孟 宇，閆 龍，李 健，王玉飛，高平強(qiáng)，陳 娟

（1.榆林學(xué)院，陜西 榆林719000；2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林719000）

引 言

榆林被譽(yù)為“中國的科威特”，煤炭資源豐富，預(yù)測儲(chǔ)量為2 714億t，探明儲(chǔ)量約為1 470億t[1]，其中95%以上是侏羅紀(jì)精煤，具有特低灰、特低硫、特低磷、中高發(fā)熱量的“三低一高”特點(diǎn)[2]，被稱為“環(huán)保煤”“潔凈煤”和“化工煤”。煤炭科學(xué)研究總院北京煤化工研究分院液化室對榆林煤的高壓試驗(yàn)反應(yīng)結(jié)果顯示[3]，榆林煤作為液化用煤，轉(zhuǎn)化率約92.35%，油產(chǎn)率約為63.93%，這兩項(xiàng)液化指標(biāo)都比較高，因此榆林煤也被稱為“富油煤”?？梢?，榆林最大的優(yōu)勢資源是煤炭資源，最大的發(fā)展?jié)摿υ谟谫Y源的轉(zhuǎn)化增值。

作為國家級(jí)能源化工基地，經(jīng)過近20年的發(fā)展，榆林已經(jīng)形成了一（煤炭熱解）推四（煤制烯烴、煤制芳烴、煤制油、煤鹽化一體化）的產(chǎn)業(yè)鏈體系[4]，形成了煤炭干餾-氣化-加氫-甲醇-烯烴-發(fā)電一體化、多聯(lián)產(chǎn)綜合利用的具有榆林特色的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)體系。為了能清潔高效綜合利用榆林煤炭資源，創(chuàng)建國家能源革命創(chuàng)新示范區(qū)，筆者課題組作為本土煤化工科研團(tuán)隊(duì)，通過調(diào)研榆林地區(qū)相關(guān)煤化工產(chǎn)業(yè)狀況，深入研究，針對榆林地區(qū)煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出以下建議。

1 水耗是制約榆林煤化工發(fā)展的瓶頸問題

榆林位于陜西省的最北部，黃土高原和毛烏素沙漠交界地，屬于干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量在405 mm左右。榆林市水資源總量約32億m3，人均水資源865 m3[5]，遠(yuǎn)低于全省和全國平均水平，屬重度缺水地區(qū)。水資源的匱乏，成為影響榆林工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，作為國家級(jí)能源化工基地，水資源成為煤化工發(fā)展考慮的重中之重。不同煤化工技術(shù)路線耗水量的相關(guān)統(tǒng)計(jì)如表1[6]所示。

表1 不同煤化工路線最終產(chǎn)品耗水量t/t

從表1可以看出，不同煤化工路線在生產(chǎn)過程中普遍存在著水耗嚴(yán)重的問題。而榆林屬嚴(yán)重缺水地區(qū)，首套煤制烯烴項(xiàng)目就是由于水資源供應(yīng)不足而“出走”包頭，因此，打造世界高端能源化工基地的瓶頸問題是水耗問題。

針對煤化工用水難題，專家學(xué)者們提出了煤炭分質(zhì)利用技術(shù)[7]，根據(jù)榆林煤的特性，摸索出將榆林煤干餾轉(zhuǎn)化為蘭炭、煤焦油及干餾煤氣的低溫干餾生產(chǎn)工藝路線，其生產(chǎn)1 t蘭炭水耗僅0.3 t。近年來，各科研院校和技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)對蘭炭生產(chǎn)工藝進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造[8]，進(jìn)一步降低生產(chǎn)過程耗水，給榆林煤就地初步轉(zhuǎn)化生產(chǎn)提供了科學(xué)、合理且切合實(shí)際情況的煤化工生產(chǎn)工藝。

通過低溫干餾工藝生產(chǎn)蘭炭、煤焦油及干餾煤氣，針對3種產(chǎn)品的特性進(jìn)行進(jìn)一步深加工利用，不僅能實(shí)現(xiàn)煤中不同組分的高效利用，同時(shí)能最大程度地減少煤化工水耗嚴(yán)重的問題，適合富煤缺水地區(qū)煤炭的高效轉(zhuǎn)化[9]。

