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现代煤化工改善大气质量的优势产业
来源于:中国化工报  发表时间:2014/3/20

□ 环保部环境工程评估中心教授级高级工程师周学双

在中国,煤炭资源赋存现状和消费量的客观事实,决定了我国无法回避煤炭问题,我国不使用煤炭是不可能的!但也正是煤炭的大量使用,我国出现了涉及生存环境的大问题,科学合理开发、高效加工转化和最大限度地利用煤炭资源成为我们追求的永久目标。

研究表明,现代煤化工在改善大气环境质量方面具有显著的产业优势。从治理大气污染的角度考虑,我们应该积极探索利用先进的产业集群模式发展现代煤化工,做到大幅消减煤炭使用量的同时,还能保证经济的正常发展。

现状:已具备规模化发展的基础

传统意义上的煤化工主要是制煤气、焦炭、化肥、氢气等,而现代煤化工不仅可以完全替代传统煤化工,还可以将电、化、冶、热、建材等多种产业联合,实现大型产业集群。核心是将煤气化技术与化学品加工技术等多产业密切联系,供应跨行业的多种产品,除化学品之外,还可以供应电、热、蒸汽、燃气、建材等能源产品及其他行业产品。如此一来,不仅可替代能源和石油,而且通过多联产可以大幅度消减电力、水泥、冶炼、热力等重污染行业以及民用燃料、车用燃料生产等污染排放。

现代煤化工在我国的发展很迅速,煤制油(煤炭直接液化、间接液化)、煤制烯烃(MTOMTP)、煤制芳烃、煤制天然气、煤制乙二醇、煤制二甲醚等均已取得重要成果;除煤制芳烃外,其他工艺均已建成一定规模的工业化示范装置。可以说,我国的现代煤化工技术已经具备规模化发展的基础。

除煤炭直接液化外,现代煤化工产业链几乎都是以煤气化为工艺源头。因此,煤气化技术是现代煤化工的基础核心。目前,我国已有十几种自主开发和国外引进的煤气化技术,是唯一集合了世界上所有煤气化工艺技术的国家。

按炉型划分,煤气化技术主要有固定床、流化床、气流床3种。这3种炉型的气化技术在国内几乎都有过应用。目前,业内基本认同固定床和气流床这两种气化技术,流化床已经很少使用。从环保角度分析,我国使用的以固定床和气流床为主的气化技术环境友好,而常压气化、空气气化技术污染严重,应该予以淘汰。

固定床气化技术。该技术主要是应用碎煤加压气化炉(鲁奇炉)和碎煤加压熔渣气化炉(BGL炉),碎煤干燥、干馏、气化过程均在炉内,分别在不同的温度段完成,其中气化段温度最高,可达9501250℃,属于中温气化。固定床气化技术原料适应性广,除黏结性较强的烟煤外,从褐煤到无烟煤均可气化;是国内已经应用的各种气化技术中获得甲烷含量最高的技术;除合成气外,还可以得到各种有价值的焦油、轻质油及粗酚等多种副产品;投资较小。

该技术的缺点是:单炉气化规模较小;直径<5毫米的煤不能进入气化炉;鲁奇炉蒸汽分解率低,一般约为40%,蒸汽消耗较大,渣中残炭含量达5%;气化废水量大,成分复杂,含有焦油、萘和酚等污染物,废水处理困难。

鲁奇炉是固态排渣,工程实例多,较为成熟,已完全国产化,正在开发内径5米的大型气化炉;BGL炉是液态排渣,渣中残炭少,气化段温度高,转化率高,耗蒸汽少,95%以上国产化,但国内工程实例少。

干粉煤气流床气化技术。该技术可气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦及高灰熔点的煤,属于高温高压气化;可用于联合循环发电,且一般不设备用炉;有效气体含量高,投资最大,碳转化率高,液态排渣;有效气体含量最高,不产生焦油、萘和酚等废水,废水处理相对容易;单炉生产能力大,因煤气中甲烷含量低,该气化技术对煤制天然气没有优势。

