陳碩翼1，朱衛(wèi)東1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所;3.北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司)

　　中國的能源稟賦是缺油、少氣、煤炭相對豐富，通過煤炭直接轉(zhuǎn)化獲得產(chǎn)品彌補(bǔ)原油不足，符合我國國情和國家重大戰(zhàn)略需求。本文對煤炭直接轉(zhuǎn)化技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進(jìn)行了梳理分析，并提出了我國的進(jìn)一步發(fā)展重點和對策建議。

　　一、關(guān)于煤炭直接轉(zhuǎn)化技術(shù)

　　煤炭直接轉(zhuǎn)化技術(shù)主要指煤的熱解(包括焦化)、加氫液化和氣化等一次轉(zhuǎn)化技術(shù)。其中包括：

　　1. 煤熱解技術(shù)

　　煤熱解技術(shù)是指煤在隔絕空氣條件下，受熱分解形成氣體、液體和固體產(chǎn)品的技術(shù)，是燃燒、氣化和液化等熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的基礎(chǔ)。目前，煤熱解技術(shù)主要針對中低階煤的分級高效潔凈轉(zhuǎn)化，通過熱解獲取部分液體和氣體產(chǎn)品。其前沿?zé)狳c包括熱解反應(yīng)器、油塵分離和殘焦利用等技術(shù)。

　　2. 煤直接加氫液化技術(shù)

　　煤直接加氫液化技術(shù)是煤在氫氣和催化劑作用下，通過加氫裂化，直接轉(zhuǎn)化成液體油品的技術(shù)，是一種先進(jìn)的潔凈煤轉(zhuǎn)化技術(shù)。新一代煤直接液化技術(shù)充分考慮煤直接液化油品的結(jié)構(gòu)組成特點，開發(fā)符合市場需求的高附加值產(chǎn)品，滿足特種行業(yè)特種燃料的需求和日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。煤直接液化獲取BTX(苯、甲苯、二甲苯)等化學(xué)品和特種燃料技術(shù)是前沿?zé)狳c方向。

　　3. 煤氣化技術(shù)

　　煤氣化技術(shù)指煤或煤焦在高溫環(huán)境下與空氣(氧氣)、水蒸氣或其它氣化劑發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生煤氣的技術(shù)。煤氣化技術(shù)作為一種清潔高效的煤轉(zhuǎn)化技術(shù)，是現(xiàn)代煤化工的龍頭和基礎(chǔ)。能量利用效率高、生產(chǎn)強(qiáng)度大的氣流床氣化、煤種適應(yīng)性強(qiáng)的超高溫氣化和煤氣中富含甲烷的催化氣化，是現(xiàn)代煤氣化技術(shù)的前沿?zé)狳c方向。

　　二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　1. 煤熱解技術(shù)

　　國外開展了大量煤熱解技術(shù)研發(fā)工作，以獲得熱解油氣或提升燃料品質(zhì)。上世紀(jì)70年代石油危機(jī)引起各國對煤熱解技術(shù)的重視，美國、德國、前蘇聯(lián)、日本等國開發(fā)了一些典型熱解工藝;上世紀(jì)90年代中期以后，石油資源廣泛使用，國外熱解技術(shù)研發(fā)處于停滯狀態(tài)。

　　總體來說，國內(nèi)外的煤熱解工藝基本都處于中試或工業(yè)示范階段，沒有大規(guī)模制備油氣的工業(yè)化應(yīng)用。主要共性問題是熱解油產(chǎn)率低品質(zhì)差、瀝青質(zhì)和粉塵含量高、焦油與粉塵分離困難等。

　　當(dāng)前熱解技術(shù)發(fā)展方向是深入認(rèn)識煤的鍵合結(jié)構(gòu)，以及煤在熱場中的自由基反應(yīng)歷程與調(diào)控原理，研發(fā)新型熱解反應(yīng)器，并采用催化熱解調(diào)控?zé)峤膺^程、改變產(chǎn)物分布，解決油氣質(zhì)量控制問題，提高油氣產(chǎn)率和品質(zhì)。

　　2. 煤直接加氫液化技術(shù)

　　煤直接液化技術(shù)始于1913年的德國，石油危機(jī)掀起了技術(shù)研究和工藝開發(fā)的新高潮，到20世紀(jì)90年代中期美國、德國、日本形成了等數(shù)十項工藝，但由于石油價格大幅下跌，均未進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，20世紀(jì)末期國外技術(shù)研究幾乎停滯。

