構(gòu)建“中國特色”煤炭利用之未來

受新冠肺炎疫情的影響，全球口罩需求量急劇增長。為應對當前的形勢需要，近日，越來越多的煤炭企業(yè)開始生產(chǎn)口罩原料，加入了這場抗“疫”戰(zhàn)爭。

煤炭企業(yè)成為生產(chǎn)防疫物資的“生力軍”，也讓業(yè)內(nèi)意識到，在碳減排壓力之下，從資源能源化向原材料化利用轉(zhuǎn)變，成為煤炭行業(yè)的大勢所趨。

“煤炭由能源向能源和原料并重是國家倡導的發(fā)展方向。未來，煤炭原材料化的比例會逐漸增加?！敝袊こ淘涸菏?、中國科學院大連化學物理研究所所長劉中民指出。

由于能源資源的稟賦特征，近年來，我國煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)快速增長。我國自主研發(fā)的煤炭間接液化技術(shù)、煤制烯烴技術(shù)，以及我國率先開發(fā)的煤制芳烴技術(shù)，都處于國際領先的地位。

未來，煤炭利用將走向何方？

◆煤化工的多重選擇

實際上，以煤炭為原料制備口罩基本原料的工藝已經(jīng)成熟。山東科技大學化學與環(huán)境工程學院教授梁鵬介紹說，煤制烯烴是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中的一項重要技術(shù)，通過烯烴分離可以獲得高純度的丙烯，丙烯用于生產(chǎn)口罩所用的主要基本材料——PP熔噴布、PP紡粘布等，其中，PP熔噴布是口罩中起關(guān)鍵作用的過濾層。

梁鵬指出，煤炭企業(yè)可以利用基本原料優(yōu)勢（丙烯），進入熔噴布生產(chǎn)領域，進而生產(chǎn)口罩，延長產(chǎn)業(yè)鏈。“此外，煤化工的煤制乙烯技術(shù)還可生產(chǎn)大量聚乙烯，用于生產(chǎn)醫(yī)用防護服面料。”

中國石油大學（北京）新能源研究院院長周紅軍則介紹說，口罩的原料制備，全球有兩類生產(chǎn)路線。一條是石油化工路線，另一條則是我國獨有的煤化工路線。

“將煤炭轉(zhuǎn)化為原料或材料加以利用是未來煤化工的發(fā)展趨勢，同時會對煤炭行業(yè)提出更高的技術(shù)要求?！绷葫i認為，如煤瀝青可以生產(chǎn)碳纖維用于航天、軍事及民用領域，從煤中分離高附加值化學品可用于生產(chǎn)醫(yī)藥、染料等產(chǎn)品。

“站在整個工業(yè)過程來講，煤炭利用已經(jīng)到天花板，物質(zhì)流和能源流都要考慮。煤炭以后的出路就是材料化及煤制氫等。”周紅軍說。

“煤的主要成分是碳、氫、氧和少量的氮、硫或其他元素，從化學的角度講，這些元素可以組合出非常多種類的物質(zhì)?！眲⒅忻窠忉屨f，近些年興起的現(xiàn)代煤化工以煤熱解、氣化為基礎，以一碳化學為主線，以新型催化劑和工藝過程為核心，以工藝流程裝備為保障，產(chǎn)品主要有合成油、天然氣、烯烴、乙二醇、乙醇等，人們生活中常用的塑料、合成橡膠、合成纖維等都離不開這些原料。

◆以清潔高效為目標

清潔化利用是煤炭行業(yè)的主基調(diào)，那么，目前的煤化工技術(shù)能否實現(xiàn)清潔化？梁鵬認為“完全可以”。不過，煤炭的深加工過程往往會帶來設備投資大、耗水量大等問題，因此，因地制宜開發(fā)適合我國國情的現(xiàn)代煤化工技術(shù)具有重要意義。

劉中民認為，相比于燃燒，煤炭作為原料利用的方式更多、更復雜。對技術(shù)、工藝、裝備的要求也更高，環(huán)保是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建過程中的重要問題之一。目前，污染物高效脫除技術(shù)、廢水（近）零排放技術(shù)及“三廢”資源化利用技術(shù)都已經(jīng)得到廣泛應用，污染物的排放可以降到非常低的水平。

“從二氧化碳減排的角度，煤作為原料時，煤中的碳元素轉(zhuǎn)移到新的產(chǎn)品中，可在一定程度上減少二氧化碳的排放?！眲⒅忻駨娬{(diào)說。

周紅軍則指出，煤炭清潔轉(zhuǎn)化的煤化工技術(shù)主要包括煤轉(zhuǎn)化制取清潔燃料和煤轉(zhuǎn)化制取大宗及特殊化學品兩大技術(shù)方向。以清潔高效為目標，進一步提高煤炭轉(zhuǎn)化效率、降低水耗及污染物排放等問題。

