天天用煤,你还觉得它是矮矬穷?

来源:科普中国发布时间:2019-01-25

煤炭作为沉积数万年成为在如今供人类使用的化石能源,它的用途绝不仅仅是燃烧这么简单。

  谈起煤炭,你的第一印象是什么? 

  从以前冬天里的温暖,到如今人们口中环境污染的“元凶”之一;从古代马可波罗见之诧异如视珍宝的“黑色金属”,到如今人人口中的“矮矬穷”的“肮脏石头”,从工业时代“煤炭等于动力”,到如今能用“气(天然气)、油(汽油)”休用煤。  

(图片来源:作者制作)     

  然而,在现代煤炭真的如此不堪吗?在回答这个问题前我们需要先知道煤炭是什么。 

  你真的了解煤吗?煤是由古植物的残骸经一系列复杂变化得来的结果,这样的变化总体分为两个阶段:泥炭化阶段和煤化阶段。植物残骸在泥炭阶段经腐泥化作用形成腐泥,然后再经泥炭化作用形成泥炭。泥炭在煤化阶段中经煤成岩作用形成褐煤,最终在底下受高温、高压、时间等因素影响经过煤变质作用形成烟煤、无烟煤、天然焦、石墨等。 

  同时,由煤的形成过程大致能看出煤的种类,按国家标准由次到优分别为:褐煤、长焰煤、不沾煤、弱粘煤、中粘煤、气煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤、无烟煤。大致可理解为:褐煤、烟煤和无烟煤。分类依据水分、灰分、挥发分、胶质层厚度、发热量、含矸率等指标。其中无烟煤是因燃烧无烟而得名,有极强的似金属光泽,呈刚灰色,有较强的硬度,在一定条件下能进一步变质形成石墨。 

  中国是世界上最早使用煤炭的国家,古时煤炭被人们用来烧饭、取暖、冶炼,甚至用作化妆品(画眉),是最主要的能源来源。而到了今天,能源领域枝繁叶茂,石油、天然气、太阳能、风能、水能。煤炭跟谁比都处于劣势,既无石油热值高,也不像天然气清洁(天然气主要成分为甲烷,充分燃烧后只产生。而没经处理的煤炭中含杂质,经燃烧会产生污染气体),还不像风能、水能那样可再生。 

(图片来源:作者制作)     

  这么看来,煤炭在现代的确是一无是处了吗?其实不是,在我国煤炭的用途十分广泛。 

    

  我们能大规模用煤制油了! 

  中国是一个缺油有气富煤的国家。据统计2017年,我国原煤产量35.2亿吨,能源消费总量44.9亿吨标准煤,煤炭消费量占能源消费总量的60.4%[1]石油大量依赖进口,这并不利于我国的能源自主性,出于对未来能源布局的考虑,近年我国开始重视煤制油技术的发展。 

  煤制油技术又称煤液化技术,最早于1913年由德国科学家Bergius完成煤在高温高压下加氢液化的相关研究。但该技术生不逢时。20世纪50年代,由于中东油田的发现,人们开始大量开采并使用石油,因此煤制油技术失去了发展空间。 

  煤制油分为直接液化和间接液化。煤的直接液化是指在高温条件高压等条件下,利用催化剂使煤液化的技术。这过程的原理是,煤分子结构被破坏时,会因受热而产生自由基分子,在高压下加入氢溶剂,这些以自由基形式构成的煤会转化为油分子、沥青烯。经过进一步加工,这些分子能裂解成更小的分子从而合成液态燃料,在这过程煤中所含有的硫、氮等在燃烧时会产生有害气体的原子会一并去掉。[2]而煤的间接液化则是先将煤气化成CO,然后在适当的温度和压强下经过催化使其转化为液体燃料。 

  截止2017年底,我国已建成5条煤炭间接液化的生产线、1个煤炭直接液化的生产项目。其中最具代表性的是,国家能源集团(由前神华集团与中国国电集团公司合并重组)于2004年在鄂尔多斯启动建设的煤炭直接液化生产线,这是全球唯一一条百万吨级煤炭直接液化生产线,年产量达108万吨,目前生产1吨油需消耗3.23吨原料煤,能源转换率为58%,当国际原油价格高于55美元/桶时,能做到不亏损。 

  国家能源集团总经理凌文在内蒙古国际能源大会(2018810日至12日)上表示近期将建设第二、第三条煤炭直接液化生产线,预计2020年我国所有煤制油项目装置运行年总产能能达近3000万吨。 

  煤制油技术依然具有很大的发展潜能。 

    

  我们还能广泛用煤制气了! 

