• (010)84657853 84658665 84657900
  • mt@zgmt.com.cn
  • 北京市朝阳区芍药居35号中煤信息大厦(100029)

“双碳”目标下山东能源集团煤化工产业高质量发展路径研究

吴永国1,2,李 涛1,2,夏水林3

(1.大型煤气化及煤基新材料国家工程研究中心,山东省济南市,250100;2.兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司,山东省济南市,250100;3.兖矿能源集团股份有限公司山东能源化工分公司,山东省济宁市,273500)

摘 要 以煤为基础的化工产业是山东能源集团六大主导产业之一,为更好地推动“双碳”目标下煤化工产业向高端化、多元化、低碳化发展,加快推动现代煤化工全产业链模式升级,介绍了山东能源集团煤化工产业发展现状以及近年来煤化工领域依托企业、科研单位的主要技术成果及其应用情况,分析了山东能源集团煤化工发展过程中存在的主要问题。结合习近平总书记在陕西榆林“9·13”讲话精神,从“拓展产业链、提升价值链”“优化产业区域布局”和“科技研发与成果转化”3个方面阐述了山东能源集团“十四五”期间煤化工高端化、多元化、低碳化的发展路径,介绍了煤气化技术创新与集成、高端化煤化工产品开发、新能源技术、节能环保新技术等重大科研攻关方向,并为煤化工产业的高质量发展提出指导性建议。

关键词 “双碳”目标;煤化工产业;新型辐射废锅水煤浆气化技术;高端改性聚甲醛新产品;高质量发展;山东能源集团

山东能源集团是山东省委、省政府于2020年7月联合重组原兖矿集团、原山东能源集团成立的大型能源企业集团,以矿业、高端化工、电力、新能源新材料、高端装备制造、现代物流贸易为主导产业。拥有兖矿能源集团、新汶矿业集团、枣庄矿业集团等20多家二级企业,境内外上市公司9家,2021年实现营业收入7 521亿元、利税总额531亿元,年末资产总额7 514亿元,位居2021年世界500强第70位、中国企业500强第24位[1]

1 山东能源集团煤化工产业简介

1.1 产业发展现状

以煤为基础的化工产业是山东能源集团六大主导产业之一,由兖矿能源集团股份有限公司山东能源化工分公司(以下简称“山能化工”)实施专业化管理,拥有山东本部、陕蒙、新疆3个主要生产基地,业务范围涵盖化工产品生产与销售,化工技术研究与开发、设备制造、特种设备检测和化工装置设备检维修等。先后完成包括8项国家“863”计划在内的多项煤化工关键技术研发任务,拥有多喷嘴对置式水煤浆气化、水冷壁式气流床煤粉气化、低压羰基合成醋酸、甲醇与电联产、高低温费托合成等10多项具有自主知识产权的核心技术,为我国煤化工产业发展做出了重大贡献。2021年,山能化工完成主要产品产量1 092万t、营业收入477亿元、年末资产总额近600亿元[2]。主要产品包括甲醇、醋酸、焦炭、油品、乙二醇、己内酰胺、醋酸酯、丁醇、醋酐、聚甲醛、碳酸二甲酯等,总产能超过1 000万t/a。

1.2 煤化工板块主要科研成果及应用

近年来,山能化工面向煤炭清洁、高效低碳转化的行业需求和国家战略需求,依托煤气化、煤液化两大国家级研发平台,依托共建单位和内部企业,通过密切的产学研合作,先后完成包括国家“863”计划、国家重点研发计划在内的多项煤化工关键技术研发任务,为我国煤化工产业的发展作出了重大贡献。

(1)开发并建成全球最大煤气化装置,实现水煤浆气化技术跨越式发展,引领全球大型煤气化技术产业化进程。在成功开发出国内首套自主知识产权大型煤气化技术并实现大型化的基础上,依托现代煤化工升级示范工程和国家重点研发计划项目支持,通过系统化技术攻关,确立了基于速度场、温度场和停留时间分布等多目标耦合的超大型高效水煤浆气化炉放大准则,突破了水煤浆气化大型化、高效率、长周期稳定运行等关键技术瓶颈。开发并建成世界最大规模单炉日处理煤4 000吨级水煤浆气化装置,具体情况如图1所示,该装置首次采用单炉双合成气出口结构型式,充分保障了气化炉激冷室液位平稳可控;运用优化的气化炉烧嘴室结构,有效减小了设备外形尺寸,为超大型气化炉工程实施(解决运输瓶颈等)奠定了基础;通过优化气化炉耐火衬里结构型式,增加了气化反应有效空间,提高了产气量。气化装置各系统运行平稳可靠,水煤浆流量和有效合成气(CO+H2)产量分别达到设计值的107.4%、106.4%[3],装置运行的技术指标全面优于考核指标。

