周秋成，魏利平，申聯(lián)星，馬寶岐

(1.西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069；2.中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì)，北京 100013；3.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)創(chuàng)新、裝置大型化等方面均取得顯著成績(jī)，并位居國(guó)際領(lǐng)先地位。新形勢(shì)下，煤化工應(yīng)按照綠色低碳的發(fā)展方向，對(duì)標(biāo)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)任務(wù)，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)高端化、多元化、低碳化發(fā)展。因此，作為煤化工門(mén)類之一的蘭炭產(chǎn)業(yè)，分析其煤熱解技術(shù)優(yōu)勢(shì)、蘭炭產(chǎn)品特點(diǎn)及應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展制約、實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)等，是討論該產(chǎn)業(yè)定位的重要出發(fā)點(diǎn)，也是最終落腳點(diǎn)。

1 蘭炭生產(chǎn)技術(shù)的特點(diǎn)

蘭炭，通常是以低階煤塊煤為原料進(jìn)行中低溫干餾熱解得到的固體炭質(zhì)產(chǎn)品，同時(shí)副產(chǎn)煤焦油、煤氣等，是煤炭分質(zhì)利用的傳統(tǒng)形式。

從化學(xué)構(gòu)成看，低階煤是由芳環(huán)、脂肪鏈等官能團(tuán)縮合形成的大分子聚集體。既含有以無(wú)定型碳與灰為代表的固體成分60%～80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、又含有高達(dá)10%～40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的由鏈烷烴、芳香烴、碳氧支鏈為代表的煤本身固有油氣成分的揮發(fā)分[1]。將煤的揮發(fā)分先通過(guò)干餾(熱解)提取出來(lái)，不僅可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)組分的高附加值利用，而且熱解后的蘭炭品質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于原煤。

以煤為原料采用氣化、液化、熱解等不同技術(shù)路線，其能源轉(zhuǎn)化效率、單位產(chǎn)品的煤耗、新鮮水耗量、CO2排放、投資強(qiáng)度等對(duì)比如表1所示。由表1可見(jiàn)，煤熱解制蘭炭技術(shù)的系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)，顯著高于其它煤轉(zhuǎn)化過(guò)程。

2 蘭炭產(chǎn)品的特點(diǎn)

煤熱解技術(shù)的特點(diǎn)是可生成固、液和氣三種形態(tài)產(chǎn)物，而不同煤種和工藝條件又決定了其產(chǎn)物質(zhì)量及收率。當(dāng)前，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的煤熱解爐型主要為：內(nèi)熱式直立爐(處理30～80 mm塊煤、單爐蘭炭生產(chǎn)能力達(dá)30萬(wàn)t/a)、內(nèi)熱式小粒煤爐(處理6～30 mm粒煤、單爐蘭炭生產(chǎn)能力達(dá)20萬(wàn)t/a)、外熱式回轉(zhuǎn)爐(處理0～30 mm混煤、單爐蘭炭生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a)。

我國(guó)蘭炭的主產(chǎn)區(qū)為陜西榆林和新疆哈密，其原料煤均為長(zhǎng)焰煤，但因煤質(zhì)差異、熱解工藝不同，導(dǎo)致蘭炭產(chǎn)品質(zhì)量有較大區(qū)別，其指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 典型煤轉(zhuǎn)化路線的單位產(chǎn)品系統(tǒng)參數(shù)分析

表2 不同蘭炭產(chǎn)品的典型指標(biāo)

榆林蘭炭產(chǎn)品的主要特點(diǎn)為：① 油、氣綜合收率較高，1 t原煤經(jīng)熱解可以生成約0.6 t蘭炭，副產(chǎn)0.06 t煤焦油、600 m3煤氣；②蘭炭產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異，其塊粒度較好、機(jī)械性能適宜、固定碳含量達(dá)80%以上，還原性能優(yōu)越。榆林蘭炭還具有高化學(xué)活性、特低灰、特低硫等特點(diǎn)，適宜鐵合金、電石、化工等領(lǐng)域，可滿足當(dāng)前冶金工業(yè)生產(chǎn)工藝要求，現(xiàn)已出口俄羅斯、日本等國(guó)。

哈密蘭炭產(chǎn)品的主要特點(diǎn)為：① 油、氣收率高，1 t煤經(jīng)熱解可以生成約0.5 t蘭炭，副產(chǎn)0.1 t煤焦油、900 m3煤氣；② 蘭炭產(chǎn)品質(zhì)量較差，其灰分較高、粉末率較高，粒徑≤6mm焦沫達(dá)70%以上，多作為動(dòng)力煤燃燒；僅少量塊蘭炭與焦炭混配后，才可用于生產(chǎn)電石、鐵合金等。

煤熱解副產(chǎn)的中低溫煤焦油，其輕組分含量較多、重質(zhì)焦油含量相對(duì)較少，比較適宜加氫生產(chǎn)汽柴油及特種油品，其特性見(jiàn)表3。可對(duì)煤焦油加氫產(chǎn)物進(jìn)行分質(zhì)利用，生產(chǎn)高端油品及化學(xué)品，如將加氫汽油餾分深加工可生產(chǎn)環(huán)保溶劑油、重整制芳烴；將加氫柴油餾分深加工可生產(chǎn)特種軍用航空航天燃料、火箭煤油、航空煤油，變壓器油，冷凍機(jī)油，橡膠油等特種油品。

