低阶煤分质高效转化多联产技术开发与工程实践.doc

低阶煤分质高效转化多联产技术开发与工程实践 尚建选（陕西煤业化工集团有限公司，陕西省西安市，710054）摘 要自2004年以来，陕西煤业化工集团有限责任公司针对陕北低阶煤的特点，提出了低阶煤分质高效转化多联产的理念以低阶煤热解技术为核心，由煤的四级分质转化技术优化耦合集成。经多年的研究和实践，现已建成一批工业示范装置，并取得一系列技术成果。目前正以“国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室”为平台，以企业为主导的“产、学、研”相结合为技术支撑，对低阶煤分质高效转化多联产体系中的7项关键技术进行升级研发及工艺优化。在“十二五”期间将建成一期3000104ta-1煤炭分质高效多联产项目，对促进我国低阶煤高效转化、清洁生产、节能减排、不断提高经济和环境效益具有重要意义。关键词：低阶煤；热解；分质转换；多联产；工程化Develop and industrial practice for low rank coal in quality and efficient transformation of polygenerationShang Jianxuan(Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co., Ltd., Shaanxi Xian, 710070 )AbstractSince 2004, the Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co., Ltd. puts forward the quality and efficient transformation of polygeneration concept for low rank coal base on the Northern Shaanxi coal characteristics treat the low rank coal from coal pyrolysis technology as the core, using coupling integration plastid transformation technology optimized the four fractions of the coal. After years of research and practice, a number of industrial demonstration unit has completed, and a series of technical achievements has been achieved. At present, “The State energy key lab of clean coal grading conversion” has been used as a platform, which the enterprises as the leading for technical support by a combination of production, learning and research , optimized and upgraded 7 key technologies by R & D process for the low rank coal in quality and efficient transformation of polygeneration system. In the 12th Five-Year Plan period, a 3000x104t a-1 scale quality and high efficiency polygeneration of coal project will built for the first milestone, which can promote the high efficient transformation of low rank coal, clean production, energy conservation, emission reduction, also to constantly improve economic and environmental benefits have great significance for our country.Key words: Low rank coal; pyrolysis; grading conversion; polygeneration; industrial从我国“缺油、少气、煤炭资源相对丰富”的资源禀赋条件和现有的技术发展分析，能源自给率的保障只能来自于煤炭资源的大规模使用，以煤为主的能源战略是必然的选择。