變“臟煤”為清潔能源

文/陳福民

煤臟嗎？許多人都認(rèn)為是。排放多、污染大、黑色產(chǎn)業(yè)是燃煤的固有標(biāo)簽。

我國是個(gè)煤炭大國，但煤炭帶給國人的感受卻是“既愛又恨”，一方面，煤炭在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中長期占據(jù)主導(dǎo)地位的現(xiàn)實(shí)，讓“拋棄煤炭談能源”在短期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)；但另一方面，當(dāng)節(jié)能減排日益成為共識，煤炭污染重的弊病讓很多省份陷入兩難。

“十一五”期間，中國科學(xué)院在煤基清潔燃料及化工品生產(chǎn)領(lǐng)域形成一系列自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，成功解決了這一兩難的困境：慈林山礦是山西潞安集團(tuán)的一個(gè)礦井，因?yàn)楹蛄扛?、污染環(huán)境嚴(yán)重，這里的120億噸高硫煤只得棄采，礦井也面臨著關(guān)閉的境地。2008年底，作為我國863計(jì)劃和中國科學(xué)院聯(lián)合啟動的重大科技示范項(xiàng)目，潞安集團(tuán)生產(chǎn)出了全中國第一桶鈷基催化煤基合成油，高硫煤也因此變廢為寶，慈林山礦隨之起死回生。

煤變的“石油”

還在1982年夏天的一個(gè)下午，一位美國專家在清華大學(xué)演講廳里做了一個(gè)有趣的表演。他雙手各持一個(gè)摻水30%的煤粉，一杯煤粒較粗，一杯煤粒較細(xì)。他舉起這兩個(gè)杯說：“我現(xiàn)在要將兩杯煤水混合物變成‘油’，如果失敗，愿請大家吃烤鴨。”說著，將兩杯慘水的煤粉倒在一起，用玻璃棒攪拌起來。不一會，泥土似的煤水混合物竟?jié)u漸地變稀了，終于成了重油似的液體。這就是煤變石油——水煤漿。

水煤漿最初是由油煤漿發(fā)展來的。當(dāng)時(shí)有人將煤與油對半混合，加上一點(diǎn)添加劑后，煤就會像油一樣流動。由干油可以燃燒，油煤漿便是“火上加油”了。但油的價(jià)格貴，而且黏性也大，因而沒有實(shí)用價(jià)值。

煤和水混合為什么能變成“油”呢？因?yàn)槊汉陀褪峭弧澳锾ァ钡男值?。它們的主要成分都是碳和氫，并有少量的氧、氮、硫等元素。只是煤的含氫量比石油的低得多，而含碳量則和石油差不多。所以，水的加入就是設(shè)法把煤的碳、氫元素重量的比例降低，達(dá)到接近右油的含量。這樣，它們的“性格”就接近了。

摻水煤粉混合成水煤漿

這種煤變的“石油”是一種煤基流體燃料，可在燒油的鍋爐和工業(yè)窯爐中代煤、代油、代氣燃燒，與固體煤炭相比，具有儲運(yùn)方便、燃燒效率高、污染小的特點(diǎn)，是我國潔凈煤技術(shù)的重要分支?？茖W(xué)家做了一個(gè)特殊的噴嘴，使水煤漿與空氣混合，像霧一樣地噴出。鍋爐不用作很多的改造，就能迅速點(diǎn)燃，越燒越旺。目前，水煤漿燃燒效率可達(dá)98%以上，傳統(tǒng)鏈條鍋爐燃燒的灰渣是灰黑色，而水煤漿鍋爐燃燒后的灰渣是白色的。

我國是富煤、貧油、少氣國家，與天然氣、石油相比，水煤漿具有供給穩(wěn)定、成本低廉的優(yōu)勢。我國水煤漿技術(shù)經(jīng)歷30余年的科技攻關(guān)與生產(chǎn)實(shí)踐，生產(chǎn)與應(yīng)用規(guī)模均已高居世界首位。一臺670蒸噸的小型電站鍋爐，燃燒水煤漿可比燃油每年節(jié)約燃料費(fèi)用8.3億元左右。截至2012年，全國燃料水煤漿的生產(chǎn)和使用量已達(dá)到3000萬噸/年，氣化水煤漿的使用量已超1億噸/年。

