开启煤炭清洁高效利用新途径

在我国的能源结构中，石油、天然气资源匮乏，煤炭储量相对丰富，在能源结构中占比近70%，居主导地位。目前，我国已探明煤炭储量10200亿吨，55%以上是煤化程度低的低阶煤，蕴藏其中的挥发分相当于1000亿吨的油气资源。但由于低阶煤水含量高，直接燃烧或气化效率低，且现有技术无法充分利用其资源价值，导致了煤炭资源的巨大浪费。

为此，2012年2月，中科院启动战略性先导科技专项“低阶煤清洁高效梯级利用关键技术与示范”，依据低阶煤的组成与结构特征，提出了低阶煤清洁高效梯级利用的整体解决方案。

把煤炭“吃干榨净”

依据低阶煤的组成与结构特征，专项提出了低阶煤清洁高效梯级利用的整体解决方案，即“以高效热解为先导，提取煤中业已存在的油气资源，剩余半焦燃烧发电或经气化后定向转化为燃料和化学品”。

依据整体方案，专项形成了三条具有代表性和典型性的工艺路线，包括“热解—油气提质—半焦燃烧—发电”、“热解—气化—合成”和“热解—气化—费托合成—油品共处理”，建立了一套高能效、低污染、低排放和高值化的低阶煤综合利用技术体系，显著降低硫、硝和重金属等污染物排放，将低阶煤“吃干榨净”。

中科院山西煤化所是先导专项的牵头单位，所长王建国对《中国科学报》记者说：“按照煤专项研发课题布局中工艺路线和产品链关系，我们以系统集成的方式进行综合分析评估，计算得出低温热解+发电综合能效达46.78%，比燃煤亚临界发电提高能效8.78个百分点；加氢热解+FT合成能源转化效率为51.91%，相比于煤间接液化提高8.85个百分点，实现了低阶煤先导专项的预定目标。”

“热解是煤专项的‘龙头技术’，重点是突破煤热解制备油气的关键技术。在低温热解方面，通过独创的固体物料加热、物料循环控制、热解炉排焦等手段，成功控制了固体热载体燃烧床和热解床的能量和物料交换，实现了双床的有机耦合。”王建国说。

2015年11月，240吨/天固体热载体煤低温热解中试装置实现满负荷稳定运行，这是国内首次实现每年10万吨规模的循环流化床粉煤热解装置满负荷运行，为后续热解半焦的燃烧和气化目标的实现奠定了坚实基础。在加氢热解方面通过“溶剂循环自平衡”解决液化产物结构分布难以调控的难题，2015年底在内蒙古鄂尔多斯实现万吨级加氢热解128小时连续稳定运行。

工程开辟新路径

对于低阶煤来说，如何“燃烧”是非常关键的问题。对此，专项开展超临界循环流化床燃烧发电技术和燃煤烟气污染物脱除净化技术研究。在半焦燃烧方面，设计了新型多边形炉膛炉型，突破了大尺度循环流化床燃烧均匀性核心技术，达到了国内领先水平。

众所周知，烯烃、芳烃等大宗化学品以及汽油柴油等大宗液体燃料是国民经济发展的重要基石，传统的生产方法主要是采用各种不同工艺对石油或者其衍生品进行炼制，而煤专项着重开展合成气和甲醇制大宗化学品和燃料技术的攻关。

王建国说：“2017年1月11日，每年10万吨合成气制乙醇装置成功打通全流程，产出分析纯级无水乙醇（99.71%），标志着全球首套煤经二甲醚制乙醇工业示范项目一次试车成功。”

在项目进行过程中，随着国家经济结构调整，专项遇上了“原定的建设示范装置的地点和规模发生变化”的问题，这直接影响示范工程的进度。

2013年8月，“多段分级转化流化床煤气化技术及工业示范”课题与某企业签订工业装置示范工程合作协议，但由于煤化工行业整体处于较低迷状态，企业运营出现困难，工程未能按时实施。随后，课题组与多家企业积极交流，最终与陕西煤业化工新型能源有限公司签订了合作协议。

产业化带动企业升级转型

经过近5年的努力，煤专项许多关键技术已具备示范或产业化的条件，部分技术已同企业建设示范，实现了预定目标，为推进产业化奠定了良好的基础。

王建国说：“煤炭企业想要真正实现脱困突围和转型升级，就必须大力推进煤炭清洁高效利用，项目与多家大中型煤炭企业合作，不仅能加快科技成果的转移转化，还可以推进企业产业结构调整。”

在专项实施期间，多家煤炭企业积极参与项目开发，大中型企业投入约100亿元。王建国说：“预计‘十三五’期间将有400亿元投资，这将为企业的转型、产业的提升以及我国煤炭清洁高效利用起到重要的技术保障作用，为经济社会发展培育了新动力、拓展了新空间。”