褐煤作為氣化原料在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用

楊 芊，楊曉龍，劉佳金，陶志達(dá)

(1.中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì)，北京 100013；2.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400；3.中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011)

1 概 述

我國(guó)褐煤資源豐富，據(jù)第三次煤炭資源調(diào)查預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，已查明褐煤資源儲(chǔ)量1 334.69億t，約占全國(guó)煤炭資源總量的13.07%，占非煉焦煤總量的18.05%。我國(guó)的褐煤資源大多形成于中生代侏羅紀(jì)和新生代古近紀(jì)、新近紀(jì)，主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)二連浩特與烏蘭察布連線以東的蒙東地區(qū)，呼倫貝爾、興安盟、通遼、赤峰和錫林郭勒5個(gè)盟市的褐煤資源儲(chǔ)量占到全國(guó)的77.1%，云南省昭通、昆明尋甸先鋒和紅河開(kāi)遠(yuǎn)小龍?zhí)?個(gè)地區(qū)的褐煤儲(chǔ)量占全國(guó)的12.6%，東三省地區(qū)的褐煤儲(chǔ)量約占全國(guó)的5.0%[1-4]。

褐煤是煤化程度較低的煤種，色澤暗淡，外表呈褐色至淺黑色，易風(fēng)化、自燃，較高的水分、灰分及揮發(fā)分含量導(dǎo)致其發(fā)熱量低，但化學(xué)反應(yīng)活性好[5-6]。根據(jù)中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì)煤質(zhì)分會(huì)統(tǒng)計(jì)資料，全國(guó)褐煤平均全水分約17.8%～50.5%，灰分為10.4%～39.0%，收到基低位發(fā)熱量一般為11.6～16.71 MJ/kg。

以煤炭為主體的能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，是近些年推動(dòng)國(guó)內(nèi)褐煤開(kāi)發(fā)利用快速增長(zhǎng)的主要?jiǎng)右?，褐煤在“十三五”期間的年均產(chǎn)量約3.5～4億t，廣泛應(yīng)用于電力、供暖和化工等領(lǐng)域[7-8]。隨著現(xiàn)代煤化工技術(shù)的發(fā)展，煤氣化原料已由煙煤逐步擴(kuò)大到褐煤及無(wú)煙煤等領(lǐng)域，基本實(shí)現(xiàn)了全煤種向燃料和化學(xué)品轉(zhuǎn)化的全流程貫通[9]。因此，進(jìn)一步總結(jié)褐煤作為氣化原料在煤化工企業(yè)應(yīng)用的最新成果和經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)褐煤清潔高效利用，對(duì)保障區(qū)域能源安全和化工原材料供應(yīng)穩(wěn)定影響深遠(yuǎn)。

2 主要褐煤資源情況

我國(guó)褐煤資源儲(chǔ)量最大、最集中的區(qū)域在內(nèi)蒙古自治區(qū)東部靠近東三省的地區(qū)，按照開(kāi)發(fā)的時(shí)間順序分別包括扎賚諾爾煤田、元寶山煤田、平莊煤田，隨后是霍林河煤田、伊敏煤田和大雁煤田，直至現(xiàn)在的勝利煤田、寶日希勒煤田、白音華煤田等。云南省是全國(guó)第二大褐煤生產(chǎn)基地，成煤時(shí)間與內(nèi)蒙古自治區(qū)不同，煤化程度比蒙東褐煤還低，轄區(qū)內(nèi)昭通煤田儲(chǔ)量最大，小龍?zhí)睹禾铩⑾蠕h煤田及其他煤田次之。我國(guó)主要褐煤產(chǎn)區(qū)及儲(chǔ)量情況見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)主要褐煤產(chǎn)區(qū)及儲(chǔ)量情況

3 褐煤在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用情況

內(nèi)蒙古和云南兩省區(qū)的褐煤資源儲(chǔ)量約占全國(guó)總儲(chǔ)量的89.7%，而以褐煤為氣化原料的煤化工企業(yè)也主要分布在這兩個(gè)省份。據(jù)中國(guó)煤炭加工利用協(xié)會(huì)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，截至2019年12月底，我國(guó)以褐煤為原料進(jìn)行氣化，生產(chǎn)各類化學(xué)品及燃料的企業(yè)共計(jì)16家，其中已投產(chǎn)運(yùn)行的企業(yè)13家，在建企業(yè)2家，破產(chǎn)重組企業(yè)1家。主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾盟(4家)、興安盟(2家)、通遼(2家)、赤峰(2家)、錫林郭勒盟(1家)，吉林白城(1家)、松原(1家)，云南昆明(2家)，遼寧阜新(1家)，具體見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)褐煤氣化企業(yè)統(tǒng)計(jì)表

