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      一塊煤的“七十二般變化”

      發布時間 2022-11-15  來源:

      來源:中國煤炭網

      一塊煤的“七十二般變化”

      2021年9月13日至14日,習近平總書記在陜西榆林考察時強調,煤化工產業潛力巨大、大有前途,要提高煤炭作為化工原料的綜合利用效能,促進煤化工產業高端化、多元化、低碳化發展,把加強科技創新作為最緊迫任務,加快關鍵核心技術攻關,積極發展煤基特種燃料、煤基生物可降解材料等。國家能源集團北京低碳清潔能源研究院(以下簡稱低碳院)深耕現代煤化工領域,聚焦間接液化、烯烴聚合、煤基新材料等方向,推動煤化工“三化”發展。如今,在低碳院,煤炭搖身一變,不僅可以制甲醇、乙二醇、油、氣、可降解材料,還可變成蠟燭、日用化學品等。近日,記者走進低碳院,沿著煤化工延鏈、補鏈、強鏈之路,看一看煤炭的大變身。

      碳基儲熱材料

      “這是我們項目的模擬沙盤。風電、光伏等發出的多余的電以熱能的形式儲存在碳塊里,當電廠、化工廠有需要時,憑借優越的傳熱性能,快速將熱能輸送出去,儲熱溫度可超過900攝氏度。利用儲存的熱量再轉化為高品質蒸汽,400攝氏度的蒸汽可以滿足化工廠需要,600攝氏度的蒸汽可供發電使用。除了固定式的儲熱系統,還可以做成移動運輸車,直接送熱到廠,解決邊遠偏僻地區的用熱需求,非常方便?!钡吞荚合冗M材料研究中心功能碳材料部經理劉均慶一邊指著沙盤一邊給記者介紹。

      “我們團隊主要涉及功能碳材料的開發,目的是將煤炭作為原料制備高附加值碳材料?!眲⒕鶓c說,“而熱儲能則是現階段的重點研究方向?!?/p>

      據了解,熱儲能是一種以熱能為能量載體的儲能形式,與電化學儲能相比,具有更低的成本和更高的安全性。該團隊從2017年開始研究儲熱材料,團隊核心成員目前有11個人。之前團隊一直從事實驗室研發,從2020年開始進行儲熱材料的工程示范,目前已啟動多個項目的工程示范。

      “相關統計顯示,在能源最終消費形式中,供熱占比49%,其中72.5%的供熱能量消耗來自化石燃料。因此,低碳高效的制熱、儲熱、用熱技術是實現碳中和的重要途徑?!眲⒕鶓c說。

      在日常生產生活中,無論居民供暖還是工業蒸汽都有大量的熱能需求。采用光伏、風電等清潔能源代替燃煤取暖可以有效降低二氧化碳排放,但受限于清潔能源的波動性,在清潔能源使用過程中需要配合儲熱技術。此外,隨著清潔能源的發展,導致火電廠調峰壓力增大,調峰需求增加,電化學儲能的成本高,難以滿足上述需求。

      “碳材料的儲熱成本大約是鋰電池儲電成本的1/5乃至1/10,同時憑借高儲熱密度,占地面積也更小。因此,開發基于碳材料的高溫儲熱材料及高溫儲熱技術前景廣闊?!眲⒕鶓c說。

      “過去一年,我們實現了電儲熱制備工業蒸汽的技術驗證,可以利用谷電或者棄風棄光資源儲熱再生產400攝氏度、1.0兆帕高溫工業蒸汽,這個技術采用了我們自主開發的碳基固態儲熱材料,相對于傳統儲熱技術,該技術儲熱溫度更高、儲熱密度更大、無腐蝕泄露等風險?!眲⒕鶓c說。

      現在,低碳院示范儲熱裝置規模為1兆瓦/8兆瓦時,最高運行溫度達到912攝氏度,遠超過現有儲熱材料(小于700攝氏度)。裝置目前已經完成了測試運行。

      二氧化碳的再“變身”

      由于之前的采訪經歷,記者與煤化工研究中心徐曉穎互加了聯系方式。記者發現,過去的半年,低碳院煤化工研究中心高級工程師徐曉穎對綠氫的發展尤為關注,經常會分享一些綠氫的最新發展情況。

      “一位研發甲醇催化劑的科研人員為什么這么關注綠氫呢?”記者帶著疑問,再次見到了徐曉穎。

      “我們團隊一直從事銅系合成氣/二氧化碳加氫制甲醇催化劑開發。過去的一年,我們聚焦實現二氧化碳的資源化利用,綠氫是其中的關鍵之一?!毙鞎苑f說。

      “與之前相比,最大的區別是將二氧化碳作為了反應物。得益于之前積累的經驗,催化劑的開發比較順利?!毙鞎苑f說,“我們團隊正在積極開展新型二氧化碳加氫制甲醇催化劑開發。目前,已確立小試配方,成功開展公斤級放大試驗,完成了2500小時以上的催化劑穩定性測試。從100毫升模式評價裝置初步測評的結果看,催化劑具有進一步開展百噸級甲醇生產的中試驗證潛質?!?/p>