该技术的缺点是:投资大,连续稳定生产存在问题;飞灰量较大;备煤阶段污染较重,使用褐煤需要干燥,污染更重。

干粉煤气化技术典型代表有壳牌公司的SCGP粉煤气化技术、西门子公司的GSP粉煤气化技术、西安热工研究院的两段式干粉煤加压气化技术和北京航天动力研究所的HT-L气化技术等。目前国内应用壳牌公司SCGP粉煤气化技术较多,西门子公司的GSP粉煤气化技术工程实例较少。

水煤浆气流床气化技术。该技术运行稳定可靠、投资省;但要求原料煤含灰量较低、成浆性好、还原性气氛下的灰熔点低于1300℃,灰渣黏温特性好,除褐煤外,气煤、烟煤、次烟煤、无烟煤、高硫煤及低灰熔点的劣质煤、石油焦等均能用作气化原料;气化温度在13001400℃;原料煤适应性较广,单炉生产能力大,有效气体含量高,比固定床投资大,碳转化率高,液态排渣;装备国产化率已达90%以上;不产生焦油、萘和酚等废水,废水处理相对容易。该技术与固定床技术合理配置用于褐煤、烟煤等多煤种联合制天然气,不仅可以合理配煤,还可以资源化废水、活性污泥等,具有较大优势。

该技术的缺点是:受气化炉耐火砖衬里的限制,适宜于气化低灰熔点的煤,成浆性要求高,氧耗高,需配套的空分装置投资大,不适用褐煤,用于煤制天然气投资大于固定床气化技术。

水煤浆气化技术的典型代表有:GE水煤浆加压气化技术、康菲石油公司的E-Gas水煤浆气化技术、华东理工大学的多喷嘴对置式水煤浆气化技术、清华大学非熔渣—熔渣氧气分级气化技术以及西北化工研究院的多元料浆气化技术。

困境:不合理规划带来环境威胁

然而,技术先进的现代煤化工也遭遇了环境问题。

首先,不合理的布局严重威胁环境安全。

由于缺乏国家层面的煤化工发展规划,唯GDP的政绩观促使各地纷纷上马煤化工,规模之庞大超乎想象。据不完全统计,我国煤(甲醇)制烯烃拟建规模超过3000万吨/年、煤制天然气超过2000亿立方米/年、煤制油超过3000万吨/年。除西藏外,西部各地几乎都已经染指煤化工。据了解,内蒙古全区12个盟市有各级工业园区105家,其中国家级、自治区级的工业园区有45家,仅鄂尔多斯就有14个煤化工基地;陕西榆林市有31个煤化工基地,近5年批复兰炭7260万吨、电石360万吨、煤焦油及其燃料油1140万吨等。西部各地产品严重同质化,缺乏市场竞争力。

国家发改委规划了14个煤炭基地,2012年煤炭产量超过35亿吨,已批在建的煤炭产能近12亿吨,煤炭总产能将超过46亿吨。如此巨量的煤炭产能将进一步刺激煤化工盲目无序的发展。与此同时,黄河流域水资源量与上世纪50年代相比已经减少20%,用水量大幅增加,许多地方竭泽而渔,黄河中上游有河皆枯、有水皆污的现象日趋严重,新疆、内蒙古、陕西等地珍贵的地下水已经受到严重污染。如此下去,西部脆弱的生态环境必然恶化,生态灾难将不是危言耸听!

其次,水资源和纳污水体缺乏,进一步加剧环境污染。

我国煤炭资源和水资源呈逆向分布,极不均衡。水资源分布以昆仑山—秦岭—大别山一线为界,以南水资源丰富,占78.6%;以北水资源短缺,仅占21.4%,而煤炭资源占全国的90.1%。特别是黄河中上游的晋陕蒙宁4省区煤炭资源占有量为全国的67%,但水资源仅仅占全国水资源的3.85%,且该区域约40%属于半干旱地区,人均水资源量还不足黄河流域人均水资源量的一半。同时,黄河流域水资源量不断减少,取水量大幅增加,煤炭开采破坏地下水资源,粗放式的发展与监管不严等造成地下水污染,多种因素叠加将资源性缺水和水质性缺水的态势进一步演绎,后果难以想象!

