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一块煤的“七十二变”

来源:中国煤炭报
作者:
发布时间:2022-11-15 16:35:24
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一块煤的“七十二变”

2021年9月13日至14日,习近平总书记在陕西榆林考察时强调,煤化工产业潜力巨大、大有前途,要提高煤炭作为化工原料的综合利用效能,促进煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展,把加强科技创新作为最紧迫任务,加快关键核心技术攻关,积极发展煤基特种燃料、煤基生物可降解材料等。国家能源云顶集团北京低碳清洁能源研究院(以下简称低碳院)深耕现代煤化工领域,聚焦间接液化、烯烃聚合、煤基新材料等方向,推动煤化工“三化”发展。如今,在低碳院,煤炭摇身一变,不仅可以制甲醇、乙二醇、油、气、可降解材料,还可变成蜡烛、日用化学品等。近日,记者走进低碳院,沿着煤化工延链、补链、强链之路,看一看煤炭的大变身。

碳基储热材料

“这是我们项目的模拟沙盘。风电、光伏等发出的多余的电以热能的形式储存在碳块里,当电厂、化工厂有需要时,凭借优越的传热性能,快速将热能输送出去,储热温度可超过900摄氏度。利用储存的热量再转化为高品质蒸汽,400摄氏度的蒸汽可以满足化工厂需要,600摄氏度的蒸汽可供发电使用。除了固定式的储热系统,还可以做成移动运输车,直接送热到厂,解决边远偏僻地区的用热需求,非常方便。”低碳院先进材料研究中心功能碳材料部经理刘均庆一边指着沙盘一边给记者介绍。

“我们团队主要涉及功能碳材料的开发,目的是将煤炭作为原料制备高附加值碳材料。”刘均庆说,“而热储能则是现阶段的重点研究方向。”

据了解,热储能是一种以热能为能量载体的储能形式,与电化学储能相比,具有更低的成本和更高的安全性。该团队从2017年开始研究储热材料,团队核心成员目前有11个人。之前团队一直从事实验室研发,从2020年开始进行储热材料的工程示范,目前已启动多个项目的工程示范。

“根据相关统计显示,在能源最终消费形式中,供热占比49%,其中72.5%的供热能量消耗来自化石燃料。因此,低碳高效的制热、储热、用热技术是实现碳中和的重要途径。”刘均庆说。

在日常生产生活中,无论居民供暖还是工业蒸汽都有大量的热能需求。采用光伏、风电等清洁能源代替燃煤取暖可以有效降低二氧化碳排放,但受限于清洁能源的波动性,在清洁能源使用过程中需要配合储热技术。此外,随着清洁能源的发展,导致火电厂调峰压力增大,调峰需求增加,电化学储能的成本高,难以满足上述需求。

“碳材料的储热成本大约是锂电池储电成本的1/5乃至1/10,同时凭借高储热密度,占地面积也更小。因此,开发基于碳材料的高温储热材料及高温储热技术前景广阔。”刘均庆说。

“过去一年,我们实现了电储热制备工业蒸汽的技术验证,可以利用谷电或者弃风弃光资源储热再生产400摄氏度、1.0兆帕高温工业蒸汽,这个技术采用了我们自主开发的碳基固态储热材料,相对于传统储热技术,该技术储热温度更高、储热密度更大、无腐蚀泄露等风险。”刘均庆说。

现在,低碳院示范储热装置规模为1兆瓦/8兆瓦时,最高运行温度达到912摄氏度,远超过现有储热材料(小于700摄氏度)。装置目前已经完成了测试运行。

二氧化碳的再“变身”

由于之前的采访经历,记者与煤化工研究中心徐晓颖互加了联系方式。记者发现,过去的半年,低碳院煤化工研究中心高级工程师徐晓颖对绿氢的发展尤为关注,经常会分享一些绿氢的最新发展情况。

“一位研发甲醇催化剂的科研人员为什么这么关注绿氢呢?”记者带着疑问,再次见到了徐晓颖。

“我们团队一直从事铜系合成气/二氧化碳加氢制甲醇催化剂开发。过去的一年,我们聚焦实现二氧化碳的资源化利用,绿氢是其中的关键之一。”徐晓颖说。

“与之前相比,最大的区别是将二氧化碳作为了反应物。得益于之前积累的经验,催化剂的开发比较顺利。”徐晓颖说,“我们团队正在积极开展新型二氧化碳加氢制甲醇催化剂开发。目前,已确立小试配方,成功开展公斤级放大试验,完成了2500小时以上的催化剂稳定性测试。从100毫升模式评价装置初步测评的结果看,催化剂具有进一步开展百吨级甲醇生产的中试验证潜质。”

据了解,低碳院开发的MC17型甲醇合成催化剂已成功在年产12万吨天然气制甲醇装置工业应用,较上一炉催化剂相比表现出优异的低温活性、高选择性(副产物少、不易结蜡),能耗低,较上一炉同期对比吨甲醇生产能耗降低5%至6%,技术经中国石油和化学工业联合会鉴定处于国际先进水平。