目前，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的內(nèi)熱式直立爐熱解煤氣中N2體積分?jǐn)?shù)高達(dá)40%以上，其熱值僅小于7.942 MJ/m3，屬低熱值煤氣，其組成見(jiàn)表4。該煤氣已在制氫、合成氨，燃燒發(fā)電及作為金屬鎂、石灰窯等冶煉燃料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

表3 不同煤焦油的特性比較[4]

3 蘭炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約因素

19世紀(jì)初，英國(guó)以煙煤、燭煤、褐煤等為原料采用低溫?zé)峤夥椒ㄖ圃彀虢?；為獲取煤焦油，德國(guó)在二戰(zhàn)期間，曾大規(guī)模發(fā)展了褐煤熱解-焦油加氫產(chǎn)業(yè)。而我國(guó)“蘭炭”之名最早源于榆林神木，因明火煉焦制蘭炭時(shí)產(chǎn)生“蘭色火焰”而得名，并先后歷經(jīng)土法煉焦、機(jī)制蘭炭、設(shè)備大型化等階段，被地方視為“草根產(chǎn)業(yè)”，2012年3月國(guó)家商標(biāo)總局頒發(fā)了“神木蘭炭”地理標(biāo)志證明商標(biāo)。

目前，我國(guó)蘭炭總產(chǎn)能約為1.29億t/a，主要分布在陜西榆林(產(chǎn)能6 500萬(wàn)t/a)、新疆自治區(qū)(產(chǎn)能5 000萬(wàn)t/a)、河北唐山(產(chǎn)能500萬(wàn)t/a)、內(nèi)蒙古鄂爾多斯(產(chǎn)能500萬(wàn)t/a)、寧夏自治區(qū)(產(chǎn)能400萬(wàn)t/a)。2021年，我國(guó)蘭炭產(chǎn)量約為6 000萬(wàn)t，同時(shí)副產(chǎn)中低溫煤焦油產(chǎn)量約為850萬(wàn)t、煤氣約為800億m3，折合原油當(dāng)量達(dá)2 100萬(wàn)t，約占我國(guó)原油產(chǎn)量的10%左右，已發(fā)展成為我國(guó)油氣資源的有效補(bǔ)充。

我國(guó)蘭炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，已形成相對(duì)完善的工業(yè)體系，并發(fā)展了“煤-蘭炭-電石-聚氯乙烯”、“煤-蘭炭-燃料油-特種油品-芳烴”、“煤-蘭炭-發(fā)電”、“煤-蘭炭-合成氨-碳銨”、“煤-蘭炭-金屬鎂”一體化5個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)榆林建成了世界最大的金屬鎂生產(chǎn)基地、國(guó)內(nèi)重要電石-氯堿生產(chǎn)基地[5]。蘭炭產(chǎn)業(yè)雖已成為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，但尚未走出生產(chǎn)工藝低端、三廢問(wèn)題突出、產(chǎn)品粗放的困局，產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍面臨諸多制約與嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。分析原因，主要為設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)、管理等均不夠規(guī)范。

表4 蘭炭煤氣的組成比較

(1)設(shè)計(jì)因素?；ぴO(shè)計(jì)是科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的橋梁和紐帶，也是從工程設(shè)想變?yōu)楣I(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，蘭炭項(xiàng)目設(shè)計(jì)存在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全、集成設(shè)計(jì)不系統(tǒng)、創(chuàng)新成果應(yīng)用較少等問(wèn)題。因此，蘭炭產(chǎn)業(yè)應(yīng)推動(dòng)在國(guó)家層面，建立有別于焦化的建設(shè)準(zhǔn)入細(xì)則、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，由經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)設(shè)計(jì)院規(guī)范化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成，并加大創(chuàng)新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

(2)施工因素。長(zhǎng)期以來(lái)，由于蘭炭生產(chǎn)粗放、裝備嚴(yán)密性要求低，以大工匠為主的施工隊(duì)伍即可滿足工程建設(shè)需求。但隨著國(guó)家對(duì)蘭炭生產(chǎn)管理要求的不斷提高，經(jīng)驗(yàn)性施工則存在諸多弊端，譬如施工誤差大、生產(chǎn)檢修率高、跑冒滴漏嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，蘭炭項(xiàng)目施工應(yīng)按照設(shè)計(jì)圖紙及施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由有經(jīng)驗(yàn)的規(guī)范化施工單位完成，并重視關(guān)鍵裝置施工質(zhì)量，嚴(yán)格把控關(guān)鍵設(shè)備與材料質(zhì)量關(guān)。

