2016-10-14 四川蜀泰化工 蜀泰催化技術(shù)

     —訪我國(guó)煤催化氣化領(lǐng)軍人物、新奧集團(tuán)煤基低碳能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任畢繼誠(chéng)

文︱記者陳繼軍

    畢繼誠(chéng)，流化床氣化專(zhuān)家、中國(guó)煤催化氣化技術(shù)帶頭人、中科院山西煤化所煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、博士生導(dǎo)師，科技部973計(jì)劃綜合交叉科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜?，河北新奧集團(tuán)煤基低碳能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、煤氣化首席科學(xué)家，長(zhǎng)期致力于煤與生物質(zhì)共氣化/共熱解、煤催化氣化、煤加氫氣化、煤催化加氫氣化、煤超臨界水氣化等前沿技術(shù)的研究，成功開(kāi)發(fā)了含碳有機(jī)物（煤、生物質(zhì)、廢塑料、廢輪胎等）在超臨界水條件下連續(xù)反應(yīng)轉(zhuǎn)化利用系列技術(shù)，首創(chuàng)超臨界水氧化連續(xù)處理焦化廢水技術(shù)。 

    在五大現(xiàn)代煤化工路徑中，煤制天然氣處境最為尷尬。一方面，國(guó)際油氣價(jià)格的走低和國(guó)內(nèi)天然氣價(jià)格的下調(diào)，使得煤制天然氣原本應(yīng)有的成本優(yōu)勢(shì)蕩然無(wú)存。另一方面，為了從氣化氣中獲得盡可能多的甲烷氣，國(guó)內(nèi)建成、在建的煤制天然氣項(xiàng)目，大多采用魯奇爐兩步法合成甲烷工藝，該工藝在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量含酚、多環(huán)芳烴等難以處理的有機(jī)廢水，不僅大幅增加了項(xiàng)目的環(huán)保設(shè)施投資和運(yùn)行費(fèi)用，而且因廢水難以達(dá)標(biāo)排放導(dǎo)致項(xiàng)目無(wú)法正常運(yùn)行，盈利能力低下。

     在這種情況下，人們迫切希望能有一種煤轉(zhuǎn)化效率高、氣化氣中甲烷含量高、廢水產(chǎn)生量少且易處理的先進(jìn)煤氣化技術(shù)——煤催化氣化技術(shù)。有這樣的技術(shù)嗎？有。我國(guó)煤催化氣化領(lǐng)軍人物、河北新奧集團(tuán)煤基低碳能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任畢繼誠(chéng)博士，可以為我們?cè)斀饷捍呋瘹饣夹g(shù)的前世今生。

    多國(guó)研發(fā)中國(guó)完成

    記者：請(qǐng)您介紹一下煤催化氣化技術(shù)的基本情況。

    畢繼誠(chéng)：煤催化氣化的全稱(chēng)叫做煤催化氣化制甲烷技術(shù)。其核心是在堿金屬/堿土金屬催化劑作用下，煤在加壓流化床氣化爐中，在相對(duì)溫和的條件下進(jìn)行氣化、變換和甲烷化反應(yīng)生產(chǎn)甲烷產(chǎn)品。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是：將吸熱的煤氣化反應(yīng)與放熱的水煤氣變換和甲烷化反應(yīng)耦合起來(lái)，不需脫硫過(guò)程，在一個(gè)反應(yīng)器中就可將煤轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣和一氧化碳。其中，氣化爐出口合成氣中甲烷含量約20%，比現(xiàn)有固定床煤氣化制甲烷技術(shù)的甲烷含量高出近一倍。因此，煤催化氣化制甲烷技術(shù)也可以說(shuō)是專(zhuān)門(mén)為煤制天然氣量身定做的煤氣化技術(shù)之一。

