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        現代煤化工創新技術展望
        發布時間:2020-11-30        類別;媒體采風        來源:https://mp.weixin.qq.com/s/0hQ2BJYPndK1lwNwkPoIyg
        一、發展趨勢(2021~2030~2050)
         
        2030年我國人口將達到15億人。2050年,GDP將在現有基礎上增長兩倍(前15年增長1.2倍,后15年增長0.8倍);能源消費需求前15年預計年增長1.8%左右;后15年增長1.2%左右;能源消費結構將發生顯著變化:包括生物燃料在內的可再生能源占比將由18%提高到30%以上,煤炭在能源消費中占比將由57%下降到40%左右,石油和天然氣占比30%。煤炭仍將是我國第一消費能源。

        (一)重點關注的創新性、突破性技術
         
        現代煤化工技術在取得成功示范的基礎上,今后30年必須在關鍵核心技術上取得突破,創新一批重大技術成果,使現代煤化工生產流程簡化,投資降低,物質消耗和生產成本大幅下降,產品質量和性能不斷提升,國際競爭能力顯著提高。只有努力創新,緊跟工業革命的步伐,從技術和工程上取得重大突破,才能使現代煤化工產業可持續發展,在市場競爭中立于不敗之地。今后30年現代煤化工別無選擇,必須在技術創新突破上下決心背水一戰,否則沒有出路。
         

        1、煤氣化技術

        煤氣化技術是現代煤化工技術的龍頭,是最重要的關鍵技術,對現代煤化工投資和生產成本影響較大。以180萬噸甲醇為例,煤氣化占生產裝置投資(含空分)的40%~45%,占甲醇生產成本的55%~60%,可見煤氣化在現代煤化工中的重要性。目前干法粉煤氣流床氣化技術,其煤氣成分中CO高達65%(Vol)以上,H225%,H2/CO=0.385,而甲醇生產要求H2/CO比為2.1,煤制油合成氣H2/CO比為1.68,為了滿足高H2/CO比的要求,就需要對CO進行變換制H2,產生大量CO2,造成煤氣凈化的變換,脫CO2投資加大,能耗增加;因此需要開發合成氣H2/CO高的煤氣化生產工藝,最好選擇水煤漿氣化技術(H2/CO比為0.8),只需要將20%~25%的CO經變換即可達到H2/CO比1.68~2.1的要求。煤氣凈化的變換,脫碳裝置能力只有粉煤干法氣化的一半,投資、能耗均大幅度降低。為此,建議今后30年煤氣化技術應在以下幾個方面下功夫取得突破。

        (1)干法高溫、高壓氣化技術的突破

        美國芝加哥煤氣化研究院(GTI)完成的高溫(2600℃)、高壓(8.16Mpa)R-GAS干粉氣化技術試驗裝置,Φ152mm氣化試驗爐每天氣化煤量18~50噸,碳轉化率>99%,(CO+H2)>90%,灰渣含C<1%,爐內氣化介質停留時間0.5秒(國內干法氣流床氣化停留>5秒),同樣產氣量其爐內容積只有其它干法氣化爐的1/9,大幅度降低氣化裝置的建設投資,每天氣化3000噸煤的R-GAS氣化爐內徑僅1~1.2m,投資降低50%,成本及能耗可降低20%~30%;2017年6月GTI技術與山西陽煤集團簽訂日氣化800噸煤的工業示范協議。若該示范項目成功,將是煤氣化技術的重大突破。

        (2)干法和濕法一體化新型煤氣化爐

        研究設計干法與濕法結合的一體化氣流床創新型氣化爐,吸收干法和濕法兩者的優點,利用干法高溫氣化的熱能氣化水煤漿,可大幅度降低單位合成氣(CO+H2)的氧耗和煤耗,同時將水煤漿濃度由65%提高到70%,達到氣化用水的自平衡。冷煤氣效率達到90%的高水平是有可能的,這將是煤氣化的突破性技術。

