受新冠肺炎疫情的影響，全球口罩需求量急劇增長。為應(yīng)對當(dāng)前的形勢需要，近日，越來越多的煤炭企業(yè)開始生產(chǎn)口罩原料，加入了這場抗“疫”戰(zhàn)爭。
煤炭企業(yè)成為生產(chǎn)防疫物資的“生力軍”，也讓業(yè)內(nèi)意識到，在碳減排壓力之下，從資源能源化向原材料化利用轉(zhuǎn)變，成為煤炭行業(yè)的大勢所趨。
“煤炭由能源向能源和原料并重是國家倡導(dǎo)的發(fā)展方向。未來，煤炭原材料化的比例會(huì)逐漸增加。”中國工程院院士、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所所長劉中民對《中國科學(xué)報(bào)》指出。
由于能源資源的稟賦特征，近年來，我國煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長。我國自主研發(fā)的煤炭間接液化技術(shù)、煤制烯烴技術(shù)，以及我國率先開發(fā)的煤制芳烴技術(shù)，都處于國際領(lǐng)先的地位。
未來，煤炭利用將走向何方?
煤化工的多重選擇
實(shí)際上，以煤炭為原料制備口罩基本原料的工藝已經(jīng)成熟。山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院教授梁鵬介紹說，煤制烯烴是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，通過烯烴分離可以獲得高純度的丙烯，丙烯用于生產(chǎn)口罩所用的主要基本材料——PP熔噴布、PP紡粘布等，其中，PP熔噴布是口罩中起關(guān)鍵作用的過濾層。
梁鵬指出，煤炭企業(yè)可以利用基本原料優(yōu)勢(丙烯)，進(jìn)入熔噴布生產(chǎn)領(lǐng)域，進(jìn)而生產(chǎn)口罩，延長產(chǎn)業(yè)鏈。“此外，煤化工的煤制乙烯技術(shù)，還可生產(chǎn)大量聚乙烯，用于生產(chǎn)醫(yī)用防護(hù)服面料。”
中國石油大學(xué)(北京)新能源研究院院長周紅軍則介紹說，口罩的原料制備，全球有兩類生產(chǎn)路線。一條是石油化工路線，另一條則是中國獨(dú)有的煤化工路線。
“將煤炭轉(zhuǎn)化為原料或材料加以利用是未來煤化工的發(fā)展趨勢，同時(shí)會(huì)對煤炭行業(yè)提出更高的技術(shù)要求。”梁鵬認(rèn)為，如煤瀝青可以生產(chǎn)碳纖維用于航天、軍事及民用領(lǐng)域，從煤中分離高附加值化學(xué)品可用于生產(chǎn)醫(yī)藥、染料等產(chǎn)品。
“站在整個(gè)工業(yè)過程來講，煤炭利用已經(jīng)到天花板，物質(zhì)流和能源流都要考慮。煤以后的出路就是材料化，及煤制氫等。”周紅軍說。
“煤的主要成分是碳、氫、氧和少量的氮、硫或其它元素，從化學(xué)的角度講，這些元素可以組合出非常多種類的物質(zhì)。”劉中民解釋說，近些年興起的現(xiàn)代煤化工以煤熱解、氣化為基礎(chǔ)，以一碳化學(xué)為主線，以新型催化劑和工藝過程為核心，以工藝流程裝備為保障，產(chǎn)品主要有合成油、天然氣、烯烴、乙二醇、乙醇等，人們生活中常用的塑料、合成橡膠、合成纖維等都離不開這些原料。
以清潔高效為目標(biāo)
清潔化利用是煤炭行業(yè)的主基調(diào)，那么，目前的煤化工技術(shù)能否實(shí)現(xiàn)清潔化?梁鵬認(rèn)為“完全可以”。不過，煤炭的深加工過程往往會(huì)帶來設(shè)備投資大、耗水量大等問題，因此，因地制宜開發(fā)適合我國國情的現(xiàn)代煤化工技術(shù)，具有重要意義。
劉中民認(rèn)為，相比于燃燒，煤炭作為原料利用的方式更多、更復(fù)雜。對技術(shù)、工藝、裝備的要求也更高，環(huán)保是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)體系構(gòu)建過程中的重要問題之一。目前，污染物高效脫除技術(shù)、廢水(近)零排放技術(shù)及“三廢”資源化利用技術(shù)都已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，污染物的排放可以降到非常低的水平。
“從二氧化碳減排的角度，煤作為原料時(shí)，煤中的碳元素轉(zhuǎn)移到新的產(chǎn)品中，可在一定程度上減少二氧化碳的排放。”劉中民強(qiáng)調(diào)說。
周紅軍則指出，煤炭清潔轉(zhuǎn)化的煤化工技術(shù)主要包括煤轉(zhuǎn)化制取清潔燃料和煤轉(zhuǎn)化制取大宗及特殊化學(xué)品兩大技術(shù)方向。以清潔高效為目標(biāo)，進(jìn)一步提高煤炭轉(zhuǎn)化效率、降低水耗及污染物排放等問題。
