技术创新成为支撑中国煤化工发展的脊梁

文章来源:互联网 发布时间:2016-06-02
或者创新,或者消亡——美国创新学者比尔-萨波里托的这句格言,仿佛专为当今中国煤化工行业量身定做。近几年,在环境约束加大、政策飘忽不定、石油价格急速下跌导致成本优势减弱、各方非议增多、项目投资降温等极其不利的情况下,记者梳理发现,面对困难,我国煤化工行业不仅没有退缩,反而迎难而上。

或者创新,或者消亡——美国创新学者比尔-萨波里托的这句格言,仿佛专为当今中国煤化工行业量身定做。近几年,在环境约束加大、政策飘忽不定、石油价格急速下跌导致成本优势减弱、各方非议增多、项目投资降温等极其不利的情况下,记者梳理发现,面对困难,我国煤化工行业不仅没有退缩,反而迎难而上。不断的技术创新破解了一个又一个制约行业健康发展的难题,成为支撑中国煤化工发展的脊梁。

煤转化技术创新多

2016年3月4日,参加全国“两会”的全国人大代表、中科院院士包信和透露:其带领的团队创造性地开发出合成气高选择性一步反应获得低碳烯烃技术。这一消息立即引起国内外化学界、学术界、能源界的极大关注。业内普遍认为:该项发明是“煤转化领域里程碑式的重大突破”、“将颠覆沿袭90多年的费托合成路线”。

相关专家指出,之所以获得如此之高的评价,是因为该技术创造性地采用部分还原的复合氧化物作催化剂。这种催化剂兼具金属催化剂和分子筛的双重功能,反应过程中,可使一氧化碳分子在催化剂氧缺陷位上吸附并解离,气相氢分子选择性地与解离生成的碳原子反应,生成亚甲基自由基,而催化剂表面的一氧化碳解离生成的氧原子倾向于与另一个一氧化碳反应,形成二氧化碳。亚甲基自由基不在催化剂表面停留或发生表面聚合反应,而是迅速进入分子筛孔道,在孔道限域环境中进行择形偶联反应,定向生成低碳烯烃。由于是以一氧化碳替代氢气来消除烃类形成中多余的氧原子,在不改变二氧化碳总排放的情况下,该技术摒弃了费托工艺中水煤气变换反应,从原理上开创了一条低耗水、低耗能的煤炭清洁高效转化新途径。

而据记者了解,类似轰动国内外的煤转化创新技术,近几年在我国煤化工领域层出不穷。

2010年8月8日,采用中科院大连化物所等单位联合开发的煤经甲醇制低碳烯烃工业化技术建设的神华包头60万吨/年甲醇制低碳烯烃项目投料试车成功,使我国甲醇制低碳烯烃工业化技术一举超越德国鲁奇、美国UOP等企业,达到世界领先水平。据甲醇制低碳烯烃技术首席科学家、大连化物所副所长、中国工程院院士刘中民透露,近几年,他们的研究并未停歇,继甲醇制低碳烯烃一代、二代技术之后,大化所研究人员又成功开发了甲醇甲苯制对二甲苯、甲醇制对二甲苯联产低碳烯烃、丙烯加乙酸制乙醇及异丙醇、钴基催化剂费托合成油,以及煤制甲醇经二甲醚制乙醇等新技术。

2013年3月,由清华大学与华电煤业化工集团联合开发的甲醇流化床制芳烃通过了中国石油和化学工业联合会组织的技术成果鉴定,专家组确定“该技术达到同类技术国际领先水平”。同时认为:该技术使用一种催化剂完成了甲醇制芳烃、轻烃制芳烃和苯、甲苯甲醇烷基化的高效转化,具有较高的芳烃选择性,打通了由煤制芳烃的关键步骤——甲醇制芳烃过程,形成了具有完全自主知识产权的甲醇流化床制芳烃成套工业技术,整个过程甲醇转化率高达99.99%,产品中芳烃占74.47%.其中,对二甲苯占比超过50%.这也是世界首个单一甲醇为原料生产芳烃的工业化技术,开启了芳烃原料多元化的新纪元。目前,煤基甲醇流化床制芳烃工业化示范项目已经启动,正在开展前期工作的大型工业化项目超过5个。