(2)成功开发新型辐射废锅水煤浆气化技术,服务现代煤化工低碳高效发展。开展多喷嘴对置式水煤浆气化炉辐射废锅系统研发,掌握液态渣的相变和传热过程、固态灰渣颗粒运行规律、不同区域温度场分布规律,创新辐射废锅结构形式和连接方式,成功开发国内首套单炉日处理2 000吨级废锅-激冷耦合式水煤浆气化成套技术,于2020年10月建成投产,具体情况如图2所示。装置采用带辐射屏水冷壁结构的辐射废锅气化炉,通过对辐射废锅、激冷室联合流程进行集成优化,充分回收合成气及熔渣的高位能量,产生高压饱和蒸汽实现热量高效回收。该工业示范装置采用带辐射屏水冷壁结构的辐射废锅气化炉,并通过对辐射废锅、激冷室联合流程进行集成优化,充分回收合成气及熔渣的高位能量,产生高压饱和蒸汽实现热量高效回收;装置现已通过连续运行考核,运行技术指标全面优于考核指标,副产蒸汽(CO+H2)产率799 kg/kNm3,热煤气效率84%[4]

图1 日处理煤4 000吨级水煤浆气化炉

图2 多喷嘴对置式废锅-激冷型水煤浆气化炉

(3)成功开发高品质醋酸生产成套技术,打入高端应用市场。系统开发碳纳米管负载的新型催化剂体系、低水低能耗工艺、深冷尾气吸收、系统余热回收利用等核心技术及脱除金属离子、微量碘和丙酸的配套技术,形成具有自主知识产权的甲醇低压羰基合成高品质醋酸成套生产工艺,具体情况如图3所示,在精对苯二甲酸、醋酸乙烯等高端领域成功应用。醋酸产品纯度高于99.9%、水含量低于0.03%、碘含量低于0.01 mg/L,显著优于国标优等品指标,完全满足下游聚酯行业高端用户需求,装置整体消耗比同行业主流工艺降低约10%。该技术成果经中国煤炭工业协会专家组鉴定,整体技术达到国际领先水平。

图3 鲁南基地高品质醋酸生产装置

(4)成功开发高端改性聚甲醛新产品,填补国内空白。在山东省“2018年绿色制造系统集成”和“新旧动能转换”重大项目支持下,成功研发高端改性聚甲醛新工艺,开发了自润滑改性、增韧改性以及玻纤增强改性等10多种高端改性聚甲醛产品,打破了国外技术垄断。2022年6月28日,产能4万t/a高端改性聚甲醛装置一次投料试车成功[5],如图4所示。共聚甲醛产品通过SGS(RoHS 6.0)、REACH、FDA、WRAS、UL、NSF等多项国际级行业认证,产品质量达到国际先进水平。经中国煤炭工业协会专家组鉴定,整体技术达到国际先进水平。

图4 产能4万t/a高端改性聚甲醛生产装置

(5)持续开展煤间接液化技术研究开发,建成国内首套百万吨级煤间接液化装置,保障国家能源安全。攻克铁基催化剂、低温费托合成和高温费托合成三大关键技术,建成国内首套百万吨级煤间接液化制油国家示范项目,实现了我国自主知识产权煤间接液化制油技术产业化。建成10万t/a高温费托合成工业示范装置具体情况如图5所示,1 500 t/a高温费托合成催化剂示范装置,已完成长周期满负荷运行考核[6],整体技术达到国际领先水平,为煤制高端化学品大规模产业化和煤制油长远发展奠定了坚实的基础。

