煤炭加工
低质炼焦煤洁净高效利用循环经济产业链研究
摘 要:为探索鄂尔多斯上海庙矿区煤炭的清洁高效利用途径,分析了上海庙矿区的煤质特点和适宜的利用技术路线,以及产业政策、现有产业基础等建设条件。基于上海庙矿区煤炭高灰中硫、低灰高硫、高灰熔融性、高含油率、黏结性煤的典型煤质,提出高灰中硫煤宜分选后供应现有焦化厂,不适宜采用气化合成路线;低灰高硫煤宜采用热解+气化的分级转化路线;最终形成煤炭“分级转化、两化结合”的循环经济产业链。该产业链能够实现矿区煤炭绿色低碳利用,充分发挥煤质特点,高效利用低硫煤和高硫煤2种煤炭资源,生产具有长远市场前景的聚甲醛、甲缩醛等精细化工产品,经济效益较好。
关键词:低质炼焦煤;洁净高效;循环经济;产业链
0 引 言
煤炭清洁高效利用已上升到国家能源战略层面,在“十三五”规划中被列为100项国家重大工程项目之一,是煤炭行业推动供给侧改革和转型升级的重要方式。煤炭行业发展循环经济能够实现煤炭清洁高效利用,促进经济、社会和环境的协调发展。鄂尔多斯上海庙矿区生态环境脆弱,发展循环经济符合国家煤炭利用战略定位和区域可持续发展要求。该矿区位于内蒙古、陕西、宁夏三省区交界处,是宁东-上海庙国家大型能源基地的重要组成部分,国家能源局将优先审批这个基地的大型煤矿、煤电和新型煤化工项目[1-2]。上海庙矿区面积682 km2,煤炭资源储量约130亿t,由于地质成因分为东、西2个成煤区块,东区煤种以长焰煤和不黏煤等动力煤为主,西区煤种以气煤等炼焦煤为主[3]。东区动力煤以发电为主,清洁高效利用技术(如超超临界发电技术、超低排放技术等)已经成熟[4-6],截至2015年底,全国已有近1亿kW煤电机组完成超低排放改造。西区炼焦煤总体煤质较差,其中主采3号煤层灰分在40%以上,9号煤层硫含量在3%以上,且灰熔融性软化温度(ST)超过1 500℃,传统技术路径(如直接气化和炼焦)尚不具备技术经济性,无法实现煤炭的大规模高效利用,需根据煤质特征优化设计清洁高效转化产业链。笔者结合上海庙矿区西区(以下简称矿区)的煤质特点,在分析煤质特征及其适应性和现有产业条件的基础上,提出高硫炼焦煤清洁高效转化的循环经济发展路径,能够解决区域煤炭无法大规模利用的难题,提高煤炭资源附加值,为其他煤矿区高硫炼焦煤的清洁高效转化提供新思路。
1 矿区煤质特征及适用性评价
1.1 矿区煤种和煤质
矿区长城1号矿已进行生产,生产能力300万t/a。对3号、9号煤层生产煤样进行了工业分析、全硫、灰熔融性、热稳定性、格金干馏等煤质检测试验[3],结果见表1。
表1 煤质分析
Table 1 Coal quality analysis
注:TS+6为大于6 mm残焦质量占各级残焦质量之和的百分数;TS6～3为6～3 mm残焦质量占各级残焦质量之和的百分数;TS-3为小于3 mm残焦质量占各级残焦质量之和的百分数;Waterad为干馏总水分产率;CRad为半焦产率;Tarad为焦油产率。
工业分析/%硫分析(质量分数)/%灰熔融性/℃煤层Mad Aad Vdaf FCd St,d Sp,d Ss,d So,d焦渣特征CRC DT ST HT FT 3 号 1.77 44.68 42.48 31.35 1.18 0.92 0 0.26 3 ＞1 500 ＞1 500 ＞1 500 ＞1 500 9 号 1.65 16.65 40.29 49.60 3.31 0.80 0 2.51 6 1 290 1 370 1 370 1 420煤层热稳定性TS+6 TS6～3 TS-3 Qgr,d/(MJ·kg-1)格金干馏Waterad/% CRad/% Tarad/% 焦型 损失率/%3 号 黏结 16.52 6.25 81.92 7.12 B 4.71 9 号 黏结 28.06 3.24 75.26 13.88 G3 7.62
