降本增效高质量转型争当山西能源革命排头兵领跑者

  优质无烟煤和煤层气是晋城市的主要能源,煤化工是煤炭产业转型升级的必由之路。但随着科技进步和社会的快速发展,人民日益增长的美好生活需要,我国社会经济发展正开始减少与煤炭在能源结构中的比重,除现代煤化工发展有可能拉动煤炭消费增长之外,其余如电力、建材、钢铁等行业的煤炭消费基本上处于峰值平台并呈现下降趋势。晋城无烟块煤作为国内常压固定床煤气化生产最优质的化工原料,随着近年来大型气流床(干粉煤、水煤浆)煤气化技术的成熟和广泛应用,被价格较低的劣质煤替代的发展趋势已势不可挡,晋城煤炭产业及其“孪生兄弟”传统煤化工产业的生存、发展正在遭受来自各方面的压力和冲击。晋城市的煤层气贮存量大,甲烷含量≥95%,开采技术国内领先。目前,国内外甲烷制化工新材料、新产品的颠覆性技术不断成功突破,为煤层气高质量转型带来机遇。

  危机,危机,危险与机遇并存。今年5月,习近平总书记主持召开中央全面深化改革委员会第八次会议,审议通过《关于在山西开展能源革命综合改革试点的意见》。之后,山西省委、省政府印发《山西能源革命综合改革试点行动方案》的通知。能源革命综改政策的春风,对促进晋城市无烟煤进行生产和消费革命具有重大意义。按照中央深改委《意见》要求,推动能源生产和消费革命是保障能源安全、促进人与自然和谐共生的治本之策。9月16日,在全省能源革命综合改革试点动员部署大会上,省委书记骆惠宁强调,改革创新是能源革命的本质和灵魂,要全面推进能源领域改革创新,加快“当好排头兵”的历史性跨越。要以制度革命带动能源革命,以能源生产关系变革牵引生产力变革,着力抓好推进煤炭开采利用方式变革,推动煤炭清洁高效开发利用等“八个变革、一个合作”。在山西开展能源革命综合改革试点,是党中央赋予山西的国家使命,体现了对山西的关怀与信任,是山西迎来的重大历史机遇,对晋城无烟煤转型更是难得的机遇。本文对晋城无烟煤清洁高效开发利用谈几点不成熟意见。

  一、推动煤炭供给革命 --降本增效、拓展新路径

  1.苦练内功,降低生产成本

  随着环保政策对常压固定床气化的约束和新型煤气化技术的广泛应用,陕西神木、内蒙古鄂尔多斯等地的劣质煤因其价格低廉而替代优质无烟块煤的发展势头迅猛,半个多世纪以无烟块煤为原料形成的煤化工产业已经成为历史,晋城无烟块煤再也不是“皇帝的女儿不愁嫁”,晋城靠无烟块煤的财路正在被切断。面对不可逆转的发展形势,省委书记骆惠宁4月30日在晋城调研时,对晋城无烟煤发展提出:“推动能源革命向纵深发展,坚持煤炭领域的“减、优、绿”,提升煤炭产业的竞争力。晋煤集团要苦练内功,不断提高工艺技术和管理水平,进一步降低生产成本”。晋城煤炭生产企业必须进行大刀阔斧的内部管理改革,降低开采成本和管理成本。加快煤矿智能化改造、将5G技术引入智能煤矿建设,推进煤炭开采方式革命,以管理创新为重点推进企业降本增效。

  2.开展煤炭分质分级梯级利用

  探索“分资分级、能化结合、集成联产”的新型煤炭利用方式,推动煤电化热一体化发展。利用晋城无烟煤“三低四高”(低硫、低灰、低挥发份、热值高、灰熔点高、固定碳含量高、机械强度高)的特点,研究探索纳米级煤粉替代散煤燃烧技术,拓展煤炭清洁利用新途径。

  3.加强气化技术攻关,用新型无烟块煤气化炉替代固定床

  稳步推进现代煤化工示范项目建设,是推动煤炭清洁高效利用的重要途径,先进的煤气化技术是实现现代煤化工产业的关键。面临加快淘汰常压间歇式固定床环保政策,氮肥行业“化肥零增长”计划的推进,增值肥“减量增效”的绿色发展趋势,晋城煤企、煤化工企业采取“抱团取暖”方式,集中经济、技术力量,联合国内外煤气化技术科研单位,尽快开发适合于晋城无烟块煤的新型煤气化技术,利用原来与常压间歇式气化企业多年形成的合作关系,抢占全国煤化工气化市场。