图5 产能10万t/a高温费托合成工业示范装置

(6)成功开发高端费托合成蜡关键技术,实现高熔点蜡产品进口替代。成功开发自主知识产权“薄膜蒸发-分子蒸馏耦合”高端费托合成蜡加工生产技术,建成10万t/a高端费托合成蜡加工生产工业化装置,具体情况如图6所示,形成了液蜡、33 ℃蜡、45 ℃蜡、60 ℃蜡、70 ℃蜡、115 ℃蜡等产品,固体蜡产品占比60%以上,而且可灵活调整[7]。其中,115 ℃高熔点蜡是国内其他煤间接液化装置无法获得的高熔点蜡产品,进口依赖度高、附加值高,产品质量与国际先进的萨索尔(Sasol)、壳牌(Shell)同类产品的性能相当,填补了我国高端特种蜡市场空白,打破了国外垄断,该技术经中国煤炭工业协会鉴定,达到国际先进水平。

(7)全力攻克制氢、纯化、储运、加氢、氢能多联供的核心技术,服务国家氢能发展战略,助力绿色低碳社会构建。积极落实国家氢能发展规划,聚焦工业副产氢气综合利用、高纯氢气提纯工艺、痕量杂质分析检测和固体储氢等关键技术的研究开发。建成并投运国内首座融合“油、气、电、氢、醇”为一体的能源补给站,站内包含加油、加气、充电、加氢、甲醇加注5套独立的能源加注系统,设计标准与国际接轨,满足能源补给站安全、环保等各类要求,形成800 Nm3/h高纯氢气生产能力,具体情况如图7所示。在济宁市内开通首条氢能公交示范线路,形成制氢、纯化、储运、加氢站、氢能多联供的完整产业链条,为促进能源体系的绿色低碳转型提供了示范[8]

图6 产能10万t/a高端费托合成蜡装置

图7 工业副产氢提纯装置

1.3 山东能源集团煤化工产业发展存在的问题

面对碳达峰碳中和目标要求,山能化工坚持化工产业可持续发展方向,直面新形势下的诸多挑战,着力解决产业发展过程中以下主要问题。

(1)产品结构偏低端,产品链不长,产品附加值低,产品结构以煤制甲醇、焦炭、醋酸、尿素和煤制油等大宗化工产品为主,同质化问题严重,市场竞争激烈,抵抗市场风险的能力较弱。

(2)协同发展效应弱,除鲁南基地外,其他基地未形成集群化、园区化发展势能,基地之间的联动效应未充分发挥。

(3)科研投入与先进企业相比还有一定差距,科技成果转化仍有待加强。高端化、精细化、差异化、专用化的产品和技术开发不足,对已有科技成果的后续试验、开发、应用、推广等工作仍需加强。

2 山东能源集团煤化工产业高质量发展路径

2021年9月13日,习近平总书记在陕西榆林考察时强调,“能源产业要继续发展,否则不足以支撑国家现代化;煤炭能源发展要转化升级,走绿色低碳发展的道路;这样既不会超出资源、能源、环境的极限,又有利于实现碳达峰、碳中和目标[2]。”

习近平总书记的重要讲话,为我国现代煤化工产业的可持续绿色发展提供了根本遵循和行动指南,山东能源集团煤化工产业将沿着绿色低碳的发展方向,奋力实现碳达峰、碳中和的目标任务,推进煤炭清洁利用转型升级。山能化工将在现有煤化工产业基础上,着力贯通高端化工上下游产业链、全面提升产业价值链,优化区域发展格局,积极探索煤化工、石油化工和盐化工融合发展路径。以科技创新为支撑,以生产智慧化、管理科学化为手段,推动化工产业高端化、多元化、低碳化发展,加快推动由低端煤化工向高端煤化工全产业链模式升级,不断提高煤炭作为化工原料的综合利用效能。

2.1 拓展产业链、提升价值链

依托甲醇、醋酸、煤制油等产业基础,延伸产业链条,积极布局高端化、精细化、终端化高附加值产品,实现“煤-甲醇(油)-烯烃-精细化学品-终端制品”全链条化发展。拓展煤基新材料和精细化学品产业链,培育壮大醇基新材料、氨基新材料两大支柱型化工新材料产业链条,强化与新材料产业板块的协同发展,积极拓展下游终端产品生产,探索新能源、高端装备、光电信息、生物医药等领域的先进化工材料的应用研发与生产。