如重點解決以煤/合成氣/甲醇等為原料的碳氫氧原子化學鍵的定向調(diào)控、目標產(chǎn)物的化學合成新途徑、催化劑的精準合成，以及目標產(chǎn)物的合成工藝及反應器等重大問題，最終成功開發(fā)系列煤轉(zhuǎn)化制清潔燃料和化學品新技術(shù)；重點解決煤直接液化和間接液化的原料、過程匹配和產(chǎn)品靈活調(diào)控，以及煤直接-間接液化工藝及耦合強化問題等。

兩年前，中國科學院啟動了“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”A 類戰(zhàn)略性先導科技專項，由中國科學院大連化學物理研究所牽頭聯(lián)合院內(nèi)多所實施。

該項目旨在推動構(gòu)建我國多種能源資源融合發(fā)展的“中國特色”能源結(jié)構(gòu)，以能源技術(shù)革命促進能源革命。在煤化工方面，布局了合成氣下游及耦合轉(zhuǎn)化利用、甲醇下游及耦合轉(zhuǎn)化利用兩個項目，計劃到2023 年，完成20 萬t/a 煤基合成氣直接制低碳烯烴的工業(yè)示范；百萬噸煤炭清潔高效分級轉(zhuǎn)化利用工業(yè)示范等一批重大項目。

“除此之外，鋼鐵企業(yè)在煉鐵工藝過程中會排放大量的尾氣，其中的一氧化碳和氫氣等有效成分與煤化工中的合成氣相似，可以把鋼鐵尾氣作為化工的原料，生產(chǎn)基礎化工產(chǎn)品等。這不僅是鋼鐵行業(yè)生態(tài)化發(fā)展的一個重要方向，也是煤化工的重要方向?！眲⒅忻裰赋?。

◆煤化工的未來

近年來，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)還十分重視氣基直接還原鐵技術(shù)的研發(fā)，受限于較為昂貴的天然氣，紛紛探討采用焦爐氣煤氣化的氣體進行氣基直接還原鐵生產(chǎn)，以降低合成氣也就是氫氣的生產(chǎn)成本。

“目前，國內(nèi)尚無真正意義的工業(yè)化氣基直接還原鐵?！敝芗t軍說。中國石油大學（北京）研發(fā)了焦爐氣二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化技術(shù)，與中石化及中晉太行公司合作正在山西左權(quán)建設第一個采用焦爐氣為原料的30 萬t/a 氣基直接還原鐵示范廠，計劃今年建成開車。其中的焦爐氣凈化和二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化采用新工藝技術(shù)，解決了還原氣來源的瓶頸問題。

煤化工領域提出煤炭分質(zhì)分級利用，就是根據(jù)煤質(zhì)的基本特點，對煤炭進行逐級加工，獲取有價值的組分，總體得到最為理想的結(jié)果。這也是目前國內(nèi)外學者關(guān)注的重點。

“煤炭作為原料，一定不能只生產(chǎn)一種產(chǎn)品，需要進行多種產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn)，即多聯(lián)產(chǎn)，而目前已經(jīng)有了很大的進展?！绷葫i說。例如，將高揮發(fā)分煤炭采用先熱解后氣化的技術(shù)路線，在第一步的熱解階段獲得煤氣和煤焦油，其中煤氣可以做化工合成，煤焦油可以提取高價值的化學品；第二步的氣化階段將半焦進行氣化，做化學品和材料的合成。

梁鵬介紹說，針對高揮發(fā)分煤，他們目前正在進行熱解/燃燒分級轉(zhuǎn)化方面的研究開發(fā)工作，并且完成了中試實驗。另外還正在進行超純煤方面的研究，即將煤中的灰含量降低到1%以下，取得了進展。此外，正在開展的煤化工行業(yè)揮發(fā)性污染物治理方面的工作也已完成工業(yè)示范。

面向未來，劉中民建議，在煤化工層面，還需進一步降低水耗和能耗，實現(xiàn)產(chǎn)品的靈活調(diào)變；在煤熱解及多聯(lián)產(chǎn)、煤制天然氣、煤制芳烴和含氧化合物等方面，需要進一步突破關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)成套工藝技術(shù)和工業(yè)示范。同時，通過技術(shù)創(chuàng)新加強新產(chǎn)品開發(fā)，通過延伸產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展高附加值、精細化、差異化產(chǎn)品。