国家能源战略目标的核心是减少关键领域中对进口资源的依赖，以保障我国经济可持续发展的稳定性和高效、节能、降污，实现清洁化生产。基于这些目标，在液体燃料、气体燃料和化工原料领域中逐步扩大煤炭资源对油气资源的替代是不可避免的。虽然我国煤炭资源相对丰富，但随着我国经济的迅速发展，其生产量和消费量已均为世界第一位，并从2009年开始成为煤炭净进口国。而我国人均煤炭资源占有量仅为234.4t，低于世界人均占有量（312.7t）和美国人均占有量（1045t）1。因此，在发展煤化工产业过程中，一定要坚持最大限度地利用煤炭资源的方针，必须坚决贯彻落实科学发展观和党的十七届五中全会精神，按照国家“十二五”规划纲要的要求，走高效率、低排放、清洁加工转化利用的发展之路。 对于占我国煤炭总量、探明保有储量以及目前煤炭产量均在55%以上的低阶煤（褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤），其煤岩组分中凝胶化组分相对较高，工业分析组成中挥发分较高，其有机质化学结构中侧链较多，有机质元素组成中氢氧含量较高2-4。低阶煤的化学结构特点决定了可以以最小的能耗和物耗，通过科学的煤炭转化方式，同步获取所需的化学品和清洁能源，实现煤炭资源的高效转化及多联产利用。低阶煤分质高效转化多联产是按照科学发展观，转变煤炭传统利用方式的具体体现，即将低阶煤炭通过分质转化，梯级利用，实现油、气、化、电、热的多联产，达到对煤炭资源的清洁高效利用，最终实现经济和环境的和谐发展。陕北地区煤炭资源丰富，煤炭总分布面积约27140km2，探明煤炭资源储量1460108t，预测总量6940108t，占陕西省的86.4%，占全国的14%，是世界8大煤田之一5-7。陕北煤属特低灰、特低硫、高发热量的长焰煤，其含油率高达10%12%，是优质的热解原料煤和化工用煤。从陕北煤质特点出发，采用热解（干馏）加工技术，对煤中不同成分进行分质综合利用，可以做到物尽其用，提高能量利用效率，发展多联产低碳经济，对推动节能减排改变经济发展方式具有重大意义。矿井水煤炭开采煤层气工业用水生态环境用水生活用水洗选分级煤的热解热解煤气城市工业煤气燃气轮机发电化工原料制氢、液化天然气半焦民用、工业清洁燃料气化制合成气气电石、铁合金、吸附剂气化联合循环发电焦油化学品燃料油民用燃料化工原料发电矸石、煤泥、中煤建材发电化工原料一级利用二级利用三级利用四级利用陕西煤业化工集团通过多年的研究总结和实践，根据陕北长焰煤各组分的特点，已经成功探索出一条煤炭分质利用的途径，并提出低阶煤分质清洁高效转化多联产路线，如图1所示。图中多联产路线是以煤为龙头，热解技术为核心，由煤的四级分质转化技术优化耦合集成8-17。图1 低阶煤分质清洁高效转化多联产路线图目前，陕煤化集团以“国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室”为平台，以企业为主的“产、学、研”结合为技术支撑，对低阶煤分质高效转化多联产体系中的关键技术进行升级研发和产业示范，加快陕北能源化工基地榆神煤化学工业区煤炭分质高效转化多联产示范项目建设的步伐。1 低阶煤分质高效转化多联产工程实践陕西煤业化工集团有限责任公司（以下简称“陕煤化集团”）是陕西省特大型能源化工企业，现拥有60个全资、控股、参股企业，在册职工12.8万人。2011年全年实现销售收入1007108元；煤炭产量达1.02108吨，连续两年跨入亿吨级煤炭企业行列；化工产品产量650104吨；实现利税248108元；资产总额达到了2152108元，继续保持了“十一五”期间“每两年翻一番”的跨越式发展态势，显示了良好的成长性。位列2012中国企业500强第107位，连续4年蝉联中国企业效益200佳。