2 榆林發(fā)展蘭炭產(chǎn)業(yè)的地方優(yōu)勢和特色

2.1 從能源結(jié)構(gòu)分析，榆林煤屬于富油煤，更適合先“拔頭”的干餾工藝

榆林煤大多屬于低階煤，具有揮發(fā)分高、有機(jī)質(zhì)側(cè)鏈多、氫氧元素含量高和水分高等特點(diǎn)[10]，這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了以中低溫干餾工藝為核心，可以較低的能耗和物耗獲得蘭炭、煤焦油和干餾氣[11]。

2.2 從技術(shù)難度分析，中低溫干餾技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化難度低于其他現(xiàn)代煤化工技術(shù)

首先，煤中低溫干餾作為一種煤制油和化學(xué)品的方法，可在較少投資和較低能耗水平上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)，1.65 t煤熱解可得到1 t蘭炭、0.1 t高附加值煤焦油以及1 000 m3左右的煤氣[12]。此外，與氣化工藝不同，干餾過程隔絕氧氣對煤加熱，工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)不需要大型催化、空分、加壓等裝置。

其次，中低溫干餾生產(chǎn)工藝是依據(jù)榆林煤質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的工藝，已經(jīng)能直接將開采出來粒徑大于3 mm的原煤進(jìn)行全部干餾，而粒徑小于3 mm的原煤干餾技術(shù)也在不斷創(chuàng)新、研發(fā)、試驗(yàn)中?，F(xiàn)有運(yùn)行的低溫干餾生產(chǎn)工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單爐大型化、集約化、規(guī)?；⒆詣?dòng)化的轉(zhuǎn)變，在生產(chǎn)經(jīng)營管理、生產(chǎn)技術(shù)工程化等方面難度要低于其他現(xiàn)代化煤化工技術(shù)，適合榆林當(dāng)?shù)仄髽I(yè)的生存及發(fā)展。中低溫干餾技術(shù)已經(jīng)走出高耗能、高污染、低產(chǎn)出的初級(jí)階段，開始進(jìn)入清潔生產(chǎn)、資源循環(huán)利用的新階段。

2.3 煤低溫干餾與新型煤化工相比更具投資效率和能效轉(zhuǎn)化優(yōu)勢

煤熱解與其他新型煤化工技術(shù)在投資效率和能效轉(zhuǎn)化方面的對比見圖1[13]。投資效率為投資億元可得萬噸產(chǎn)品數(shù)，投資效率越大，說明資金使用率越高；能效轉(zhuǎn)化率是裝置最終產(chǎn)出的有效產(chǎn)品的熱值之和與進(jìn)入裝置的原料、輔料、電等物料熱值之和的比值，能效轉(zhuǎn)化率越高，說明原料煤的利用率越高。從圖1可以看出，煤熱解轉(zhuǎn)化的投資效率遠(yuǎn)高于其他以氣化為龍頭的轉(zhuǎn)化技術(shù)；熱解轉(zhuǎn)化的能效轉(zhuǎn)化率超過88%，遠(yuǎn)高于排名第二的煤制天然氣(能效轉(zhuǎn)化率為56%)。

圖1 煤熱解與其他新型煤化工投資效率和能效轉(zhuǎn)化對比

2.4 從環(huán)保分析，煤低溫干餾過程也是脫除煤中污染物的過程

首先，煤通過低溫干餾后，約60%的硫、28%的氮以及95%的多環(huán)芳烴均被有效脫除，不僅從源頭上實(shí)現(xiàn)了煙煤無煙化，還有利于污染物的集中處理。煤中硫、氮等污染源絕大部分在煤熱解氣化過程中就以H2S和NH3形式析出，與直接燃燒產(chǎn)生的SO2、NOx等相比，脫除煤氣中H2S和NH3要容易得多[11]。

其次，蘭炭可作為一種新的潔凈能源。試驗(yàn)證實(shí)蘭炭具有低排放、低污染的優(yōu)點(diǎn)，相對于原煤具有減排優(yōu)勢：蘭炭較于無煙煤和煙煤，PM2.5排放分別下降79.88%和86.76%，有機(jī)碳排放分別下降80.62%和83.51%，元素碳排放分別下降82.11%和94.61%。另外，硫、氮排放也有著煙煤難以比擬的優(yōu)勢[14]。

再次，近年來相關(guān)企業(yè)對蘭炭干餾工藝進(jìn)行了一系列升級(jí)改造：建設(shè)煤焦棚，減少粉塵污染；生產(chǎn)裝置全密閉運(yùn)行，減少無組織排放；氨水分離裝置建設(shè)地上裝置、實(shí)現(xiàn)雨污分離，減少水污染；廠區(qū)設(shè)置在線檢測、無死角監(jiān)控，對生產(chǎn)過程中的污染物控制起到了重要作用。