　　煤直接加氫液化技術(shù)主要為制取液體燃料，受國際原油價格影響，存在經(jīng)濟(jì)性和市場應(yīng)變性差等問題。符合煤液化油特點、更具經(jīng)濟(jì)性的制取芳烴和高性能燃料的研究相對較少，主要集中在早期液化新技術(shù)和液化粗油加氫制芳烴。開發(fā)針對煤液化粗油結(jié)構(gòu)特征和雜質(zhì)組成特點的新型加氫催化劑和工藝，是未來技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。

　　目前石油基噴氣燃料密度和吸熱等性能已達(dá)極限，難以滿足超音速飛機(jī)未來發(fā)展要求，高密度、高能量、安定性好的噴氣燃料需求日益迫切，煤基噴氣燃料成為各國研究熱點。

　　美國賓州大學(xué)Schobert于1999年最先提出煤基噴氣燃料，并選擇與煤直接液化油組成相似、可大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的原料，開展JP-900噴氣燃料技術(shù)開發(fā)，經(jīng)過十幾年研制獲得成功。與石油基噴氣燃料相比，JP-900具有高熱穩(wěn)定性、大比重、高閃點、低凝點的獨特優(yōu)勢。2011年后，JP-900研究主要集中在其氧化和熱裂解的理論計算上。

　　3. 煤氣化技術(shù)

　　部分煤氣化技術(shù)已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)一步降低能耗、擴(kuò)大煤種適應(yīng)性、提高裝置可靠性等仍是各國努力的方向。

　　美國Greatpoint Energy公司催化加氫甲烷化技術(shù)可直接將煤、石油焦、生物質(zhì)等轉(zhuǎn)化為富甲烷氣體，具有高效、低溫、設(shè)備小及環(huán)境友好的特點。美國普惠洛克達(dá)因公司與美國能源部合作，采用Rocketdyne火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)開發(fā)了緊湊型氣化爐工藝，2014年在芝加哥GTI完成18t/d規(guī)模裝置1000小時的熱試。2015年，東華科技公司與陽煤集團(tuán)參加美國Aerojet Rocketdyne公司組織的氣化試燒工作，達(dá)到預(yù)期效果，兩種煤種高灰熔點均高于1500℃，為陽煤集團(tuán)提供。與現(xiàn)行系統(tǒng)相比，氣化爐體積減少約90%，其效率增加，建造成本可降低10%～20%，且可降低約10%的CO2排放。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　1. 煤熱解技術(shù)

　　我國上世紀(jì)80年代開始進(jìn)行熱解技術(shù)研究，目前基礎(chǔ)研究、技術(shù)開發(fā)和工藝放大等已世界領(lǐng)先，為中低階煤高效合理利用提供了重要技術(shù)保證。

　　近年來，浙江大學(xué)和中國科學(xué)院(簡稱中科院)多個研究所，分別研發(fā)了集成半焦燃燒的循環(huán)流化床熱、電、氣、焦油多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，完成了120-240t/d中試試驗。北京神霧集團(tuán)開發(fā)了無熱載體旋轉(zhuǎn)床熱解技術(shù)，完成了72t/d中試驗證，2012年通過國家能源局組織的成果鑒定。陜西煤業(yè)化工集團(tuán)2015年建成2萬噸/年低階粉煤氣固熱載體雙循環(huán)快速熱解技術(shù)(SM-SP)工業(yè)試驗裝置，累計運行時間超過2000小時，2016年通過國家科技成果鑒定。2016年下半年，陜西延長石油(集團(tuán))自主研發(fā)的，煤提取煤焦油與制合成氣一體化(CCSI)技術(shù)萬噸級工業(yè)試驗裝置，實現(xiàn)144小時連續(xù)平穩(wěn)運行，煤焦油產(chǎn)率達(dá)16.23%、合成氣有效氣大于35%(空氣氣化)。

