变“脏煤”为清洁能源

煤脏吗?许多人都认为是。排放多、污染大、黑色产业是燃煤的固有标签。

我国是个煤炭大国, 但煤炭带给国人的感受却是“既爱又恨”, 一方面, 煤炭在我国能源消费结构中长期占据主导地位的现实, 让“抛弃煤炭谈能源”在短期内不可能实现;但另一方面, 当节能减排日益成为共识, 煤炭污染重的弊病让很多省份陷入两难。

“十一五”期间, 中国科学院在煤基清洁燃料及化工品生产领域形成一系列自主知识产权技术, 成功解决了这一两难的困境:慈林山矿是山西潞安集团的一个矿井, 因为含硫量高、污染环境严重, 这里的120亿吨高硫煤只得弃采, 矿井也面临着关闭的境地。2008年底, 作为我国863计划和中国科学院联合启动的重大科技示范项目, 潞安集团生产出了全中国第一桶钴基催化煤基合成油, 高硫煤也因此变废为宝, 慈林山矿随之起死回生。

煤变的“石油”

还在1982年夏天的一个下午, 一位美国专家在清华大学演讲厅里做了一个有趣的表演。他双手各持一个掺水30%的煤粉, 一杯煤粒较粗, 一杯煤粒较细。他举起这两个杯说:“我现在要将两杯煤水混合物变成‘油’, 如果失败, 愿请大家吃烤鸭。”说着, 将两杯惨水的煤粉倒在一起, 用玻璃棒搅拌起来。不一会, 泥土似的煤水混合物竟渐渐地变稀了, 终于成了重油似的液体。这就是煤变石油——水煤浆。

水煤浆最初是由油煤浆发展来的。当时有人将煤与油对半混合, 加上一点添加剂后, 煤就会像油一样流动。由干油可以燃烧, 油煤浆便是“火上加油”了。但油的价格贵, 而且黏性也大, 因而没有实用价值。

煤和水混合为什么能变成“油”呢?因为煤和油是同一“娘胎”的兄弟。它们的主要成分都是碳和氢, 并有少量的氧、氮、硫等元素。只是煤的含氢量比石油的低得多, 而含碳量则和石油差不多。所以, 水的加入就是设法把煤的碳、氢元素重量的比例降低, 达到接近右油的含量。这样, 它们的“性格”就接近了。

这种煤变的“石油”是一种煤基流体燃料, 可在烧油的锅炉和工业窑炉中代煤、代油、代气燃烧, 与固体煤炭相比, 具有储运方便、燃烧效率高、污染小的特点, 是我国洁净煤技术的重要分支。科学家做了一个特殊的喷嘴, 使水煤浆与空气混合, 像雾一样地喷出。锅炉不用作很多的改造, 就能迅速点燃, 越烧越旺。目前, 水煤浆燃烧效率可达98%以上, 传统链条锅炉燃烧的灰渣是灰黑色, 而水煤浆锅炉燃烧后的灰渣是白色的。

我国是富煤、贫油、少气国家, 与天然气、石油相比, 水煤浆具有供给稳定、成本低廉的优势。我国水煤浆技术经历30余年的科技攻关与生产实践, 生产与应用规模均已高居世界首位。一台670蒸吨的小型电站锅炉, 燃烧水煤浆可比燃油每年节约燃料费用8.3亿元左右。截至2012年, 全国燃料水煤浆的生产和使用量已达到3000万吨/年, 气化水煤浆的使用量已超1亿吨/年。

水煤浆的制作存在“挑食”的毛病, 过去要用炼焦煤才能制浆, 而我国的炼焦煤资源稀少, 如果制浆工艺不改进, 储量丰富的低阶煤无法进入水煤浆应用领域。针对制浆的“挑食”, 我国科学家致力于低阶煤水煤浆制备技术研发, 成功研发出“分级研磨低阶煤高浓度制浆技术”, 不仅令我国储量丰富的低灰、低硫煤成为水煤浆制浆用煤, 而且将制浆浓度提高3%~5%, 水煤浆的燃烧和气化效率显著提高, 燃料煤浆的吨浆电耗下降30%以上。该技术已在气化水煤浆领域推广应用, 每年可为应用单位创造9.72亿元的直接经济效益。

水煤浆的应用, 使印染厂变身为节能环保的典范。如一家大型印染厂, 自从引进这种新型水煤浆制备技术, 采用印染废水制备水煤浆, 用水煤浆锅炉代替燃煤锅炉供热、发电。每印染百米布的整体消耗标煤降低11千克, 企业每年可节省7万多吨标准煤;锅炉烟气中的二氧化硫含量降到53毫克/标准立方米, 远远低于国家规定的400毫克/标准立方米, 企业每年少排放1400吨二氧化硫。

