【高端訪談】煤催化氣化技術意義何在

    2016-10-14 四川蜀泰化工 蜀泰催化技術

     —訪我國煤催化氣化領軍人物、新奧集團煤基低碳能源國家重點實驗室副主任畢繼誠

文︱記者陳繼軍

    畢繼誠，流化床氣化專家、中國煤催化氣化技術帶頭人、中科院山西煤化所煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室研究員、博士生導師，科技部973計劃綜合交叉科學領域?qū)＜?，河北新奧集團煤基低碳能源國家重點實驗室副主任、煤氣化首席科學家，長期致力于煤與生物質(zhì)共氣化/共熱解、煤催化氣化、煤加氫氣化、煤催化加氫氣化、煤超臨界水氣化等前沿技術的研究，成功開發(fā)了含碳有機物（煤、生物質(zhì)、廢塑料、廢輪胎等）在超臨界水條件下連續(xù)反應轉(zhuǎn)化利用系列技術，首創(chuàng)超臨界水氧化連續(xù)處理焦化廢水技術。 

    在五大現(xiàn)代煤化工路徑中，煤制天然氣處境最為尷尬。一方面，國際油氣價格的走低和國內(nèi)天然氣價格的下調(diào)，使得煤制天然氣原本應有的成本優(yōu)勢蕩然無存。另一方面，為了從氣化氣中獲得盡可能多的甲烷氣，國內(nèi)建成、在建的煤制天然氣項目，大多采用魯奇爐兩步法合成甲烷工藝，該工藝在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量含酚、多環(huán)芳烴等難以處理的有機廢水，不僅大幅增加了項目的環(huán)保設施投資和運行費用，而且因廢水難以達標排放導致項目無法正常運行，盈利能力低下。

     在這種情況下，人們迫切希望能有一種煤轉(zhuǎn)化效率高、氣化氣中甲烷含量高、廢水產(chǎn)生量少且易處理的先進煤氣化技術——煤催化氣化技術。有這樣的技術嗎？有。我國煤催化氣化領軍人物、河北新奧集團煤基低碳能源國家重點實驗室副主任畢繼誠博士，可以為我們詳解煤催化氣化技術的前世今生。

    多國研發(fā)中國完成

    記者：請您介紹一下煤催化氣化技術的基本情況。

    畢繼誠：煤催化氣化的全稱叫做煤催化氣化制甲烷技術。其核心是在堿金屬/堿土金屬催化劑作用下，煤在加壓流化床氣化爐中，在相對溫和的條件下進行氣化、變換和甲烷化反應生產(chǎn)甲烷產(chǎn)品。該技術的最大特點是：將吸熱的煤氣化反應與放熱的水煤氣變換和甲烷化反應耦合起來，不需脫硫過程，在一個反應器中就可將煤轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣和一氧化碳。其中，氣化爐出口合成氣中甲烷含量約20%，比現(xiàn)有固定床煤氣化制甲烷技術的甲烷含量高出近一倍。因此，煤催化氣化制甲烷技術也可以說是專門為煤制天然氣量身定做的煤氣化技術之一。

    記者：煤催化氣化技術最早是哪個國家開發(fā)的？

    畢繼誠：煤催化氣化的概念早在20世紀20年代就有了。但受諸多因素影響，較長時間僅停留在實驗室研究階段。20世紀70年代石油危機爆發(fā)后，遭遇了石油短缺之痛的歐美國家開始重視并支持該技術的研究。其中，美國能源部委托美國?？松梨诠具M行了系列研發(fā)，建立了1噸/日的電加熱過程開發(fā)裝置，并進行了5年多的試驗開發(fā)。但隨著石油危機的結(jié)束，全球幾乎又停止了煤催化氣化技術的研發(fā)。

      進入21世紀，隨著石油煉化規(guī)模的擴大，石油焦的產(chǎn)量持續(xù)大幅增加。如何將數(shù)量巨大且令煉化企業(yè)頭痛的石油焦轉(zhuǎn)化為清潔能源甲烷，成為各大能源巨頭關注的焦點。2004年，美國巨點能源公司在?？松梨诠狙邪l(fā)的基礎上，再次建立了1噸/日電加熱過程的開發(fā)裝置，持續(xù)對催化氣化技術進行攻關和研究，最終開發(fā)出以鉀鈉鋰鹽作催化劑、以高溫高壓蒸汽為熱源、以石油焦為主要加工對象的煤催化氣化技術。由于該技術所需的4.0兆帕、850攝氏度高溫高壓蒸汽在工業(yè)化生產(chǎn)中很難實現(xiàn)其經(jīng)濟性，且氣化溫度低、反應物停留時間長、還需要較為昂貴的鋰作催化劑，導致氣化爐規(guī)模難以放大，經(jīng)濟性受到質(zhì)疑，至今并未實現(xiàn)工業(yè)化應用。