2.5 榆林地區(qū)圍繞蘭炭已形成了獨(dú)具優(yōu)勢和特色的載能、化工和材料產(chǎn)業(yè)鏈條

通過低溫干餾生產(chǎn)工藝路線將煤轉(zhuǎn)化為蘭炭、煤焦油及干餾煤氣3種產(chǎn)品。干餾煤氣可作為燃料，也可作為化工原料：如作燃料可加工金屬鎂，然后向鎂鋁深加工延伸；如作化工原料，可制甲醇、乙二醇和LNG等。煤焦油可加工成柴油、汽油、高級(jí)潤滑油、特殊燃料油、烴類、酯類等。蘭炭廣泛應(yīng)用在硅鐵、硅錳、玻璃、陶瓷、電石、高爐噴吹、氣化和PVC等行業(yè)[15]。

2.6 蘭炭產(chǎn)業(yè)的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益

目前煤的低溫干餾每年在榆林年產(chǎn)值可達(dá)到約700億元。單純以煤焦油為例，每年產(chǎn)量接近400萬t，遠(yuǎn)超延長石油在榆林的原油產(chǎn)量280萬t。神木和府谷煤焦油加氫規(guī)模300萬t/a，產(chǎn)值在200億元以上，進(jìn)一步做精細(xì)化學(xué)品，產(chǎn)值將幾何級(jí)增長，榆林地區(qū)很多企業(yè)煤焦油加氫二期項(xiàng)目已經(jīng)有序展開。將榆林煤進(jìn)行統(tǒng)一加工，每噸煤產(chǎn)生煤氣600 m3，榆林每年干餾產(chǎn)生的煤氣（約300億m3），遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于西氣東輸工程的年用氣量（240億m3）[16]。

煤的低溫干餾工藝是依托榆林煤而開發(fā)的技術(shù)，2019年榆林蘭炭產(chǎn)量約為4 500萬t，轉(zhuǎn)化煤炭約為7 600萬t，約占榆林原煤總產(chǎn)量的16.5%[12]。蘭炭生產(chǎn)企業(yè)的建設(shè)還為當(dāng)?shù)亟鉀Q了就業(yè)問題，并帶動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。蘭炭產(chǎn)業(yè)經(jīng)過整合提升，逐步成為了榆林重要的煤化工產(chǎn)業(yè)、民營經(jīng)濟(jì)發(fā)展和投資的重要平臺(tái)、榆林經(jīng)濟(jì)發(fā)展乃至陜西經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱。因此，建議對榆林地區(qū)所生產(chǎn)的原煤統(tǒng)一進(jìn)行煤干餾，將對區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2.7 從政策層面講，煤炭分質(zhì)利用符合國家和地方政府對煤炭清潔高效利用政策的要求

國家能源局印發(fā)的《煤炭清潔高效利用行動(dòng)計(jì)劃（2015—2020年）》和《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》明確指出“鼓勵(lì)低階煤提質(zhì)技術(shù)研發(fā)和示范，積極推進(jìn)煤炭分級(jí)分質(zhì)梯級(jí)利用，加快推進(jìn)低階煤中低溫?zé)峤夥仲|(zhì)轉(zhuǎn)化利用項(xiàng)目示范”。煤炭通過熱解提油、提氣已經(jīng)確立為國家能源安全戰(zhàn)略工程，正在鼓勵(lì)發(fā)展。榆林市人民政府最新發(fā)布的《榆林市化工產(chǎn)業(yè)投資指導(dǎo)目錄（試行）》指出“在神木蘭炭產(chǎn)業(yè)特色園區(qū)和府谷高新區(qū)重點(diǎn)布局煤炭熱解及資源綜合利用產(chǎn)業(yè)”。陜煤1 500萬t/a煤炭分質(zhì)利用項(xiàng)目順利備案，榆林龍成1 000萬t/a煤提油項(xiàng)目納入國家重點(diǎn)示范工程等，這些都表明：在榆林發(fā)展低階煤中低溫?zé)峤夥仲|(zhì)轉(zhuǎn)化利用項(xiàng)目是符合國家政策要求和榆林實(shí)際的選擇。

3 傳統(tǒng)蘭炭產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代煤化工的耦合互補(bǔ)發(fā)展

