煤炭直接转化技术发展现状与趋势

　　陈硕翼1，朱卫东1，唐明生2，李建福3

　　(1.科技部高技术研究发展中心;2.中国科学院理化技术研究所;3.北京鉴衡认证中心有限公司)

　　中国的能源禀赋是缺油、少气、煤炭相对丰富，通过煤炭直接转化获得产品弥补原油不足，符合我国国情和国家重大战略需求。本文对煤炭直接转化技术国内外发展现状与趋势进行了梳理分析，并提出了我国的进一步发展重点和对策建议。

　　一、关于煤炭直接转化技术

　　煤炭直接转化技术主要指煤的热解(包括焦化)、加氢液化和气化等一次转化技术。其中包括：

　　1. 煤热解技术

　　煤热解技术是指煤在隔绝空气条件下，受热分解形成气体、液体和固体产品的技术，是燃烧、气化和液化等热转化技术的基础。目前，煤热解技术主要针对中低阶煤的分级高效洁净转化，通过热解获取部分液体和气体产品。其前沿热点包括热解反应器、油尘分离和残焦利用等技术。

　　2. 煤直接加氢液化技术

　　煤直接加氢液化技术是煤在氢气和催化剂作用下，通过加氢裂化，直接转化成液体油品的技术，是一种先进的洁净煤转化技术。新一代煤直接液化技术充分考虑煤直接液化油品的结构组成特点，开发符合市场需求的高附加值产品，满足特种行业特种燃料的需求和日益严格的环保要求。煤直接液化获取BTX(苯、甲苯、二甲苯)等化学品和特种燃料技术是前沿热点方向。

　　3. 煤气化技术

　　煤气化技术指煤或煤焦在高温环境下与空气(氧气)、水蒸气或其它气化剂发生一系列化学反应，最终产生煤气的技术。煤气化技术作为一种清洁高效的煤转化技术，是现代煤化工的龙头和基础。能量利用效率高、生产强度大的气流床气化、煤种适应性强的超高温气化和煤气中富含甲烷的催化气化，是现代煤气化技术的前沿热点方向。

　　二、国际发展现状与趋势

　　1. 煤热解技术

　　国外开展了大量煤热解技术研发工作，以获得热解油气或提升燃料品质。上世纪70年代石油危机引起各国对煤热解技术的重视，美国、德国、前苏联、日本等国开发了一些典型热解工艺;上世纪90年代中期以后，石油资源广泛使用，国外热解技术研发处于停滞状态。

　　总体来说，国内外的煤热解工艺基本都处于中试或工业示范阶段，没有大规模制备油气的工业化应用。主要共性问题是热解油产率低品质差、沥青质和粉尘含量高、焦油与粉尘分离困难等。

　　当前热解技术发展方向是深入认识煤的键合结构，以及煤在热场中的自由基反应历程与调控原理，研发新型热解反应器，并采用催化热解调控热解过程、改变产物分布，解决油气质量控制问题，提高油气产率和品质。

　　2. 煤直接加氢液化技术

　　煤直接液化技术始于1913年的德国，石油危机掀起了技术研究和工艺开发的新高潮，到20世纪90年代中期美国、德国、日本形成了等数十项工艺，但由于石油价格大幅下跌，均未进入工业应用，20世纪末期国外技术研究几乎停滞。

　　煤直接加氢液化技术主要为制取液体燃料，受国际原油价格影响，存在经济性和市场应变性差等问题。符合煤液化油特点、更具经济性的制取芳烃和高性能燃料的研究相对较少，主要集中在早期液化新技术和液化粗油加氢制芳烃。开发针对煤液化粗油结构特征和杂质组成特点的新型加氢催化剂和工艺，是未来技术发展的关键。

　　目前石油基喷气燃料密度和吸热等性能已达极限，难以满足超音速飞机未来发展要求，高密度、高能量、安定性好的喷气燃料需求日益迫切，煤基喷气燃料成为各国研究热点。

　　美国宾州大学Schobert于1999年最先提出煤基喷气燃料，并选择与煤直接液化油组成相似、可大规模工业化生产的原料，开展JP-900喷气燃料技术开发，经过十几年研制获得成功。与石油基喷气燃料相比，JP-900具有高热稳定性、大比重、高闪点、低凝点的独特优势。2011年后，JP-900研究主要集中在其氧化和热裂解的理论计算上。