  4.支持晋煤集团在晋城率先实现“带着炉子去卖气”的创新举措

  晋煤集团提出,在无烟块煤大型气化技术成熟的基础上,成立“气化炉生产企业”,为其它企业提供氧气、氮气、氢气或合成气(CO+H2),变直接卖块煤为卖气,走“带着炉子去卖气”的新路子,是推动能源供给革命的新途径。北留--周村工业园区内现有四个煤化工生产装置,即:2018投产的晋煤华昱四台航天炉新型煤气化技术,年产120万吨甲醇、50万吨甲醇制油装置,晋煤金象、天泽煤气化厂和兰花天悦三个100台常压固定床气化技术,已形成年产140万吨合成氨、30万吨甲醇、240万吨尿素的传统煤化工装置产品的生产能力。是国内常压固定床煤气炉台数最多,合成氨、甲醇、尿素等化工产品最集中,无烟块煤消耗量最大的园区,也是各种基础资源最好的园区。采用先进的大型无烟块煤气化技术,集中建设园区气化岛,置换现有天泽煤气化厂、兰花田悦、晋煤金象三家固定床气化炉合成氨140万吨/年产能,在晋城率先落实“带着炉子去卖气”的方案,解决三家传统煤化工企业面临的生存问题,盘活晋煤华昱公司现有剩余大量土地、锅炉、脱盐水、污水处理等存量资源,促进为晋城市北留--周村园区的提档升级,具有“一石三鸟”的效应。项目建成后年消化无烟块煤大约200万吨,约占晋煤集团1500万吨/年无烟块煤产量的13%左右。

  5.多途径推动煤炭由燃料向化工原料转化

  发展新型碳素功能性材料和环保产业,加快推动无烟煤由燃料向化工原料转化,也是一条重要的途径。如适应环保产业发展的工业水处理的无烟煤滤料,电解铝、电石行业的碳棒、石墨阳极、电极糊,锂电池的负极材料,碳化硅、石墨烯等功能性材料产业。

  6.加大民用清洁燃料煤推广,拓展无烟煤市场空间

  晋城市的无烟块煤品质优良。其3号煤的含硫量为0.2%-0.4%,国家标准是1%,远低于国家标准。因此,无烟块煤可作为清洁燃料煤广泛应用于民用领域。2019年6月26日,国家能源局发布《关于解决“煤改气”“煤改电”等清洁供暖推进过程中有关问题的通知》(征求意见稿)提到:因地制宜拓展多种清洁供暖方式,宜煤则煤,在城镇地区重点发展清洁燃煤集中供暖;对暂不能通过清洁供暖替代散烧煤供暖的,重点利用“洁净煤+节能环保炉具”等方式替代散烧煤,为晋城无烟块煤在民用领域的应用指出了新方向。

  二、推动煤炭消费革命--加快传统煤化工高质量转型升级

  1.加强沟通,争取国家给予固定床气化技术升级一定缓冲期

  常压固定床气化技术和加压气流床技术工艺各有优势,在综合能耗上固定床气化甚至更胜一筹。固定床间歇式煤气化是最适合晋城市无烟块煤生产合成氨的工艺,用几乎无成本的空气作为气化剂,投资小、操作灵活。在研究开发晋城无烟块煤大型煤气化技术的过渡期间,在现有固定床间歇气化企业通过技术改造,使能耗、污染物排放达到环保要求的条件下,积极向国家有关部门争取,给现有固定床气化企业留出一定缓冲期,待适合无烟块煤特性的气化技术突破后进行升级替代。目前,天泽集团受中国氮肥工业协会委托,联合国内设计、研究单位对常压固定床气化存在含氨废水等有机挥发物的环保问题进行技术攻关,消除现有传统煤化工存在的环保问题,打造一条绿色、环保、安全、低耗的固定床气化之路。因此,应支持鼓励企业进行相关技术攻关和工艺优化,实现达标排放,推动产业升级和经济、社会效益的平稳发展。

  2.调整优化产品结构,增强企业市场竞争力

  鼓励尿素等传统煤化工企业加快调整产品结构,发展高效优质水溶性肥料、高效液体肥料等新产品。通过创新技术工艺,延伸以合成氨、尿素、甲醇、甲醛、三聚氰胺等产品的产业链,发展精细化工新产品,实现从基础化工原材料向中高端、高附加值精细化产品转变。

  3.探索煤炭与CO2转化合成气的技术

  煤化工企业可探索将现有固定床气化炉改造为无烟块煤、纯氧、二氧化碳气化制一氧化碳的气化技术,为现有化肥企业发展羰基合成醋酸、甲胺、DMF以及生产乙醇、乙二醇等产品。

  4.将煤化工排放的CO2废气综合利用变成绿色产品

  煤化工是CO2排放大户,尿素生产虽然是CO2相对排放最少的产品。但是,每生产一吨尿素仍有200Nm3的CO2排放,CO2浓度大于95%。按照年产500万吨尿素估算,年排放CO2近10亿Nm3,可生产20万吨/年液体CO2或干冰产品,将废气资源变成绿色产品,在增加经济效益的同时,可免缴碳税。