水煤漿的制作存在“挑食”的毛病，過去要用煉焦煤才能制漿，而我國的煉焦煤資源稀少，如果制漿工藝不改進(jìn)，儲量豐富的低階煤無法進(jìn)入水煤漿應(yīng)用領(lǐng)域。針對制漿的“挑食”，我國科學(xué)家致力于低階煤水煤漿制備技術(shù)研發(fā)，成功研發(fā)出“分級研磨低階煤高濃度制漿技術(shù)”，不僅令我國儲量豐富的低灰、低硫煤成為水煤漿制漿用煤，而且將制漿濃度提高3%～5%，水煤漿的燃燒和氣化效率顯著提高，燃料煤漿的噸漿電耗下降30%以上。該技術(shù)已在氣化水煤漿領(lǐng)域推廣應(yīng)用，每年可為應(yīng)用單位創(chuàng)造9.72億元的直接經(jīng)濟(jì)效益。

水煤漿的應(yīng)用，使印染廠變身為節(jié)能環(huán)保的典范。如一家大型印染廠，自從引進(jìn)這種新型水煤漿制備技術(shù)，采用印染廢水制備水煤漿，用水煤漿鍋爐代替燃煤鍋爐供熱、發(fā)電。每印染百米布的整體消耗標(biāo)煤降低11千克，企業(yè)每年可節(jié)省7萬多噸標(biāo)準(zhǔn)煤；鍋爐煙氣中的二氧化硫含量降到53毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家規(guī)定的400毫克/標(biāo)準(zhǔn)立方米，企業(yè)每年少排放1400噸二氧化硫。

應(yīng)用水煤漿，不僅令這個(gè)印染廠變身成“節(jié)能環(huán)保典范”，也使企業(yè)競爭能力大大增強(qiáng)。企業(yè)不僅解決了燃煤鍋爐污染物排放不達(dá)標(biāo)的問題，還節(jié)省了一大筆廢水處理、煙氣脫硫成本。水煤漿燃燒后的灰渣更是優(yōu)質(zhì)的建筑材料，可直接出售。企業(yè)生產(chǎn)的水煤漿、電、蒸汽除滿足自用，還有富余出售給周邊企業(yè)，創(chuàng)收渠道不斷拓寬。

目前我國這種新型水煤漿技術(shù)已取得國家專利12項(xiàng)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。科學(xué)們正在著手研究第三代?？丶壟渲茲{、低揮發(fā)分煤超細(xì)水煤漿制備等技術(shù)。

燒水煤漿的鍋爐

清潔煤氣化

許多人都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：燒煤氣比燒煤餅方便得多。如果把地下的煤直接變成可燃?xì)怏w，輸送到家家戶戶使用，這該多好呀！煤在地下“就地”氣化，在科學(xué)家手中早已變成事實(shí)。

將地下的煤變成燃料要分兩步走。先按一定距離向煤層打兩個(gè)垂直鉆孔，采用鉆進(jìn)、火力滲透和水力壓裂等方法，使鉆孔間的煤層形成通道，讓煤氣順利通過。然后從一個(gè)鉆孔將煤層點(diǎn)燃，鼓入空氣或氧氣、水蒸氣。這樣，煤層中發(fā)生熱裂、還原、氧化等氣化反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳、甲烷和氫氣等可燃性氣體，從另一個(gè)鉛孔中引出，通過管道輸送給用戶。

煤田變氣田的“魔術(shù)師”是氣化劑。氣化劑有空氣、水蒸氣、氧氣或氫氣等，也可以是純氧氣。用氧氣與煤反應(yīng)便生成一氧化碳，一氧化碳再與水蒸氣反應(yīng)得到甲烷，這就是一般天然氣的主要成分。

煤在地下氣化，能夠開采用一般采礦技術(shù)無法開采的深層煤田或煤層過薄的煤田。據(jù)估計(jì)，每打一個(gè)鉆孔，每小時(shí)大約可以得到上萬立方米的煤氣。開采這些使用方便的氣體燃料，可以免除礦工下井勞動，顯示出它的優(yōu)越性。

清潔煤氣化

20世紀(jì)初，英國科學(xué)家拉姆賽首先提出煤的地下氣化建議。后來蘇聯(lián)、美國、日本、英國、波蘭、法國、德國、比利時(shí)等國先后投入力量進(jìn)行試驗(yàn)研究。煤層正式氣化前的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是鉆孔貫通，也就是兩個(gè)鉆孔之間形成一條良好的可供氣體流通的通道。人們采用火力、電力、水力及定向鉆進(jìn)等貫通方法，但鉆探的費(fèi)用都是很高的。