    記者：煤催化氣化技術(shù)最早是哪個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)的？

    畢繼誠(chéng)：煤催化氣化的概念早在20世紀(jì)20年代就有了。但受諸多因素影響，較長(zhǎng)時(shí)間僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。20世紀(jì)70年代石油危機(jī)爆發(fā)后，遭遇了石油短缺之痛的歐美國(guó)家開(kāi)始重視并支持該技術(shù)的研究。其中，美國(guó)能源部委托美國(guó)?？松梨诠具M(jìn)行了系列研發(fā)，建立了1噸/日的電加熱過(guò)程開(kāi)發(fā)裝置，并進(jìn)行了5年多的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)。但隨著石油危機(jī)的結(jié)束，全球幾乎又停止了煤催化氣化技術(shù)的研發(fā)。

      進(jìn)入21世紀(jì)，隨著石油煉化規(guī)模的擴(kuò)大，石油焦的產(chǎn)量持續(xù)大幅增加。如何將數(shù)量巨大且令煉化企業(yè)頭痛的石油焦轉(zhuǎn)化為清潔能源甲烷，成為各大能源巨頭關(guān)注的焦點(diǎn)。2004年，美國(guó)巨點(diǎn)能源公司在?？松梨诠狙邪l(fā)的基礎(chǔ)上，再次建立了1噸/日電加熱過(guò)程的開(kāi)發(fā)裝置，持續(xù)對(duì)催化氣化技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)和研究，最終開(kāi)發(fā)出以鉀鈉鋰鹽作催化劑、以高溫高壓蒸汽為熱源、以石油焦為主要加工對(duì)象的煤催化氣化技術(shù)。由于該技術(shù)所需的4.0兆帕、850攝氏度高溫高壓蒸汽在工業(yè)化生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性，且氣化溫度低、反應(yīng)物停留時(shí)間長(zhǎng)、還需要較為昂貴的鋰作催化劑，導(dǎo)致氣化爐規(guī)模難以放大，經(jīng)濟(jì)性受到質(zhì)疑，至今并未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

     記者：中國(guó)的技術(shù)有什么特點(diǎn)？

     畢繼誠(chéng)：新技術(shù)的氣化爐由上中下3部分構(gòu)成。上端為熱解單元、中間為催化氣化單元、下端為燃燒單元。整個(gè)物料流程如下：來(lái)自上端熱解單元的半焦+氧氣→催化氣化→高溫粗煤氣+殘?zhí)?；高溫粗煤氣→上端熱解單元（與投入的原煤逆向接觸換熱）→煤低溫?zé)峤狻淄楹?0%左右的粗煤氣+煤焦油+半焦→油氣分離→氣體→甲烷化裝置→人造天然氣；焦油→進(jìn)一步加工處理生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品；未被氣化的殘?zhí)技岸栊晕镔|(zhì)→氣化爐下端的燃燒室（+氧氣）→部分氧化/氣化（燃燒）→為催化氣化提供熱源。

    2013年7月，5噸/日加壓流化床氣化過(guò)程開(kāi)發(fā)裝置，在壓力3.5兆帕、溫度750攝氏度條件下投煤后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行106小時(shí)，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%，出口氣中甲烷含量22%，催化劑回收率98%。這一成果被中國(guó)工程院院士曹湘洪等業(yè)內(nèi)專(zhuān)家鑒定為“達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。至此，中國(guó)歷時(shí)近5年的煤催化氣化耦合技術(shù)開(kāi)發(fā)取得成功。

    記者：這一技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用了嗎？

     畢繼誠(chéng)：在過(guò)程開(kāi)發(fā)裝置取得成功后，新奧集團(tuán)、賽鼎工程有限公司合作完成了工業(yè)示范項(xiàng)目工藝包的編制，目前正在內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗新能化工工業(yè)園區(qū)建設(shè)1500噸/日投煤量、2億立方米/年天然氣工業(yè)化示范裝置。按照計(jì)劃，該示范裝置將于2018年投料試車(chē)。建成后，將成為我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、世界上規(guī)模最大的煤催化氣化制甲烷工業(yè)示范裝置。

    多項(xiàng)性能優(yōu)于“兩步”