  煤制气技术是把煤炭气化为合成气,来作为甲烷和合成油等产品的原料。目前有许多成熟的煤制气方法和工艺,根据反应原料在炉内部反应时运动形式和炉构造的差异分为三类:固定气床化、流化气床化和气流床气化,主要原理是先将煤炭破碎成煤粉或制成水煤浆,在高温高压下通入空气(氧气)通过化学反应将煤炭转化为气体。 

  目前,我国拥有自主知识产权的的煤气化工艺是由华东理工大学与中石化宁波技术研究院和宁波工程公司在2007年合作开发的SE-东方炉粉煤气化工艺(单喷嘴冷壁式粉煤加压气化技术)。 

  煤制天然气技术分为间接制气技术和直接制气技术。间接制气技术是指煤经合成气(COH2)甲烷化反应制取天然气。美国最早开始煤制天然气的研究,石油危机加速了其发展。德国在煤化工方面技术积淀深厚,Lur gi 公司最先掌握了合成气甲烷化反应制天然气技术。美国 Exxon 公司从 1976 年最早开始煤催化气化制天然气技术的研究,开发了煤、水蒸气催化气化制取甲烷工艺。我国新奥科技发展有限公司于2008年开始煤催化气化制天然气技术的研发,掌握了具有自主知识产权的煤催化气化制天然气技术。 

    

  煤制乙二醇技术 

  煤制乙二醇技术发展稍晚,但国内外研究进展相差不大,在中国的工业化较为成功。煤制乙二醇多采用合成气经草酸酯间接法工艺。20 世纪 80 年代,日本宇部兴产株式会社开始了合成气制乙二醇的技术研发,并建设了试验装置。 

  几乎同时,中科院福建物构所也开始了合成气制乙二醇的研究。2006 年福建物构所与江苏丹化集团、上海金煤化工新技术有限公司合作,开展了 300 t / a 煤制乙二醇中试,2008 年完成了万吨级工业试验。2009 年通辽金煤在通辽市建成了 200 kt / a煤制乙二醇工业示范项目,成功制得工业级乙二醇,在世界范围内率先实现了全套煤制乙二醇技术的工业化应用。 

  同年,日本高化学株式会社获得了宇部兴产株式会社合成气制乙二醇技术的全权代理权,并与中国东华工程科技股份有限公司、浙江联盛化学股份有限公司签订了联合开发协议。2010 5 月该联合体共同出资在台州建成了 1 500t/a 乙二醇中试装置。国内华东理工、天津大学、中石化等多家机构均开展了煤制乙二醇技术的研究,目前已建成煤制乙二醇产能近 300t/a,运行效果和经济效益参差不齐,国内还有大量在建、拟建的煤制乙二醇项目。[3] 

  值得注意的是煤制乙二醇经济效益十分可观,传统乙二醇是由石油经EO法,即由环氧乙烷(EO)直接水合制得乙二醇,该技术只要由英荷壳牌、美国联碳(UCC)等公司垄断。而据20181月的报道,由于2018年石油价格上涨,经石油合成乙二醇的方法生产出来的乙二醇每吨成本约5800/吨,而目前经煤炭生产乙二醇成本约为5400/吨,可见煤制乙二醇技术十分具有竞争力。 

    

  煤炭作为沉积数万年成为在如今供人类使用的化石能源,它的用途绝不仅仅是燃烧这么简单。相信随着科技的发展,煤炭更多的价值将被人类发现! 

    

  参考文献: 

  [1]   吕佳媛.煤炭高效清洁利用初探[J].化工管理,2018(27):37-38. 

  [2]   徐宏宾.煤制油液化化工工艺的探讨[J].赤峰学院学报(自然科学版),2014,30(04):28-29. 

  [3]   周明灿,刘伟,王照成.煤化工发展历程及现代煤化工展望[J].煤化工,2018,46(03):1-6+16. 

  https://wenku.baidu.com/view/c0d78a4b4a7302768e993963.html 

  煤制油前景看好,国家能源集团再建煤直接液化制油二、三线项目https://www.sohu.com/a/247289484_479771 

  第一条已在鄂尔多斯建成!国家能源集团即将再建设两条煤炭直接液化生产线https://baijiahao.baidu.com/s?id=1608766094053817534&wfr=spider&for=pc  

  总投资470亿元!国家能源集团鄂尔多斯百万吨煤制油将扩建两条生产线!http://wemedia.ifeng.com/73688381/wemedia.shtml  

  每吨获利2000元!煤制乙二醇2018年迎来暴利周期? http://www.sohu.com/a/216799364_367891  

    

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