影響煤炭地下氣化的因素還很多。由于地下條件復(fù)雜，煤的地下氣化過程很難控制，煤氣的產(chǎn)量質(zhì)量不夠穩(wěn)定；往往是使用的氣化劑不同，得到的煤氣成分和產(chǎn)量大不一樣。再加上地下水的污染問題沒有解決，所以，盡管試驗(yàn)研究一直在進(jìn)行，卻至今還沒有進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

經(jīng)過科學(xué)家的多年探討研究，煤炭地下氣化已“搬”到地面。煤氣化技術(shù)是指把經(jīng)過適當(dāng)處理的煤送入反應(yīng)器如氣化爐內(nèi)，在一定煤氣化技術(shù)工藝流程的溫度和壓力下，通過氧化劑(空氣或氧氣和蒸氣)以一定的流動方式(移動床、流化床或攜帶床)轉(zhuǎn)化成氣體，得到粗制水煤汽，通過后續(xù)脫硫脫碳等工藝可以得到精制一氧化碳?xì)狻?/p>

煤炭氣化時(shí)，必須具備三個(gè)條件，即氣化爐、氣化劑、供給熱量，三者缺一不可。

20世紀(jì)90年代，我國引進(jìn)德國人開發(fā)的一種用塊煤生產(chǎn)煤氣的爐子，叫做德士古氣化爐。后來經(jīng)過我國工程技術(shù)人員的努力，發(fā)明了自主知識產(chǎn)權(quán)的對置式四噴嘴氣化爐，在國內(nèi)得到廣泛推廣應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

氣化過程發(fā)生的反應(yīng)包括煤的熱解、氣化和燃燒反應(yīng)。煤的熱解是指煤從固相變?yōu)闅?、固、液三相產(chǎn)物的過程。煤的氣化和燃燒反應(yīng)則包括兩種反應(yīng)類型，即非均相氣－固反應(yīng)和均相的氣相反應(yīng)。

據(jù)了解，我國目前一年需37億噸的工業(yè)用煤量，若全部轉(zhuǎn)為天然氣，則需要至少3000億立方米的天然氣。按照目前1400億立方米的天然氣存量計(jì)算，需在目前的基礎(chǔ)之上翻2倍多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足工業(yè)燃料的用量。擺在工業(yè)企業(yè)面前的，一方面是無法滿足實(shí)際用量的天然氣緊缺；另一方面則是亟待解決的煤炭燃燒所造成的嚴(yán)重污染。因此，煤氣化爐的應(yīng)用成為了煤炭清潔利用的有效途徑之一。

2012年，我國原煤產(chǎn)量為38.6億噸，如提升5%，則可以節(jié)約煤炭1.93億噸。在目前的技術(shù)和生產(chǎn)條件下，輸出同樣量的能源，清潔煤氣化技術(shù)的成本是風(fēng)電的1/2，太陽能的1/3。同時(shí)，煤氣化爐的使用可將煤炭的利用效率提升15%。

煤氣化是煤化工的龍頭，煤氣化技術(shù)是煤炭高效清潔利用的核心和基礎(chǔ)。然而，沒有萬能的煤氣化技術(shù)，也沒有能夠適應(yīng)任何氣化技術(shù)的煤種。在不同的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下，煤化工所用煤炭的品種不盡相同。作為企業(yè)，必須積極開展新型煤化工技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，對清華爐、兩段爐、東方爐、塔式爐、GSP、科林爐、四噴嘴、殼牌爐等大型煤氣化技術(shù)進(jìn)行長期技術(shù)跟蹤，根據(jù)技術(shù)的發(fā)展，選定爐型重點(diǎn)突破，尋找適合自己企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)勢。

煤制烯烴術(shù)