        (3)水煤漿氣化技術的進一步提高

        一是將水煤漿濃度提高到70%以上,減少水入爐量,降低水耗、能耗;二是采用冷壁爐將氣化溫度提高到1500℃以上,廢熱鍋爐副產蒸汽,提高熱利用率;三是加入部分CO2作為氣化劑替代O2氣,降低O2耗,減少CO2排放,減少煤耗;四是提高氣化壓力至9.0Mpa,取消合成氣壓縮機,實現甲醇等壓合成。水煤漿氣化壓力8.7Mpa,與6.5Mpa氣化相比,甲醇生產原料煤消耗降低3%,能耗降低40%,處于國際領先水平。

        (4)利用太陽能、CO2和水生產合成氣

        2019年10月,美國每日科學網站報導,英國劍橋大學經7年研究,演示了一種碳中性設備(稱為人造樹葉),將CO2和水轉化為合成氣(CO+H2)。該技術關鍵是研制鈷催化劑、5~10納米顆粒銅基催化劑或膠狀二磷化銀納米晶體催化劑。

        另外,2020年1月英國《自然·能源》期刊報導,低溫催化劑可低碳生產合成氣,開發了鑲嵌著釕原子的微小銅球納米顆粒催化劑,將CO2和CH4催化轉化為合成氣。

        (5)BP《世界能源統計年鑒》2018年我國CO2排放量94.287億噸,占世界排放總量的27.8%,居世界第一位。CO2減排是制約煤化工發展的重要因素,將CO2作為碳資源轉化為合成氣是今后必須突破的重大技術難題。2050年前我國總體實現碳中和是向世界氣候大會的承諾。CO2減排刻不容緩。

        (6)煤與天然氣共氣化技術

        根據煤炭中碳多H2少、天然氣H2多碳少的特點,兩者在同一氣化爐中進行共氣化,實現碳氫互補,熱能互補,提高H2/CO比例,適應后續加工產品的要求,降低煤和天然氣、氧氣,蒸汽(水)消耗,總體可降低能耗,減少CO2排放。西北化工研究院2015~2017年完成了煤和天然氣共氣化的技術開發和工業示范,取得良好效果。煤氣(干基mol%)中H252.63%、CO39.26%、CO27.38%,合成氣(CO+H2)92.29%;H2/CO比為1.341。通過天然氣加入量可調節H2/CO比為0.8~1.5的合成氣。煤中碳轉化率達99.18%,天然氣甲烷轉化率99.99%,冷煤氣效率82.86%;氣化壓力3.0~6.5Mpa,溫度~1350℃;運行指標優于現有煤或天然氣單獨氣化的實際指標。除天然氣外,焦爐氣,中低溫煤熱解煤氣,高爐煤氣、煉油廠排放的有機氣體等均可與煤共氣化。
         

        (二)煤制高附加值化學品、油品技術
         

        1、合成氣一步法制取低碳烯烴技術

        中科院大連化物所開發的合成氣一步法制低碳烯烴、芳烴技術,取消中間產品甲醇的產生,大大簡化了工藝流程,具有目標產品選擇性高、投資少、成本低、綜合能耗低、廢水排放少、環境更友好等優勢。該技術關鍵是研發了雙功能“復合型催化劑”,并在溫和的反應條件下實現一步法合成烯烴、芳烴,進一步深加工生產高端精細化學品。這是我國現代煤化工技術的重大突破。
         

        2、兩段式等溫反應器合成甲烷技術

        華能集團清潔能源研究院與甘肅華亭煤業集團合作開發并建成100m3/h等溫反應器兩段式合成氣甲烷化試驗裝置。2017年6月打通全流程,到8月底運行1080小時。一段等溫反應器熱點400℃,時空產率增大一倍,催化劑壽命預計3年以上。同年8月通過全國煤炭協會專家72小時考核鑒定。

        該技術與引進的甲烷化技術相比,工藝流程縮短簡化,投資、綜合能耗、甲烷成本均大幅度降低。打破國外甲烷化的技術壟斷。
         

        3、合成氣中高壓法制乙二醇技術

        上海戊正工程技術公司,開發的中高壓合成氣制乙二醇及配套的催化劑,建成百噸級中試裝置進行長周期驗證運行。形成第二代EG專利技術(STEG-Ⅱ),羰基化和酯化反應壓力由0.2~0.5Mpa提高到了1.0~5.0Mpa,加氫反應器壓力由2.0~3.0MPa提高到3.5~10.0Mpa;二代技術羰化反應器能力由15萬t/a提高到80萬t/a,酯化反應器能力提高4倍,加氫器反應能力提高8倍。工藝流程簡化,反應器臺數大為減少,單系列一臺反應器產能可達40~60萬t/a;物耗、能耗、投資、成本、占地面積明顯降低,噸產品耗水量減少50%,戊正公司與環球工程公司合作,完成40萬噸EG設計工作,正在建設兩套示范項目。該技術示范成功,將是EG生產技術的重大突破。
         