(3)生產(chǎn)因素。蘭炭生產(chǎn)粗放主要體現(xiàn)在：① 關(guān)鍵控溫技術(shù)，依靠“熟練調(diào)火工”經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大；② 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差，煤塵、VOCs排放大，環(huán)保設(shè)施不健全；③ 自動(dòng)化程度低，生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大；④ 生產(chǎn)工人普遍未進(jìn)行化工專業(yè)知識(shí)和技能的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。因此，應(yīng)開(kāi)展多專業(yè)協(xié)同技術(shù)攻關(guān)，突破自動(dòng)控溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤焦輸送無(wú)人值守，大幅提高自動(dòng)化水平、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，補(bǔ)齊環(huán)保短板，實(shí)施廢氣、廢水達(dá)標(biāo)治理，并提高生產(chǎn)技術(shù)與管理人員的業(yè)務(wù)水平。

(4)管理因素。雖然蘭炭起步于地方產(chǎn)業(yè)，但現(xiàn)已在陜西、新疆、內(nèi)蒙古、寧夏等省(自治區(qū))廣泛生產(chǎn)，年轉(zhuǎn)化煤炭達(dá)上億噸。2008年，蘭炭產(chǎn)業(yè)納入國(guó)家產(chǎn)業(yè)目錄，相關(guān)管理政策標(biāo)準(zhǔn)才得以建立，但與當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)規(guī)模相比，政策標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)嚴(yán)重滯后。產(chǎn)能淘汰、節(jié)能制度、環(huán)保監(jiān)管政策不明朗或依據(jù)不明確，蘭炭產(chǎn)業(yè)管理在冶金、焦化、化工等多行業(yè)間徘徊不定，同時(shí)，國(guó)家層面的《蘭炭建設(shè)(含技改)項(xiàng)目環(huán)境準(zhǔn)入條件》亟待出臺(tái)。

4 發(fā)展建議

2021年12月，中央環(huán)保督察組督查榆林時(shí)指出：榆林蘭炭產(chǎn)業(yè)存在淘汰落后產(chǎn)能不力、違規(guī)建設(shè)多發(fā)、生產(chǎn)方式粗放、環(huán)保治理不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，并列為典型案例、推動(dòng)行業(yè)整改。中央環(huán)保督察抓住了當(dāng)前蘭炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心、切中要害，非常及時(shí)且必要。

梳理督查通報(bào)中提到的問(wèn)題，主要?dú)w為三類：因以煤為原料“兩高”屬性、產(chǎn)能過(guò)剩的產(chǎn)業(yè)發(fā)展問(wèn)題；因淘汰落后產(chǎn)能不力、違規(guī)立項(xiàng)、無(wú)節(jié)能審查批復(fù)等的監(jiān)督管理問(wèn)題；因廢水、廢氣處理未處理或未達(dá)標(biāo)的生產(chǎn)管理問(wèn)題，具體分析內(nèi)容見(jiàn)表5。

表5 督查通報(bào)榆林蘭炭問(wèn)題分析

通過(guò)表5所列分析認(rèn)為：當(dāng)前蘭炭產(chǎn)業(yè)主要是由于管理不到位，加之，現(xiàn)有蘭炭裝置的設(shè)計(jì)、建設(shè)、生產(chǎn)等不夠規(guī)范，從而陷入發(fā)展困局。在新形勢(shì)下，蘭炭產(chǎn)業(yè)必須按照節(jié)能減排、綠色低碳的要求，從產(chǎn)業(yè)布局、項(xiàng)目配套、技術(shù)水平、安全環(huán)保等方面規(guī)范蘭炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)標(biāo)整改、徹底解決，“騰籠換鳥(niǎo)”、“涅槃重生”。

因三廢處理、節(jié)能減排措施的完善，蘭炭生產(chǎn)成本將增加，而下游市場(chǎng)仍存在較多的需求風(fēng)險(xiǎn)，未來(lái)蘭炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益尚較難預(yù)判。多數(shù)蘭炭煤氣僅用于燃燒發(fā)電、煅燒利用，造成優(yōu)質(zhì)資源被浪費(fèi)，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展以熱解煤氣深加工制氫能、氨燃料、循環(huán)利用CO2制綠色低碳甲醇、乙二醇等。以負(fù)碳、零碳為目標(biāo)，提前布局粉焦還原CO2制一氧化碳及下游有機(jī)碳等技術(shù)示范。

為此，在制定行動(dòng)方案推動(dòng)環(huán)保督查問(wèn)題整改的同時(shí)，應(yīng)加快百萬(wàn)噸級(jí)粉煤熱解技術(shù)工程化示范，持續(xù)深入開(kāi)展煤熱解基礎(chǔ)理論、塊煤熱解技術(shù)研究，攻克以內(nèi)熱式直立爐均勻熱傳導(dǎo)為核心的多尺度熱解研究、高蘭炭品質(zhì)為導(dǎo)向的煤熱解技術(shù)研究等，為現(xiàn)有裝置工業(yè)操作優(yōu)化提供建議及理論基礎(chǔ)。同時(shí)，大型國(guó)企應(yīng)主動(dòng)作為、發(fā)揮引領(lǐng)示范作用，從蘭炭生產(chǎn)全系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流統(tǒng)籌考慮，開(kāi)展短流程全蘭炭廢水處理技術(shù)示范，建設(shè)蘭炭生產(chǎn)節(jié)能減排技術(shù)集成應(yīng)用與示范項(xiàng)目。