应用水煤浆, 不仅令这个印染厂变身成“节能环保典范”, 也使企业竞争能力大大增强。企业不仅解决了燃煤锅炉污染物排放不达标的问题, 还节省了一大笔废水处理、烟气脱硫成本。水煤浆燃烧后的灰渣更是优质的建筑材料, 可直接出售。企业生产的水煤浆、电、蒸汽除满足自用, 还有富余出售给周边企业, 创收渠道不断拓宽。

目前我国这种新型水煤浆技术已取得国家专利12项, 达到国际领先水平。科学们正在着手研究第三代粒控级配制浆、低挥发分煤超细水煤浆制备等技术。

清洁煤气化

许多人都有这样的经验:烧煤气比烧煤饼方便得多。如果把地下的煤直接变成可燃气体, 输送到家家户户使用, 这该多好呀!煤在地下“就地”气化, 在科学家手中早已变成事实。

将地下的煤变成燃料要分两步走。先按一定距离向煤层打两个垂直钻孔, 采用钻进、火力渗透和水力压裂等方法, 使钻孔间的煤层形成通道, 让煤气顺利通过。然后从一个钻孔将煤层点燃, 鼓入空气或氧气、水蒸气。这样, 煤层中发生热裂、还原、氧化等气化反应, 产生一氧化碳、甲烷和氢气等可燃性气体, 从另一个铅孔中引出, 通过管道输送给用户。

煤田变气田的“魔术师”是气化剂。气化剂有空气、水蒸气、氧气或氢气等, 也可以是纯氧气。用氧气与煤反应便生成一氧化碳, 一氧化碳再与水蒸气反应得到甲烷, 这就是一般天然气的主要成分。

煤在地下气化, 能够开采用一般采矿技术无法开采的深层煤田或煤层过薄的煤田。据估计, 每打一个钻孔, 每小时大约可以得到上万立方米的煤气。开采这些使用方便的气体燃料, 可以免除矿工下井劳动, 显示出它的优越性。

20世纪初, 英国科学家拉姆赛首先提出煤的地下气化建议。后来苏联、美国、日本、英国、波兰、法国、德国、比利时等国先后投入力量进行试验研究。煤层正式气化前的一个关键技术问题是钻孔贯通, 也就是两个钻孔之间形成一条良好的可供气体流通的通道。人们采用火力、电力、水力及定向钻进等贯通方法, 但钻探的费用都是很高的。

影响煤炭地下气化的因素还很多。由于地下条件复杂, 煤的地下气化过程很难控制, 煤气的产量质量不够稳定;往往是使用的气化剂不同, 得到的煤气成分和产量大不一样。再加上地下水的污染问题没有解决, 所以, 尽管试验研究一直在进行, 却至今还没有进入大规模生产和推广应用。

经过科学家的多年探讨研究, 煤炭地下气化已“搬”到地面。煤气化技术是指把经过适当处理的煤送入反应器如气化炉内, 在一定煤气化技术工艺流程的温度和压力下, 通过氧化剂 (空气或氧气和蒸气) 以一定的流动方式 (移动床、流化床或携带床) 转化成气体, 得到粗制水煤汽, 通过后续脱硫脱碳等工艺可以得到精制一氧化碳气。

煤炭气化时, 必须具备三个条件, 即气化炉、气化剂、供给热量, 三者缺一不可。

20世纪90年代, 我国引进德国人开发的一种用块煤生产煤气的炉子, 叫做德士古气化炉。后来经过我国工程技术人员的努力, 发明了自主知识产权的对置式四喷嘴气化炉, 在国内得到广泛推广应用, 取得了显著的经济效益。

气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型, 即非均相气-固反应和均相的气相反应。

据了解, 我国目前一年需37亿吨的工业用煤量, 若全部转为天然气, 则需要至少3000亿立方米的天然气。按照目前1400亿立方米的天然气存量计算, 需在目前的基础之上翻2倍多, 远远无法满足工业燃料的用量。摆在工业企业面前的, 一方面是无法满足实际用量的天然气紧缺;另一方面则是亟待解决的煤炭燃烧所造成的严重污染。因此, 煤气化炉的应用成为了煤炭清洁利用的有效途径之一。

2012年, 我国原煤产量为38.6亿吨, 如提升5%, 则可以节约煤炭1.93亿吨。在目前的技术和生产条件下, 输出同样量的能源, 清洁煤气化技术的成本是风电的1/2, 太阳能的1/3。同时, 煤气化炉的使用可将煤炭的利用效率提升15%。

