今年8月底，陜西延長石油集團碳氫研究中心自主研發(fā)的粉煤熱解氣化一體化技術（CCSI）工業(yè)示范產業(yè)化方案在西安通過專家審查。專家們認為，該技術先進可靠，與燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術耦合具有良好的環(huán)境效益、經濟效益和市場前景，建議加快實施延長石油榆林百萬噸CCSI產業(yè)化示范項目建設。這是國內又一個即將開建的低階煤利用項目。


煤熱解即煤的干餾或熱分解。這項在國內外都歷史悠久的技術如今日趨成熟，新技術層出不窮，單套裝置規(guī)模越來越大。但粉煤熱解關鍵技術、環(huán)保處理等瓶頸仍待突破。同時，業(yè)內對熱解煤項目的爭議聲不絕于耳。


古老技術煥發(fā)生機


低階煤是處于低變質程度的煤，主要是褐煤和低變質煙煤（包括長焰煤、不黏煤、弱黏煤），占我國煤炭總量一半以上。我國褐煤主要分布在內蒙古東部、新疆和云南等地區(qū)。低變質煙煤主要分布在陜西、內蒙古、新疆等地。


中國石化聯(lián)合會煤化工專委會委員、陜西省化工學會名譽理事長賀永德告訴記者，低階煤一般油含率高，通過中低溫熱解，在隔絕空氣或缺氧條件下加熱到500～800攝氏度，可將煤分解為氣體（熱解氣）、液體（煤焦油）和固體（半焦，也稱蘭炭）三相物質。這個物理化學變化過程非常復雜，包括裂解反應、二次反應和縮聚反應等。


煤熱解技術源遠流長。早在17世紀后期中低溫熱解就開始出現(xiàn)。1805年低溫熱解開始在英國實現(xiàn)工業(yè)化生產，至今已有200多年的歷史。1860年德國建立較大的褐煤低溫熱解工廠制取燈油和石蠟。20世紀初至50年代，隨著汽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利用煤制取液體燃料，低溫熱解工業(yè)得以迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了德國Lurgi-Spuelgas、美國Disco、德國Lurgi-Ruhrgas（魯奇-魯爾煤氣公司）、前蘇聯(lián)固體熱載快速熱解等工藝，并達到可觀的規(guī)模。


我國的煤中低溫熱解工業(yè)始于抗日戰(zhàn)爭期間。當時在四川、云南、貴州等地建有外熱式鐵甄煤熱解小型工廠。建國之前，在吉林曾修建4臺魯奇低溫熱解爐，但未正式運行。建國之初，我國擬恢復和建立中低溫熱解工廠。1953年撫順石油四廠著手設計新建1套試驗裝置和1臺日處理量45噸的低溫熱解爐，其工藝類似魯奇爐。到1957年以后，中低溫熱解單爐規(guī)模達到330～450噸/天。


20世紀60年代，由于煉油和石油化工的迅速發(fā)展，煤中低溫熱解工業(yè)陷入低潮。90年代至今，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)進入了新的發(fā)展時期。


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。其中核心熱解裝置包括內熱立式方形爐、外熱立式方形爐、回轉爐、國富爐、帶式爐、雙循環(huán)快速熱解爐、固體熱載體熱解爐、氣體熱載體熱解爐、流化床熱解爐、氣流床、熱解氣化一體化爐、真空微波干餾爐等，單爐年處理規(guī)模從幾萬噸、10萬噸到80萬噸以上，原料煤既有塊煤，也有碎煤和粒度小于1毫米的粉煤。


2016年9月，陜煤集團旗下的陜西陜北乾元能源化工有限公司與北京國電富通科技發(fā)展有限責任公司依托該技術在陜西榆林建成50萬噸/年工業(yè)示范裝置，以粒度小于30毫米的長焰煤為原料進行聯(lián)運試車，至今年6月25日連續(xù)運行277天。今年6月26～28日，中國石化聯(lián)合會組織專家對該裝置進行72小時現(xiàn)場標定考核。標定結果顯示，該裝置運行穩(wěn)定，處理量達到設計值的102%，噸煤半焦收率為65.69%，焦油產率為原煤的8.09%，達到同基格金焦油產率的87.2%，煤氣產量167標方/噸煤。煤氣中有效氣（氫氣、一氧化碳、甲烷、烴基化合物）占比達84.4%，能源轉化效率91.9%，綜合能耗低。這一項目標志著我國低階煤利用技術開始成熟。

綜合利用規(guī)模擴大

業(yè)內人士認為，熱解是低階煤清潔分質利用的最好方式，技術優(yōu)勢明顯。一是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高附加值組分轉化為二氧化碳。若氣化依然存在過度拆分的問題，將高附加值組分轉化為一氧化碳和氫氣。通過熱解，可將煤中的焦油提出來，同時產出煤氣和半焦，將原煤一分為三，避免資源浪費。二是生產工藝條件溫和。煤熱解溫度一般為550～700攝氏度，反應壓力接近常壓，且采用隔絕空氣加熱，生產系統(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。我國低階煤資源豐富、分布廣泛，具有揮發(fā)分高、灰分低、化學反應性好等特點，非常適合通過煤熱解技術進行分質綜合利用，推廣應用前景廣闊，經濟效益和社會意義顯著。若在西部地區(qū)就地轉化10億噸低階煤，粗略估算，每年可生產半焦6.5億噸、焦油8000萬噸、煤氣1600億立方米。