陕煤化集团从2004年组建开始，明确提出了煤炭分质高效转化多联产利用的概念，并以产学研结合模式为支撑，对关键技术的研发和工艺技术、产品方案优化组合等多方面进行了长期的研究探索，并有计划、有目的进行了工业化示范，建成一批工业示范装置并取得了一系列技术成果。1.1在彬长矿区建成了目前国内规模最大的瓦斯电厂（13MW），年利用矿井瓦斯抽采系统抽出的低浓度（8%）瓦斯2419104Nm3（折纯），相当于每年减排二氧化碳37.8104t，被国家发改委确定为清洁发展机制（CDM）项目。项目的建设，必将对我国煤矿通风瓦斯综合利用产生巨大的示范和带动作用。1.2根据黄陵矿区资源特点，加大了原煤洗选加工力度，全面利用了煤矸石、矿井水和洗选产生的煤泥、中煤，建成总装机130MW的煤矸石综合利用电厂，年消化低热值燃料40104t；利用电厂产生的粉煤灰和余热，建成了5000104块a-1蒸压砖厂，年利用粉煤灰15104t，取代约13104m3黏土，保护耕地约60亩。通过煤炭开采洗选加工精煤焦化矸石发电灰渣建材的大循环，矿区最终年产值将超过200108元，相较于仅产原煤，效益增加近6倍。可以说，黄陵矿区通过发展循环经济，已经走出一条可持续发展的健康之路。1.3与中科院大连化学物理研究所、中石化洛阳石化工程公司合作开发的DMTO-I技术在神华包头煤制烯烃项目实现长周期、安全、稳定运行，目前该技术已转让18家企业；开发的DMTO-技术，工业化试验已取得成功，2010年入选中国十大科技进展新闻，现正在陕西蒲城建设180104t甲醇、70104t烯烃工业化示范项目（DMTO-）。1.4投资建成了50104ta-1煤焦油轻质化装置，通过自主研发，将兰炭（半焦）生产企业的副产物煤焦油、干馏煤气生产成轻质化燃耗油。年加工煤焦油50104t，生产轻质化燃耗油38104t、石油焦8104t、兰炭135104t，同时副产液化气、硫磺、液氨等产品，年产值超过30108元，是目前国内单套规模最大、技术等级和煤炭资源转化率最高的煤焦油轻质化生产装置。2010年4月项目开车成功，经中国石油和化学工业联合会组织的专家现场考核和技术鉴定，工艺技术属于国内首创。截止2012年10月，连续平稳运行28个月。目前，正在对该装置进行工艺技术优化，利用自主开发技术开工建设2.2104 ta-1中低温煤焦油复合溶剂抽提制酚工业示范装置，投运后煤焦油加工能力将提高至80104ta-1。同时完成了所产沥青焦制高档增碳剂技术的研发。1.5 与大连理工大学、中国化学工程公司合作开发了粉煤低温热解技术，投资建成60104ta-1粉煤固体热载体快速热解工业化示范装置，目前正在进行试生产。1.6 建成12104ta-1低温煤焦油全馏分加氢装置，2011年11月装置开车成功，石脑油、柴油分收率达到96.31%，试生产负荷超过80%。1.7 在榆林地区已形成800104t兰炭、80104t煤焦油、80104t烧碱、100104t聚氯乙烯、200104t电石、240104t水泥生产能力，构建了“块煤兰炭电石乙炔聚氯乙烯电石渣水泥；块煤兰炭煤气制氢/尾气发电煤焦油加工”的分质转化多联产产业链。1.8与大连化物所合作开发成功的高混合碳四催化裂解制丙烯技术，经中国石化联合会组织鉴定，认为该技术处于国际领先水平；并已完成了甲醇、甲苯耦合制对二甲苯中试试验，中国石化联合会将于近期组织鉴定。1.9 与西北化工研究院合作开发粉焦制浆及气化技术。1.10正在开发建设120a-1煤气活化与煤热解耦合增油工业试验装置。1.11正在陕煤化集团龙门钢铁公司进行粉焦作为高炉喷吹料工业化试验。2 煤炭分质高效转化多联产技术升级开发陕煤化集团在煤炭分质高效转化多联产工业化示范中取得了一定的成果，但仍需要技术升级和优化。目前，正在进行以下技术升级开发研究。2.1 煤炭热解技术开发2.1.1中低温高效热解技术，重点对20mm、6-20mm、6mm为原料煤的系统热解技术的开发和优化集成；2.1.2 粉煤快速催化热解及闪速热解技术；2.1.3 中低温热解气固分离技术开发及关键设备研究； 2.1.4 干熄焦技术及关键设备研究；2.1.5 煤炭与生物质共热解技术研究；2.1.6 煤炭热解机理及过程控制研究。2.2 中低温热解与高效气化耦合集成技术开发2.2.1 高温焦粉直接气化技术；2.2.2 合成气活化热解技术；2.3 中低煤焦油的综合利用技术开发2.3.1 煤焦油加氢尾油综合利用技术；2.3.2 石脑油重整与甲醇耦合制PX技术；2.3.3 石脑油与甲醇耦合制烯烃技术。