    記者：與現(xiàn)行煤氣化制甲烷技術(shù)相比，煤催化氣化制甲烷技術(shù)有哪些優(yōu)勢(shì)？

     畢繼誠(chéng)：現(xiàn)行煤氣化制甲烷技術(shù)，是先將煤在高溫高壓條件下氣化得到氫氣、一氧化碳，再進(jìn)行甲烷合成，俗稱(chēng)兩步法。代表技術(shù)是魯奇固定床氣化爐，出口氣中甲烷含量約10%。由于要經(jīng)歷高溫、低溫、再高溫過(guò)程，變換及精脫硫，導(dǎo)致工藝復(fù)雜、投資較大、能耗高。且由于只能以塊煤作原料，成本較高，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性差。

    與兩步法相比，煤催化氣化技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì)：一是可采用粉煤（小于5毫米）作原料，不需破碎，原料價(jià)格更低、選擇范圍更廣；二是爐內(nèi)甲烷化過(guò)程不需要脫硫，且出口氣中甲烷含量高達(dá)20%以上，后續(xù)甲烷化單元的規(guī)模與設(shè)備投資大幅壓縮；三是不存在無(wú)法解決的廢水處理難題；四是總體能源利用率高。

    記者：魯奇爐因?yàn)闅饣瘻囟鹊?，易產(chǎn)生大量含酚、焦油等難以處理的有機(jī)廢水。而煤催化氣化的溫度更低，同樣會(huì)產(chǎn)生含酚、焦油的廢水，您為何說(shuō)“不存在無(wú)法解決的廢水處理難題”？

     畢繼誠(chéng)：若采用魯奇工藝相同的直接水噴淋方式冷卻粗煤氣，煤催化氣化制甲烷技術(shù)自然會(huì)產(chǎn)生大量含焦油、酚的有機(jī)廢水。但一方面我們采用間接冷凝技術(shù)替代直接水噴淋方式冷卻出口煤氣，最大限度地減少了有機(jī)廢水產(chǎn)生量；另一方面將未參與氣化反應(yīng)產(chǎn)生的有機(jī)廢水引入回收催化劑的水洗工段，溶解回收氣體中攜帶的金屬催化劑，再用富含酚、焦油、催化劑的廢水浸漬煤，然后對(duì)煤干燥。去掉了水分且吸附有酚、焦油、催化劑的煤進(jìn)入一體化的煤催化氣化爐上端的熱解單元，進(jìn)行熱解與氣化反應(yīng)。煤干燥過(guò)程產(chǎn)生的少量含低沸點(diǎn)有機(jī)物廢水送入生化廢水處理工段或送去配制水煤漿，從而徹底解決了魯奇爐兩步法工藝遇到的有機(jī)廢水處理難題。結(jié)合催化劑回收過(guò)程，不僅大幅降低了廢水處理難度，而且將廢水中的焦油等有機(jī)物用于氣化，提高了過(guò)程的效率和經(jīng)濟(jì)性。

    記者：煤催化氣化技術(shù)所用的催化劑是什么？催化劑的使用和回收過(guò)程中，是否會(huì)大幅增加生產(chǎn)成本并產(chǎn)生新的污染？

畢繼誠(chéng)：我們目前采用的是碳酸鉀作為基準(zhǔn)催化劑，添加量約為投煤量的10%。由于催化劑的回收率高達(dá)98%，而且在催化劑回收過(guò)程中利用了廢水和低品位熱源，從而使催化劑使用以及催化劑回收裝置成本被壓縮在煤制氣生產(chǎn)成本的5%以?xún)?nèi)。為進(jìn)一步壓縮這筆費(fèi)用，我們還對(duì)更廉價(jià)的復(fù)合催化劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，且已經(jīng)取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后期一旦投入使用，催化劑及回收成本還將進(jìn)一步降低。

至于因使用催化劑是否會(huì)產(chǎn)生新的污染問(wèn)題，由于水溶性催化劑完全被回收，殘留在煤灰中的微量催化劑則與煤灰發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)十分穩(wěn)定，因此，不會(huì)產(chǎn)生新的污染。