中科合成油技术有限公司继推出浆态床铁系催化剂费托煤制油技术并实现工业化应用后,成功开发出单反应器50万吨/年大型设备。2015年6月投产的陕西未来能源化工有限公司年产百万吨煤间接制油装置,采用了兖矿集团自主开发的低温费托合成技术,其单系列114万吨/年的生产能力,属国内之最。加上此前神华集团开发并经工业化应用验证的煤直接液化技术,以及陕西延长石油集团开发的煤油共炼技术,我国煤制油技术整体水平世界领先。

而在业内一直关注的煤气化技术方面,经过不懈努力,我国不仅摆脱了对国外技术的依赖、结束了引进消化吸收的过程,实现了全面自主创新,而且整体技术达到世界领先水平。

由华东理工大学与山东兖矿集团共同开发的多喷嘴对置式水煤浆气化技术,单炉日处理煤量达到3000吨,现有55台气化炉投入使用,签约气化炉高达 113台;我国自主开发的清华炉、航天炉、两段式干粉煤气化炉、无烟煤高效转化炉等均实现了工业化应用;陕西延长石油集团正在安装调试的大型输运床气化炉(KSY)一旦投入运行,日投煤量可达5000吨,成为世界煤气化史上的巨无霸。

另外,河北新奥集团与中科院山西煤化所联合开发的煤加氢气化技术、中国矿业大学(北京)梁杰博士团队开发的煤地下气化技术等世界前沿技术也已完成中试,即将建设大型工业化示范装置。

煤热解领域的创新同样可圈可点。仅2015年,就先后有陕煤化技术研究院有限公司与北京柯林斯达科技发展公司联合开发的气化—低阶煤热解一体化技术、神木天元化工有限公司与华陆工程科技有限公司联合开发的低阶粉煤热解制取无烟煤两项技术通过了技术鉴定。还有,河南龙成集团开发的低阶煤旋转床热解技术、神木富油能源科技公司与相关院所联合开发的粉煤固体热载体快速热解技术、北京神雾集团开发的无热载体蓄热式旋转床热解技术建成工业化示范装置。而已经投料试车的陕西延长石油集团开发的输运床煤气化热解一体化技术(CCSI)一旦取得成功,将实现煤热解与气化的无缝对接,其能效将达行业领先水平。

深加工技术全面开花

除了煤转化技术外,其他煤化工深加工的技术创新,也在近几年间呈全面开花之势。

在包括煤焦油在内的劣质油加工方面,陕煤化集团神木富油能源科技公司2012年开发了固定床中低温煤焦油全馏分加氢多产中间馏分油成套工业化技术,上海新佑能源科技有限公司于2014年开发出沸腾床劣质油加工技术,同年,陕西延长石油集团开发了悬浮床加氢技术;2015年,北京三聚环保新材料股份有限公司和北京华石联合能源科技发展有限公司联合开发了超级悬浮床加工技术,上述技术目前均已经实现了工业化示范应用,攻克了诸多世界性难题,使我国劣质油加工技术跻身世界前列。

2014年12月,由山东玉皇化工有限公司与清华大学联合开发的甲醇制聚甲氧基二甲醚工业化技术被中国石油和化学工业联合会鉴定为“处于世界领先水平”;延长石油集团根据自身油气煤富集于一身的特点,创造性地将煤化工、天然气化工和石油化工耦合,建成全球首套煤气油综合利用示范项目;经过持续改进优化,内蒙古通辽金煤化工有限公司采用中科院福建物构所开发的煤制乙二醇技术建设的全球首套煤制乙二醇工业化示范装置,2015年下半年以来实现满负荷运行,所得乙二醇产品完全满足聚酯行业质量要求,标志着我国煤制乙二醇工业化技术达到世界领先水平。