在以褐煤為原料進(jìn)行生產(chǎn)的煤化工企業(yè)中，以尿素、合成氨、氨基酸、甲醇及下游產(chǎn)品等傳統(tǒng)煤化工企業(yè)為主體，氣化裝備包括恩德?tīng)t(5家)、魯奇爐(4家)、清華爐(2家)、殼牌爐(2家)、BGL爐(云煤爐)(2家)、航天爐(2家)7種爐型。從氣化技術(shù)上看，有碎煤加壓氣化、碎煤熔渣氣化、粉煤加壓氣化、水煤漿加壓氣化等，基本囊括了主流氣化爐型及氣化技術(shù)。

這其中，大唐呼倫貝爾化肥項(xiàng)目就近選用寶日希勒褐煤為原料，但是褐煤成漿性較差，在添加添加劑制成水煤漿后，濃度也僅為48%～49%，造成該項(xiàng)目氧耗高、能效低、經(jīng)濟(jì)性差[10]。呼倫貝爾金新化工采用3臺(tái)BGL碎煤熔渣氣化爐和1臺(tái)殼牌粉煤氣化爐組合的方式，較好地解決了塊煤原料在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中粉煤產(chǎn)生量過(guò)高難以加工利用的問(wèn)題[11]。呼倫貝爾東能化工公司采用氣化壓力低、設(shè)備體積大、投資小的恩德?tīng)t生產(chǎn)甲醇及二甲醚，在蒙東地區(qū)相對(duì)空白的產(chǎn)品市場(chǎng)，有一定的經(jīng)濟(jì)效益。興安盟博源化工和中化吉林長(zhǎng)山化工均采用航天爐進(jìn)行氣化，從運(yùn)行數(shù)據(jù)看，其比氧耗、碳轉(zhuǎn)化率和裝備運(yùn)行情況均優(yōu)于蒙東地區(qū)其他化肥廠的氣化爐型，標(biāo)志著自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航天爐攻克了以褐煤為原料進(jìn)行加壓氣化的難題。大唐克旗煤制天然氣有限公司近年來(lái)隨著管理的升級(jí)，產(chǎn)品產(chǎn)量逐年穩(wěn)步提升，項(xiàng)目采用魯奇爐進(jìn)行氣化，粗合成氣中甲烷含量較其他爐型高，但較低的氣化溫度造成廢水成分復(fù)雜、處理難度較大，環(huán)保方面的負(fù)面新聞曾引起過(guò)社會(huì)的廣泛關(guān)注。而云南先鋒化工采用類似于BGL熔渣氣化爐的云煤爐，則較好地解決了污水處理難的問(wèn)題[12]。內(nèi)蒙古錫林浩特大唐多倫煤化工有限公司是我國(guó)第一家煤制丙烯示范項(xiàng)目，采用殼牌爐進(jìn)行氣化，受下游煤制丙烯工藝裝置運(yùn)行不穩(wěn)定影響，2019年已全部轉(zhuǎn)產(chǎn)甲醇，目前該項(xiàng)目運(yùn)行情況良好。

4 褐煤利用中存在的問(wèn)題

褐煤煤化程度低，直接燃燒時(shí)熱效率低下，并伴有大量廢氣、廢水和廢渣的排放，作為化工原料進(jìn)行加工轉(zhuǎn)化，又受高含水、高含灰限制，價(jià)格低廉是目前褐煤大范圍應(yīng)用的主要原因[13]。截至2019年底，大唐克旗煤制天然氣項(xiàng)目、通遼金煤煤制乙二醇項(xiàng)目、云煤先鋒甲醇制汽油項(xiàng)目、大唐多倫煤制丙烯項(xiàng)目、煤制化肥項(xiàng)目等一批以褐煤為原料的煤化工項(xiàng)目在開(kāi)展褐煤提質(zhì)轉(zhuǎn)化、高效利用方面，均取得一定的積極進(jìn)展，為推動(dòng)褐煤等低階煤氣化轉(zhuǎn)化積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，但褐煤開(kāi)發(fā)及轉(zhuǎn)化項(xiàng)目在運(yùn)行過(guò)程中面臨的問(wèn)題仍待解決[14]。

