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双碳目标下兰炭产业的危与机

日期: 2022-03-24
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兰炭生产技术的特点


兰炭,通常是以低阶煤块煤为原料进行中低温干馏热解得到的固体炭质产品,同时副产煤焦油、煤气等,是煤炭分质利用的传统形式。
从化学角度看,低阶煤是由芳环、脂肪链等官能团缩合形成的大分子聚集体。既含有以无定型碳与灰为代表的固体成分60%80%(质量分数)、又含有高达10%40%(质量分数)的由链烷烃、芳香烃、碳氧支链为代表的煤本身固有油气成分的挥发分[1]。将煤的油气挥发分先通过干馏(热解)提取出来,不仅可以实现优质组分的高附加值利用,而且热解后的兰炭品质又远优于原煤。
以煤为原料采用气化、液化、热解等不同技术路线,其能源转化效率、单位产品的煤耗、新鲜水耗量、CO2排放、投资强度等对比如表1所示。其中,煤热解制兰炭技术的系统参数最优,显著高于其它煤转化过程。


1  典型煤转化路线的单位产品系统参数分析

煤转化路线

能源转化效率[2]/%

单位产品煤耗/(tce/t产品

单位产品新鲜水耗量/(m3/t产品

单位产品CO2排放量[3]

/(tco2/t产品

投资强度/(亿元/万t)

煤制甲醇

50

1.4

15

3.8

0.5

煤制烯烃

42

4.4

16

10.5

3.0

煤制乙二醇

25

2.9

14

5.6

1.4

煤制天然气

51

1.1

6

4.7

5.5

煤制油直接液化

55

3.2

6.6

5.5

2.3

煤制油间接液化

42

3.4

9

6.8

1.7

煤热解制兰炭

75

1.6

0.8

0.3

0.06~0.1

注:①含原料煤与燃料煤;②t产品1000m3天然气;③投资强度单位为亿元/亿m3


兰炭产品的特点


煤热解技术的特点是可生成固、液和气三种形态产物,而不同煤种和工艺条件又决定了其产物质量及收率。当前,我国已实现工业化生产的煤热解炉型主要为:内热式直立炉(处理3080mm块煤、单炉兰炭生产能力达30t/a)、内热式小粒煤炉(处理630mm粒煤、单炉兰炭生产能力达20t/a)、外热式回转炉(处理030mm混煤、单炉兰炭生产能力60t/a)。
我国兰炭的主产区为陕西榆林和新疆哈密,其原料煤均为长焰煤,但因其特有煤质差异、热解工艺不同,导致兰炭产品质量有较大区别,其指标见表2


2  不同兰炭产品的典型指标

指标

榆林兰炭产品指标(直立炉)

榆林兰炭产品指标(回转炉)

哈密兰炭产品指标(直立炉)

全水分Mt/%

14.9

10.7

14.4

空气干燥基水分Mad/%

4.50

/

3.31

灰分Ad/%

8.18

6.79

13.60

挥发分Vdaf/%

5.49

9.90

9.09

固定碳FCad/%

82.88

83.31

78.55

硫分St,d/%

0.34

0.25

0.31

高位发热量Qgr.ar/kcal/Kg

7085

7026

5791

低位发热量Qnet.ar/kcal/Kg

6086

6627

5649

哈氏可磨性

49

60

45-55

粒度/占比

6mm15%

615mm25%

1535mm50%

35mm10%

/

6mm70%

620mm20%

20mm10%


榆林兰炭产品的主要特点为:①油、气综合收率较高,1t原煤经热解可以生成约0.6t兰炭,副产0.06t煤焦油、600m3煤气;②兰炭产品质量优异,其块粒度较好、机械性能适宜、固定碳含量达80%以上,还原性能优越。榆林兰炭还具有高化学活性、特低灰、特低硫等特点,适宜铁合金、电石、化工等领域,可满足当前冶金工业生产工艺要求,现已出口俄罗斯、日本等国。
哈密兰炭产品的主要特点为:①油、气收率高,1t煤经热解可以生成约0.5t兰炭,副产0.1t煤焦油、900m3煤气;②兰炭产品质量较差,其灰分较高、粉末率较高,≤6mm焦沫达70%以上,多作为动力煤燃烧,仅少量块兰炭与焦炭混配后,才可用于生产电石、铁合金等。
煤热解副产的中低温煤焦油,其轻组分含量较多、重质焦油含量相对较少,比较适宜加氢生产汽柴油及特种油品,其特性见表3。可对煤焦油加氢产物进行分质利用,生产高端油品及化学品,如将加氢汽油馏分深加工可生产环保溶剂油、重整制芳烃;将加氢柴油馏分深加工可生产特种军用航空航天燃料、火箭煤油、航空煤油,变压器油,冷冻机油,橡胶油等特种油品。