“目前,遇到的比较大的问题是市场的不确定性,二氧化碳加氢制甲醇虽然可以作为碳中和的一个途径,但过程需要用到氢气,氢气的来源是目前限制该工艺技术进一步拓宽市场的主要因素,绿氢的生产又主要来自于电解水,进而需要引入大规模的绿电。”徐晓颖说,目前整套产业链尚不成熟,如果由“绿电经电解水制绿氢,绿氢与二氧化碳经催化反应制绿醇”路线所制备甲醇能增加绿色溢价,还是具有一定技术推广应用的潜力的。

煤化工研究中心高级工程师田大勇及其团队则另辟蹊径,采用热化学技术,促进二氧化碳的资源化利用。

“逆水汽变换技术可以高效的将二氧化碳转化为一氧化碳,进而经合成气(一氧化碳和氢气)路线制化学品。逆水汽变换技术可以做为二氧化碳向化学品转化的中间环节,起到连接二氧化碳制合成气到合成气制化学品的桥梁作用。”田大勇说,另外,在二氧化碳转化利用过程中,氢气的成本不可忽视。当前情况下,氢气的来源还是以工业副产氢气为主,如二氧化碳转化利用与焦炉气、丙烷脱氢等过程的富余氢气相结合。

据了解,逆水汽变换技术开发适合焦炉气制甲醇过程。焦炉气中富含氢气,经重整工序后的转化气中氢气含量更高,远高于合成甲醇所需氢碳比。针对转化气中氢气含量高的特点,在重整工序后增加逆水汽变换工序,补入二氧化碳进行逆水汽变化反应,在降低氢气的同时,增加一氧化碳的产量,进而提高下游甲醇的产量。

“初步测算,以20万吨焦炉气制甲醇过程为例,通过逆水汽变换技术补入二氧化碳,每年可提高15%至20%甲醇产量,同时消耗4万吨至5万吨二氧化碳。”田大勇说。

目前,低碳院已经完成了高转化率、抗甲烷化、抗高温水合的工业逆水汽变换催化剂开发,正积极推动工业侧线实验工作。

聚烯烃广泛应用

烯烃被称为“石化工业之母”,是衡量一个国家石油化工发展水平的标志。

在烯烃聚合实验室,记者看到了很多装满小颗粒的瓶子。这些小颗粒晶莹剔透,像一颗颗小水晶,很是亮眼。

“这就是聚烯烃颗粒。煤化工用煤的四分之一都用来生产烯烃。”煤化工研究中心烯烃聚合部经理于佩潜说,“与石油裂解制烯烃相比,煤制高碳α-烯烃不仅成本大大降低,在经济性和发展前景上也具有很好的优势。”

高碳α-烯烃是生产高端聚烯烃、高档润滑油等许多高档化工品的原料之一,C8以上α-烯烃均需进口。“为此,我们在前期开发出独创的纯相碳化铁催化剂的基础上,开发了合成气直接制α-烯烃的技术,实验室结果显示二氧化碳选择性在10%左右,α-烯烃的产率大于35%,催化剂的活性高,一旦实现工业应用,将破解国外‘卡脖子’技术难题,降低α-烯烃的价格,促进我国α-烯烃产业的发展。”煤间接液化国家重大专项中心主任门卓武说,“下一步,我们将努力实现合成气制α-烯烃催化剂的实验室定型,并开展中试放大实验。”

针对聚烯烃,低碳院3年前开始研发能力的建设,现在已建成一个和世界先进水平接轨的研发平台,同时组建了一支高水平的研发队伍,在帮助生产厂解决实际生产问题的同时,也进行新技术的探索与开发。

“新技术的开发主要聚焦2个方向,利用现有生产装置生产高技术含量的高价值产品,利用煤化工路线的特点生产差异化的高端产品,充分体现煤化工的优势。”于佩潜说。

目前,基于国家能源云顶集团自主合成的聚烯烃原料,低碳院研发出轻质高刚复合板材、非金属托辊、聚烯烃管道以及熔喷布原材料等一系列高端化、多元化产品;同时,还自主研发了一套复合板材蜂窝芯中试生产线,申请专利数十项。轻质高刚复合板材已经在国家能源云顶集团内部的铁路货车盖板上试运行,并获得良好反馈。

此外,低碳院新材料公司[神华(北京)新材料科技有限公司]聚焦煤基聚烯烃产品高附加值化,推动聚烯烃产业升级。该公司开发的交联聚乙烯产品在通用聚乙烯产品的基础上,进行功能化开发,已在轻量化航天军工装备应用领域、高性能海洋应用装备领域、大型工程车应用领域、危化品储运应用领域得到广泛应用。

神奇的费托蜡

在门卓武的办公桌,记者看到一个类似玉盘的摆件,在玉盘旁边还趴着一只小兔子。“这都是蜡,是由煤通过费托合成工艺制成的,而且这已经到了食品级,可不是生活中用来照明的蜡。”门卓武。