所謂煤制烯烴，即是用煤基甲醇制取烯烴，也就是指以煤為原料合成甲醇后再通過甲醇制取乙烯、丙烯等烯烴的技術(shù)。

當(dāng)前，乙烯產(chǎn)量的高低已成為衡量一個(gè)國家石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志，它的生產(chǎn)能力被看作是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的體現(xiàn)。因?yàn)橐蚁┊a(chǎn)品直接繁衍和帶動發(fā)展塑料深加工、橡膠制品、紡織、石蠟深加工、助劑加工、包裝材料、建設(shè)材料、化工機(jī)械制造、工程建筑、運(yùn)輸、餐飲服務(wù)等產(chǎn)業(yè)。大到航空航天，小到吃飯穿衣，它與國民經(jīng)濟(jì)、人民生活息息相關(guān)。因此，無論是美國、西歐，還是日本等發(fā)達(dá)國家地區(qū)和一些發(fā)展中國家，在經(jīng)濟(jì)起飛階段，無不把石油化工作為支柱產(chǎn)業(yè)，加以發(fā)展。而烯烴作為重要的化工原料，作為石油化工核心產(chǎn)品，被稱為“石化工業(yè)之母”。

那么這乙烯、丙烯等烯烴是從哪里來的呢？傳統(tǒng)的乙烯、丙烯是用一種沸點(diǎn)高于汽油而低于煤油的“粗汽油”通過裂解制取的，得到烯烴就得依賴石油。特別是在世界石油危機(jī)中，各國都在尋找替代由石油生產(chǎn)烯烴的方法。

最早提出煤制烯烴工藝的是美孚石油公司，隨后巴斯夫、?？松凸尽h(huán)球石油公司及海德魯公司等相繼投入開發(fā)，在很大程度上推進(jìn)了煤制烯烴的工業(yè)化，美國環(huán)球石油公司和挪威海德魯公司于1995年合作開發(fā)成功煤制烯烴工藝。該工藝以甲醇為原料，通過甲醇裂解制得以乙烯和丙烯為主的烯烴產(chǎn)品。按照甲醇原料的來源不同，可以有天然氣和煤兩種路線。1998年采用環(huán)球石油／海德魯工藝的20萬噸／年乙烯工業(yè)裝置開始建設(shè)，目前已實(shí)現(xiàn)50萬噸／年乙烯裝置的工業(yè)設(shè)計(jì)；2008年1月，新加坡Eurochem技術(shù)公司旗下的Viva公司將在尼日利亞的Lekki建設(shè)330萬噸年甲醇裝置。

煤制烯烴主要分為煤制甲醇、甲醇制烯烴這兩個(gè)過程。我國從20世紀(jì)80年代初便率先開展了甲醇制取低碳烯烴的新工藝過程的研究，先后開發(fā)了兩代甲醇制取低碳烯烴技術(shù)。甲醇轉(zhuǎn)化制烯烴的核心技術(shù)之一是催化劑，其性質(zhì)和性能決定著煤制烯烴新工藝技術(shù)的發(fā)展方向。

我國投入運(yùn)行的煤制烯烴項(xiàng)目

在煤制甲醇這個(gè)工序中的節(jié)能降耗空間比較大，目前比較成熟的技術(shù)是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)工藝——甲醇熱泵精餾工藝。熱泵精餾工藝不設(shè)加壓塔，而是直接壓縮精餾塔(常壓)塔頂精甲醇?xì)怏w，提高塔頂精甲醇?xì)怏w的壓力和冷凝溫度，作為精餾塔塔釜再沸器或中間再沸器的熱源，從而極大節(jié)省了塔釜熱公用工程和塔頂冷公用工程消耗。采用甲醇熱泵精餾工藝的裝置因?yàn)椴辉O(shè)加壓塔，直接省去了這部分的投資規(guī)模，與廢鍋流程相比投資幅度降低了40%～45%。以年產(chǎn)45萬噸甲醇的煤制甲醇裝置為例，與典型的甲醇雙效精餾、水冷余熱發(fā)電工藝相比，采用煤制甲醇工藝成套節(jié)能降耗技術(shù)，噸甲醇水耗降低30%，每年可以節(jié)水167萬噸，運(yùn)行能耗降低17%。

在變“臟”煤為清潔能源的高效利用中，煤制烯烴是公認(rèn)和可行的發(fā)展方向，我國大連化物所研發(fā)的煤制烯烴技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了甲醇轉(zhuǎn)化率近100%，成功地發(fā)展了一條制取基本化工原料的非石油原料路線。但甲醇制烯烴是在世界范圍內(nèi)目前尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為發(fā)展新型煤化工的瓶頸。