由表1可知,矿区3号、9号煤层煤炭Vdaf大于37%,热稳定性为黏结,根据GB/T 5751—2009《中国煤炭分类》,初步判断试验煤种为气煤或气肥煤。从煤炭利用类别划分,3号、9号煤层属于炼焦煤。
矿区煤炭质量评价见表2。由表2可知,矿区3号煤层属于高灰、中硫、高灰熔融性富油煤,典型特征是高灰(44.68%)、高灰熔融性(＞1 500 ℃);9号煤层属于低灰、高硫、较高灰熔融性高油煤,典型特征是高有机硫(w(So,d)=2.51%)、高油含量(Tarad=13.88%)。总体来看,矿区煤炭质量属于低劣质炼焦煤,2个煤层煤炭分别为高灰中硫、低灰高硫,煤质具有典型性。
表2 矿区煤炭质量评价
Table 2 Coal quality evaluation for coal mining
煤炭质量评价煤炭质量指标判定标准或准则3号煤层 9号煤层灰分 高灰煤 低灰煤 GB/T 15224.1—2010《煤炭质量分级 第1部分:灰分》硫含量 中硫煤,以无机硫为主 高硫煤,以有机硫为主 GB/T 15224.2—2010《煤炭质量分级 第2部分:硫分》黏结性 较弱 较强 CRC越大,黏结性越强ST 高 较高 MT/T 853.1—2000《煤灰软化温度分级》Tarad 富油煤 高油煤 Tarad＞12%,高油煤;7%＜Tarad＜12%,富油煤
1.2 煤质适应性评价
矿区煤炭属于炼焦煤,根据国家产业政策应优先用于炼焦,其次用于其他化工转化。3号煤层煤灰分较高,以无机硫为主,灰熔融性也高,应通过分选降低煤中的灰分、硫分,建议优先用于上海庙矿区内已经建成的130万t/a焦化厂,但应将煤中的灰分降至合理水平,以提高焦炭质量。9号煤层煤有机硫含量高,采用常规分选工艺难以降低煤中硫含量[7-8],建议以化工转化为主,煤中硫大都转化为硫磺,变废为宝,降低区域空气污染。
2 基于矿区典型煤质的煤炭清洁高效利用技术方案选择
矿区3号和9号煤层中高灰中硫、低灰高硫且高灰熔融性煤约占储量一半以上[2],选择适应该煤质要求的转化技术是实现煤炭清洁高效利用的关键[9]。基于煤质适应性的煤炭转化工艺技术方案选择见表3。
表3 基于煤质适应性的煤炭转化工艺技术方案选择
Table 3 Selection for coal conversion technology plan based on coal quality adaptability
注:“×”代表不适应该煤质要求;“√”代表适应该煤质要求;“#”代表煤质适应性一般。
煤层 利用方向 煤质适应性 判断依据固定床气化 × 煤炭具有黏结性流化床气化 # 煤炭的反应活性不高3号 气流床气化 × 灰熔融性温度＞1 500℃,灰分超过40%高温炼焦 √ 已建130万t/a焦化厂高温炼焦 × 煤炭有机硫含量2.51%,焦炭质量差9号 直接气化合成 × 不利于发挥高油煤的优势热解气化合成 √ 充分利用高油煤的特点,提高煤炭资源附加值
3号煤层煤应以高温热解炼焦的技术路线为主,不适合选择气化合成技术路线。3号煤层煤灰熔融性温度大于1 500℃,且具有黏结性,固定床气化[10-11]要求煤炭没有黏结性,不能选择;流化床气化[11]要求煤炭的反应活性较高,根据煤质检验数据,1 200℃时3号煤层煤炭对CO2的反应性为52.6%[7],反应活性一般,不建议选择;若选择国内先进的气流床气化技术,则要求气化反应温度高于灰熔融性温度50～100℃,但气化炉的反应温度过高会降低气化炉的使用寿命,且O2消耗也随着温度的升高而增加[8,12]。通过添加助融剂(如生石灰CaO等)可以降低煤灰熔融性温度,但3号煤层煤的灰分已超过45%,再添加助溶剂会增加排灰的难度,需要对气化室下端的排渣结构进行重新设计。综合分析,目前国内外尚无一种适应该典型煤质的气化技术,选择高温炼焦工艺具有技术可行性,也可对已建成的130万t/a焦化厂形成技术支撑。