由于西部煤炭资源区几乎都位于黄河流域,不仅缺少水资源,还缺乏纳污水体。煤化工生产的特点是高温高压,必然产生大量的含盐废水,无论何种废水处理技术,盐是无法降解的。黄河担负着流域内生活、生产、农业与生态等多种供水需求,目前盐含量累积已经接近生态红线,如果再不加以严格控制,任由无序布局造成无序排污,导致含盐量跨越生态红线,黄河流域的生态环境变化将难以想象!

建议:科学发展实现产业治污

现代煤化工在技术层面已经可以复制石油化工的产业链。如煤制烯烃、芳烃、汽柴油、乙二醇等,尤其是煤制烯烃技术成熟后,具有明显的成本优势,加上乙烷丙烷制乙烯丙烯等新工艺,我国固有的炼化一体化已经不具有优势,有必要重新校正煤炭与石油在一次能源和二次能源中的定位与产业分工。而且炼化一体化的传统思维,石化行业将优质汽油组分用于生产乙烯等化工产品,使得我国的油品清洁化道路更加困难。

因此,基于多方面理由,现代煤化工的重要性与发展意义,有必要从环境保护角度重新评判和定义。科学发展现代煤化工,调整煤炭的利用方式和比例,可以明显改善环境质量,也可以说现代煤化工是治理大气环境污染的产业手段。

一要从战略层面论证煤炭的利用方式。煤炭用途为燃料和原料,作为燃料的用量大于80%,而作为原料的用量仅20%2012年,中国煤炭实物消费量35.51亿吨,是美国的4倍左右。有两个结论可以肯定,一是创造同样的社会财富可以不用消耗35亿吨煤;二是同样消耗35亿吨煤,可以不造成如今这样的环境污染后果。问题的关键就是我们的利用方式和产业布局不合理、不科学!因此,现在无论是产业界还是环保界,很有必要反思我们该如何利用煤炭。煤炭的两种用途比例显然不合理,虽然火电技术发展很快,但煤炭在火电(燃料)和煤化工(原料)使用过程中排放的大气污染物相比较,差距仍然十分明显,其他燃料用途就更不用说。由此可见,问题很突出,增加煤炭作为原料的比重将显著改善大气环境质量。从国家利益出发,在战略层面充分论证煤炭的利用方式,在弄清楚煤炭作为原料和燃料的配比后,根据环境承载力,才能得到煤炭消费总量的上限。

二是资源开发与管理模式有待改进。煤炭开采与利用涉及煤炭资源的管理与配置,西部近十年的资源开发已经暴露诸多问题,尤其是生态环境破坏。大量资金投入的目的是为了占有煤炭资源,地方政府在资源配置上均要求必须就地转化,由此催生了许多不具备条件的区域盲目上马发展煤化工,加剧了不合理布局和环境污染。目前,“诸侯经济”与“全国一盘棋、有序、可持续发展”极其冲突,资源管理模式不适应科学发展要求,各自为政不可能解决环境问题。煤炭资源不应属于地方所有,必须从国家利益出发,从能源替代、资源、市场、技术、交通、环保等诸多方面,对煤炭资源进行科学统筹规划、统一调配,实现自然资源用途管制。应摒弃部门和地方的狭隘利益观,筹划超越行政区划界限的大区域经济,改进财税分配机制,严禁“逢煤必采、逢煤必化”的现象继续蔓延。尽快出台煤炭与煤化工的相关政策,有效遏制西部盲目无序局面。

