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中国化工报|须知煤炭有“材”能
  5月10日,国家发改委联合工信部等六部门印发《煤炭清洁高效利用重点领域标杆水平和基准水平(2022年版)》,为推进煤炭清洁高效利用制定了新标尺。
 
  近年来,煤炭清洁高效利用备受关注,相关新政策、新提法不断出现。无论是去年底的中央经济工作会议,还是今年的政府工作报告,在部署“双碳”工作时都强调要加强煤炭清洁高效利用。前不久,中共中央政治局常委、国务院副总理韩正主持召开煤炭清洁高效利用工作专题座谈会时强调,要统筹做好煤炭清洁高效利用这篇大文章。
 
  大文章怎么做?“须知煤炭有‘材’能——既可从中获取优质能源,又可制备先进的功能碳材料。”中国能源学会副会长吴克接受《中国化工报》记者采访时表示,“取其材、用其能,就是清洁高效之道。”
 
  应用迈向第三阶段——新时代煤炭可再立新功
 
  “我研究煤炭利用已有20多年。20多年来,不管大家对煤炭的看法如何变化,是褒是贬,我个人始终看好它。”吴克告诉记者,“因为我坚持一个观点不动摇,那就是——解决中国的能源问题要从国情出发,从资源禀赋出发,以科学发展来引领。”
 
  自然资源部数据显示,我国煤炭储量在1622.88亿吨左右;煤层气储量约3315.54亿立方米;石油可采储量约36亿吨;页岩油预估可采储量20亿吨左右;页岩气可采储量4026.17亿立方米。“后面几个储量加起来,在千亿吨级的煤炭面前,也是小巫见大巫。”吴克说,“煤炭是亿万年太阳能的集聚,是大自然赐给我们的丰厚礼物,没有理由不好好开发利用。而利用好的关键,在于科技进步。”
 
  “我把人类对煤炭的利用划分为3个阶段。”吴克介绍说,第一个阶段,煤炭作为热力能源粗放使用。在这一阶段,煤炭推动了工业革命,但也带来很多副作用,如大气污染。第二个阶段,煤炭既作为能源又作为化学品使用。煤炭除用于发电时转化为电能,还可转化为焦炭、煤气、油等,其清洁程度也大大提升。同时,还可进一步转化为醇、醚、酯、烃等多种化学品,乃至制成高分子材料。我们目前正处于该阶段。
 
  “但不论第一阶段还是第二阶段,二氧化碳的排放问题都没有真正得以解决。”吴克说,“煤制烯烃、煤制甲醇的二氧化碳排放量都较高,煤直接燃烧、发电时排放量更高。过去搞煤制油时,不管是直接液化还是间接液化,都希望制得的油越多越好。比如煤的氢碳原子比值是0.8,而油的氢碳原子比值是1.6左右,煤要变油就要大量加氢。氢也通过煤制氢获得,这又增加了二氧化碳排放。”
 
  吴克认为,要减排二氧化碳,煤炭的应用必须进入第三个阶段——煤炭既作为能源,又作为先进功能碳材料使用。这个阶段最大的特点就是把煤里的碳大部分固定下来,从而大幅减排二氧化碳。固定下来的“碳”,不像过去是一般的炭黑,而是性能优异的先进功能碳材料,如石墨烯、碳纤维、碳纳米管等。
 
  北京化工大学化学工程学院院长邱介山接受记者采访时表示,长期以来,煤炭一直是我国最重要的一次能源。在“双碳”背景下,煤炭的资源化、高附加值、精细化利用的重要性凸显。
 
  “习近平总书记指出,能源的饭碗必须端在自己手里。如今,能源问题在工业社会更突出。”吴克说,“煤炭推动过工业革命,在新时代还可以再立新功。”
 
  基础研究产业实践积蕴深——我国离“3.0阶段”最近
 
  吴克告诉记者,在迈向第三个阶段也即煤炭应用“3.0阶段”的征途中,我国已走在世界最前列。
 
  在基础研究领域,业界探索出不少路径。邱介山团队是其中的代表。邱介山提出了“煤化工精细化”的发展理念和“多维碳材料工程”的概念,开发了“化学剪刀”方法学,实现了煤炭分子结构向功能碳材料的可控转变,开发了煤基吸附碳材料、煤基储能碳材料等一系列在能源、环境、催化、分离等领域有广泛应用的新结构、高性能、低成本煤基功能碳材料。
 
  基于分子裁剪理论,邱介山团队制备出尺度、功能各异的功能碳材料,建立了调控煤基碳材料的电子态密度、微晶尺寸、孔隙结构、电化学性能等参数和性能的技术方法。这一前瞻性学术思想的本质就是“将固态的煤制成固态的碳”。研究建立低能耗的简单工艺过程,实现煤炭“稻草变黄金”的高附加值利用,是他们追求的目标。目前,该团队正致力于推进中间相沥青碳纤维、碳基储能材料的产业化。
 
  在产业界,我国同样积蕴深厚。肇庆市顺鑫煤化工科技有限公司从1998年开始专注于低阶煤利用及后加工技术,历经18年、耗资5亿元,开发出具有自主知识产权的煤制油—制碳材料耦合工艺,将低价值的低阶煤转变为紧缺的汽柴油、军工燃料、新型碳材料。
 