地处西北边陲的新疆天业集团,对电石氯碱行业的贡献功不可没。2011年,该公司针对电石法聚氯乙烯汞触媒污染问题,成功开发了低汞触媒并实现工业化应用,使中国氯碱企业得以从容应对《水俣公约》带来的约束和影响。该集团利用电石炉尾气陆续建成20万吨/年产品质量符合聚酯行业要求的乙二醇生产能力,则开创了电石炉尾气制高端化学品的先河。该公司还联手多家科研院所开发的等离子体煤制乙炔工艺,现已建成5兆瓦中试装置,规模与技术全球领先。

2009年5月哈尔滨工业大学教授韩洪军团队开发了多级生化处理(EBA)技术。该技术将外循环厌氧技术、生物增浓技术、多级厌氧/好氧脱氮技术集成,辅以高密度沉淀、高级氧化、曝气生物滤池和多效蒸发技术,实现了对煤化工废水的深度处理,基本实现了废水零排放。利用该技术,现已建成中煤龙化哈尔滨煤化工有限公司和中煤图克大化肥废水零排放两个示范基地。北京沃特尔水技术股份公司则开发了适用范围广泛的正渗透技术。

针对困扰煤化工废水零排放最后一公里的浓盐废水结晶盐分离难题,深圳能源资源综合利用开发有限公司联合上海晶宇环境工程股份公司联合开发了煤化工浓盐废水资源化工艺技术,并通过两次现场小型试验和一次连续分盐中型装置验证取得了成功。2016年1月18日,深圳能源资源综合利用开发有限公司成功中标内蒙古伊泰煤化工公司120万吨/年精细化工项目高浓盐水蒸发和结晶EPC总包工程。据该公司煤化工废水事业部市场总监吴春莲女士介绍,将利用深能资源和晶宇环境核心技术,通过化学软化沉淀—高倍浓缩—纯化单元—蒸发浓缩—分级结晶—干燥打包等工序,为我国煤化工行业打造首个真正能够实现废水零排放及杂盐分离提纯与资源化利用的样板工程。

另据了解,上海安赐环保科技公司开发的特殊板组+疏松纤维除雾除尘技术,可使经钙法脱硫后的尾气除尘满足5毫克/立方米要求,且运行成本比现有湿法电厂脱硫还低。陕西延长石油集团与西北大学、陕西省能源化工研究院联合攻关的二氧化碳捕集与驱油技术,已经分别在陕北靖边和吴起两个油田进行了驱油提高采收率示范试验,取得了显著效果。该成果也因此进入《中美气候变化工作组提交第七轮中美战略与经济对话的报告》。

神华集团依托鄂尔多斯百万吨煤直接液化项目建设的我国首个10万吨/年碳捕集与封存工业化示范项目,截至2015年4月,已经累计注入二氧化碳 30.2365万吨,捕集尾气近1.8亿标准立方米,被石化联合会鉴定为“项目创新性强、总体达到国际先进水平,在低孔低渗咸水层二氧化碳封存技术方面达到国际领先水平”。

中国工程院院士、四川大学校长谢和平团队开发的二氧化碳矿化发电技术,则通过二氧化碳与电石渣、有机废碱、水泥粉尘以及钢渣等工业碱性废物发生矿化反应,在固化二氧化碳的同时,可将矿化过程产生的化学能转化成电能,并联产高附加值的碳酸氢钠。中科院青岛生物能源与过程研究所、河北新奥集团等单位,现已分别开发了微藻减排煤化工二氧化碳技术并建成中试基地。随着技术的进一步突破和微藻面积的扩大,未来将打造二氧化碳—微藻—生物柴油产业链,实现二氧化碳资源化利用……

煤化工领域的技术创新还惠及其他领域。

2015年10月,美国《电力杂志》评出2015年度世界顶级火力发电厂,上海外高桥第三发电有限责任公司成为中国火电厂唯一获奖企业。理由是其通过烟气余热利用、广义回热、改进型给水回热、改进型锅炉启动、固体颗粒侵蚀防治等一系列技术革新与创新,以及严格的脱硫脱硝除尘与选择性催化还原等措施,使投入运行的2×1000兆瓦燃煤超超临界发电机组的净效率达到45%以上的世界领先水平,且氮氧化物、二氧化硫、烟尘、黑格曼指数等指标低于天然气发电机组排放指标,为全世界燃煤发电行业树立了标杆。追根溯源,上述技术相当一部分来自煤化工领域的实践。

