行業(yè)要聞
煤化工
“CCSI、CCMI、KSY都是現(xiàn)代煤化工技術的重大創(chuàng)新和突破，使煤炭資源高效清潔利用，產(chǎn)品附加值大大提升。要通過技術創(chuàng)新不斷總結(jié)完善，加快工業(yè)示范步伐。”2月中旬，中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會會長李壽生在陜西考察調(diào)研時，對延長石油集團碳氫高效利用技術研究中心開發(fā)的這些新技術給予充分肯定。
2月上旬，國家能源局印發(fā)的《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》，明確將煤提取煤焦油與制取合成氣一體化(CCSI)產(chǎn)業(yè)項目作為低階煤分質(zhì)利用的新建示范項目，通過油品、天然氣、化學品和電力的聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)煤炭使用價值和經(jīng)濟價值的最大化。
CCSI即煤提取煤焦油與制取合成氣一體化技術，CCMI技術是煤提取煤焦油與制甲烷一體化，KSY即超大型粉煤流化床氣化技術。它們到底有什么技術優(yōu)勢?為何能入圍國家能源規(guī)劃并得到行業(yè)的認可?為煤化工帶來了哪些福音?記者進行了調(diào)查采訪。
科技引領示范帶動
“煤炭燃料原料化即依靠技術創(chuàng)新，將煤炭熱解氣化一體轉(zhuǎn)化，先將煤炭高效轉(zhuǎn)化成氣(工業(yè)燃氣或合成氣)、液(低溫煤焦油)產(chǎn)物，再做高附加值的油品、化工品或綠色發(fā)電及供熱，構(gòu)建新型的煤油電化熱多聯(lián)產(chǎn)，通過清潔工業(yè)燃氣或合成氣的后續(xù)加工利用，實現(xiàn)煤炭的高效清潔利用。”延長石油集團首席煤化工專家、碳氫高效利用技術研究中心主任李大鵬對記者說，煤熱解/煤干餾技術可以實現(xiàn)煤炭分質(zhì)分級利用，最大限度地兼顧煤炭的原料屬性及燃料屬性，但此前一些關鍵技術仍未攻克。國內(nèi)已產(chǎn)業(yè)化的煤熱解技術普遍存在焦油收率低、焦油與粉塵分離難、反應系統(tǒng)能源利用效率低、廢氣廢水污染治理、半焦轉(zhuǎn)化利用難、附加值不高等難題。
對此，延長石油碳氫利用研究中心在借鑒石油化工理念的基礎上，自主開發(fā)的煤提取煤焦油與制取合成氣一體化(CCSI)技術，以空氣作為氣化，可將粉煤一步法轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的中低溫煤焦油和合成氣，噸煤可產(chǎn)生煤焦油150千克及粗合成氣約3500 Nm3。其中煤焦油收率超過15%，以煤價350元/噸計算，生產(chǎn)成本約為18.5美元/桶，深度轉(zhuǎn)化后可轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又档木毣ぎa(chǎn)品或清潔燃料油品;合成氣熱值1200大卡/Nm3、有效氣含量>35%，可直接作為燃煤鍋爐的燃料，也可以經(jīng)脫硫、除塵凈化后作為燃氣輪機的燃料進行發(fā)電。實現(xiàn)了煤炭資源利用率、轉(zhuǎn)化效率和附加值的最大化，成為現(xiàn)代煤化工新的技術路線。
據(jù)介紹，該技術核心是在同一個反應器內(nèi)完成煤的熱解反應及半焦的氣化反應，以空氣與水蒸汽作為氣化劑，煤粉在上端的熱解區(qū)進行快速熱解生成煤焦油、半焦末，半焦末返回到下端的氣化區(qū)氣化成合成氣。由于反應器內(nèi)獨特的流化狀態(tài)和溫度梯度分布，加快熱解反應產(chǎn)物的擴散速率、飽和不穩(wěn)定自由基、減少焦油二次反應，焦油收率大幅提升;創(chuàng)新開發(fā)產(chǎn)物分離工藝和專用設備，解決熱解油、氣、塵的在線分離的世界性難題，將煤炭分質(zhì)分級利用技術提升到更高水平。