     記者：中國的技術有什么特點？

     畢繼誠：新技術的氣化爐由上中下3部分構成。上端為熱解單元、中間為催化氣化單元、下端為燃燒單元。整個物料流程如下：來自上端熱解單元的半焦+氧氣→催化氣化→高溫粗煤氣+殘?zhí)?；高溫粗煤氣→上端熱解單元（與投入的原煤逆向接觸換熱）→煤低溫熱解→甲烷含量20%左右的粗煤氣+煤焦油+半焦→油氣分離→氣體→甲烷化裝置→人造天然氣；焦油→進一步加工處理生產(chǎn)精細化學品；未被氣化的殘?zhí)技岸栊晕镔|(zhì)→氣化爐下端的燃燒室（+氧氣）→部分氧化/氣化（燃燒）→為催化氣化提供熱源。

    2013年7月，5噸/日加壓流化床氣化過程開發(fā)裝置，在壓力3.5兆帕、溫度750攝氏度條件下投煤后實現(xiàn)穩(wěn)定運行106小時，碳轉(zhuǎn)化率達到95%，出口氣中甲烷含量22%，催化劑回收率98%。這一成果被中國工程院院士曹湘洪等業(yè)內(nèi)專家鑒定為“達到國際領先水平”。至此，中國歷時近5年的煤催化氣化耦合技術開發(fā)取得成功。

    記者：這一技術現(xiàn)在已經(jīng)開始應用了嗎？

     畢繼誠：在過程開發(fā)裝置取得成功后，新奧集團、賽鼎工程有限公司合作完成了工業(yè)示范項目工藝包的編制，目前正在內(nèi)蒙古達拉特旗新能化工工業(yè)園區(qū)建設1500噸/日投煤量、2億立方米/年天然氣工業(yè)化示范裝置。按照計劃，該示范裝置將于2018年投料試車。建成后，將成為我國擁有完全自主知識產(chǎn)權、世界上規(guī)模最大的煤催化氣化制甲烷工業(yè)示范裝置。

    多項性能優(yōu)于“兩步”

    記者：與現(xiàn)行煤氣化制甲烷技術相比，煤催化氣化制甲烷技術有哪些優(yōu)勢？

     畢繼誠：現(xiàn)行煤氣化制甲烷技術，是先將煤在高溫高壓條件下氣化得到氫氣、一氧化碳，再進行甲烷合成，俗稱兩步法。代表技術是魯奇固定床氣化爐，出口氣中甲烷含量約10%。由于要經(jīng)歷高溫、低溫、再高溫過程，變換及精脫硫，導致工藝復雜、投資較大、能耗高。且由于只能以塊煤作原料，成本較高，項目經(jīng)濟性差。

    與兩步法相比，煤催化氣化技術具有如下優(yōu)勢：一是可采用粉煤（小于5毫米）作原料，不需破碎，原料價格更低、選擇范圍更廣；二是爐內(nèi)甲烷化過程不需要脫硫，且出口氣中甲烷含量高達20%以上，后續(xù)甲烷化單元的規(guī)模與設備投資大幅壓縮；三是不存在無法解決的廢水處理難題；四是總體能源利用率高。

    記者：魯奇爐因為氣化溫度低，易產(chǎn)生大量含酚、焦油等難以處理的有機廢水。而煤催化氣化的溫度更低，同樣會產(chǎn)生含酚、焦油的廢水，您為何說“不存在無法解決的廢水處理難題”？

     畢繼誠：若采用魯奇工藝相同的直接水噴淋方式冷卻粗煤氣，煤催化氣化制甲烷技術自然會產(chǎn)生大量含焦油、酚的有機廢水。但一方面我們采用間接冷凝技術替代直接水噴淋方式冷卻出口煤氣，最大限度地減少了有機廢水產(chǎn)生量；另一方面將未參與氣化反應產(chǎn)生的有機廢水引入回收催化劑的水洗工段，溶解回收氣體中攜帶的金屬催化劑，再用富含酚、焦油、催化劑的廢水浸漬煤，然后對煤干燥。去掉了水分且吸附有酚、焦油、催化劑的煤進入一體化的煤催化氣化爐上端的熱解單元，進行熱解與氣化反應。煤干燥過程產(chǎn)生的少量含低沸點有機物廢水送入生化廢水處理工段或送去配制水煤漿，從而徹底解決了魯奇爐兩步法工藝遇到的有機廢水處理難題。結(jié)合催化劑回收過程，不僅大幅降低了廢水處理難度，而且將廢水中的焦油等有機物用于氣化，提高了過程的效率和經(jīng)濟性。