在工业锅炉领域,陕西煤业化工新型能源有限公司借助自有技术和特殊加工工艺,以神木地区优质末煤为原料,调配加工成粒径只有20~30微米的超细煤粉,同时联手相关锅炉企业和科研院所,开发出高效煤粉锅炉。两者结合使用后,由于超细煤粉粒径小、比表面积大,当其以雾态喷入高效煤煤粉锅炉的炉膛并与空气充分接触后,便能实现低温快速燃烧,从而大幅缩减了氮在高温下被氧化为氮氧化物的概率,显著提升了煤的燃尽率和锅炉热效率。

该公司建成并运营的多个高效煤粉锅炉经环境主管部门监测发现:其煤的燃尽率超过98%,锅炉热效率超过90%,分别较传统链条式锅炉提高30%和 25%,节煤30%以上,颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度不仅远低于GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》中规定的燃煤锅炉大气污染物排放限值,甚至低于该标准中要求最严格的“重点地区燃气锅炉大气物污染物特别排放限值”。这一成果,为我国大量存在的高耗能、高排放、高污染燃煤工业锅炉的节能改造指明了方向,被业内誉为探索出又一条煤炭清洁高效利用的崭新路径。

神华集团则与空军经过3年联合攻关,于2015年8月成功推出煤基喷气燃料。这一成果不仅标志着我国在煤基喷气燃料研究领域已经达到国际领先水平,而且由于煤基燃料比重大,同等容积存储油品多,有助于我国战斗机飞得更高更远,具有重大战略意义。

2016年初,神华宁煤集团相继试产出1101SC、1148TC两个牌号的中高融指均聚聚丙烯产品。前者是无纺布专用料,后者为薄壁注塑用料,从而终结了该公司煤制聚丙烯装置只能做生产通用料的历史。

创新带来无限生机

此起彼伏的技术创新,使中国煤化工发生了巨大变化。在经济效益和社会效益方面,与10年前刚刚起步相比,如今的煤化工产业已令人刮目相看。

比如通过甲醇制聚甲氧基二甲醚技术的运用,柴油发动机台架试验和小范围试用结果表明,若在常规柴油中添加20%,发动机排放烟度可降低70%~90%,一旦在我国推广应用,每年不仅能够节约3000余万吨柴油,还能使机动车排放降低12%~20%.

又比如超细煤粉及高效煤粉锅炉技术的运用,若用其对现有中小燃煤工业锅炉技术改造,每年可节煤1.7亿吨,减排二氧化碳4.17亿吨、减排二氧化硫 435万吨、减排氮氧化物73万吨。全国燃煤机组若全部采用上海外高桥第三发电厂超低排放技术,则电力行业的煤烟型污染可较2013年下降90%;若在全球燃煤电厂推广使用,每年可减排二氧化碳40亿吨,节能7.3亿吨标煤。

再比如,神华煤直接液化装置通过持续技术改进、工艺优化并加加强内部管理,吨油品消耗已经由设计时的10吨降至5.8吨,最好时曾达5吨。通过清污分流、污污分治、一水多用、巧用矿井水等措施,最大限度地减少了项目对当地水资源的开采,同时产生了良好效益。2015年,神华煤化工板块实现营业收入 55.5亿元,实现利润6.49亿元。

截至2016年2月,中国煤制烯烃(含煤制聚丙烯、外购甲醇制烯烃)投产项目19个,合计烯烃产能841万吨;在建企业13家,合计烯烃产能814万吨。预计“十三五”末,我国煤制烯烃(含煤制聚丙烯、外购甲醇制烯烃)总产能将超过1700万吨,占届时国内烯烃总产能的23%.在大幅提升国内烯烃产品及其衍生品国际市场竞争力的同时,也使我国乙烯行业摆脱石脑油价高货缺的困扰,年节约原油1.7亿吨。