3  不同煤焦油的特性比较[4]

类别

项目

高温煤焦油

榆林-中低温煤焦油

新疆-中低温煤焦油

性质分析

密度ρ20/g/cm3

1.17

1.03

0.98

水分/%

1.4

3.4

1.2

灰分/%

0.02

0.06

0.11

恩氏黏度/E80

4.7

2.03

1.2

机械杂质/%

3.40

2.60

-

残炭/%

0.98

5.94

4.0

甲苯不溶物

(无水基)/%

6.3

2.6

0.82

元素分析(质量分数)

C/%

92.81

86.28

85.78

H/%

5.30

8.31

9.23

O/%

0.03

3.86

3.85

N/%

0.96

1.11

0.74

S/%

0.9

0.36

0.40

H/C原子比

0.69

1.16

1.29

馏程分析

初馏点

235

208

189

10%

296

250

224

50%

404

370

339

90%

534

514

496

终馏点

556

541

529

组分分析

饱和分

25.03

44.38

34.22

芳香分

28.42

18.49

38.07

胶质

18.01

27.51

23.21

沥青质

28.54

9.62

4.50


目前,大规模工业化生产的内热式直立炉热解煤气中N2含量高达40%以上,其热值仅为<1900Kcal/Nm3,属低热值煤气,其组成见表4。该煤气已在制氢、制合成氨,燃烧发电及作为金属镁、石灰窑等冶炼燃料等领域得到广泛应用。


4  兰炭煤气的组成比较

组成

(体积分数/%

H2

CH4

CO

N2

CO2

CnHm

O2

热值/

Kcal/Nm3

榆林兰炭煤气

(直立炉)

24.1

7.1

15.7

44.2

6.3

0.6

2.0

1851

哈密兰炭煤气

(直立炉)

27.4

6.3

12.6

41

11.6

0.7

0.4

1600

焦炉煤气

5560

2530

57

2.53.5

23

23

0.30.5

4000

三、兰炭产业

发展的制约因素


兰炭,国际上称为半焦。19世纪初,英国以烟煤、烛煤、褐煤等为原料采用低温热解方法制造半焦;1860年,德国建立较大型的褐煤低温热解工厂制取灯油和石蜡,随后发展衰退。为获取煤焦油,德国在二战期间,曾大规模发展了褐煤热解-焦油加氢产业。而我国“兰炭”之名最早源于榆林神木,因明火炼焦制兰炭时产生“兰色火焰”而得名,并先后历经土法炼焦、机制兰炭、设备大型化等阶段,被地方视为“草根产业”,20123月国家商标总局颁发了神木兰炭地理标志证明商标。
目前,我国兰炭总产能约为1.29亿t,主要分布在陕西榆林(产能6500t)、新疆自治区(产能5000t)、河北唐山(产能500t)、内蒙古鄂尔多斯(产能500t)、宁夏自治区(产能400t)。2021年,我国兰炭产量约为6000t,同时副产中低温煤焦油产量约为850t、煤气约为800亿m3,折合原油当量达2100t,约占我国原油产量的10%左右,已发展成为我国油气资源的有效补充。
我国兰炭产业经过近四十年的发展,已形成相对完善的工业体系,并循环发展了“煤-兰炭-电石-聚氯乙烯-兰炭-燃料油-特种油品-芳烃-兰炭-发电-兰炭-合成氨-碳铵-兰炭-金属镁一体化五个产业链,推动榆林建成了世界最大的金属镁生产基地、国内重要电石-氯碱生产基地[5]。兰炭产业虽已成为地方经济发展的重要支柱产业,但尚未走出生产工艺低端、三废问题突出、产品粗放的困局,产业发展仍面临诸多制约与严峻挑战。分析原因,主要为设计、施工、生产、管理等均不够规范。
1)设计因素。化工设计是科技成果转化为现实生产力的桥梁和纽带,也是从工程设想变为工业化生产的关键环节。目前,兰炭项目设计存在标准规范不健全、集成设计不系统、创新成果应用较少等问题。因此,兰炭产业应推动在国家层面,建立有别于焦化的建设准入细则、设计标准规范,由经验丰富的专业设计院规范化设计与系统集成,并加大创新技术的推广应用。
2)施工因素。长期以来,由于兰炭生产粗放、装备严密性要求低,以大工匠为主的施工队伍即可满足工程建设需求。但随着国家对兰炭生产管理要求的不断提高,经验性施工则存在诸多弊端,比如施工误差大、生产检修率高、跑冒滴漏严重等问题。因此,兰炭项目施工应按照设计图纸及施工技术标准,由有经验的规范化施工单位完成,并重视关键装置施工质量,严格把控关键设备与材料质量关。
3)生产因素。兰炭生产粗放主要体现在:①关键控温技术,依靠“熟练调火工”经验,产品质量波动较大;②生产现场环境差,煤尘、VOCs排放大,环保设施不健全;③自动化程度低,生产劳动强度大;④生产工人普遍未进行化工专业知识和技能的系统学习。因此,应开展多专业协同技术攻关,突破自动控温技术,实现煤焦输送无人值守,大幅提高自动化水平、降低劳动强度,补齐环保短板,实施废气、废水达标治理,并提高生产技术与管理人员的业务水平。
4)管理因素。虽然兰炭起步于地方产业,但现已在陕西、新疆、内蒙古、宁夏等省(自治区)广泛生产,年转化煤炭达上亿吨。2008年,兰炭产业纳入国家产业目录,相关管理政策标准才得以建立,但与当前的产业规模相比,政策标准建设严重滞后。产能淘汰、节能制度、环保监管政策不明朗或依据不明确,兰炭产业管理在冶金、焦化、化工等多行业间徘徊不定,同时,国家层面的《兰炭建设(含技改)项目环境准入条件》亟待出台。

