一文了解精细煤化工和智慧煤化工

文章来源:互联网 点击数:37 发布时间:2017-09-26
中国煤化工的发展在全球独树一帜。然而,就环境效益和经济效益而言,总体陷入困境,诸多企业出现巨额亏损,有效治理污染面临巨大的挑战。
一文了解精细煤化工和智慧煤化工

精细煤化工就是在温和条件下定向转化煤中有机质为高附加值的精细化学品的工艺。智慧煤化工,指智能控制的精细煤化工。

中国煤化工产业为何陷入困境?

近十余年来,我国煤化工产业的发展如火如荼,累计投资高达数千亿元。仅我国宁夏东部地区,规划的煤化工和煤炭能源产业园就占地3484 km2,计划投资6000亿元,力图用重金打造世界煤制油和煤制烯烃之都。然而,由于仍然采用传统煤化工和所谓的现代煤化工技术,所实施的项目面临着巨大的风险。实际上,包括煤的直接液化和间接液化在内的我国大部分煤化工产业已经出现巨额亏损。

征收燃油税和碳税是我国淘汰高碳能源和落后产能的重要和合理的举措。随着我国征收碳税,可以预计,传统煤化工和所谓的现代煤化工的经济效益将荡然无存。

发展传统煤化工和所谓的现代煤化工的理论依据是:热解是煤转化的前提,气化是煤转化的龙头。然而,热解的主要产物是低值的半焦和焦炭,所得焦油收率低且因组成复杂而分离困难;气化的目标产物是CO和H2,其附加值远低于煤有机质中绝大部分成分的附加值;理论上,用CO和H2可以合成成千上万中化学品,但合成的甲醇、二甲醚、烯烃和乙二醇附加值不高,合成高附加值化学品路线漫长,得不偿失;此外,煤的热解和气化都存在能耗高和产生废水等污染物的问题。因此,应该坚决摒弃传统煤化工,大力限制所谓的现代煤化工,革煤炭低效利用技术的命。

应该充分考虑煤中有机质的组成结构特征有的放矢地利用煤中有机质。遗憾的是,总体上,人们对于煤中有机质组成结构的认识还极其肤浅。传统煤化学主要采用无分离和/或苛刻条件下破坏性的方法研究煤,主要关注煤中的水分、挥发分、灰分和固定碳、煤中有机质的元素组成、煤岩组成、煤的结构模型和煤作为能源利用的热转化过程,所得结果远不能在分子水平上客观地揭示煤中有机质的组成结构,因而传统煤化学被戏称为“没化学”。缺乏可靠的理论指导导致煤转化技术一直难以取得突破性的进展。

煤炭并非廉价

在我国,迄今诸多有关煤炭利用的传统观点和思维定势占据主导地位。传统观点和思维定势之一认为我国富煤、缺油且少气,煤炭是廉价的能源,今后数十年内我国以煤炭作为主要能源的局面不会改变。众所周知的事实是我国人均保有煤炭资源量不及全球人均保有煤炭资源量的一半,所谓的“富煤”极不靠谱;即使富煤,也不应该主要作为能源滥用。

煤炭是由远古时代植物的遗骸经过7000万年以上的复杂的地质演变转化成的宝贵的化石资源。人类大规模利用煤炭始于英国工业革命,至今不过200余年。按照现在的利用速度,全球的煤炭资源将在今后200年内消耗殆尽,而我国的煤炭资源将在本世纪内枯竭。与7000万年以上的漫长的地质演变时间相比,400余年仅仅是弹指一挥间。在如此短的时间内耗尽全球的宝贵的煤炭资源十分可惜,后果十分可怕。

在我国,采煤付出的代价极其高昂:仅据官方统计,1949年以来因矿难死亡的矿工接近26万人;年均排放矿井水超过60亿t,排放的矿井水因具有酸性而利用困难,导致采煤区(特别是我国煤矿比较集中的西部地区)水源日趋紧缺;年均抽排放瓦斯超过100亿m3,加剧了全球的温室效应;采煤造成的土地塌陷和矸石堆积损失了大量的可耕地,造成了严重的生态灾难,迫使采煤区居民背井离乡;大规模采煤造成产能过剩,全国诸多煤矿亏损严重;大规模采煤形成很多资源枯竭型城市,带给中央和地方政府巨大的财政负担。煤炭资源的有限性和我国采煤付出的巨大代价的事实表明,煤炭绝非应该廉价。

煤炭资源高效利用发展方向

富含芳环是煤有别于其它化石资源的重要特性。发展煤化学和煤转化技术需要解决的核心科学问题是:煤有机质中的芳环以什么形态存在?如何有效地裁剪煤有机质中的大分子为易于分离且附加值高的有机小分子?