更令人欣慰的是,一批更有创意、更能带动经济效益和社会效益的技术,已经在酝酿和开发之中。

“不同浓度的二氧化碳均可直接进行矿化发电,不需要进行二氧化碳捕捉过程;矿化1吨二氧化碳,能够稳定输出140度电能,同时产出1.91吨价格超过 1500元/吨的碳酸氢钠。二氧化碳矿化发电技术一旦实现工业化大面积应用,产生的经济环保与节能减排效益难以估量。”谢和平这样表示。

北京化工大学生命科学与技术学院教授傅鹏程力挺将微藻技术开发与应用作为重点方向。他说,微藻中脂类含量达20%~70%,是陆地植物所不能比拟的。在1年生长期内,1公顷玉米、大豆、油菜籽、棕榈树可分别生产生物柴油172升、446升、1190升和5950升,而同样1公顷微藻可生产生物柴油 95000升。如果将中国盐碱地的14%用来培养和种植微藻,生产的柴油量就可满足全国50%的柴油需求。

不仅如此,微藻经光合作用吸收二氧化碳放出氧气的同时,用其生产的生物柴油由于含氧量在10%以上,燃烧过程需氧量比石油基柴油少,燃烧与点火性优于石油基柴油,使其燃烧过程一氧化碳较石油基柴油减少10%.加之微藻吸收转化二氧化碳的能力相当于同面积森林的10~50倍,一旦实现产业化,其产生的经济环保与节能减排效益十分巨大。

刘中民透露,他的团队正在开发单套甲醇处理能力达300万吨/年、通过优化催化剂和工艺设计与反应器结构即能大幅提升乙烯、丙烯收率与装置效率和投资效益的第三代甲醇制低碳烯烃技术。实施后,将进一步提升煤制烯烃竞争力,巩固我国煤制烯烃技术的世界领先地位。

还有,清华大学教授王金福团队正在开发困扰粉煤热解油尘气分离难题的新技术,目标是“十三五”实现工业化应用;陕煤化集团今后的研发重点是解决制约煤炭分质分级利用的粉煤热解工业化装置的油气尘高效经济性分离问题;陕西延长石油集团与西北大学等合作,正在开发甲烷无氧芳构化制芳烃联产氢气循环流化床工艺技术;山东兖矿集团和山西潞安矿业集团已经着手开发高碳单烷烃、α-烯烃、聚α-烯烃、1-己烯、1-辛烯、工业用润滑油、混合醇、高碳醇、烷基苯、烷基酚、氧化蜡、微粉蜡、精制蜡、食品级白油、润滑基础油、高凝点蜡、表面活性剂等高附加值且是石油路线难以获得的化工产品,以避免与炼油行业在成品油市场竞争,提高煤制油项目竞争力。

包信和的设想更有针对性也更令人振奋。他说,今后几年,他的团队除了继续深入催化剂基础研究外,还将重点推动包括合成气制烯烃、甲烷无氧制烯烃、芳烃、氢气等现有技术成果的工业化应用,使这些成果尽早实现工业化,转化为生产力。同时,将积极开展煤温和分解生产液体产品和烃类产品的理论研究,以期攻克相关难题,最终实现像炼制石油那样温和高效清洁加工煤炭的目标。

在今年4月21~22日于青岛召开的中国石油和化学工业联合会科技工作会议上,中国石化联合会副秘书长、煤化工专委会秘书长胡迁林点出了煤化工行业今后的创新方向。

他说,“十三五”期间,现代煤化工技术要瞄准五大发展方向:一是优化现代煤化工关键工艺生产条件和流程设计,提高现有示范工程的稳定性;二是开发一批重点技术及新产品;三是建成一批新的示范工程;四是针对占煤炭储量55%以上的低阶煤开展高效综合利用的技术研发和示范;五是研发一批适用于煤化工“三废”特点的治理和回用技术。

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