9号煤层煤应优先选择煤炭分级转化的技术路线。9号煤层煤有机硫含量较高,若大规模用于炼焦,只能生产化工焦,不利于提高企业经济效益,用于化工合成可以选择直接气化合成和热解后气化合成(即分级转化)2种方案。由于9号煤层煤焦油产率为13.88%,最佳清洁高效利用方式是回收煤中焦油、煤气等高附加值组分,实现煤炭的梯级利用。此外,矿区正在建设260万t/a焦化项目,可利用在建工程并通过调整热解温度、结焦时间生产化工焦,然后再化工合成高附加值化工产品。与9号煤层煤炭直接气化相比,分级转化是先通过高温热解提取煤中煤焦油、粗苯、煤气等高附加值成分,热解的清洁煤再气化合成清洁燃料和化工产品,更适应煤质特点,实现煤炭的分质利用。
3 “分级转化、两化结合”的煤化工循环经济产业链设计
3.1 矿区煤化工产业链设计思路
矿区煤化工产业链综合考虑了煤质特点、产业政策、产品市场、周边产业衔接、现有产业基础、环境承载力等多种因素,以特色求生存,以规模求发展,实现煤炭精深加工和清洁高效转化。
3.1.1 发挥煤质特点,增强工艺的煤质适应性
1)煤炭分选:分质分选,生产系列产品,满足后续利用需要。根据煤炭可选性评价[2],矿区煤炭属于难选煤。为提高精煤回收率,3号煤层低硫煤一部分生产优质精煤(Ad≤8%,w(St,d)≤0.5%),用于现有焦化厂生产优质冶金焦,剩余外售;另一部分将煤炭灰分从44.68%降至20%以下,用于煤炭热解。9号煤层高硫煤一部分将煤炭灰分从16.65%降至10% ～12%,也用于煤炭热解;另一部分生产商品煤,灰分降至10%以下,硫分降至2.5%以下。
矿区煤炭分选方案如图1所示。
2)煤炭利用:分级转化,两化(焦化和气化)结合。利用矿区煤炭(尤其是9号煤层)含油率较高的煤质特点,9号煤层煤炭采用先热解后气化的工艺方案,热解产生的焦炉煤气、煤焦油和粗苯与现有130万t/a焦化厂的副产品实现集中联合加工,焦油和粗苯精制加工,焦炉煤气生产液化天然气(LNG),生产高附加值的精细化工产品。
图1 煤炭分质分选方案
Fig.1 Coal step washing plan
煤炭分级转化方案如图2所示。
3.1.2 符合国家产业政策,满足国家发展需要
2006年以来,国家陆续出台了《国家发展改革委关于加强煤化工项目建设管理促进产业健康发展的通知》(发改工业[2006]1350号)、《国家发展改革委关于规范煤化工产业有序发展的通知》(发改产业[2011]635号)、《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020年)》(国能煤炭[2015]141号)等煤炭深加工政策文件,在产业准入、产业配套、产业布局、审批程序等方面提出了具体要求,具体见表4。
图2 煤炭分级转化方案
Fig.2 Coal step conversion plan
表4 煤炭深加工主要产业政策要点
Table 4 The main industry policy points of coal deep processing
政策要素政策要求产业准入 煤制甲醇(＞100万 t/a)、二甲醚(＞100 万t/a)、油品(＞100万t/a)、烯烃(＞50 万t/a)、乙二醇(＞20万t/a)、天然气(＞20亿m3/a)产业配套 煤炭净调入区,缺水地区严格控制煤化工产业产业布局 按照石化产业的布局原则,实现园区化能效和环保 符合最严格的能效和环保要求审批程序 除煤制乙二醇外,符合国家规模要求的煤制油、煤制甲醇、煤制烯烃、煤制天然气须报国家发展改革委核准
矿区具有煤炭、水资源等便利配套条件,产业布局在精细化工园区,优先采用国内外先进的工艺技术,能够满足国家产业政策要求。
