创制“热解+”煤炭利用新模式 ——记低阶煤分质清洁高效利用关键技术及应用项目

编者按 日前,陕西省人民政府公布了2021年度陕西省科学技术奖获奖名单,多项石油和化工类的科技成果闪耀其中,有三项突出性技术成果分别荣膺技术发明奖和科学技术进步奖一等奖。为此,从今日起推出《陕西科技奖一等奖成果展示》系列报道,对这三项技术的创新理念、产业贡献等情况进行解读,以供广大读者参考。

  在2021年度陕西省科技奖获奖项目中,由陕西煤业化工集团有限责任公司、北京国电富通科技发展有限责任公司、神木富油能源科技有限公司等联合完成的“低阶煤分质清洁高效利用关键技术及应用”项目获科学技术进步奖一等奖。该成果坚持“热解+”的煤炭利用新模式,突破多项技术瓶颈,实现煤炭分质清洁高效多联产,既生产高端化学品,也可获取军民两用特种油品,为保障国家能源安全提供了新途径。

  原始创新 重塑“热解+”模式

  煤炭是我国的主体能源,加快其清洁、高效、绿色、低碳转化利用,对推进我国能源革命进程,助力实现“双碳”目标意义重大。

  2004年,陕煤集团提出了“低阶煤分质清洁高效综合利用”理念,即以煤热解为龙头,以追求能源转化效率和碳氢氧利用率高、节能减排、产品高端化为目标,由煤的四级分质转化技术耦合集成的低阶煤分质清洁高效转化多联产路线。

  低阶煤是煤化作用早期阶段形成的产物,碳含量和热值较低,焦油产率和氢氧含量相对较高。“低阶煤的这种化学构成和加热变化特征,决定了需要分质分级才利于高效转化利用,就是通过中低温热解方式将其分质转化为气(煤气)、液(煤焦油)、固(半焦)3种物质,并进一步转化获取油、气、电等清洁燃料及高附加值化工产品,与燃烧、气化、液化等工艺明显不同。”陕煤集团公司副总经理、国家能源煤炭分质清洁转化重点实验室主任尚建选告诉记者。

  陕煤集团立足陕北储量丰富的低阶富油煤特征,在低阶煤分质清洁高效利用领域坚持不懈创新探索,通过产学研合作开展了大量核心关键技术攻关和产业化试验示范,追求将煤炭兼具的燃料和原料双重属性发挥到极致,形成了一系列国际领先的产业技术成果。

  两项技术 化解行业难题

  煤热解和煤焦油加工作为煤炭分质转化的核心技术,面临传热效率低、油尘气分离难、沥青质难以转化、特种油品收率低等行业技术难题。针对这些瓶颈,该项目团队开展了大量的技术攻关,开发了煤气热载体分段多层低阶煤热解、中低温煤焦油全馏分加氢定向转化环烷基油这两项核心技术。

  煤气热载体分段多层低阶煤热解技术具有以下创新点。一是开发煤气热载体热解工艺,提高了煤气品质及焦油收率。煤气中有效组分由45%提高至84%以上,焦油收率提高35%以上。二是发明油尘气高效分离技术,攻克了油尘气高效分离技术难题,焦油含尘量小于0.5%。三是研制出混煤分段多层高效热解炉,创新设计干燥、干馏和冷却三段式结构,构建起干熄焦与原料干燥冷热气体的热循环系统,提升了热载体与原料煤之间传质传热效率,实现30毫米以下混煤全粒径热解,系统能源转化效率由85%提高至91%以上。

  中低温煤焦油中的化合物种类繁多,主要成分为少环芳烃、烷烃、酚类及硫氮化合物等。受制于技术瓶颈,原有加工技术只能生产普通燃料油和延迟焦。项目团队开发的中低温煤焦油全馏分加氢定向转化环烷基油技术,开辟了中低温煤焦油生产特种油品的新路线,发明了煤焦油高效预处理技术,煤焦油中的水分、金属离子、氯离子脱除效率达95%以上;攻克沥青质难以转化技术难题,转化率达98%以上;研制煤焦油定向转化环烷基油催化剂,环烷烃产率提高至45%以上。

  在此基础上,该项目团队通过系统优化,形成了整套低阶煤分质转化制特种油品系统集成技术,涉及热解、煤焦油加工、煤气及半焦利用、“三废”循环等35个单元,构建了低阶煤分质转化物质和能量耦合系统。

  示范项目 引领产业变革

  目前,上述两项核心技术在陕煤集团均已实现工业化应用。2016年3月,50万吨/年混煤热解装置在陕西陕北乾元能源化工有限公司投入运行。2018年7月,该技术成果经中国石油和化学工业联合会鉴定为,综合性能达到国际领先水平。

  2020年10月,50万吨/年煤焦油全馏分加氢制环烷基油工业示范装置在神木富油科技能源科技有限公司建成。该项目开创了煤焦油生产高附加值特种油品和精细化工品的新路径,拓宽了我国稀缺资源环烷基油的生产渠道。神木富油公司负责人介绍,自2021年5月投料打通全流程以来,装置运行稳定,生产出变压器油、冷冻机油、白油、橡胶填充油等环烷基油产品及精细化学品环己烷,附加值明显提高。同时,他们还开发成功煤焦油基航天火箭煤油和军用特种油品,掌握了关键核心技术。

  该示范装置的成功运行,为大规模应用奠定了基础。记者了解到,低阶煤分质转化制特种油品系统集成技术,已应用于全球最大的现代煤化工项目——陕煤化榆林1500万吨/年煤炭分质清洁高效转化示范工程。

  我国低阶煤储量和产量分别占全国总量的55%和57%以上,主要分布在陕西、内蒙古、新疆等地区。若该技术成果得以大规模推广应用,不仅能够明显提高我国煤炭清洁高效利用水平,也将对西北地区产业升级和高质量发展起到促进作用。


关键字:煤化工
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