2012年10月以來，延長石油碳氫中心經(jīng)過兩年小試研究，2014年又在冷態(tài)模擬試驗裝置上開車試驗 38 次。2015年8月，萬噸級CCSI技術工業(yè)試驗裝置在陜西興平建成中交，該中心先后進行了5次投煤試驗，裝置累計實現(xiàn)了772小時連續(xù)穩(wěn)定運行，獲得了大量試驗數(shù)據(jù)，為產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實基礎。
去年年底，中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織的72小時現(xiàn)場考核標定，結(jié)果顯示煤焦油收率達17.12%(格金干餾收率158%)，能源轉(zhuǎn)化效率高達82. 58%，合成氣有效氣(CO+H2+CH4+烴類)含量分別為35.11%(采用空氣氣化)、47.07%(采用30%富氧氣化)，各項指標均達到或超過設計指標。專家認為技術路線新穎，創(chuàng)新性強，能量和物料互補，將多工藝、多產(chǎn)業(yè)耦合集成，最大化提高能源轉(zhuǎn)化效率、資源利用率和產(chǎn)物附加值，大幅降低能耗和廢物排放，實現(xiàn)煤炭高效清潔轉(zhuǎn)化，建議加快技術產(chǎn)業(yè)化開發(fā)推廣應用。
石油和化學工業(yè)規(guī)劃院總工程師李君發(fā)認為，CCSI技術將熱解與氣化過程有機結(jié)合在一起，設計理念先進，系統(tǒng)高度集成。原料粉煤幾乎全部轉(zhuǎn)化為合成氣與煤焦油，既獲得煤炭資源中所含的油品組分，也保證了半焦合理利用，將煤炭資源吃干榨盡，物盡其用。同時熱解與氣化耦合在一起，合成氣潛熱可以為粉煤熱解提供部分能量，熱能得到有效利用，減少高溫合成氣換熱降溫過程，提高能源轉(zhuǎn)化效率。
據(jù)悉，CCSI技術已引起了國內(nèi)煤化工、電力等行業(yè)的廣泛關注，一些企業(yè)紛紛向延長石油伸出了合作之手。投煤量3600噸/天的 CCSI工業(yè)裝置成套技術工藝包目前已編制完成，準備在陜西榆林建設工業(yè)化示范裝置。同時開展CCMI、KSY技術攻關，CCMI技術試驗已完成，投煤量5000噸/天的KSY技術工業(yè)化示范裝置工藝包正在編制。
構(gòu)建新型聯(lián)產(chǎn)模式
李大鵬認為，由于煤炭的成分非常復雜，多分子聚合物結(jié)構(gòu)的化學特征，決定了將其深度轉(zhuǎn)化加工為綜合附加值更高的精細化工產(chǎn)品，并按照煤、油、化、電、熱一體化的發(fā)展理念進行整體布局。CCSI技術能夠與制取液體燃料、化學品、發(fā)電等多產(chǎn)業(yè)跨界耦合集成，通過構(gòu)建綠色清潔燃氣發(fā)電與煤焦油深度加工轉(zhuǎn)化新型煤油電化多聯(lián)產(chǎn)模式，與傳統(tǒng)的直接燃煤發(fā)電模式相比，實現(xiàn)了煤炭資源分質(zhì)、分級與梯級利用，使系統(tǒng)內(nèi)能量耦合、系統(tǒng)物料耦合、衍生產(chǎn)業(yè)鏈跨界耦合。
投煤量3600噸/天的CCSI工業(yè)裝置煤焦油產(chǎn)品為18萬噸/年，還可配套1個30萬千瓦的亞臨界機組或1個40萬千瓦的燃氣機組，形成集煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化—煤焦油深加工—綠色發(fā)電一體化的新型煤電油多聯(lián)產(chǎn)模式。經(jīng)過核算， CCSI所產(chǎn)生粗合成氣、煤焦油的完全成本分別約為0.1222元/Nm3、929.9元/噸。以煤價350元/噸、電價0.36元/千瓦時計算，噸煤炭的終端收入可分別達到1600元和1800元左右。