(1)褐煤主產(chǎn)區(qū)生態(tài)環(huán)境約束愈發(fā)嚴(yán)格。褐煤產(chǎn)區(qū)主要集中在作為大興安嶺重要組成部分、遼河流域源頭和呼倫貝爾腹地的蒙東地區(qū)，高強(qiáng)度的露天煤礦開(kāi)發(fā)，對(duì)脆弱的草場(chǎng)生態(tài)環(huán)境、周邊湖泊和河流流域的影響逐年增加。伴隨褐煤資源的開(kāi)發(fā)利用，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境面臨進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)，草場(chǎng)生態(tài)一旦破壞，再恢復(fù)到最初的水平必將付出更大的代價(jià)。

目前，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾盟海拉爾市僅有金新化工、東能和大唐化肥3個(gè)大型煤化工項(xiàng)目[15]。在生態(tài)環(huán)境紅線約束和草場(chǎng)保護(hù)性開(kāi)發(fā)等政策影響下，預(yù)計(jì)“十四五”期間蒙東地區(qū)不會(huì)大規(guī)模新建褐煤生產(chǎn)礦場(chǎng)和煤炭轉(zhuǎn)化利用項(xiàng)目[16]。

(2)褐煤氣化仍有諸多技術(shù)難題待解決。煤氣化技術(shù)和工藝是現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵和龍頭，褐煤氣化也已成為現(xiàn)代煤化工發(fā)展的重要組成部分，目前的氣化技術(shù)和工藝條件對(duì)煤種煤質(zhì)要求嚴(yán)苛，在役以褐煤為原料的煤化工項(xiàng)目，存在諸多由于煤種煤質(zhì)問(wèn)題引發(fā)的停工停車案例。褐煤氣化技術(shù)還不能視為完全成熟，運(yùn)行項(xiàng)目也不能視為完全成功。

褐煤熱穩(wěn)定性差，用在魯奇爐和BGL爐等固定床時(shí)，存在煤氣夾帶粉塵嚴(yán)重、操作麻煩的弊病。褐煤含水量高，用在恩德?tīng)t、殼牌爐及航天爐等干煤粉氣流床氣化時(shí)，必須進(jìn)行干燥預(yù)處理，造成項(xiàng)目投資和能耗增加，且存在一定的安全隱患。褐煤成漿性差，采用水煤漿氣流床氣化時(shí)，有較大技術(shù)難度，經(jīng)濟(jì)性較差，甚至?xí)绊懫髽I(yè)正常生產(chǎn)。

(3)褐煤提質(zhì)后儲(chǔ)存和長(zhǎng)途運(yùn)輸安全隱患。從平均數(shù)據(jù)看，褐煤的灰分和水分占比一般在50%以上，在褐煤熱解提質(zhì)和干燥技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展的前提下，不足以支撐大規(guī)模轉(zhuǎn)化和長(zhǎng)距離運(yùn)輸，而從經(jīng)濟(jì)性角度看，褐煤的長(zhǎng)距離運(yùn)輸也無(wú)利可圖。褐煤的干燥、熱解、提質(zhì)技術(shù)瓶頸仍有待突破，產(chǎn)業(yè)化利用尚需時(shí)日。

褐煤經(jīng)干燥提制后雖然可明顯降低水分，同時(shí)也會(huì)降低其粒度，在儲(chǔ)存和長(zhǎng)途轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中極易發(fā)生自燃和揚(yáng)塵等問(wèn)題。在調(diào)研過(guò)程中了解到，神華寶日希勒提質(zhì)項(xiàng)目的提質(zhì)煤在運(yùn)往大唐呼倫貝爾化肥項(xiàng)目過(guò)程中發(fā)生過(guò)自燃現(xiàn)象，甚至引燃一輛運(yùn)輸卡車，在其他幾個(gè)化工項(xiàng)目的儲(chǔ)煤場(chǎng)也發(fā)生過(guò)自燃現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。

(4)部分地區(qū)褐煤原料供應(yīng)難穩(wěn)定保障。受部分地區(qū)在煤源緊張時(shí)期“保電力不保非電、保區(qū)域內(nèi)不保區(qū)域外、保民生不保工業(yè)”政策影響，大唐克旗、大唐多倫等多個(gè)項(xiàng)目在運(yùn)行中煤源難以保障，嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)行。煤源短缺對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的影響，在冬季取暖季尤為突出。