    記者：兩種技術(shù)的投資強(qiáng)度有對(duì)比嗎？

    畢繼誠(chéng)：兩步法工藝流程長(zhǎng)、甲烷化工段規(guī)模大，且該工段所用的甲烷化催化劑、大型甲烷化反應(yīng)器、高溫循環(huán)氣壓縮機(jī)全部依賴(lài)進(jìn)口，費(fèi)用高昂。加之需要投入巨資建設(shè)廢水處理裝置（一個(gè)40億立方米/年煤制氣項(xiàng)目，僅廢水處理裝置的投資就超過(guò)10億元），因此，兩步法工藝的投資顯著高于煤催化氣化技術(shù)的投資。賽鼎工程有限公司測(cè)算過(guò)，同等規(guī)模情況下，前者與后者的投資比為10：7。以正在建設(shè)的內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗新能化工工業(yè)園區(qū)1500噸/日投煤量、2億方天然氣工業(yè)化示范項(xiàng)目為例。如實(shí)現(xiàn)20億方的工業(yè)生產(chǎn)，按當(dāng)?shù)責(zé)嶂?000～5000千卡/千克煙煤現(xiàn)行價(jià)格170～230元/噸計(jì)算，采用煤催化氣化得到的天然氣成本約0.92～1.06元/立方米，比此前已經(jīng)投產(chǎn)的幾套煤制氣示范項(xiàng)目至少低0.4元/立方米。

    工業(yè)應(yīng)用任重道遠(yuǎn)

    記者：既然煤催化氣化技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)，為何未見(jiàn)大范圍推廣應(yīng)用？

    畢繼誠(chéng)：煤催化氣化工業(yè)化技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)，標(biāo)志著我國(guó)掌握了一項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)新型煤氣化制甲烷技術(shù)，為我國(guó)煤制天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了較強(qiáng)技術(shù)支撐，但這并不意味著該技術(shù)會(huì)迅速得到推廣應(yīng)用。

    一方面，該技術(shù)目前還只是通過(guò)了過(guò)程開(kāi)發(fā)裝置驗(yàn)證。只有經(jīng)過(guò)正在建設(shè)的內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗工業(yè)化示范項(xiàng)目運(yùn)行驗(yàn)證，才能成為真正先進(jìn)實(shí)用可靠的技術(shù)，具備大范圍工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。工業(yè)氣化爐的放大過(guò)程往往是艱難的，不僅需要解決氣化技術(shù)問(wèn)題，而且還需解決大量的工程問(wèn)題。出現(xiàn)意想不到的困難，還得面對(duì)業(yè)界和輿論的各種正負(fù)評(píng)價(jià)。

    另一方面，所謂煤催化氣化技術(shù)能耗低、投資低、成本低、環(huán)境優(yōu)好等優(yōu)勢(shì)，是相比現(xiàn)有的魯奇爐兩步法技術(shù)而言的。但煤制天然氣的競(jìng)爭(zhēng)力如何，最終是要跟國(guó)產(chǎn)常規(guī)天然氣相比的?？陀^地講，目前分析，煤催化氣化技術(shù)與常規(guī)天然氣相比，其優(yōu)勢(shì)并不十分明顯，但是可以解決天然氣短缺的問(wèn)題。因此，在工業(yè)化示范項(xiàng)目未投入運(yùn)行、技術(shù)本身沒(méi)有經(jīng)過(guò)工業(yè)化裝置運(yùn)行驗(yàn)證的之前，我們也不急于大范圍推廣應(yīng)用該技術(shù)。

    記者：您如何看待煤化工產(chǎn)業(yè)的未來(lái)？

     畢繼誠(chéng)：首先，我們對(duì)現(xiàn)代煤化工的前景充滿信心、堅(jiān)定不移。雖然全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度放緩和油氣價(jià)格的低迷，對(duì)煤化工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大沖擊和影響，迫使剛剛起步的現(xiàn)代煤化產(chǎn)業(yè)發(fā)展放緩，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，油氣作為一種不可再生能源資源，其儲(chǔ)量是有限的，過(guò)低的油氣價(jià)格將刺激全球油氣消費(fèi)，加速油氣資源枯竭，使油氣價(jià)格在低迷一段時(shí)間后，重新進(jìn)入上升通道，煤化工的成本優(yōu)勢(shì)將再度顯現(xiàn)。

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