煤焦油中含有豐富的芳烴資源，很多化工原料甚至不能直接通過石油化工獲取而只能從煤焦油中提取。在CCSI技術開發(fā)過程中，延長石油碳氫中心根據(jù)低溫煤焦油的性質(zhì)特點和市場需求，創(chuàng)新地提出了“宜油則油、宜化則化、分級轉(zhuǎn)化”的深加工理念，集成煤焦油綜合加工利用成套技術的整體解決方案，即使在低油價的當下，競爭力也較強。
按照該方案，一是實現(xiàn)分級轉(zhuǎn)化：將<230℃輕餾分油中含量高、易分離的酚類物質(zhì)提取出來，將難轉(zhuǎn)化的>360℃重餾分油(瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量 高)進懸浮床高效轉(zhuǎn)化，230℃-360℃的中間餾分油與脫酚的輕餾分油、輕組分油一起加工，不僅減少了酚類物質(zhì)在加氫過程中的氫氣消耗和廢水產(chǎn)生量，還有效降低投資成本。二是實現(xiàn)產(chǎn)品附加值最大化：分離出的苯酚、甲酚產(chǎn)品價格較高，收益較好;懸浮床和固定床組合加工出來的液體產(chǎn)物具有芳潛高、熱比重高、環(huán)烷烴組分高等特點，除了生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)成品油，可進一步加工制芳烴、航空燃料、潤滑油等產(chǎn)品，豐富產(chǎn)業(yè)鏈、提高附加值。
而CCSI裝置產(chǎn)生的中低熱值合成氣，最佳利用途徑就是發(fā)電。目前可采用兩種聯(lián)產(chǎn)模式，一是改造現(xiàn)有的亞臨界火電燃煤鍋爐，粗合成氣作為燃煤鍋爐的燃料進行發(fā)電，實現(xiàn)“以氣代煤”，綜合能效提高到42.29%;另一種是將粗合成氣經(jīng)脫硫、除塵等處理后，進燃氣輪機燃燒發(fā)電，綜合能效48.32%。
經(jīng)中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司測算，以采用CCSI技術改造300MW級亞臨界燃煤機組為例，整個項目改造完成后，年產(chǎn)油化產(chǎn)品15萬噸，發(fā)電量22.71～23.6億千瓦時。與300MW級亞臨界燃煤機組相比，供電效率由37～38%提高到41.93～42.29%、供電煤耗由323.26～331.99克標煤/千瓦時下降到307.4～318.89克標煤/千瓦時。而且經(jīng)濟效益“雙豐收”，即每上網(wǎng)銷售1千瓦時電的同時，獲得煤焦油深加工產(chǎn)品收入0.45～0.47元，綜合收入由10.23～10.51億元/年增加到18.94～19.21億元/年。
若將CCSI技術與燃氣輪機發(fā)電相耦合，以新建3600噸/天CCSI裝置和配套的GE公司9F型燃氣發(fā)電機組為例，裝置總投資約24億元，年產(chǎn)油化產(chǎn)品15萬噸，發(fā)電量30.43～32.63億千瓦時。技術上超過了超超臨界機組水平，也領先于當前的IGCC，供電效率高達50.6～54.4%、煤耗降至225.81～242.76克標煤/千瓦時。經(jīng)濟效益倍增：每上網(wǎng)銷售1千瓦時電的同時，獲得煤焦油深加工產(chǎn)品收入為0.32～0.35元，投資強度由15000元/千瓦下降到6000元/千瓦左右，煤炭增值率為416.08%~434.97%。
同樣，煤提取煤焦油與制甲烷一體化(CCMI)技術，也是在一個反應器中完成熱解、氣化反應及部分甲烷化反應，一步法將煤轉(zhuǎn)化成氣、液兩相產(chǎn)物，構(gòu)建以生產(chǎn)天然氣為主的新型煤油氣多聯(lián)產(chǎn)模式，1臺5000噸/天CCMI裝置(單套規(guī)模全球最大)可以配套1個年產(chǎn)約6億方天然氣的生產(chǎn)裝置，同時可年產(chǎn)25萬噸煤焦油用于深加工。與常規(guī)煤制天然氣相比，該模式投資強度可降低35%以上，更易于大規(guī)�；a(chǎn)，同時煤焦油經(jīng)深加工后經(jīng)濟效益明顯，可從中拿出部分利潤補貼天然氣，天然氣生產(chǎn)成本控制在1元/方。