      據了解,低碳院開發的MC17型甲醇合成催化劑已成功在年產12萬噸天然氣制甲醇裝置工業應用,較上一爐催化劑相比表現出優異的低溫活性、高選擇性(副產物少、不易結蠟),能耗低,較上一爐同期對比噸甲醇生產能耗降低5%至6%,技術經中國石油和化學工業聯合會鑒定處于國際先進水平。

      “目前,遇到的比較大的問題是市場的不確定性,二氧化碳加氫制甲醇雖然可以作為碳中和的一個途徑,但過程需要用到氫氣,氫氣的來源是目前限制該工藝技術進一步拓寬市場的主要因素,綠氫的生產又主要來自于電解水,進而需要引入大規模的綠電?!毙鞎苑f說,目前整套產業鏈尚不成熟,如果由“綠電經電解水制綠氫,綠氫與二氧化碳經催化反應制綠醇”路線所制備甲醇能增加綠色溢價,還是具有一定技術推廣應用的潛力的。

      煤化工研究中心高級工程師田大勇及其團隊則另辟蹊徑,采用熱化學技術,促進二氧化碳的資源化利用。

      “逆水汽變換技術可以高效的將二氧化碳轉化為一氧化碳,進而經合成氣(一氧化碳和氫氣)路線制化學品。逆水汽變換技術可以做為二氧化碳向化學品轉化的中間環節,起到連接二氧化碳制合成氣到合成氣制化學品的橋梁作用?!碧锎笥抡f,另外,在二氧化碳轉化利用過程中,氫氣的成本不可忽視。當前情況下,氫氣的來源還是以工業副產氫氣為主,如二氧化碳轉化利用與焦爐氣、丙烷脫氫等過程的富余氫氣相結合。

      據了解,逆水汽變換技術開發適合焦爐氣制甲醇過程。焦爐氣中富含氫氣,經重整工序后的轉化氣中氫氣含量更高,遠高于合成甲醇所需氫碳比。針對轉化氣中氫氣含量高的特點,在重整工序后增加逆水汽變換工序,補入二氧化碳進行逆水汽變化反應,在降低氫氣的同時,增加一氧化碳的產量,進而提高下游甲醇的產量。

      “初步測算,以20萬噸焦爐氣制甲醇過程為例,通過逆水汽變換技術補入二氧化碳,每年可提高15%至20%甲醇產量,同時消耗4萬噸至5萬噸二氧化碳?!碧锎笥抡f。

      目前,低碳院已經完成了高轉化率、抗甲烷化、抗高溫水合的工業逆水汽變換催化劑開發,正積極推動工業側線實驗工作。

      聚烯烴廣泛應用

      烯烴被稱為“石化工業之母”,是衡量一個國家石油化工發展水平的標志。

      在烯烴聚合實驗室,記者看到了很多裝滿小顆粒的瓶子。這些小顆粒晶瑩剔透,像一顆顆小水晶,很是亮眼。

      “這就是聚烯烴顆粒。煤化工用煤的四分之一都用來生產烯烴?!泵夯ぱ芯恐行南N聚合部經理于佩潛說,“與石油裂解制烯烴相比,煤制高碳α-烯烴不僅成本大大降低,在經濟性和發展前景上也具有很好的優勢?!?/p>

      高碳α-烯烴是生產高端聚烯烴、高檔潤滑油等許多高檔化工品的原料之一,C8以上α-烯烴均需進口?!盀榇?,我們在前期開發出獨創的純相碳化鐵催化劑的基礎上,開發了合成氣直接制α-烯烴的技術,實驗室結果顯示二氧化碳選擇性在10%左右,α-烯烴的產率大于35%,催化劑的活性高,一旦實現工業應用,將破解國外‘卡脖子’技術難題,降低α-烯烴的價格,促進我國α-烯烴產業的發展?!泵洪g接液化國家重大專項中心主任門卓武說,“下一步,我們將努力實現合成氣制α-烯烴催化劑的實驗室定型,并開展中試放大實驗?!?/p>

      針對聚烯烴,低碳院3年前開始研發能力的建設,現在已建成一個和世界先進水平接軌的研發平臺,同時組建了一支高水平的研發隊伍,在幫助生產廠解決實際生產問題的同時,也進行新技術的探索與開發。