  5.将煤化工炉渣固定废物综合利用

  煤化工生产过程中,产生大量的气化炉渣、锅炉炉渣等固体废弃物,这些废弃物中氧化硅、氧化铝含量约在70%,最适合做水泥生产原料。开展气化炉渣、锅炉炉渣等固体废弃物制水泥熟料、陶粒砂、无机防火保温材料、无机纤维等综合利用方面的研究,将废弃物转化成水泥原料、绿色无机保温材料,在延伸企业产品链,提高经济效益的同时,可解决固废处理难题。

  6、积极推动现代煤化工示范项目--60万吨/年甲醇制烯烃

  在以替代石油化工产品为目标的新一代煤化工产品中,目前甲醇制乙烯、丙烯工艺技术已趋于成熟。 2018年,我国聚乙烯、聚丙烯表观消费量分别为2781.6万吨、2640万吨,分别进口1402.5万吨、440万吨,对外依存度为49.6%和16.7%,国内市场还有一定发展空间。这两种产品不但可聚合成树脂,还可与传统煤化工的氨、氢气等嫁接,生产多种有机化工新材料。在北留--周村工业园区,依托晋煤华昱120万吨/年大型甲醇转化50万吨/年煤制油装置,和晋城市现有的甲醇产能建设一套60万吨/年烯烃装置,可形成煤制油、煤制烯烃“一头两尾”产品结构,从而彻底改变目前晋城市传统煤化工的产品格局,加快晋城传统煤化工向现代煤化工、精细化工高质量转型升级的步伐。

  三、高效利用煤层气资源--由燃料向原料高质量转型

  晋城市煤层气资源储量大,已探明储量达3073亿m3,约占山西省的53%,全国的47%;甲烷含量≥95%,高于GB/T 28754-2012 煤层气(煤矿瓦斯)利用导则中煤层气产品一级标准CH4≥90%。质量与天然气相当,被列为晋城市“两只翅膀腾飞、三足鼎立支撑”的产业转型格局中的一只翅膀。煤层气通过化工过程转向高附加值的新材料,实现由燃料向化工原料的转型,可能是晋城实现能源革命排头兵领跑者的重要路径。

  1.甲烷制乙烯是化学工业的一项颠覆性技术,影响深远。

  近年来,我国煤制烯烃产业发展如火如荼,截止2018年底,已建成的煤制烯烃项目生产能力约为1415万吨,在建和拟建产能约为2643万吨。但随着煤炭价格不断上涨,煤制烯烃的利润空间十分微薄。国外90%以上的乙烯来自石脑油和乙烷的裂解,国内则主要来自于石脑油和甲醇的裂解。随着石油资源的日渐缺乏,人们急需寻找新的替代资源。将甲烷直接制取乙烯,是化学工业的一项颠覆性技术,影响深远。

  由中国科学院大连化学物理研究所包信和院士团队首创的非氧制烯烃和芳烃催化过程,可实现在无氧条件下将甲烷选择活化,一步高效转化生成烯烃、芳烃和氢气等高附加值化学品。反应过程本身不排放二氧化碳,碳原子利用效率达到100%。甲烷直接制取乙烯这项技术距离工业化虽然还有差距,但晋城市拥有国内最丰富的优质煤层气资源,密切关注、跟踪或合作开发此项技术,意义重大。

  2.太原理工大学的煤层气造金刚石技术,创造了跨界奇迹

  太原理工大学超硬材料实验室成功研发出利用煤层气合成金刚石产业化生产线,该项技术已通过了中国工程物理研究院的专业检测,不但领先国际,而且突破了我国合成金刚石的现有工艺瓶颈,极大降低了金刚石生产成本。金刚石其硬度、弹性模量、压缩率、热导率、透光波段、声速、惰性等性能均居第1位。天然金刚石稀有,价格昂贵,难以在工业领域广泛使用。近年来,利用化学气相沉积法生产的金刚石被广泛应用于机械加工、汽车、航空航天、国防以及核工业等领域。

  我国合成金刚石的技术较为落后,产品低端,成本高,高级别金刚石产品基本依赖进口。由于这类产品的应用多涉及核技术、外太空航天器,以及军工等核心部件,所以,国外大多采取禁运手段限制其在我国上述领域的应用。为此,提高我国金刚石合成技术水平,突破高级别金刚石依赖进口的困境,已迫在眉睫。太原理工大学把高浓度煤层气提纯后的甲烷以及甲烷裂解并提纯后的氢气作为原料,生产金刚石,而且所生产的金刚石品质覆盖了从低端到高端的所有金刚石级别。该项目既解决煤层气资源高效利用的问题,又极大地降低金刚石产品的生产成本,实现了煤层气的深加工,促进了CVD金刚石合成技术进步,推动传统产业向高新技术产业转变。