3.1 蘭炭在多產(chǎn)業(yè)的耦合發(fā)展

蘭炭相較于原煤，污染更低，熱值更高。蘭炭產(chǎn)品可供下游電石、鐵合金及固定床氣化等使用，改變低溫干餾操作參數(shù)，可生產(chǎn)合適的高爐噴吹料。初步計(jì)算，每年鋼廠需要高爐噴吹料約為1.5億t，因此將蘭炭用作高爐噴吹料，可為鋼廠節(jié)約大量的原料成本。蘭炭也可作為清潔燃料外售，用于民用燃燒；可作為優(yōu)質(zhì)氣化原料，經(jīng)氣化后生產(chǎn)甲醇、乙二醇和聚氧醚等產(chǎn)品；還可以作為活性炭等多種炭功能材料優(yōu)質(zhì)原料[17-18]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘭炭產(chǎn)品中40%左右作為清潔燃料，60%左右通過其他途徑加工成為高端化工原料。

3.2 中低溫煤焦油與煤制油品的耦合互補(bǔ)

中低溫煤焦油密度通常在1 000 kg/m3左右，其中＜350℃餾分占50%以上，＞490℃餾分不到10%，中低溫煤焦油中芳烴含量較少，烷烴和環(huán)烷烴含量較高，一方面，可通過較溫和的加氫精制或改質(zhì)處理，生產(chǎn)石腦油、柴油和航空煤油等清潔燃料油品；另一方面，與間接液化油品相比，煤焦油加氫后的柴油餾分密度更高，適合加工為重質(zhì)柴油調(diào)和油，而煤直接液化制得的柴油餾分密度偏低，不符合國標(biāo)，如能將煤焦油加氫后的柴油餾分與煤直接液化制得的柴油餾分進(jìn)行調(diào)配，則可直接獲得符合國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的柴油。此外，煤焦油加工制航空煤油在技術(shù)上也可行，煤焦油餾分中航空煤油的占比較高，可通過懸浮床、沸騰床、固定床等加氫方式改質(zhì)，進(jìn)而按餾分切割，并經(jīng)過精制+深度精制得到航空煤油產(chǎn)品。目前，煤焦油加氫精制的各類產(chǎn)品在市場上供不應(yīng)求，很多煤焦油加工企業(yè)不得不在新疆、內(nèi)蒙等其他地方外購煤焦油來加工。

3.3 蘭炭和煤焦油可為煤制烯烴、芳烴及其下游產(chǎn)業(yè)提供原料

蘭炭產(chǎn)業(yè)也可以和煤制烯烴、芳烴產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)，其中煤焦油加氫產(chǎn)品中的石腦油可以用來生產(chǎn)芳烴，粉煤分質(zhì)利用產(chǎn)品粉焦可以通過氣化生產(chǎn)甲醇，進(jìn)而生產(chǎn)烯烴，解決粉煤大規(guī)模綜合利用后產(chǎn)品粉焦的出路問題。此外，烯烴、芳烴為產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步延伸到合成材料提供了上游原料。因此蘭炭與烯烴、芳烴耦合是榆林蘭炭產(chǎn)業(yè)向高端化、現(xiàn)代煤化工發(fā)展的重要方向，也是大規(guī)模粉煤分質(zhì)利用的重要方向。

3.4 利用干餾煤氣制氫可為其他煤化工提供大量的廉價(jià)氫源

干餾煤氣中的有效組分體積分?jǐn)?shù)大于80%，且H2、CH4和CO的含量較高，熱值約為30 MJ/m3，粉煤熱解煤氣中氫氣和甲烷含量較高，具備發(fā)展氫和甲烷產(chǎn)業(yè)的原料優(yōu)勢[19]。一方面可分離提取干餾煤氣中的H2和CH4等有效組分，為榆林作為缺水缺氫地區(qū)發(fā)展現(xiàn)代煤化工提供氫源；另一方面，剩余氣也可直接用于變換轉(zhuǎn)化為合成氣，走合成氣加工路線，故干餾煤氣制氫是榆林蘭炭產(chǎn)業(yè)高端化發(fā)展的重要路徑之一。

綜上分析，筆者課題組認(rèn)為，榆林創(chuàng)建國家能源革命創(chuàng)新示范區(qū)，要充分考慮榆林能源稟賦和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，在解決好水耗問題下，合理調(diào)配現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)和傳統(tǒng)蘭炭產(chǎn)業(yè)的耦合互補(bǔ)，構(gòu)建多能融合的能源體系，實(shí)現(xiàn)煤炭資源清潔高效利用。