(5)現(xiàn)有示范項(xiàng)目不具備工業(yè)化推廣條件。從“十二五”開(kāi)始，內(nèi)蒙古和云南陸續(xù)興建的褐煤提質(zhì)和熱解項(xiàng)目，仍在維持運(yùn)行的企業(yè)為數(shù)不多。即使在運(yùn)行，褐煤粉化、難成形、油灰難分離、污染物處理難度大等問(wèn)題仍未妥善解決，技術(shù)成熟度與經(jīng)濟(jì)性也遠(yuǎn)未達(dá)到最初的預(yù)期。就整個(gè)產(chǎn)業(yè)來(lái)看，褐煤提質(zhì)尚無(wú)可全行業(yè)推廣的工藝技術(shù)與運(yùn)行模式，工業(yè)化大規(guī)模轉(zhuǎn)化應(yīng)用的基礎(chǔ)和條件尚不成熟。

5 政策建議

褐煤的清潔高效利用關(guān)系東北、蒙東及云南等局部地區(qū)的能源安全供應(yīng)、煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化和經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。隨著《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》和《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》等相關(guān)政策的支持，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)和美麗中國(guó)建設(shè)的新形勢(shì)下，褐煤等低階煤炭資源的開(kāi)發(fā)和利用思路亦逐漸清晰：

(1)強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境保護(hù)，控制褐煤利用規(guī)模。在生態(tài)環(huán)境脆弱的蒙東地區(qū)，加強(qiáng)對(duì)褐煤開(kāi)發(fā)利用的科學(xué)研究，合理控制褐煤主產(chǎn)區(qū)開(kāi)采規(guī)模，強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，實(shí)施綠色低碳開(kāi)采，科學(xué)有序?qū)Σ輬?chǎng)環(huán)境進(jìn)行修復(fù)。強(qiáng)化褐煤煤田開(kāi)發(fā)對(duì)周邊草場(chǎng)、水資源等生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估，推動(dòng)褐煤開(kāi)發(fā)利用事前、事中、事后全過(guò)程環(huán)境監(jiān)管，實(shí)施生態(tài)環(huán)境保護(hù)與地方政府考核掛鉤，對(duì)于不符合環(huán)保要求的落后產(chǎn)能，應(yīng)按照相關(guān)政策要求有序退出。

(2)加強(qiáng)褐煤基礎(chǔ)研究，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。繼續(xù)加快推進(jìn)褐煤利用科技攻關(guān)，加大科技創(chuàng)新投入，充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)外高等院校和科研機(jī)構(gòu)力量，強(qiáng)化基礎(chǔ)理論研究，開(kāi)展切實(shí)可行的分質(zhì)分級(jí)利用和清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)論證和試驗(yàn)示范。重視關(guān)鍵技術(shù)瓶頸突破和重大裝備國(guó)產(chǎn)化率提升，進(jìn)一步降低能源消耗，提高能源轉(zhuǎn)化效率，加快推動(dòng)“煤—電—油—?dú)狻獰帷币惑w化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)性提升。

(3)鼓勵(lì)褐煤資源利用，加強(qiáng)就近就地轉(zhuǎn)化。堅(jiān)持“四個(gè)革命、一個(gè)合作”戰(zhàn)略思想，構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源體系，轉(zhuǎn)變褐煤加工轉(zhuǎn)化發(fā)展思路，調(diào)整產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，結(jié)合褐煤高含水、易自燃、易風(fēng)化、長(zhǎng)距離運(yùn)輸既不經(jīng)濟(jì)也不安全的特點(diǎn)，鼓勵(lì)在產(chǎn)區(qū)和坑口建設(shè)環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、可靠的褐煤轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，提高褐煤資源就近就地轉(zhuǎn)化能力。解決褐煤產(chǎn)區(qū)化學(xué)品短缺和能源的安全供應(yīng)，從根本上解決褐煤運(yùn)輸成本的浪費(fèi)和安全隱患，最大程度提升褐煤資源利用的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)穩(wěn)步推進(jìn)試點(diǎn)示范，完善技術(shù)工藝升級(jí)。我國(guó)褐煤提質(zhì)及加工轉(zhuǎn)化仍處于初級(jí)階段，大型化、低污染、高效益的問(wèn)題還未從根本上解決，很多技術(shù)路線看似合理，但在規(guī)?；⒐I(yè)化應(yīng)用上還存在諸多問(wèn)題，系統(tǒng)與流程的合理性需進(jìn)一步優(yōu)化，經(jīng)濟(jì)性也有待進(jìn)一步增強(qiáng)。褐煤提質(zhì)的發(fā)展應(yīng)穩(wěn)步推進(jìn)，不宜操之過(guò)急，褐煤清潔高效轉(zhuǎn)化在充分論證投資風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上可適當(dāng)探索。宜將褐煤熱解提質(zhì)、褐煤制腐殖酸與煤氣化、化工合成及清潔煤電相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)一體化，減少利用過(guò)程中的污染排放，提高褐煤清潔高效利用水平。