李大鵬表示，通過煤炭燃料原料化，將加快推進我國能源革命，促進煤炭加工與煉油、化工、發(fā)電、建材、供熱等多產(chǎn)業(yè)深度耦合集成，形成新的能源化工產(chǎn)業(yè)集群。比如將20億噸煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉�，可在石油、天然氣、煤炭、新能源消費組成不變的情況下，清潔能源比例由17.9%上升到49.9%，完成能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整;同時可產(chǎn)約3億噸低成本的煤焦油，不僅有效彌補我國石油缺口、保障能源安全，還能大幅提升油品、化工品市場競爭力，增加經(jīng)濟效益。
組合技術治污減霾
近年來，我國空氣污染程度日益惡化，尤其是每年進入冬季采暖季后，北方地區(qū)頻現(xiàn)重度霧霾污染天氣。有專家指出，這與現(xiàn)有的能源消費結(jié)構(gòu)不無關系。我國使用了全世界一半的煤炭,而且近80%為直接燃燒,這是霧霾問題的第一相關要素。在我國已探明的化石能源儲量中，煤炭約占94%，石油和天然氣約占6%。雖然近年來煤炭在一次能源消費中的比重逐步降低，但基于我國的能源資源稟賦，在相當長的時期內(nèi)煤炭在主體能源的地位不會變化。要減少燃煤產(chǎn)生的大氣霧霾，唯一出路就是堅持煤炭清潔高效綠色轉(zhuǎn)化。
李大鵬說，采用燃料原料化的新技術、新模式，可應用在煤炭消費的絕大部分領域，涉及的轉(zhuǎn)化煤量預計30億噸以上，如CCSI技術主要解決燃煤機組綠色發(fā)電和燃氣機組商業(yè)化應用問題，CCMI技術解決了煤基天然氣替代民用散燒煤問題，低成本、智能化的流化床氣化(IFG)技術解決建材領域煤基燃氣工業(yè)供熱問題，KSY技術解決大型化工園區(qū)(煤化工項目)合成氣原料集中供給、煤焦油綜合利用等問題。通過這些技術創(chuàng)新“組合拳”，既極大提高了能源利用效率，又可從源頭治污減排，實現(xiàn)綠色清潔燃氣發(fā)電，將增加電力企業(yè)的盈利水平，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和環(huán)境保護協(xié)同發(fā)展，從源頭上解決霧霾頑疾。
據(jù)介紹，煤炭經(jīng)過CCSI裝置進行熱解轉(zhuǎn)化后，最大限度阻滯了煤炭分子中的有機硫、有機氮向氣相中轉(zhuǎn)移，相當于實現(xiàn)了燃燒前“脫硫脫硝”，與傳統(tǒng)的直接燃煤發(fā)電方式相比，單位發(fā)電量的污染物的減排效果非常明顯。比如硫元素以不同的化學形態(tài)存在于粗合成氣、灰渣及煤焦油中，其中合成氣中硫元素主要以H2S的形式存在;煤焦油中硫元素主要以噻吩官能團、縮合芳基硫化物及大分子硫醇的形式存在;而在灰渣中，硫元素要以非揮發(fā)性的無機硫化物形式存在。
經(jīng)測算， CCSI熱解處理后粗合成氣有效組分只有CO和H2，進鍋爐燃燒后所產(chǎn)生的NOX濃度僅相當于燃煤煙氣中的20%～25%。粗合成氣進鍋爐燃燒發(fā)電，煙氣中的煙塵、SO2、NOX等污染物大幅降低，分別削減99.95%、80%、71%以上，進入燃機發(fā)電可直接達到超凈環(huán)保排放標準。
此外，在煤炭燃燒過程釋放出的更難治理的鉛、汞、砷等重金屬污染物，在高溫條件下以固態(tài)化合物、單質(zhì)的形式吸附在粗顆粒煤灰中。而CCSI技術的分級轉(zhuǎn)化，煤炭中的重金屬主要以有機絡合物及凝聚態(tài)的形式分別存在于煤焦油與灰渣中。由于熱解溫度只有550～600℃，遷移至氣相中的重金屬比例非常小，燃燒煙氣中顆粒物濃度非常低。