　　在熱解工藝放大技術(shù)方面，大連理工大學(xué)與陜西煤業(yè)化工集團(tuán)合作建設(shè)了2000t/d DG固體熱載體工業(yè)示范裝置。浙江大學(xué)建成與國電小龍?zhí)峨姀S300MWe循環(huán)流化床發(fā)電鍋爐配套的960t/d工業(yè)示范裝置，2011年完成72小時運行考核。大唐華銀電力股份公司引進(jìn)開發(fā)美國LFC技術(shù)，2011年建成內(nèi)蒙古錫林郭勒1000t/d LCC工業(yè)示范裝置并試車投運。北京低碳清潔能源研究所在LFC工藝基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)，已開發(fā)完成百萬噸級煤分級煉制技術(shù)工藝包。

　　在催化熱解或加氫熱解技術(shù)方面，大連理工大學(xué)采用CO2催化重整甲烷與平朔煤熱解耦合技術(shù)，熱解溫度750℃時的焦油收率高達(dá)33.5%，是氫氣或氮氣氣氛下的1.6倍、1.8倍;中科院過程工程研究所將煤熱解一次產(chǎn)物二次催化裂解，可使焦油中輕質(zhì)焦油含量和產(chǎn)率顯著提高，并抑制積炭;太原理工大學(xué)開發(fā)了低階煤催化解聚新技術(shù)，熱解焦油收率可增加1.3～2.17倍。

　　在有關(guān)基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)方面，北京化工大學(xué)研究提出抑制揮發(fā)物二次反應(yīng)的關(guān)鍵因素;中科院過程工程研究所構(gòu)建了多層流化床和內(nèi)構(gòu)件移動床兩種新型熱解反應(yīng)器，可減低揮發(fā)物溫升幅度，減少焦油二次裂解反應(yīng)，抑制重質(zhì)組分生成，提高輕質(zhì)油氣產(chǎn)率和品質(zhì);煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司研發(fā)了一種針對粒徑小于13mm的移動床熱解器，已實現(xiàn)裝置連續(xù)72小時穩(wěn)定運行，干煤處理量50kg/h，熱解溫度550～750℃，焦油收率達(dá)到格金分析的75%以上，焦油含塵量小于1%。

　　2. 煤直接加氫液化技術(shù)

　　我國煤直接加氫液化技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代末期，由于我國能源資源特點，以及當(dāng)時多種替代石油技術(shù)中煤直接液化技術(shù)的量級最大、補(bǔ)充作用最強(qiáng)，促進(jìn)了我國煤直接加氫液化技術(shù)的發(fā)展。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，煤炭科學(xué)研究總院及高校、中科院在液化反應(yīng)器、煤漿性質(zhì)、液化催化劑、反應(yīng)動力學(xué)、殘渣利用等多方面取得重要進(jìn)展;神華集團(tuán)開發(fā)了煤直接液化產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，形成自主知識產(chǎn)權(quán)工藝，2008年完成了百萬噸級示范項目建設(shè)與運行，標(biāo)志我國已成為煤直接液化技術(shù)的世界引領(lǐng)者。

　　在煤直接液化制芳烴技術(shù)方面，早期集中在液化粗油的加氫研究，近期集中在煤液化制芳烴路線以及液化過程研究，主要研究單位包括華東理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、太原理工大學(xué)等。

　　在煤基噴氣燃料研究方面，煤炭科學(xué)研究總院開發(fā)出以煤直接液化生成油為原料，生產(chǎn)多種軍用燃料的新方法，可生產(chǎn)高比重噴氣燃料等多種高附加值產(chǎn)品。神華集團(tuán)對煤直接液化加氫處理工藝進(jìn)行實驗室和中試研究，最終產(chǎn)品(石腦油、柴油)達(dá)到國標(biāo)要求?？哲姾笄诓亢蜕袢A集團(tuán)取得煤基噴氣燃料突破性進(jìn)展，完成了研究臺架對比試驗，多項指標(biāo)均優(yōu)于石油基航空煤油，具有硫氮含量低、比重大、高體積熱值和比熱容、高熱安定性等特點，并制定了標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品于2015年成功進(jìn)行首次試驗性飛行，表明我國該研究領(lǐng)域已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

　　3. 煤氣化技術(shù)

　　我國上世紀(jì)80、90年代通過技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和集成創(chuàng)新，相關(guān)基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)均跨入國際先進(jìn)行列，部分技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，大批自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝技術(shù)相繼開發(fā)，并向大型化、高效化跨越。