      “新技術的開發主要聚焦2個方向,利用現有生產裝置生產高技術含量的高價值產品,利用煤化工路線的特點生產差異化的高端產品,充分體現煤化工的優勢?!庇谂鍧撜f。

      目前,基于國家能源集團自主合成的聚烯烴原料,低碳院研發出輕質高剛復合板材、非金屬托輥、聚烯烴管道以及熔噴布原材料等一系列高端化、多元化產品;同時,還自主研發了一套復合板材蜂窩芯中試生產線,申請專利數十項。輕質高剛復合板材已經在國家能源集團內部的鐵路貨車蓋板上試運行,并獲得良好反饋。

      此外,低碳院新材料公司[神華(北京)新材料科技有限公司]聚焦煤基聚烯烴產品高附加值化,推動聚烯烴產業升級。該公司開發的交聯聚乙烯產品在通用聚乙烯產品的基礎上,進行功能化開發,已在輕量化航天軍工裝備應用領域、高性能海洋應用裝備領域、大型工程車應用領域、?;穬\應用領域得到廣泛應用。

      神奇的費托蠟

      在門卓武的辦公桌,記者看到一個類似玉盤的擺件,在玉盤旁邊還趴著一只小兔子?!斑@都是蠟,是由煤通過費托合成工藝制成的,而且這已經到了食品級,可不是生活中用來照明的蠟?!遍T卓武。

      “黑色的煤炭竟然可以變得這么白,完全看不到煤的影子了?!庇浾唧@訝地說。

      “費托合成工藝就是這么神奇,它也體現了煤化工的特色?!遍T卓武接著說,通過費托合成技術得到的費托蠟,可以稱之為煤炭身上長出的“金手指”。費托蠟擁有點石成金的能力。同時,高熔點蠟價格從每噸1萬多元到幾十萬元不等,價格顯著高于普通的化學品。

      煤化工研究中心臨時負責人、主任助理兼燃料化學部經理秦紹東介紹說,費托蠟應用領域廣泛,在食品、化妝品、醫藥、化工、材料、電子等眾多領域均有應用。高熔點鈷基費托蠟應用量最大的領域是PVC管材加工,高熔點蠟加入主要起到潤滑劑作用;其次是熱熔膠領域,高熔點蠟加入能夠有效提高膠粘劑的耐熱性和快干性,比如在光伏領域大量使用的EVA熱熔膠。

      煤制費托蠟是以煤為原料,生成合成氣,在催化劑的作用下,合成氣反應生成烴類,再經加氫精制反應,最后轉變成以烷烴為主的混合物。2021年底,低碳院自主開發的“固定床鈷基費托制高熔點蠟技術”被中國石油和化學工業聯合會評為國際先進。

      “固定床鈷基費托制高熔點蠟技術最核心的是高性能的催化劑?!鼻亟B東說。

      過去一年,秦紹東及其團隊一方面對催化劑的性能進行改進,進一步提升催化劑轉化效率,同時改進催化劑制備工藝,提高催化劑的強度,降低催化劑加工成本;另一方面,通過相關的化工企業與社會資本,推動項目的商業化落地。此外,他們與國內費托蠟下游的加工廠商交流,建立常態化的溝通機制,了解客戶的需求,并為意向客戶與蠟下游使用客戶建立聯系。

      “一路走來,最難的是打破質疑,因為技術門檻高,世界上只有國外某知名石油公司掌握,且不對我國轉讓。自然我們一直是飽受質疑的,好在堅持了下來?!鼻亟B東說。

      目前,該技術中試結果表明,該技術噸產品合成氣耗量低,粗蠟產品滴熔點高于110攝氏度,產品中蠟油比大于5.0。技術核心催化劑在生產過程中抗波動能力強,副產物甲烷選擇性低,高熔點蠟選擇性高。該項技術在原料利用率、蠟產品選擇性和時空收率等關鍵指標上均達到國際先進水平。

      低碳院對于費托合成技術的研究不止于此。門卓武及其團隊對現有的煤間接液化技術的核心技術費托合成技術進行升級換代,開發了高活性高抗磨性的費托合成催化劑CNFT-1,該催化劑的工業應用將費托合成反應器過濾系統的穩定運行時間由不到一年提高到三年以上,蠟產率提高20%左右,單臺反應器的產能提高16%,推動了煤間接液化的技術進步,獲得寧夏回族自治區2020年科技進步獎一等獎。

      “其實,不知不覺中煤炭已經滲透到生活的方方面面。實現了高端化、多元化、低碳化的煤化工,將為煤炭的清潔高效利用、精細化發展提供一個可供選擇的現實路徑?!遍T卓武說。


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