　　3. 煤气化技术

　　部分煤气化技术已经工业化应用，进一步降低能耗、扩大煤种适应性、提高装置可靠性等仍是各国努力的方向。

　　美国Greatpoint Energy公司催化加氢甲烷化技术可直接将煤、石油焦、生物质等转化为富甲烷气体，具有高效、低温、设备小及环境友好的特点。美国普惠洛克达因公司与美国能源部合作，采用Rocketdyne火箭发动机技术开发了紧凑型气化炉工艺，2014年在芝加哥GTI完成18t/d规模装置1000小时的热试。2015年，东华科技公司与阳煤集团参加美国Aerojet Rocketdyne公司组织的气化试烧工作，达到预期效果，两种煤种高灰熔点均高于1500℃，为阳煤集团提供。与现行系统相比，气化炉体积减少约90%，其效率增加，建造成本可降低10%～20%，且可降低约10%的CO2排放。

　　三、我国发展现状与水平

　　1. 煤热解技术

　　我国上世纪80年代开始进行热解技术研究，目前基础研究、技术开发和工艺放大等已世界领先，为中低阶煤高效合理利用提供了重要技术保证。

　　近年来，浙江大学和中国科学院(简称中科院)多个研究所，分别研发了集成半焦燃烧的循环流化床热、电、气、焦油多联产技术，完成了120-240t/d中试试验。北京神雾集团开发了无热载体旋转床热解技术，完成了72t/d中试验证，2012年通过国家能源局组织的成果鉴定。陕西煤业化工集团2015年建成2万吨/年低阶粉煤气固热载体双循环快速热解技术(SM-SP)工业试验装置，累计运行时间超过2000小时，2016年通过国家科技成果鉴定。2016年下半年，陕西延长石油(集团)自主研发的，煤提取煤焦油与制合成气一体化(CCSI)技术万吨级工业试验装置，实现144小时连续平稳运行，煤焦油产率达16.23%、合成气有效气大于35%(空气气化)。

　　在热解工艺放大技术方面，大连理工大学与陕西煤业化工集团合作建设了2000t/d DG固体热载体工业示范装置。浙江大学建成与国电小龙潭电厂300MWe循环流化床发电锅炉配套的960t/d工业示范装置，2011年完成72小时运行考核。大唐华银电力股份公司引进开发美国LFC技术，2011年建成内蒙古锡林郭勒1000t/d LCC工业示范装置并试车投运。北京低碳清洁能源研究所在LFC工艺基础上进一步研发，已开发完成百万吨级煤分级炼制技术工艺包。

　　在催化热解或加氢热解技术方面，大连理工大学采用CO2催化重整甲烷与平朔煤热解耦合技术，热解温度750℃时的焦油收率高达33.5%，是氢气或氮气气氛下的1.6倍、1.8倍;中科院过程工程研究所将煤热解一次产物二次催化裂解，可使焦油中轻质焦油含量和产率显著提高，并抑制积炭;太原理工大学开发了低阶煤催化解聚新技术，热解焦油收率可增加1.3～2.17倍。

　　在有关基础研究和关键技术开发方面，北京化工大学研究提出抑制挥发物二次反应的关键因素;中科院过程工程研究所构建了多层流化床和内构件移动床两种新型热解反应器，可减低挥发物温升幅度，减少焦油二次裂解反应，抑制重质组分生成，提高轻质油气产率和品质;煤炭科学技术研究院有限公司研发了一种针对粒径小于13mm的移动床热解器，已实现装置连续72小时稳定运行，干煤处理量50kg/h，热解温度550～750℃，焦油收率达到格金分析的75%以上，焦油含尘量小于1%。

　　2. 煤直接加氢液化技术

　　我国煤直接加氢液化技术研究始于20世纪70年代末期，由于我国能源资源特点，以及当时多种替代石油技术中煤直接液化技术的量级最大、补充作用最强，促进了我国煤直接加氢液化技术的发展。

　　进入21世纪，煤炭科学研究总院及高校、中科院在液化反应器、煤浆性质、液化催化剂、反应动力学、残渣利用等多方面取得重要进展;神华集团开发了煤直接液化产业化技术，形成自主知识产权工艺，2008年完成了百万吨级示范项目建设与运行，标志我国已成为煤直接液化技术的世界引领者。