    記者：煤催化氣化技術所用的催化劑是什么？催化劑的使用和回收過程中，是否會大幅增加生產(chǎn)成本并產(chǎn)生新的污染？

畢繼誠：我們目前采用的是碳酸鉀作為基準催化劑，添加量約為投煤量的10%。由于催化劑的回收率高達98%，而且在催化劑回收過程中利用了廢水和低品位熱源，從而使催化劑使用以及催化劑回收裝置成本被壓縮在煤制氣生產(chǎn)成本的5%以內(nèi)。為進一步壓縮這筆費用，我們還對更廉價的復合催化劑進行了評價實驗，且已經(jīng)取得了較好的實驗結(jié)果，后期一旦投入使用，催化劑及回收成本還將進一步降低。

至于因使用催化劑是否會產(chǎn)生新的污染問題，由于水溶性催化劑完全被回收，殘留在煤灰中的微量催化劑則與煤灰發(fā)生的化學反應十分穩(wěn)定，因此，不會產(chǎn)生新的污染。

    記者：兩種技術的投資強度有對比嗎？

    畢繼誠：兩步法工藝流程長、甲烷化工段規(guī)模大，且該工段所用的甲烷化催化劑、大型甲烷化反應器、高溫循環(huán)氣壓縮機全部依賴進口，費用高昂。加之需要投入巨資建設廢水處理裝置（一個40億立方米/年煤制氣項目，僅廢水處理裝置的投資就超過10億元），因此，兩步法工藝的投資顯著高于煤催化氣化技術的投資。賽鼎工程有限公司測算過，同等規(guī)模情況下，前者與后者的投資比為10：7。以正在建設的內(nèi)蒙古達拉特旗新能化工工業(yè)園區(qū)1500噸/日投煤量、2億方天然氣工業(yè)化示范項目為例。如實現(xiàn)20億方的工業(yè)生產(chǎn)，按當?shù)責嶂?000～5000千卡/千克煙煤現(xiàn)行價格170～230元/噸計算，采用煤催化氣化得到的天然氣成本約0.92～1.06元/立方米，比此前已經(jīng)投產(chǎn)的幾套煤制氣示范項目至少低0.4元/立方米。

    工業(yè)應用任重道遠

    記者：既然煤催化氣化技術有諸多優(yōu)勢，為何未見大范圍推廣應用？

    畢繼誠：煤催化氣化工業(yè)化技術的成功開發(fā)，標志著我國掌握了一項具有自主知識產(chǎn)權的先進新型煤氣化制甲烷技術，為我國煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了較強技術支撐，但這并不意味著該技術會迅速得到推廣應用。

    一方面，該技術目前還只是通過了過程開發(fā)裝置驗證。只有經(jīng)過正在建設的內(nèi)蒙古達拉特旗工業(yè)化示范項目運行驗證，才能成為真正先進實用可靠的技術，具備大范圍工業(yè)化應用的基礎。工業(yè)氣化爐的放大過程往往是艱難的，不僅需要解決氣化技術問題，而且還需解決大量的工程問題。出現(xiàn)意想不到的困難，還得面對業(yè)界和輿論的各種正負評價。

    另一方面，所謂煤催化氣化技術能耗低、投資低、成本低、環(huán)境優(yōu)好等優(yōu)勢，是相比現(xiàn)有的魯奇爐兩步法技術而言的。但煤制天然氣的競爭力如何，最終是要跟國產(chǎn)常規(guī)天然氣相比的?？陀^地講，目前分析，煤催化氣化技術與常規(guī)天然氣相比，其優(yōu)勢并不十分明顯，但是可以解決天然氣短缺的問題。因此，在工業(yè)化示范項目未投入運行、技術本身沒有經(jīng)過工業(yè)化裝置運行驗證的之前，我們也不急于大范圍推廣應用該技術。

    記者：您如何看待煤化工產(chǎn)業(yè)的未來？

     畢繼誠：首先，我們對現(xiàn)代煤化工的前景充滿信心、堅定不移。雖然全球經(jīng)濟發(fā)展速度放緩和油氣價格的低迷，對煤化工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大沖擊和影響，迫使剛剛起步的現(xiàn)代煤化產(chǎn)業(yè)發(fā)展放緩，但從長遠看，油氣作為一種不可再生能源資源，其儲量是有限的，過低的油氣價格將刺激全球油氣消費，加速油氣資源枯竭，使油氣價格在低迷一段時間后，重新進入上升通道，煤化工的成本優(yōu)勢將再度顯現(xiàn)。

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