  据该公司专家委员会副主任、华东理工大学教授高晋生介绍,公司的研发工作经历了两个阶段。第一个阶段是1998~2011年,公司精研煤制油技术,以期实现煤炭温和、经济、低成本的液化。针对当时煤制油行业原料要求高(需用长焰煤等优质动力煤)、反应条件苛刻(压力需20兆帕)、成本高(60美元左右/桶)等弊端,公司开发了新型煤制油技术。该技术可以高水、高硫、低热值的劣质廉价褐煤为原料,在6~8兆帕条件下将其液化,吨油投资仅7000~8000元,出油成本仅约45美元/桶。2005年,该技术完成小试鉴定,并列入科技部国家科技成果重点推广计划项目。2009年,公司建成一条每天可处理6.6吨煤的中试线,并于2011年通过中试鉴定。该技术还被列为内蒙古重点项目和我国“十三五”煤炭深加工产业化示范重点项目。
 
  高晋生介绍,第二阶段就是煤制油—制碳材料的耦合工艺阶段。研发人员通过分析煤炭的元素构成和化学结构,对煤炭进行分级分质利用,以期实现“宜油制油、宜气制气、宜碳制碳”。
 
  “我们目标产品的设计原则就是煤炭清洁高效综合利用的原则,这跟煤制油阶段有很大不同。”高晋生说,首先改进煤制油工艺,精制成军工燃料、火箭燃料与低凝点的柴油。煤炭液化的油具有体积密度大、能量密度高、富含环烷烃等特点,用作一般的汽油柴油有点“大材小用”。用作火箭燃料,它可使火箭飞得更远更高,且耐高温性能也更好;制成高密度的低凝点柴油,可以在-65℃的条件下使用。“该工艺过程保留了大分子芳烃。对剩下来的油煤浆,我们不再将沥青加氢生产汽柴油。这就把煤炭中60%的碳固定下来了。”高晋生说。
 
  “这一部分的沥青质材料含碳量高达92%,灰分含量又低至ppm级,同时富含大稠环芳烃,可进一步加工成现代先进的功能碳材料,如石墨烯、中间相沥青、碳纳米管、超级电容炭、泡沫碳、碳纤维等。”高晋生告诉记者,正因采取了这样的工艺,煤中的大部分碳被固定在碳材料里,减排二氧化碳效果非常明显,每生产100吨油可减排二氧化碳185万吨。
 
  广东煤基碳材料研究院常务副院长黄形博士表示,耦合技术别开蹊径,优势明显:符合国情国策和社会需要,有广阔的市场和前景;技术先进,国际上还没有此类综合耦合技术出现;工艺相对简洁,经济效益好。他还表示,石墨烯、超级电容炭、泡沫碳、中间相沥青都是前景极好的功能碳材料。
 
  把石墨烯进一步加工为3D功能石墨烯,用作电池的负极,能使电动汽车行驶里程提高30%左右。据估算,建设1万吨/年掺杂三维石墨烯项目,总投资大概2.56亿元,年利润可达2.75亿元。按净利润算,回收期约为1.1年(不含建设期)。随着新能源、风电、水电、太阳能的兴起和电动汽车的大力推广,以超级活性炭为主要原料的超级电容器在能量回收及储能领域应用广泛,预计可产生上万亿元规模市场。一个2000吨/年的项目,投资额1.4亿元,预计年利润可达1.5亿元,回收期仅为1年多(不含建设期)。年产能还可扩至几万吨、几十万吨。
 
  泡沫碳是一种低密度、高强度、高导热、高导电、耐高温、耐酸碱、抗冲击性能好、热膨胀性能低的新型碳材料,被誉为美国十大发明之一,可用于卫星、航天飞机、航空器的回收仓及火箭喷火筒。国内泡沫碳尚未实现产业化。据悉,泡沫碳目前只能来料定制,属高端定制产品,价格不统一,一般在10万~30万元/吨。
 
  中间相沥青是很多现代功能碳材料的中间体,也是高等级的煤基碳纤维的原料。目前我国聚丙烯腈(PAN)基碳纤维已有规模化生产,但高性能沥青基碳纤维目前还没有试制成功。世界上只有日本和美国能够实现规模化生产。据了解,通用型沥青基碳纤维价格大概在200万元/吨,高性能沥青基碳纤维价格在600万元/吨。
 
  研发推进还需支持——产学研各方迎政策东风
 
  邱介山认为,煤基碳材料基础研究需得到更多重视。
 
  “煤炭可看作是一类天然高分子材料,成型过程极其漫长,结构非常复杂。目前没有哪一种工艺能将所有种类的煤都转化成所期望的功能材料。”邱介山指出,“我们需要在煤基碳材料的基础研究方面投入更多精力,利用先进技术手段将煤可控转化为功能性高附加值材料。”他同时希望,在发现新现象、建立新原理和新方法、创造新材料的过程中,培养一批高素质人才。
 
  顺鑫煤化工科技有限公司相关负责人告诉记者,因为煤制油—制碳材料路线的产品很多涉及能源及国防安全问题,公司希望能更多的与央企、国企、军企合作,助力能源安全和“双碳”目标实现。
 
  吴克表示,煤制油—制碳材料工艺路线符合我国煤炭清洁高效低碳利用的总方针,但目前仍然存在一些困难。特别是融资难的问题,限制了企业、高校的进一步探索。
 
  不过近日也传来好消息。中国人民银行5月4日宣布,增加1000亿元支持煤炭清洁高效利用专项再贷款额度,专门用于支持煤炭开发使用和增强煤炭储备能力。此次增加额度后,支持煤炭清洁高效利用专项再贷款总额度达到3000亿元。
 
  “在日前举行的煤炭清洁高效利用工作专题座谈会上,韩正副总理强调,要加强先进技术推广应用和关键核心技术研发攻关,突出应用导向,强化企业创新主体作用。要完善财税金融等支持政策,稳定市场预期,吸引社会资本广泛参与。”吴克说,这些实实在在触碰到了产学研各方的心坎上。为此,他对我国早日迈进煤炭应用“3.0阶段”充满信心。