　　目前國內(nèi)技術(shù)研究主要集中在氣化爐設(shè)計、氣化過程優(yōu)化和催化氣化等方面，已市場應(yīng)用的自主開發(fā)煤氣化技術(shù)達(dá)幾十種，大致可分為氣流床加壓氣化(包括干法煤粉加壓氣化和濕法水煤漿加壓氣化)、流化床粉煤加壓氣化(如灰熔聚常壓氣化CAGG)、固定床碎煤加壓氣化(魯奇褐煤加壓氣化、碎煤移動床加壓氣化和BGL碎煤加壓氣化等)等3類工藝，各種工藝適應(yīng)不同的煤質(zhì)差異，均得到一定范圍的使用。

　　四、我國進(jìn)一步發(fā)展重點與對策建議

　　中國的能源稟賦缺油、少氣、煤炭相對豐富，通過煤炭直接轉(zhuǎn)化獲得產(chǎn)品，彌補(bǔ)原油不足符合國家重大戰(zhàn)略需求。針對中低階煤高揮發(fā)分特點，以油氣為目標(biāo)，形成煤炭直接加氫液化，以及以熱解為先導(dǎo)的煤炭分級高效綜合利用技術(shù)，對我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

　　在科技部973計劃、863計劃以及能源局“國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范”等科技項目的支持下，我國已成為全球煤化工發(fā)展引領(lǐng)者，多種技術(shù)已進(jìn)入示范或工業(yè)應(yīng)用。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，“十三五”期間，我國啟動了“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”國家重點研發(fā)計劃，針對熱解、加氫液化、氣化等煤炭直接轉(zhuǎn)化技術(shù)，在煤炭/合成氣直接轉(zhuǎn)化制燃料與化學(xué)品反應(yīng)和催化基礎(chǔ)研究、煤制清潔燃?xì)怅P(guān)鍵技術(shù)研究、煤制液體燃料及大宗化學(xué)品關(guān)鍵技術(shù)研究等方面進(jìn)行了全面部署。

　　結(jié)合國家重點研發(fā)計劃煤炭直接轉(zhuǎn)化技術(shù)的研究任務(wù)推進(jìn)、成果推廣應(yīng)用以及后續(xù)研究布局等工作，建議：

　　1. 著眼全局，提升技術(shù)市場競爭力

　　我國已完成百萬噸級煤直接加氫液化技術(shù)工業(yè)示范，具備進(jìn)一步推廣的基本條件。新一代煤直接液化技術(shù)發(fā)展需放眼整體技術(shù)全局，投資要大大降低，產(chǎn)品附加值和經(jīng)濟(jì)效益要有本質(zhì)的變化，技術(shù)特征主要體現(xiàn)在核心工藝的優(yōu)化和催化劑的創(chuàng)新，尋求更為廉價和性能更高的催化劑，簡化生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步降低操作成本，使產(chǎn)品市場競爭力得到提高。

　　2. 加強(qiáng)政策支持，推動工業(yè)化應(yīng)用

　　近十年來，國內(nèi)多達(dá)十幾種煤熱解技術(shù)進(jìn)入中試或示范，由于對遇到問題的準(zhǔn)備不足，尚無大規(guī)模熱解技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)政策引導(dǎo)和財政支持，優(yōu)選具有規(guī)模和技術(shù)優(yōu)勢的工藝給予特別支持，盡快實現(xiàn)其工業(yè)化示范，為我國中低階煤的高效利用提供技術(shù)支持。

　　3. 突出共性技術(shù)研究，促進(jìn)降本增效

　　世界上現(xiàn)有各種煤氣化技術(shù)在我國幾乎都能找到示范或工業(yè)應(yīng)用的實例，各種氣化工藝均以適應(yīng)不同的煤質(zhì)差異而得到一定范圍的使用，并以一定特點、優(yōu)勢，以及與煤的匹配適宜性，而得到市場認(rèn)可。應(yīng)進(jìn)一步研究煤氣化各種工藝的共性關(guān)鍵技術(shù)，提高煤氣化效率，降低設(shè)備投資及運行成本;開發(fā)超高溫氣化工藝技術(shù)，實現(xiàn)氣化原料全覆蓋;發(fā)展催化氣化工藝技術(shù)，滿足煤制天然氣的要求。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領(lǐng)域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)研究成果之一。大連理工大學(xué)胡浩權(quán)教授參與了本研究。

　　本文特約編輯：姜念云