3.1.3 以特色求生存,满足产品长远市场
矿区产业设置与周边的“金三角”能源化工基地实现差异化发展,突出产业特色,建设专业化、精细化的循环经济型能源化工园区。以长远市场为导向,生产有长远市场前景的乙二醇,新型聚合材料聚甲醛和甲缩醛,依赖国外供应的优质针状焦以及石油路线难加工生产的精萘、精蒽等精细产品。
3.2 矿区煤化工产业链及特点
3.2.1 矿区循环经济产业链设计
矿区煤炭循环经济产业链如图3所示。分选煤分质利用,低硫精煤炼焦和外售,高硫分选煤和低硫精煤混配高温热解提取优质产物,热解后的清洁煤气化合成乙二醇、聚甲醛、甲缩醛等精细化工产品。高温热解和焦化副产的焦炉煤气、焦油和粗苯集中联合加工,焦炉煤气生产LNG,焦油精制生产针状焦、萘、蒽等20种以上精细化工产品,粗苯深加工生产高纯苯、硝化级甲苯、二甲苯。煤矸石、煤泥、中煤资源综合利用发电和制砖,粉煤灰生产建筑材料和矿区注浆防灭火。
3.2.2 总体经济效益估算
矿区规划年产煤炭1 560万t,高效利用后,主要产品为:焦炭130万t/a,乙二醇60万t/a,甲缩醛10万t/a,聚甲醛8万t/a,LNG 30万t/a,针状焦、蒽、萘等精细化工产品4.9万t/a,芳烃8.94万t/a,电力200万kW,矸石砖2.4亿块。项目建成后,预计总投资300亿元,销售收入200亿元,年均利润总额40亿元,总投资利润率13.3%。
3.2.3 产业链特色
1)产业链充分体现绿色低碳特点。① 原煤分选分储,灵活加工,实现煤炭分质分选;②煤炭分级转化,煤炭热解与气化有机结合,精细加工,低碳利用;③ 矿井水、煤矸石、煤泥、粉煤灰综合利用,变废为宝,物尽其用。
图3 矿区煤炭循环经济产业链
Fig.3 Coal industry chain of circular economy for coal mining
2)充分发挥煤质特点,高效利用不同品位的煤炭资源。低硫煤是稀缺的炼焦用煤,供应焦化厂生产冶金焦,剩余部分外售。高硫煤和低硫煤混配后热解,先提取优质产物(焦炉煤气、焦油和粗苯),剩余固体可采用固定床气化合成具有长远市场前景的乙二醇、聚甲醛、甲缩醛等精细化工产品,规避了高灰熔融性煤气流床气化液态排渣的难题。焦炉煤气制LNG,焦油精制生产萘、蒽、针状焦,粗苯加氢生产苯、甲苯、二甲苯,充分利用了焦化和热解产生的副产品。
3)可形成西北最大的煤基精细化工基地。①生产有市场前景的乙二醇;② 生产新聚合材料聚甲醛、甲缩醛,聚甲醛规模8万t/a,全国最大的聚甲醛生产企业之一;③ 利用焦炉煤气生产LNG;④建设内蒙古和西北地区最大焦油生产基地(规模30万t/a,跃入全国十大焦油生产和加工企业行列);⑤生产依赖国外供应的优质针状焦;⑥生产石油路线难加工生产的精萘、精蒽等精细加工产品。
4 结 语
矿区煤炭属于中硫高灰(3号煤层)、高硫低灰(9号煤层)、高灰熔融性、高含油率的低质炼焦煤。结合煤质特点,提出3号煤层煤炭应以高温热解炼焦的技术路线为主,不适合选择气化合成技术路线;9号煤层煤炭采用分级转化的技术路线,即煤炭先高温热解提取煤中的焦炉煤气、焦油和粗苯,剩余固体气化合成高附加值化工产品。根据煤质特点、产业政策、产品市场、周边产业衔接、现有产业基础等因素,提出建设煤炭“分级转化、两化结合”的循环经济产业链。产业链充分体现了绿色低碳特点,吃干榨尽,将对环境影响降到最小;充分发挥煤质特点,高效利用高硫煤和低硫煤2种煤炭资源,实现矿区煤炭的大规模清洁高效利用;生产乙二醇、聚甲醛、甲缩醛以及石油加工难生产的精萘、精蒽等精细加工产品,建成后可形成西北最大的煤基精细化工基地,体现了差异化竞争策略,经济效益较好。
[1]胡 珺.宁东-上海庙大型能源基地呼之欲出[N].中国能源报,2010-08-16(1).