  3.电重整甲烷/二氧化碳制合成气研究取得新进展

  天然气和二氧化碳通过重整反应转化为合成气,再经费托反应进一步转化为各种重要化学品,不仅可以达到天然气高效利用的目的,还可有效减少温室气体排放。2018年,中国科学院福建物质结构研究所功能纳米结构设计与组装院重点实验室谢奎课题组通过固体氧化物电解池将二氧化碳电解(CO2+2e-=CO+O2-)和甲烷氧化(CH4+O2-=CO+2H2+2e-)两个气相电化学转化过程结合,实现了电催化甲烷/二氧化碳制合成气,并明确了CH4/CO2的重整机制。该研究通过原位调控陶瓷电极维纳尺度金属/氧化物界面结构与组分,获得了复合体系对CH4/CO2气的抗积碳性能和高温稳定性,电化学重整CH4/CO2制合成气的原子效率和电流效率高达100%。

  4.挑战催化界“圣杯” 上海科学家提出甲烷转化新策略

  中国科学院上海硅酸盐研究所王文中研究员带领科研团队在甲烷的光催化转化研究方面取得新进展。甲烷作为天然气、页岩气、煤层气的主要成分,具有储量相对丰富和价格低廉的优势,在替代石油生产液体燃料和基础化学品领域,是学术界和产业界研究和发展的核心课题之一。因为有着广阔的前景和巨大的挑战,甲烷的选择性活化和定向转化是世界性难题,被誉为是催化乃至化学领域的“圣杯”。

  迄今为止,甲烷的转化通常采用间接法:在高温下通过水蒸汽重整将甲烷转化为合成气,再通过费托合成获得多碳的基础化学品;或由合成气制备甲醇,再生产其它化学品。该转化路线冗长,能耗高,过程中排放大量温室气体CO2,不仅带来环境污染,也使总碳的利用率不到一半。因此,科学家一直在努力探索甲烷直接转化利用的方法。

  据介绍,光催化直接转化可以打破传统热力学平衡的束缚,使甲烷的转化可以在低温常压下进行。王文中研究团队设计并制备出铜修饰氮化碳材料,实现甲烷向乙醇的光催化直接转化,并对该过程的机制进行了较为深入的研究,使得转化过程沿着甲烷-甲醇-乙醇的路径进行。该工作提出了温和条件下甲烷向液体燃料直接转化的新策略,有助于加深对多碳产物的形成机制的认识,相关研究工作得到了国家自然科学基金的资助和支持。

  四、争取国家新兴战略产业布局--煤炭地下气化

  煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧,通过对煤的热作用及化学作用而产生可燃气体的过程;煤炭地下气化技术不仅可以回收矿井遗弃煤炭资源,而且还可以用于开采井工难以开采或开采经济性、安全性较差的薄煤层、深部煤层和高硫、高灰、高瓦斯煤层。地下气化灰渣留在气化区,减少了地表下沉,无固体物质排放,大大减少了煤炭开采和使用过程中对环境的破坏。煤炭地下气化发电集中了建井、采煤、气化、发电工艺为一体的多学科开发洁净能源与化工原料的新技术,具有安全性好、投资少、效率高、污染少等优点,被誉为第二代采煤方法。地下气化煤气不仅可作为燃气直接民用和发电,而且还可用于提取纯氢或作为合成油、二甲醚、氨、甲醇的合成气。因此,煤炭地下气化技术具有较好的经济效益和环境效益,实现“物理采煤”向“化学采煤”转变,是我国洁净煤技术的重要研究和发展方向,属国家新兴战略产业。

  国内煤炭地下气化技术近几年已取得实质性进展。2018年8月新疆化石能源联合开采低碳循环利用产业化示范项目,一期前置工程成功点火。2018年10月,贵州盘江精煤股份有限公司联手中国矿业大学和煤炭资源与安全开采国家重点实验室开展了煤层地下气采技术攻关项目,先后攻克了地下气化炉的新型结构和导向钻孔建炉新工艺、火焰工作面的定向推进燃烧导控新工艺及其组合装置等重大关键技术难题,首次实现点火成功。2019年1月,总投资约56亿元的兖矿鲁西2×60万千瓦级高效超超临界燃煤抽凝式发电工程正式开工建设,是山东省内首个大型煤炭地下气化发电工程,也是煤炭绿色开采利用的再次创新,计划2021年5月投产。晋城市亚美能源集团正在进行煤炭气化试验项目的前期准备工作。借山西能源革命综改试点行动的东风,加快煤炭地下气化项目示范建设,对晋城市无烟煤转化开辟新的市场具有十分重要的意义。

  (作者系山西天泽煤化工集团股份公司总经理助理、高级工程


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