煤气化是煤化工的龙头, 煤气化技术是煤炭高效清洁利用的核心和基础。然而, 没有万能的煤气化技术, 也没有能够适应任何气化技术的煤种。在不同的技术、经济条件下, 煤化工所用煤炭的品种不尽相同。作为企业, 必须积极开展新型煤化工技术的开发和应用, 对清华炉、两段炉、东方炉、塔式炉、GSP、科林炉、四喷嘴、壳牌炉等大型煤气化技术进行长期技术跟踪, 根据技术的发展, 选定炉型重点突破, 寻找适合自己企业发展的关键技术, 充分发挥技术创新优势。

煤制烯烃术

所谓煤制烯烃, 即是用煤基甲醇制取烯烃, 也就是指以煤为原料合成甲醇后再通过甲醇制取乙烯、丙烯等烯烃的技术。

当前, 乙烯产量的高低已成为衡量一个国家石油化工发展水平的标志, 它的生产能力被看作是一个国家经济实力的体现。因为乙烯产品直接繁衍和带动发展塑料深加工、橡胶制品、纺织、石蜡深加工、助剂加工、包装材料、建设材料、化工机械制造、工程建筑、运输、餐饮服务等产业。大到航空航天, 小到吃饭穿衣, 它与国民经济、人民生活息息相关。因此, 无论是美国、西欧, 还是日本等发达国家地区和一些发展中国家, 在经济起飞阶段, 无不把石油化工作为支柱产业, 加以发展。而烯烃作为重要的化工原料, 作为石油化工核心产品, 被称为“石化工业之母”。

那么这乙烯、丙烯等烯烃是从哪里来的呢?传统的乙烯、丙烯是用一种沸点高于汽油而低于煤油的“粗汽油”通过裂解制取的, 得到烯烃就得依赖石油。特别是在世界石油危机中, 各国都在寻找替代由石油生产烯烃的方法。

最早提出煤制烯烃工艺的是美孚石油公司, 随后巴斯夫、埃克森石油公司、环球石油公司及海德鲁公司等相继投入开发, 在很大程度上推进了煤制烯烃的工业化, 美国环球石油公司和挪威海德鲁公司于1995年合作开发成功煤制烯烃工艺。该工艺以甲醇为原料, 通过甲醇裂解制得以乙烯和丙烯为主的烯烃产品。按照甲醇原料的来源不同, 可以有天然气和煤两种路线。1998年采用环球石油/海德鲁工艺的20万吨/年乙烯工业装置开始建设, 目前已实现50万吨/年乙烯装置的工业设计;2008年1月, 新加坡Eurochem技术公司旗下的Viva公司将在尼日利亚的Lekki建设330万吨年甲醇装置。

煤制烯烃主要分为煤制甲醇、甲醇制烯烃这两个过程。我国从20世纪80年代初便率先开展了甲醇制取低碳烯烃的新工艺过程的研究, 先后开发了两代甲醇制取低碳烯烃技术。甲醇转化制烯烃的核心技术之一是催化剂, 其性质和性能决定着煤制烯烃新工艺技术的发展方向。

在煤制甲醇这个工序中的节能降耗空间比较大, 目前比较成熟的技术是我国拥有自主知识产权的技术工艺——甲醇热泵精馏工艺。热泵精馏工艺不设加压塔, 而是直接压缩精馏塔 (常压) 塔顶精甲醇气体, 提高塔顶精甲醇气体的压力和冷凝温度, 作为精馏塔塔釜再沸器或中间再沸器的热源, 从而极大节省了塔釜热公用工程和塔顶冷公用工程消耗。采用甲醇热泵精馏工艺的装置因为不设加压塔, 直接省去了这部分的投资规模, 与废锅流程相比投资幅度降低了40%~45%。以年产45万吨甲醇的煤制甲醇装置为例, 与典型的甲醇双效精馏、水冷余热发电工艺相比, 采用煤制甲醇工艺成套节能降耗技术, 吨甲醇水耗降低30%, 每年可以节水167万吨, 运行能耗降低17%。

在变“脏”煤为清洁能源的高效利用中, 煤制烯烃是公认和可行的发展方向, 我国大连化物所研发的煤制烯烃技术已经实现了甲醇转化率近100%, 成功地发展了一条制取基本化工原料的非石油原料路线。但甲醇制烯烃是在世界范围内目前尚未实现工业化应用的关键技术, 已经成为发展新型煤化工的瓶颈。