参考文献(References):
[2]煤炭工业洁净煤工程技术研究中心.新矿集团上海庙矿区煤炭开发利用循环经济产业园区规划[R].北京:煤炭工业洁净煤工程技术研究中心,2011:10-22.
[3]煤炭工业洁净煤工程技术研究中心.上海庙精细化工园区产业发展规划[R].北京:煤炭工业洁净煤工程技术研究中心,2014:24-26.
[4]倪维斗,王卫良,宋世忠.中国煤炭清洁高效发电之路[N].中国电力报,2014-10-27(5).
[5]黄其励.我国清洁高效燃煤发电技术[J].华电技术,2008,30(3):2-8.Huang Qili.Clean and highly effective coal-fired power generation technology in China[J].Huadian Technology,2008,30(3):2-8.
[6]朱法华,王临清.煤电超低排放的技术经济与环境效益分析[J].环境保护,2014,42(21):28-33.Zhu Fahua,Wang Linqing.Analysis on technology-economy and environment benefit of ultra-low emission from coal-fired power units[J].Environment Protection,2014,42(21):28-33.
[7]张海峰,任江萍,苏春生.晋城矿区“三高煤”的开发与利用[J].煤炭加工与综合利用,2015(10):44-46.Zhang Haifeng,Ren Jiangping,Su Chunsheng.Development and utilization of tri-high coal in Jincheng mining area[J].Coal Processing and Utilization,2015(10):44-46.
[8]陈贵锋,罗 腾.煤炭清洁利用发展模式与科技需求[J].洁净煤技术,2014,20(2):99-103.Chen Guifeng,Luo Teng.Development patterns and technology requirements of clean coal utilization[J].Clean Coal Technology,2014,20(2):99-103.
[9]陈贵锋,李振涛,罗 腾.现代煤化工技术经济及产业链研究[J].煤炭工程,2014,46(10):68-71.Chen Guifeng,Li Zhentao,Luo Teng.Research on technology economic and industrial chain of modern coal chemistry industry[J].Coal Engineering,2014,46(10):68-71.
[10]步学朋,任相坤,崔永君.煤炭气化技术对煤质的选择及适应性分析[J].神华科技,2009,7(5):74-75.Bu Xuepeng,Ren Xiangkun,Cui Yongjun.The analysis of coal gasification technology on the selection and analysis of coal quality[J].Shenhua Technology,2009,7(5):74-75.
[11]郭森荣.流化床气化技术对煤质的要求[J].大氮肥,2014,37(3):146-148.Guo Senrong.Coal quality requirement in fluidized bed gasification technology[J].Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry,2014,37(3):146-148.
[12]李小红,姚润生,李 凡.适宜“三高”煤利用的煤气化技术探讨[J].现代化工,2009,29(S1):234-236.Li Xiaohong,Yao Runsheng,Li Fan.Progress in gasification technology for tri-high coal[J].Modern Chemical Industry,2009,29(S1):234-236.
Industry chain of circular economy based on clean and efficient use of poor quality coking coal
Abstract:To realize clean and efficient use of the coal of Shanghai Temple mine area in Ordos,the coal properties,appropriate technologies,industrial policies and existing industrial base were analyzed.The coal properties showed high-ash medium-sulfur,low-ash high-sulfur,high ash fusibility,high oil ratio and strong caking property.The gasification was not suitable for high-ash medium-sulfur coal,which should be separated first,then the products was supplied to coking plant.The combination of pyrolysis and gasification was the proper choice for low-ash high-sulfur.The coal staged conversation and the combination of coking and gasification were the main bodies of the industry chain of circular economy.The chain could use high-sulfur coal and low-sulfur coal effectively,the products were fine chemicals such as polyformaldehyde and methylal.
Key words:poor quality coking coal;clean and efficient;circular economy;industry chain
中图分类号:TD849
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2016)04-0056-06
收稿日期:2016-04-13;责任编辑:白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.04.013
基金项目:中国工程院重点资助项目(2016-XZ-23-02)
引用格式:罗 腾,陈贵锋.低质炼焦煤洁净高效利用循环经济产业链研究[J].洁净煤技术,2016,22(4):56-61.LUO Teng,CHEN Guifeng.Industry chain of circular economy based on clean and efficient use of poor quality coking coal[J].Clean Coal Technology,2016,22(4):56-61.
