，還在進(jìn)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(jìn)展。此外，正在開(kāi)展的煤化工行業(yè)揮發(fā)性污染物治理方面的工作也已完成工業(yè)示范。

面向未來(lái)，劉中民建議，在煤化工層面，還需進(jìn)一步降低水耗和能耗，實(shí)現產(chǎn)品的靈活調變;在煤熱解及多聯(lián)產(chǎn)、煤制天然氣、煤制芳烴和含氧化合物等方面，需要進(jìn)一步突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現成套工藝技術(shù)和工業(yè)示范。同時(shí)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新，加強新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，通過(guò)延伸產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展高附加值、精細化、差異化產(chǎn)品。