　　在煤直接液化制芳烃技术方面，早期集中在液化粗油的加氢研究，近期集中在煤液化制芳烃路线以及液化过程研究，主要研究单位包括华东理工大学、大连理工大学、太原理工大学等。

　　在煤基喷气燃料研究方面，煤炭科学研究总院开发出以煤直接液化生成油为原料，生产多种军用燃料的新方法，可生产高比重喷气燃料等多种高附加值产品。神华集团对煤直接液化加氢处理工艺进行实验室和中试研究，最终产品(石脑油、柴油)达到国标要求。空军后勤部和神华集团取得煤基喷气燃料突破性进展，完成了研究台架对比试验，多项指标均优于石油基航空煤油，具有硫氮含量低、比重大、高体积热值和比热容、高热安定性等特点，并制定了标准，产品于2015年成功进行首次试验性飞行，表明我国该研究领域已达到世界领先水平。

　　3. 煤气化技术

　　我国上世纪80、90年代通过技术引进、消化吸收和集成创新，相关基础研究和技术开发均跨入国际先进行列，部分技术处于国际领先水平，大批自主知识产权的工艺技术相继开发，并向大型化、高效化跨越。

　　目前国内技术研究主要集中在气化炉设计、气化过程优化和催化气化等方面，已市场应用的自主开发煤气化技术达几十种，大致可分为气流床加压气化(包括干法煤粉加压气化和湿法水煤浆加压气化)、流化床粉煤加压气化(如灰熔聚常压气化CAGG)、固定床碎煤加压气化(鲁奇褐煤加压气化、碎煤移动床加压气化和BGL碎煤加压气化等)等3类工艺，各种工艺适应不同的煤质差异，均得到一定范围的使用。

　　四、我国进一步发展重点与对策建议

　　中国的能源禀赋缺油、少气、煤炭相对丰富，通过煤炭直接转化获得产品，弥补原油不足符合国家重大战略需求。针对中低阶煤高挥发分特点，以油气为目标，形成煤炭直接加氢液化，以及以热解为先导的煤炭分级高效综合利用技术，对我国国民经济可持续发展具有重大意义。

　　在科技部973计划、863计划以及能源局“国家能源应用技术研究及工程示范”等科技项目的支持下，我国已成为全球煤化工发展引领者，多种技术已进入示范或工业应用。在现有基础上，“十三五”期间，我国启动了“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”国家重点研发计划，针对热解、加氢液化、气化等煤炭直接转化技术，在煤炭/合成气直接转化制燃料与化学品反应和催化基础研究、煤制清洁燃气关键技术研究、煤制液体燃料及大宗化学品关键技术研究等方面进行了全面部署。

　　结合国家重点研发计划煤炭直接转化技术的研究任务推进、成果推广应用以及后续研究布局等工作，建议：

　　1. 着眼全局，提升技术市场竞争力

　　我国已完成百万吨级煤直接加氢液化技术工业示范，具备进一步推广的基本条件。新一代煤直接液化技术发展需放眼整体技术全局，投资要大大降低，产品附加值和经济效益要有本质的变化，技术特征主要体现在核心工艺的优化和催化剂的创新，寻求更为廉价和性能更高的催化剂，简化生产工艺，进一步降低操作成本，使产品市场竞争力得到提高。

　　2. 加强政策支持，推动工业化应用

　　近十年来，国内多达十几种煤热解技术进入中试或示范，由于对遇到问题的准备不足，尚无大规模热解技术进入工业化应用。应进一步加强政策引导和财政支持，优选具有规模和技术优势的工艺给予特别支持，尽快实现其工业化示范，为我国中低阶煤的高效利用提供技术支持。

　　3. 突出共性技术研究，促进降本增效

　　世界上现有各种煤气化技术在我国几乎都能找到示范或工业应用的实例，各种气化工艺均以适应不同的煤质差异而得到一定范围的使用，并以一定特点、优势，以及与煤的匹配适宜性，而得到市场认可。应进一步研究煤气化各种工艺的共性关键技术，提高煤气化效率，降低设备投资及运行成本;开发超高温气化工艺技术，实现气化原料全覆盖;发展催化气化工艺技术，满足煤制天然气的要求。

　　本报告为科技创新战略研究专项项目“重点科技领域发展热点跟踪研究”(编号：ZLY2015072)研究成果之一。大连理工大学胡浩权教授参与了本研究。

　　本文特约编辑：姜念云