“黑色的煤炭竟然可以变得这么白,完全看不到煤的影子了。”记者惊讶地说。

“费托合成工艺就是这么神奇,它也体现了煤化工的特色。”门卓武接着说,通过费托合成技术得到的费托蜡,可以称之为煤炭身上长出的“金手指”。费托蜡拥有点石成金的能力。同时,高熔点蜡价格从每吨1万多元到几十万元不等,价格显著高于普通的化学品。

煤化工研究中心临时负责人、主任助理兼燃料化学部经理秦绍东介绍说,费托蜡应用领域广泛,在食品、化妆品、医药、化工、材料、电子等众多领域均有应用。高熔点钴基费托蜡应用量最大的领域是PVC管材加工,高熔点蜡加入主要起到润滑剂作用;其次是热熔胶领域,高熔点蜡加入能够有效提高胶粘剂的耐热性和快干性,比如在光伏领域大量使用的EVA热熔胶。

煤制费托蜡是以煤为原料,生成合成气,在催化剂的作用下,合成气反应生成烃类,再经加氢精制反应,最后转变成以烷烃为主的混合物。2021年底,低碳院自主开发的“固定床钴基费托制高熔点蜡技术”被中国石油和化学工业联合会评为国际先进。

“固定床钴基费托制高熔点蜡技术最核心的是高性能的催化剂。”秦绍东说。

过去一年,秦绍东及其团队一方面对催化剂的性能进行改进,进一步提升催化剂转化效率,同时改进催化剂制备工艺,提高催化剂的强度,降低催化剂加工成本;另一方面,通过相关的化工企业与社会资本,推动项目的商业化落地。此外,他们与国内费托蜡下游的加工厂商交流,建立常态化的沟通机制,了解客户的需求,并为意向客户与蜡下游使用客户建立联系。

“一路走来,最难的是打破质疑,因为技术门槛高,世界上只有国外某知名石油公司掌握,且不对我国转让。自然我们一直是饱受质疑的,好在坚持了下来。”秦绍东说。

目前,该技术中试结果表明,该技术吨产品合成气耗量低,粗蜡产品滴熔点高于110摄氏度,产品中蜡油比大于5.0。技术核心催化剂在生产过程中抗波动能力强,副产物甲烷选择性低,高熔点蜡选择性高。该项技术在原料利用率、蜡产品选择性和时空收率等关键指标上均达到国际先进水平。

低碳院对于费托合成技术的研究不止于此。门卓武及其团队对现有的煤间接液化技术的核心技术费托合成技术进行升级换代,开发了高活性高抗磨性的费托合成催化剂CNFT-1,该催化剂的工业应用将费托合成反应器过滤系统的稳定运行时间由不到一年提高到三年以上,蜡产率提高20%左右,单台反应器的产能提高16%,推动了煤间接液化的技术进步,获得宁夏回族自治区2020年科技进步奖一等奖。

“其实,不知不觉中煤炭已经渗透到生活的方方面面。实现了高端化、多元化、低碳化的煤化工,将为煤炭的清洁高效利用、精细化发展提供一个可供选择的现实路径。”门卓武说。

小科普 

煤化工是指以煤为原料,经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品,并生产各种化工产品的过程。

煤化工分传统煤化工和现代煤化工。传统煤化工涉及煤焦化、煤电石、煤合成氨(化肥)等领域,其产品广泛用于农业、钢铁、轻工和建材等相关产业。现代煤化工通常指煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制甲醇等。

按照生产工艺的不同,煤化工可以分为煤焦化、煤气化、煤液化三大类:

◆煤焦化又称煤炭高温干馏,是以煤为原料,在隔绝空气条件下,加热到950摄氏度左右,经高温干馏生产焦炭,同时获得煤气、煤焦油并回收其他化工产品的一种煤转化工艺。煤焦油加工的产品广泛用于制取塑料、染料、香料、农药、医药、溶剂、防腐剂、胶粘剂、橡胶、碳素制品等。

◆煤气化是以煤炭或焦煤为原料,高温条件下在气化炉中与气化剂反应,通过化学反应将煤炭或煤焦中可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术,用于生产各种气体燃料。

◆煤液化是把固态状态的煤炭通过化学加工,使其转化为液体产品(液态烃类燃料,如汽油、柴油等产品或化工原料)的技术。煤炭通过液化可以得到清洁的二次能源,是新型煤化工技术和产业发展的方向。

经过多年技术攻关,我国现已形成较为完备的煤直接液化、煤间接液化、甲醇制烯烃、合成气制乙二醇的关键工艺和工程体系,大型气化炉等关键装备能够全部实现国产化。煤直接液化、粉煤中低温热解以及焦油轻质化技术属国际首创,煤制烯烃、煤制芳烃、低温费托合成、煤制乙二醇、煤油共炼技术处于国际领先水平,大型煤气化、高温费托合成技术处于国际先进水平。