三是要由环境决定规划布局。近10年的实践表明,煤化工发展布局缺乏科学性,缺乏对环境基本的重视,这种模式已行不通。从已获得“路条”的16个煤化工项目来看,几乎都是以废水“零排放”为前提,然而废水“零排放”是一个存在诸多未解问题的“伪命题”。迄今为止,国内尚无工程实例。现代煤化工技术已经趋于成熟,具备大规模发展的基础,但科学合理布局十分关键。因此,环保界应该对现代煤化工有客观准确的认识,提早介入,主导产业布局,积极参与现代煤化工的宏观决策,不能墨守成规。同时,产业界有必要改变习惯思维,应该由环境来决定布局,以改善环境质量作为发展的正确方向。

西部地区的环境特点是生态脆弱,风能和太阳能丰富,土地资源丰富,水资源有限,普遍缺乏纳污水体。因此,应该综合多种资源包括风能和太阳能,在水资源相对丰富、具有纳污空间的煤炭资源区,构划现代煤化工多联产体系,耦合多行业多产品的超级产业集群,充分利用可再生资源(如获取氢源等),实现资源最大限度地循环利用。

四要改进环境管理模式。煤炭的问题涉及煤矿、火电、煤化工、水资源、交通等多个行业,但目前的环评管理对煤炭涉及的多个行业缺乏统筹考虑,要解决煤炭污染问题,必须抓住源头,只要不把煤炭挖出来,问题就好解决。现在46亿吨的煤炭产能已经严重过剩,不能再做加法了,应该停止审批煤矿增产项目!

改进现有的管理模式,将煤炭开采与后续的利用结合管理。比如,外运煤炭必须结合交通运能,就地加工必须结合水资源、排污去向等。只要煤炭利用不可行,煤炭就不能开采!除此之外,从环境角度考虑,可以进行煤炭开采与利用的专项战略环评,划定煤炭开采禁区、限制区和煤种使用的限制。如褐煤不得远距离运输,不宜用于火电,鼓励高硫煤用于煤化工,特殊煤种保护性开采,地下水资源区的煤炭暂不开采等,煤炭资源的分质高效科学利用是真正最大的环保问题!

五是研究制定完善的煤炭开采与利用政策。碳税政策实施将有可能改变煤炭利用的整体格局。从环境角度考虑,有必要研究制定前瞻性、系统性、长期性的政策,便于产业界尽早考虑产业发展方向。比如,煤化工将硫作为资源回收利用,没有任何政策支持,而没有进行资源回收的火电却有脱硫和脱硝补贴;褐煤与劣质煤的利用、焦炉煤气放空、高盐废水排放、煤灰渣堆存、煤炭中其他元素资源丢弃浪费等,亟须环保方面的政策引导。

六要努力实现效益1+13和污染1+10.5。从环保角度分析,单一的现代煤化工虽然属于煤炭资源利用的先进技术,但真正的优势是以煤气化为龙头的煤基多联产系统,可以实现煤、电、化、热、冶、建材等多产业的耦合,循环互补延伸产业链,寻求资源能源最大化利用、污染物最小化排放。生产化学品、油品、电、热、蒸汽、燃气、建材等能源产品与多行业产品的同时,不仅可以利用不同产品市场需求的差异进行削峰补谷,如电和天然气,还可以大幅度消减电力、水泥、冶炼、热力等以煤炭为燃料的重污染行业、民用燃料、车用燃料等污染排放。

以煤气化为龙头的多联产系统是庞大的系统性工程,规模大、产业多、投资巨大,单一企业是无法完成的,必须由多个企业拼接方能实现。实际上,循环经济得以实现的前提必须是规模化经济,之所以许多实用的综合利用技术不能被企业所用,主要原因是构不成经济规模循环产业链。比如100万吨焦化产能可以副产4万~5万吨煤焦油和近2亿立方米焦炉煤气,这两种副产品利用均不够合理的经济规模,难以利用。如果建设成产业集群,多种副产品就能够规模化地配套利用。因此,必须发展现代煤化工多联产系统,只有这样的组合才能实现效益1+13、污染1+10.5,实现高碳资源的低碳化利用。

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