        4、合成氣制乙醇技術

        在中科院大連物化所完成30t/a中試基礎上,與興化集團合作建成國內首套10萬t/a合成氣制乙醇工業示范裝置。每噸乙醇消耗合成氣0.7噸,耗甲醇0.75噸,該技術催化劑和工藝技術仍有較大的優化提高潛力。目前正在榆林建設50萬t/a大型工業化生產裝置。
         

        5、煤制油(直接、間接法)技術

        直接法和間接法煤制油技術,在實現大型工業化基礎上,仍需進一步從全系統工藝優化、新型催化劑開發、重大關鍵反應器設計、自動控制和本質安全、網絡化、數字化等多個方面繼續開展技術創新,不斷提高技術裝備水平,應對國際原油價格波動給煤制油造成不利影響。
         

        (三)碳捕集、CO2資源化減排技術

         

        1、碳捕集的難點是燃煤鍋爐煙氣中CO2的捕集,因煙氣排量太大,溫度高,CO2含量低(7%~8%),碳捕集成本高,燃煤煙氣碳捕集突破技術經濟問題是關鍵。

        煤氣化煤氣中CO28%~19%,但氣量不大,溫度不高,用物理化學法脫除CO2,回收的CO2濃度可達98.5%以上,可作為尿素、碳酸氫銨、純堿、碳酸鹽的生產原料資源化利用,技術已成熟并實現工業化應用,今后應進一步優化提高技術水平,降低能耗和成本。
         

        2、CO2減排技術,國內外正大力開展新技術研發工作,總體尚未取得實質性突破,已發表的研究成果顯現出好的苗頭。主要有:

        (1)人造樹葉。利用太陽能光合原理,將CO2、水、O2制合成氣(CO+H2)或液體燃料(甲醇、汽油)。

        (2)森林(含草原)碳匯。聯合國氣候研究小組,在秘魯4.3萬平方公里熱帶雨林進行研究測試,結果每公頃森林每年可吸收CO2336~503噸。亞馬遜流域有550萬平方公里的雨林,能儲存900~1400億噸CO2,有助調節全球氣候變暖。對抗全球變暖的最有效方法是大量植樹。

        我國提出每年植樹造林700~1000萬公頃,要求到2030年,森林覆蓋率由建國初的8.6%提高到21.66%,新增造林面積4000萬公頃,每年可吸收CO2134.4億m3?!栋屠鑵f議》我國承諾,2030年單位GDPCO2排放比2005年下降60%~65%。植樹造林承擔著我國CO2減排的主要任務,是行之有效的措施之一。

        (3)今后30年應大力發展H2能源及綠色甲醇燃料電池。山東理工大學與清潔能源工程技術中心合作開發的甲醇燃料電池,采用廉價的模擬生物酶催化劑,經4年研發已取得技術突破。以甲醇水溶液為原料,工作溫度從室溫到135℃,可生產直流電向外供電。既解決甲醇產能過剩,也可生產清潔的電能。

        H2是最清潔的能源。H2能源難點是解決廉價H2的生產技術。應加快開發低成本制H2技術,力爭取得突破。另外應研究石油和化工副產H2的利用。例如電解法燒堿副產H2。

        (4)CO2和H2合成制甲醇,日本三菱化學在大阪建成100t/d產能的CO2和H2生產甲醇工業試驗裝置并運行成功。該技術要解決兩個問題才能具有經濟價值和推廣應用,首先要有廉價H2供應,其次要有高效的催化劑。

        (5)新型導水膜將CO2高效轉化為甲醇。美國倫斯勒理工學院研制一種新型導水膜,可將CO2高效轉化為甲醇,采用銅—鋅—釩催化劑,在導水膜作用下,每克催化劑產出甲醇從339mg提高到809mg,提高了近2.4倍(H2來源于水)。