2.4 焦粉利用技术开发2.4.1 焦粉替代锅炉燃料技术；2.4.2 焦粉替代高炉喷吹料技术；2.4.3 焦粉干法或湿法气流床气化技术；2.4.4 焦粉制浆及大规模、长距离管道输送技术；2.4.5 焦粉制高效吸附剂技术；2.5 煤基沥青制新型碳素材料工艺技术开发2.5.1 煤沥青制针状焦生产技术；2.5.2 碳纳米管生产技术；2.5.3 特炭、高档增炭剂、泡沫炭等生产技术。2.6 碳捕集及炭储存技术开发2.6.1 燃烧及化工生产过程中的CO2捕集技术；2.6.2 CO2深部煤层及采空区封存技术；2.6.3 CO2驱煤层气技术。2.7 环保技术研究及开发2.7.1 煤热解、煤焦油加氢及多联产工艺过程中的废水处理技术；2.7.2 煤化工生产中固体废弃物综合利用技术。目前，陕煤化集团以国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室为平台，设置有五个部门（热解技术研究部、热解焦清洁技术研究部、煤制化学品技术研究部、煤基新材料技术研究部和环保与节能技术研究部）和四个基地（西安研发基地、华县中试基地、泾渭专利专有产品生产基地和陕北工业化示范基地），联合国内十三家科研院校、工程设计单位建立创新的科技研发体制，对低阶煤炭的分质高效转化多联产关键技术进行系统研发和升级。3 陕煤化集团低阶煤分质高效转化多联产升级示范项目建设陕煤化集团 “十二五”期间，在陕北能源化工基地规划的榆神煤化学工业区计划建设大型煤炭分质高效转化多联产工程示范项目，一期3000104ta-1煤炭分质高效转化多联产项目已经启动，该项目依托自有煤炭资源，充分利用陕煤化集团自主创新的煤热解、煤焦油轻质化、石脑油、甲醇耦合制对二甲苯等一系列工艺和环保技术，通过煤的分质转化、梯级利用，延长产业链，实现高效多联产18。产业链如图2所示：图2 陕煤化集团分质高效转化多联产工程示范项目产业链示意图本项目资源主要利用方式为：煤矸石、煤泥作为综合利用电厂燃料发电；矿井水综合处理后，作为洗选、电厂、防尘、绿化等工业用水；粉煤灰、电石渣作为制砖厂或水泥厂的原料；煤焦油经深加工提取酚类等部分精细化工原料后生产石脑油、柴油组分等；石脑油经重整、芳烃分离生产苯、甲苯、对二甲苯，进一步生产聚酯、对苯二甲酸丁二醇酯工程纤维及塑料；半焦生产副产煤气经净化处理后可分质利用，作为乙二醇、碳铵、碳酸二甲酯的原料气，部分氢气作为煤焦油加氢原料；半焦还可以作为气化原料生产甲醇及作为钢厂高炉喷吹料； 本项目具有以下特点：（1）根据煤炭的粒度，采用不同的热解技术（固体热载体、气体热载体），对煤炭进行分质利用，生产市场紧缺的清洁能源产品；对热解产生的煤气经净化后，分离出氢气、甲烷及合成气，进一步生产乙二醇、碳酸二甲酯等精细化工产品；对煤焦油进行深加工，通过甲苯、甲醇耦合生产对二甲苯，进一步生产聚酯等工程材料。（2）资源利用率高，对于提高我国煤化工产业的整体水平有着积极的意义。项目中的主要生产装置达到国内外先进水平，具有经济规模优势，工艺技术先进、成熟可靠、装备合理、生产安全、环境保护符合国家和地方要求。（3）能量效率高，水耗低，是陕北煤炭生产能源产品的最优方式。目前国内将煤炭转化为能源产品的方式有发电、煤制油、甲醇、二甲醚等。不同利用方式的能量效率由低到高为间接煤制油（34.8%）二甲醚（37.8%）甲醇（43.8%）发电（3545%）（扣除自用电后仅38%左右）煤制天然气（5060%）。经计算，本项目综合能量效率达74.8%，大大高于其他煤制能源产品，充分体现了循环经济的特色，是依据陕北煤炭的特点进行加工转化的最有效利用方式。另外，从单位产品热值水耗来看，每GJ耗水量由低到高为煤制天然气（0.160.2t）间接煤制油（0.38t）二甲醚（0.77t）甲醇（0.74t）。本项目单位产品热值耗水量为每GJ耗水量为0.03t，耗水量最低，水耗指标先进，是陕北煤炭最节水的转化方式，这对于具有陕北煤质特点的富煤缺水地区发展煤化工产业具有十分重要的意义。参考文献：1 BP公司.BP世界能源统计年鉴R/OL.2012.2 崔村丽.我国煤炭资源及其分布特征J.科技情报开发与经济，2011, 21(24): 181-182,198.3 毛节华，许惠龙.中国煤炭资源分布现状和远景预测J.煤田地质与勘探，1999,27(3):1-4.4 尹立群.我国褐煤资源及其利用前景J.煤炭科学技术.2004,32（08）：12-14,23.5