构建“中国特色”煤炭利用之未来

受新的冠状肺炎疫情的影响，全球对口罩的需求急剧增加。为了适应当前形势的需要，近年来，越来越多的煤炭企业开始生产口罩原料，并加入了抗击“疫情”的战斗。

煤炭企业已经成为防疫材料生产的“生力军”，这也使行业意识到在碳减排的压力下，从资源能源向原材料利用的转变已经成为煤炭行业的大趋势。

“煤从能源到能源和原材料并重是国家提倡的发展方向。未来，原煤的比重将逐渐增加。”中国工程院院士、中科院大连化学物理研究所所长刘向《中国科学日报》指出。

由于能源资源的禀赋，近年来中国煤化工产业的规模迅速扩大。中国自主研发的煤间接液化技术、煤制烯烃技术和中国首次开发的煤制芳烃技术，均处于世界领先地位。

未来煤炭的利用将走向何方？

煤化工的多种选择

事实上，用煤制备口罩基本原料的过程已经成熟。山东科技大学化学与环境工程学院教授彭亮说，煤制烯烃是现代煤化工的一项重要技术。通过烯烃分离可以获得高纯度的丙烯。丙烯是生产口罩的主要基础材料——聚丙烯熔喷布、聚丙烯纺粘布等。其中，聚丙烯熔喷布是口罩的关键过滤层。

彭亮指出，煤炭企业可以利用基础原料(丙烯)的优势进入熔喷布生产领域，从而生产口罩并延伸产业链。“此外，煤化工的煤制乙烯技术还可以生产大量聚乙烯，用于生产医用防护服面料。”

中国石油大学新能源研究所所长周红军说，世界上有两种面膜原料的生产路线。一条是石化路线，另一条是中国特有的煤化工路线。

“将煤炭转化为原材料或利用材料是未来煤化工的发展趋势，也将对煤炭工业提出更高的技术要求。”彭亮认为，例如，煤焦油沥青可用于生产航空航天、军事和民用领域的碳纤维，从煤中分离的高附加值化学品可用于生产药品和染料等产品。

“就整个工业过程而言，煤的利用已经达到了极限，应该同时考虑物质流和能量流。煤的出路是从煤中制造原料和生产氢气。”周红军说。

“煤的主要成分是碳、氢、氧和少量的氮、硫或其他元素。从化学角度来看，这些元素可以结合成非常多种物质。”刘解释说，近年来出现的现代煤化工是以煤热解气化为基础，以一碳化学为主线，以新型催化剂和工艺为核心，以工艺设备为保障的。其产品主要包括合成油、天然气、烯烃、乙二醇、乙醇等。这些原材料是塑料、合成橡胶、合成纤维等不可缺少的。人们生活中常用的。

目标是干净高效

清洁利用是煤炭工业的主题，那么当前的煤化工技术能实现清洁吗？彭亮认为“这是绝对可能的”。然而，煤的深加工往往会带来设备投资大、耗水量大等问题。因此，发展适合中国国情的现代煤化工技术具有重要意义。

刘认为煤作为原材料的使用方式比燃烧更加复杂。对技术、工艺和设备的要求也更高。环境保护是现代煤化工体系建设中的重要问题之一。目前，高效污染物去除技术、废水(近)零排放技术和“三废”资源化利用技术已得到广泛应用，污染物排放可降至极低水平。

“从减少二氧化碳排放的角度来看，当以煤为原料时，煤中的碳元素被转移到新产品中，这可以在一定程度上减少二氧化碳的排放。”刘强调。

周红军指出，用于清洁煤转化的煤化工技术主要包括两个主要技术方向:用于生产清洁燃料的煤转化和用于生产散装和特殊化学品的煤转化。目标是清洁高效，进一步提高煤炭转化效率，减少水消耗和污染物排放。

如以煤/合成气/甲醇等为原料，重点解决烃和氧原子化学键的定向控制等重大问题，目标产物化学合成的新途径，催化剂的精确合成，目标产物的合成工艺和反应器等，最终成功开发出一系列煤转化为清洁燃料和化学品的新技术；重点解决煤直接和间接液化的原料、工艺匹配和产品柔性控制，以及煤直接-间接液化工艺和耦合强化问题。

两年前，中国科学院启动了一项名为“转型清洁能源的关键技术和示范”的A级战略试点科技项目。中国科学院大连化学物理研究所与该研究所的许多研究所共同牵头实施了该项目。

该项目旨在通过中国各种能源资源的整合和开发，促进“中国特色”能源结构的建设，通过能源技术革命推动能源革命。在煤化工领域，已经规划了两个项目:合成气下游和耦合转化与利用，甲醇下游和耦合转化与利用。计划到2023年完成20万吨/年煤基合成气直接生产低碳烯烃的工业示范。100万吨煤清洁、高效、分级转化利用工业示范等一批重大项目。

“此外，钢铁企业在炼铁过程中会排放大量尾气，一氧化碳和氢气等有效成分类似于煤化工中的合成气。钢铁尾气可作为化工原料生产基础化工产品等。这不仅是钢铁工业生态发展的重要方向，也是煤化工的重要方向。”刘指出。

煤化工的未来

近年来，国内钢铁企业也非常重视气基直接还原铁技术的研发，受相对昂贵的天然气的限制，一直在讨论利用焦炉煤气气化气进行气基直接还原铁生产，以降低合成气即氢气的生产成本。

“目前，中国还没有真正的工业气体直接还原铁。”周红军说。中国石油大学(北京)开发了一种焦炉气二氧化碳干法转化技术。与中国石化和中国山西太行公司合作，在山西左权建设第一座以焦炉煤气为原料的30万吨/年煤气直接还原铁示范厂。该项目计划于今年竣工并开工。其中，焦炉煤气净化和二氧化碳干法转化采用学校开发的新技术，解决了减少气源的瓶颈问题。

根据煤质的基本特征，煤经过一步一步的加工，获得有价值的成分，整体效果最理想。这也是国内外学者关注的焦点。

“煤作为一种原材料，不仅必须生产一种产品，而且还需要进行多种产品的联合生产，即多联产。目前，已经取得了很大进展。”彭亮说。例如，高挥发分煤首先热解，然后在第一步热解中气化得到煤气和煤焦油，其中煤气可以化学合成，煤焦油可以提取高价值的化学品；在第二步的气化阶段，半焦被气化以合成化学品和材料。

彭亮表示，对于高挥发分煤，他们目前正在进行热解/燃烧阶段转化的研究和开发工作，并已完成试点测试。此外，对超纯煤的研究正在进行，即煤中的灰分含量降低到1%以下，并取得了进展。此外，正在进行的煤化工挥发性污染物处理工作也已完成工业示范。

面对未来，刘建议在煤化工水平上，进一步降低水耗和能耗，实现产品的灵活调整。在煤热解和多联产、煤制天然气、煤制芳烃和含氧化合物等领域，需要进一步突破关键技术，实现成套技术和产业示范。同时，通过技术创新，加强新产品开发，拓展产业链，开发高附加值、精细化、差异化产品。