據(jù)介紹，在我國單系列50萬噸/年及以上的低階煤熱解技術中，已實現(xiàn)工業(yè)化生產或試驗的，包括河南龍成集團80萬噸/年旋轉床低溫熱解項目、陜煤集團與北京國電富通合作開發(fā)的50萬噸/年煤氣熱載體分段多層低階煤熱解項目、北京柯林斯達科技發(fā)展有限公司100萬噸/年褐煤帶式爐熱解項目等。此外，陜煤集團在建的低階粉煤氣固熱載體快速熱解項目，單套裝置處理能力達120萬噸/年；陜西煤業(yè)化工集團神木天元化工有限公司在建的粉煤回轉爐熱解項目，單套裝置處理能力60萬噸/年。


在國家能源局《煤炭深加工產業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》中，新建的低階煤分質利用項目有5個，包括陜煤集團榆林1500萬噸/年煤炭分質清潔高效轉化示范項目（其中熱解單套裝置處理能力將超過100萬噸/年）、陜西延長石油榆林煤化有限公司800萬噸/年煤提取焦油與制合成氣一體化產業(yè)示范項目、陜西龍成煤清潔高效利用有限公司1000萬噸/年粉煤清潔高效綜合利用一體化示范項目（熱解單套裝置處理能力200萬噸/年）、京能集團500萬噸/年褐煤熱解分級綜合利用項目、呼倫貝爾圣山潔凈新能源有限公司30萬噸/年褐煤清潔高效綜合利用示范項目（熱融催化技術）。


“大型化固然是煤熱解發(fā)展的趨勢，有利于提高能源轉化效率、綜合利用和降低能耗，但也不是越大越好。要確定一個經濟合理的單套規(guī)模。”賀永德對記者說，熱解爐體積超過一定標準就會出現(xiàn)問題。不同熱解爐型應有不同的經濟規(guī)模，同時還要考慮焦油、煤氣和半焦3者之間的優(yōu)化產率。


賀永德表示，煤熱解目標是要提高焦油收率和能源轉化效率，降低能耗。因此熱解溫度應控制在600攝氏度以下，縮短熱解的時間。同時可通過煤-油-電-化多聯(lián)產，提高產品附加值，實現(xiàn)資源綜合利用最大化，環(huán)境更友好。


關鍵技術尚待突破


那么，這樣一個可以資源綜合利用最大化的技術方向，為什么又會引起爭議呢？


記者了解到，之所以有人不贊成搞煤熱解這一技術，是認為該技術落后。同樣是從煤中提取焦油加工柴油和石腦油，但在技術先進性和能源利用效率方面，煤熱解技術趕不上現(xiàn)在的煤制油新技術。同時，煤熱解產生的大量半焦（蘭炭）沒有很好的利用途徑，造成產能嚴重過剩。還有專家甚至表示，煤熱解技術是本末倒置，為了提取副產的焦油而大上熱解項目，是一種資源浪費。

這些爭議鞭策著煤熱解技術要盡快完善，用經濟效益和社會效益說話。

目前，粉煤熱解技術逐漸成為業(yè)內研究熱點和攻關方向。比如，陜煤集團自主研發(fā)的低階粉煤氣固熱載體雙循環(huán)快速熱解工藝（SM-SP）、陜煤-國富煤氣熱載體分段多層低階煤熱解工藝、北京煤化院外熱式多段回轉爐工藝、大唐華銀-中國五環(huán)LCC工藝、清華-天素固體熱載體褐煤熱解技術、中科院工程熱物理所固體熱載體流化床低溫熱解工藝、西安華龍公司真空微波煤干餾等，絕大多數(shù)已進入工業(yè)化試驗階段，有的正在開展工業(yè)化示范。


“粉煤熱解迄今尚沒有大規(guī)模產業(yè)化推廣應用。”賀永德坦言，存在的主要問題是熱解油、氣、煤塵在線分離和干熄焦技術，以及粉焦的鈍化、儲運和大規(guī)模應用等技術尚未完全突破，廢水有效處理還沒有成熟的方法。大型化的工程問題已基本解決，但還不理想，熱解爐氣固分布的特殊結構仍需完善優(yōu)化。


賀永德表示，煤熱解的綜合利用仍需下功夫。比如產品附加值需進一步提高，資源還沒有完全充分利用，熱解氣、焦油和半焦的后續(xù)利用也應創(chuàng)新突破，實現(xiàn)油、熱、電、化、建材等多聯(lián)產。又比如熱解氣主要組分是氫氣、一氧化碳和甲烷及部分短鏈烴，提取后可制成乙二醇、液化天然氣、烷烴、烯烴等。還有，焦油富含高級酚及吡啶等高附加值組分，應先提取后再加氫合成柴油和石腦油餾分等，若將其加工為高密度航空煤油、高檔潤滑油基礎油等則更具競爭力。半焦具有多孔結構、高活性、高發(fā)熱量、高固定碳含量等特性，除常規(guī)作為高爐噴吹原料、工業(yè)及民用燃料外，還可經活化制取吸附材料或過濾材料，也可將其進行氣化生產甲醇，進一步與焦油制取的石腦油重整耦合生產芳烴，再與熱解氣加工的乙二醇合成精對苯二甲酸、聚對苯二甲酸乙二醇酯，或者用甲醇直接生產烯烴，形成完整的高附加值產業(yè)鏈。