四、发展建议
202112月,中央环保督察组督查榆林时指出:榆林兰炭产业存在淘汰落后产能不力、违规建设多发、生产方式粗放、环保治理不达标等问题,并列为典型案例、推动行业整改。对于中央环保督察指出的问题,认为抓住了当前兰炭产业发展的关键核心、切中要害,非常及时且必要。
梳理督查通报中提到的问题,主要归为三类:因以煤为原料“两高”属性、产能过剩的产业发展问题;因淘汰落后产能不力、违规立项、无节能审查批复等的监督管理问题;因废水、废气处理未处理或未达标的生产管理问题,具体分析内容见表5


5  督查通报榆林兰炭问题分析

序号

主要问题

原因归类

整改建议

备注

1

以煤为原料的“高能耗、高污染”

产业发展问题

向绿色、低碳发展

延伸产业链,发展高端、高附加值产品

2

产能过剩

产业发展问题

淘汰落后产能

提高产能利用率

3

淘汰落后产能不力

监督管理问题

按照国家产业政策要求整改

/

4

立项备案不符合国家产业政策

监督管理问题

按照国家产业政策要求整改

/

5

无节能批复违规生产建设

监督管理问题

妥善解决历史遗留问题

/

6

兰炭废水未处理或建设严重滞后

生产管理问题

按要求达标处理后回用

短流程全兰炭废水处理技术,正在进行工业化验证。

7

废气处理不达标、无组织排放严重

生产管理问题

按要求整改达标排放

多气分离、分类处理。


通过分析认为:当前兰炭产业主要是由于管理不到位,加之,现有兰炭装置的设计、建设、生产等不够规范,从而陷入发展困局。在新形势下,兰炭产业必须按照节能减排、绿色低碳的要求,从产业布局、项目配套、技术水平、安全环保等方面规范兰炭产业发展,对标整改、彻底解决,“腾笼换鸟”、“涅槃重生”。
因三废处理、节能减排措施的完善,兰炭生产成本将增加,而下游市场仍存在较多的需求风险,未来兰炭企业经济效益尚较难预判。多数兰炭煤气仅用于燃烧发电、煅烧利用,造成优质资源被浪费,应重点发展以热解煤气深加工制氢能、氨燃料、循环利用CO2制绿色低碳甲醇、乙二醇等。以负碳、零碳为目标,提前布局粉焦还原CO2制一氧化碳及下游有机碳等技术示范。
为此,在制定行动方案推动环保督查问题整改的同时,应加快百万吨级粉煤热解技术工程化示范,持续深入开展煤热解基础理论、块煤热解技术研究,攻克以内热式直立炉均匀热传导为核心的多尺度热解研究、高兰炭品质为导向的煤热解技术研究等,为现有装置工业操作优化提供建议及理论基础。同时,大型国企应主动作为、发挥引领示范作用,从兰炭生产全系统物质流、能量流统筹考虑,开展短流程全兰炭废水处理技术示范,建设兰炭生产节能减排技术集成应用与示范项目。

本文作者:周秋成,金泰氯碱化工有限公司高级工程师


参考文献:

[1]王建国,赵晓红.低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范[J].中国科学院院刊,2012,27(3):382-388.

[2]尚建选,等.低阶煤分质利用[M].北京:化学工业出版社,2021.3

[3]张媛媛,王永刚,田亚峻.典型现代煤化工过程的二氧化碳排放比较[J].化工进展,2016,35(12):4060-4064.

[4]周秋成,席引尚,马宝岐.我国煤焦油加氢产业发展现状与展望[J].煤化工,2020,48(03):3-8+49.

[5]黄晔,周秋成. 榆林能源化工基地二十年发展研究[M]. 西安:陕西人民出版社2019.01


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