如重點(diǎn)解決以煤/合成氣/甲醇等為原料的碳?xì)溲踉踊瘜W(xué)鍵的定向調(diào)控、目標(biāo)產(chǎn)物的化學(xué)合成新途徑、催化劑的精準(zhǔn)合成，以及目標(biāo)產(chǎn)物的合成工藝及反應(yīng)器等重大問題，最終成功開發(fā)系列煤轉(zhuǎn)化制清潔燃料和化學(xué)品新技術(shù);重點(diǎn)解決煤直接液化和間接液化的原料、過程匹配和產(chǎn)品靈活調(diào)控，以及煤直接—間接液化工藝及耦合強(qiáng)化問題等。
兩年前，中國科學(xué)院啟動(dòng)了“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所牽頭聯(lián)合院內(nèi)多所實(shí)施。
該項(xiàng)目旨在推動(dòng)構(gòu)建我國多種能源資源融合發(fā)展的“中國特色”能源結(jié)構(gòu)，以能源技術(shù)革命促進(jìn)能源革命。在煤化工方面，布局了合成氣下游及耦合轉(zhuǎn)化利用、甲醇下游及耦合轉(zhuǎn)化利用兩個(gè)項(xiàng)目，計(jì)劃到2023年，完成20萬噸/年煤基合成氣直接制低碳烯烴的工業(yè)示范;百萬噸煤炭清潔高效分級轉(zhuǎn)化利用工業(yè)示范等一批重大項(xiàng)目。
“除此之外，鋼鐵企業(yè)在煉鐵工藝過程中會(huì)排放大量的尾氣，其中的一氧化碳和氫氣等有效成分與煤化工中的合成氣相似，可以把鋼鐵尾氣作為化工的原料，生產(chǎn)基礎(chǔ)化工產(chǎn)品等。這不僅是鋼鐵行業(yè)生態(tài)化發(fā)展的一個(gè)重要方向，也是煤化工的重要方向。”劉中民指出。
煤化工的未來
近年來，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)還十分重視氣基直接還原鐵技術(shù)的研發(fā)，受限于較為昂貴的天然氣，紛紛探討采用焦?fàn)t氣煤氣化的氣體進(jìn)行氣基直接還原鐵生產(chǎn)，以降低合成氣也就是氫氣的生產(chǎn)成本 。
“目前，國內(nèi)尚無真正意義的工業(yè)化氣基直接還原鐵。”周紅軍說。中國石油大學(xué)(北京)研發(fā)了焦?fàn)t氣二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化技術(shù)，與中石化及中晉太行公司合作正在山西左權(quán)建設(shè)第一個(gè)采用焦?fàn)t氣為原料的30萬噸/年氣基直接還原鐵示范廠，計(jì)劃今年建成開車。其中的焦?fàn)t氣凈化和二氧化碳干重整轉(zhuǎn)化采用該校開發(fā)的新工藝技術(shù)，解決了還原氣來源的瓶頸問題。
煤化工領(lǐng)域提出煤炭分質(zhì)分級利用，就是根據(jù)煤質(zhì)的基本特點(diǎn)，對煤炭進(jìn)行逐級加工，獲取有價(jià)值的組分，總體得到最為理想的結(jié)果。這也是目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。
“煤炭作為原料，一定不能只生產(chǎn)一種產(chǎn)品，需要進(jìn)行多種產(chǎn)品的聯(lián)合生產(chǎn)，即多聯(lián)產(chǎn)，而目前已經(jīng)有了很大的進(jìn)展。”梁鵬說。例如，將高揮發(fā)分煤炭采用先熱解后氣化的技術(shù)路線，在第一步的熱解階段獲得煤氣和煤焦油，其中煤氣可以做化工合成，煤焦油可以提取高價(jià)值的化學(xué)品;第二步的氣化階段將半焦進(jìn)行氣化，做化學(xué)品和材料的合成。
梁鵬介紹說，針對高揮發(fā)分煤，他們目前正在進(jìn)行熱解/燃燒分級轉(zhuǎn)化方面的研究開發(fā)工作，并且完成了中試實(shí)驗(yàn)。另外還正在進(jìn)行超純煤方面的研究，即將煤中的灰含量降低到1%以下，取得了進(jìn)展。此外，正在開展的煤化工行業(yè)揮發(fā)性有污染物治理方面的工作也已完成工業(yè)示范。
面向未來，劉中民建議，在煤化工層面，還需進(jìn)一步降低水耗和能耗，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的靈活調(diào)變;在煤熱解及多聯(lián)產(chǎn)、煤制天然氣、煤制芳烴和含氧化合物等方面，需要進(jìn)一步突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成套工藝技術(shù)和工業(yè)示范。同時(shí)，通過技術(shù)創(chuàng)新，加強(qiáng)新產(chǎn)品開發(fā)，通過延伸產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展高附加值、精細(xì)化、差異化產(chǎn)品。