早在17年前,中国矿业大学重质碳资源高效利用研究团队率先提出用可分析和非破坏或选择性破坏的方法研究煤中有机质的组成结构进而形成分子煤化学理论体系的构想。在国家自然科学基金、国家863计划专题课题、国家973计划课题、国家国际科技合作专项课题、国家985优势学科创新平台专题和江苏省优势学科建设工程项目的支持下,中国矿业大学重质碳资源高效利用研究团队在分子煤化学理论研究和精细煤化工技术开发方面做了大量系统的工作。

采用如图1所示的逐级解离/解聚的方法较深入地揭示了煤有机质中典型的缔合/键合作用(表1),阐明了4种典型的活性氢的形成机理及其对煤转化的作用(表2),为解决上述核心科学问题提供了重要的依据,即煤有机质中的少量芳环以可溶的芳香族化合物的形态存在,绝大部分芳环以常温下难溶的大分子的形态存在,其中芳环之间由桥键连接,芳环上还含有侧链;芳环种类不同、连接芳环的桥键不同和芳环上的侧链导致煤中有机质大分子的结构十分复杂,但如果能够设法完全切除芳环上的侧链和切断连接芳环的桥键而留下非取代的可溶芳香族化合物,则可以在很大程度上解决后续分离困难的问题,获取一系列芳香族化合物纯品。

图1 逐级解离/解聚煤中有机质的技术路线

诸多含芳环(特别是缩合芳环和含杂原子的芳环)的化合物是附加值很高的精细有机化学品,用途极其广泛。例如,可以用作化学试剂、荧光探针和脱氧核糖核酸的配体,用于制备光电纳米器件和太阳能电池及合成染料、导电高分子和高性能的聚脂材料等。煤中的一些含芳环的萜类和蒎类化合物还可以作为医药或医药中间体使用。

人工合成缩合芳香族化合物往往需要经历诸多步骤,因而缩合芳香族化合物的价格居高不下。表3所示的芳香族化合物都是煤及其衍生物中存在的化合物。作为化学试剂,这些化合物基本上随着芳环数的增加售价急剧增加;对于同环数的芳香族化合物而言,含杂原子的芳香族化合物的售价远高于芳烃的售价。例如,同是二环芳香族化合物,苯并呋喃的售价分别是联苯和萘售价的214.9和62.8倍;同是五环芳香族化合物,二苯并[a,j]吖啶的售价是苯并[a]芘售价的31.5倍;同是缩合芳烃,苯并[ghi]苝的售价分别是萘和蒽售价的30548.1和2632.1倍。从煤中还可以直接分离或者通过定向转化得到更多附加值更高的精细有机化学品。因此,煤作为获取高附加值的有机化学品(特别是缩合芳香族化合物)的原料利用得天独厚。

温和条件下的催化加氢裂解是定向转化煤有机质大分子的关键环节,核心技术是高性能催化剂的制备。对催化剂性能的具体要求包括高活和易回收性。催化剂的高活性体现在可与溶剂(如环烷烃和醇而非四氢萘等所谓的供氢溶剂)和煤中的有机质充分作用,有效催化从溶剂向煤中有机质的H+或H-转移,进而充分裂解煤有机质中连接芳环的桥键并切除芳环上的取代基。不使用氢气不仅可以大幅度地节省原料的成本,而且可以显著降低设备的造价和运行成本;同时,溶剂环烷烃和醇分别转化为附加值更高的环烯烃和醛,从而可以进一步提高经济效益;此外,不使用氢气可以避免芳环的加氢,大幅度地减少产物的种类,有利于后续的分离提纯。

从提高经济效益的角度考虑:应尽可能多地和便捷地从煤的催化加氢裂解所得反应混合物中分离有机化合物(特别是缩合芳香族化合物)纯品。对于难以经济地分离的有机化合物,则可以在Ni/5A沸石的存在下加氢转化为饱和烃,其中所得多环烷烃精馏过的馏分用途十分广泛。例如,可用于清洗电子部件,可用作PVC溶胶降粘剂、乳化液载剂、高档衣服干洗剂、聚合反应的溶剂和高速乃至超高速飞行器的燃料,还可以作为溶剂或添加剂用于配制或加工香料、化妆品、医药、粘合剂、农药、气雾杀虫剂、液体电热杀虫剂和油墨等。

精细煤化工应该是在温和条件下定向转化煤中有机质为高附加值的精细化学品的工艺。通过对精细煤化工所涉及的反应和分离全过程的在线检测和监测,可望实现精细煤化工的智能优化控制,即升级精细煤化工为智慧煤化工。精细煤化工和智慧煤化工应该是我国煤炭资源高效利用的科学发展方向。

分子煤化学旨在从分子水平上了解煤及其衍生物中有机质的组成结构,为开发精细煤化工和智慧煤化工技术提供可靠的理论依据,应被列入我国的“大科学工程”。发展精细煤化工和智慧煤化工可以在大幅度地减少煤的用量及投资和运行成本的前提下创造巨大的经济效益,对于形成我国煤炭资源高附加值利用的产业链,转化我国的煤炭资源优势为强劲的经济优势,引领我国煤化工产业的科学发展,带动我国经济结构的转型和切实增加我国的经济活力与整体实力具有十分重要的意义。

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