        (6)反向燃料電池??蓪O2轉化為化工產品(如乙烯和其它產品)速度加快10倍。與氫燃料電池相反的設備叫電解器,用它來驅動化學反應,將CO2轉化為乙烯等碳基分子,其生產原料為氣態CO2,液體水的H2離子,金屬(銅)催化劑,取得技術突破,另外美國和加拿大科學家合作,研發了一種銅和鐵納米顆粒催化劑鑲嵌在太陽能電池板上,利用太陽能分解CO2和水,用于甲烷合成。
         

        (四)節水節能技術
         

        現代煤化工是水和能源消耗大戶,煤資源豐富地區又是水資源缺乏地區,水資源已成為現代煤化工發展的重要制約因素。
         

        1、節水技術潛力很大。

        一是北方和西北地區常年平均氣溫在10℃以下(如能源金三角地區),可以空冷代替水冷,大量節約冷卻用水;二是水零排放,加強中水回用;三是生產過程中副產水應100%回收利用(合成油、烯烴副產56%~60%的生產水);四是熱動平衡,采用“夾點技術”先進設計方法,避免生產過程中的冷熱交替的弊端;五是循環水密閉循環,消除敞開式循環水蒸發造成新鮮水的補充量加大。


        2、節能技術。

        一是化學反應熱充分利用;二是低位熱能(如100℃以下廢氣、蒸汽、熱水)利用,大型化以后丟掉的這部分能量是很大的;三是工藝本質優化及技術革命尋求最大的節能點;四是大力采用節能的電氣設備和動力設備,如變頻電機、節能燈具、高效低損耗變壓器、電機、電纜等;五是原料煤及其它原料實行精細化、多元化。不鼓勵“吃粗糧”。
         

        二、把握我國產業發展方向
         

         

        (一)產業科學布局很重要

         

        根據我國能源資源地域分布特點,現代煤化工產業應集中向煤、油、氣,特別是煤資源豐富地區布局(如晉、陜、蒙、寧、甘、新疆),如能源“金三角”地區,做到統籌規劃。符合最近中央公布的加大西部大開發的政策,符合一帶一路國家發展大戰略。

         

        (二)推動能源產業與煤化工產業融合發展

         

        新的工業革命必須打破行業隔離封閉狀態?,F代煤化工與石油化工、電力、油氣產業之間應取長補短,優勢互補,只有煤—油—化—電一體化融合發展,才能做到資源利用效率最大化,經濟效益最大化,生態環境最優化。根據各個地方及工業園區綜合條件規劃布局不同的產業融合多聯產模式。

         

        (三)氫能是世界公認的最清潔的新能源

         

        H2作為動力燃料,燃燒后只生成水,沒有任何污染?,F代煤化工都有煤氣化裝置,煤制H2成本最低,有條件發展H2能源,作為現代煤化工的產品之一適時發展。但要配套做好H2儲存設施,運輸設施和加H2設施三件事,形成上下游一體化的生產銷售產業鏈。
         

        (四)大力提升現代煤化工產業發展水平


        提升產業現代化、自動化、智能化水平,建設智能型現代煤化工企業?,F代煤化工和石油化工都是連續性生產,自動化水平要求很高,安全生產要求十分嚴格,通過信息化、數字化、智能化技術,實現工廠高端化、長周期、滿負荷穩定安全運行。
         

         

         

        結束語:

        2050年中國現代煤化工創新發展的技術突破,是現代煤化工高水平可持續發展的前提。需要全行業人士集思廣益,探索研究現代煤化工今后30年可持續發展的方向和路徑,尋求技術突破口,培養高級技術人才,對現代煤化工產業健康發展,不斷前行是十分必要的。

         

        本世紀中期化石能源仍將是重要能源,預計占比在50%左右,化石能源的利用方式將發生革命性變化。我國國情決定了煤炭將是我國的重要能源,利用方式會發生根本轉變,全面實現“清潔高效和碳中和”的目標,面對世界氣候變化的嚴峻現實,今后30年必須集中人力物力加大現代煤化工突破性和顛覆性新技術的研發力度,緊跟世界前沿技術發展步伐,趕超世界先進水平,為我國經濟和社會發展提供物質基礎。

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