具有多項專利支撐的IFG技術也是以空氣做氣化劑，以末煤為原料生產(chǎn)工業(yè)燃氣，單套氣化爐每天處理煤量從幾百噸到3000噸均可。相比其它氣化技術，省去空分系統(tǒng)，不僅降低投資和操作難度，還節(jié)省了人工和能耗�？刹捎迷摷夹g生產(chǎn)低成本的工業(yè)燃氣，再以氣代煤進入工業(yè)窯爐、中小型工業(yè)鍋爐中燃燒供熱。與直接燃煤相比，基本解決了煙塵等細顆粒物，大幅減少SO2、NOX的排放量，有效緩解環(huán)保壓力。
專家觀點：
中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會副秘書長兼科技裝備部部長胡遷林：這些技術無一不是通過創(chuàng)新推動煤炭資源高效轉(zhuǎn)化，將產(chǎn)生能源消費革命，引領產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展�？纱龠M煤化工與煉油、發(fā)電、供熱等多產(chǎn)業(yè)深度耦合集成，形成新的化工產(chǎn)業(yè)集群，大幅提升油品、化工品等終端產(chǎn)品競爭力，增加經(jīng)濟效益，提升能產(chǎn)業(yè)整體水平�？梢灶A見，未來這些新技術將在發(fā)電、煤基天然氣民用、煤焦油綜合利用等領域獲得應用。
石油和化學工業(yè)規(guī)劃院總工程師李君發(fā)：CCSI技術充分利用煤炭資源中的原有組成和化學結(jié)構(gòu)，最大限度地提取煤中具有高附加值的富氫液體產(chǎn)品，實現(xiàn)煤炭潔凈高效綜合利用，可顯著提高加工利用過程中的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益，實現(xiàn)了煤炭資源由目前單一轉(zhuǎn)化利用向熱解氣化耦合多聯(lián)產(chǎn)轉(zhuǎn)變，可極大地推進國內(nèi)煤炭資源深層次利用與高效清潔轉(zhuǎn)化，為國內(nèi)煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了重要貢獻。應用前景十分廣闊，與現(xiàn)有甲烷化技術相結(jié)合，可聯(lián)產(chǎn)油品及天然氣，與現(xiàn)有煤制氣比較具有良好的經(jīng)濟性和環(huán)境效益;與現(xiàn)有F-T合成技術相結(jié)合，可實現(xiàn)兩段出油，降低投資，提高油品收率和能源轉(zhuǎn)化效率;與現(xiàn)有燃煤電廠結(jié)合，在實現(xiàn)電廠燃氣化發(fā)電的同時，副產(chǎn)大量的油品組分，有利于提高電廠經(jīng)濟效益。
中國石化聯(lián)合會煤化工專委會專家、陜西省化工學會名譽理事長賀永德：目前我國熱解和氣化技術都比較成熟，但CCSI技術將二者有機結(jié)合為一體是最大的亮點，實現(xiàn)了煤炭資源高效轉(zhuǎn)化。尤其是首創(chuàng)的三段式煤焦油與氣化一體化反應器，針對中間過渡段物料輸送及溫度難以控制，停留時間長焦油分解收率降低等技術難題，延長石油實現(xiàn)智能化精準控制溫度場、流化場，使物料互供、能量互補及反應器內(nèi)熱量自平衡，同時物料循環(huán)均勻，工藝流程短，氣固、液固分離效率高。建議采用富氧甚至純氧氣化，增加操作壓力，更好地與化工和發(fā)電配套。
陜西省決策咨詢委員會委員胡海峰：榆林地區(qū)的煤炭非常適合熱解，既得到了半焦(蘭炭)，又可提取煤焦油后聯(lián)產(chǎn)油品。但目前業(yè)內(nèi)為了拿焦油而大量新建熱解項目，導致蘭炭產(chǎn)能大幅增長并過剩，實不可取。同時焦油收率低、焦油與粉塵分離難等技術問題還未有效解決。CCSI技術主要創(chuàng)新點是利用了大量的難以利用的粉煤，也解決了粉焦出路問題，同時焦油收率和能源轉(zhuǎn)化效率較高，與燃煤電廠結(jié)合后經(jīng)濟性和環(huán)保性優(yōu)勢明顯。