2.2 优化产业区域布局

坚持区域联动发展原则,综合考虑环保、土地、水资源等发展要素指标,加快打造省内高端化工新材料一体化产业基地,培育壮大省外化工原料供应基地,推动三大基地协同发展,实现科学布局。

(1)山东基地。打造高端化工新材料产业园区和高端化工转型发展示范基地,实现省内煤化工、石油化工融合发展的“大化工”产业格局,推动基础化工产业向高端精细化工和新材料方向转型。

(2)陕甘蒙基地。内蒙古鄂尔多斯以聚烯烃产业链为主导,突出高端精细主攻方向,逐步形成聚烯烃、聚酯、醇醚燃料等化工产业集群,将达拉特旗荣信化工生产基地打造成“国内一流、国际先进”的煤基化工新材料示范基地;陕西榆林以高温费托合成技术为依托,打造高端煤制油产业示范基地;以榆林时代能源为新项目建设主体,持续推进国家级煤制油项目建设,利用高温费托合成技术优势,实现煤制油技术储备和产能储备一体化,延长产业链,拓展高附加值产品种类,形成精细化工产品产业集群。

(3)新疆基地。打造一体化、规模化、智能化现代煤化工产业基地,争取新疆煤炭资源优势,在准东、伊犁、昌吉等煤炭资源储备丰富的矿区协同发展煤化工产业,落地建设煤制烯烃、煤制气、煤炭分级分质高效利用等项目,坚持高起点定位、高标准规划、高效率运作的模式,打造一体化、规模化、智能化建设现代煤化工产业基地。

2.3 加大科技研发与成果转化力度

依托大型煤气化及煤基新材料国家工程研究中心,积极开展先进煤气化、高附加值煤基化学品合成、煤基新材料制备、新能源及装备四大关键技术研发,着力攻克适用劣质煤高效大型气化技术、煤化工共性关键技术和行业“卡脖子”技术,助推山东能源集团煤化工产业高质量发展。

依托煤液化及煤化工国家重点实验室,开展煤液化及煤化工的共性和关键技术的研发,主要围绕煤间接液化、油电化联产等方向开展研究工作,形成具有自主知识产权的煤液化及煤化工关键技术,支撑山东能源集团煤化工产业发展。

3 支撑产业发展的重大科研攻关方向

为服务我国能源安全新战略和碳达峰碳中和战略目标,实现煤炭清洁低碳转化,山东能源集团煤化工产业将立足新时代的高质量发展需要,聚焦煤炭绿色低碳发展方向,坚持“优化煤、延伸煤、超越煤”的技术发展路线,重点研究高附加值煤基化学品合成、煤基新材料制备、先进煤气化技术,引导煤化工产业走高端化、多元化发展之路,拓展绿色化工与碳中和、产业融合领域新技术,促进集团产业绿色低碳发展、推动煤炭消费转型升级。

3.1 煤气化技术创新与集成

以煤炭清洁高效转化为目标,持续开展大型水煤浆和干煤粉气化关键技术开发和工业化示范研究,分阶段开发示范多种工艺组合形式的成套煤气化技术。建立煤质评价及应用体系,布局高碱煤、褐煤及劣质煤的气化应用技术研发,助推煤气化关键核心设备制造产业发展,开展工业化系列煤气化技术的优化升级。推进实施粉煤气化炉关键技术及工业示范、双气体产物气流床分级气化项目,推动节能环保新技术应用,引入核心装备、智能控制等领域创新成果,提高煤气化系统节能、环保、安全运行水平。

3.2 高端化煤化工产品开发

开发煤化工下游新产品,丰富产品结构、提升产品附加价值,在终端产品定位上,加大高技术含量、高附加价值的化工新材料,探索高端化发展路线。

推进煤基可降解材料技术开发及产业示范,形成成套工艺技术,促进煤化工产品多元化发展,提高资源综合利用水平。开发烯烃下游新产品,增强我国在高端聚烯烃领域的竞争力并在核心技术方面实现技术的国产化,延伸化工新材料示范基地产业链。

3.3 新能源技术

以氢能及储氢相关技术为重点,研究开发制氢、储氢关键技术,推进光伏发电耦合电解制合成气技术开发。研究工业副产氢纯化应用技术,针对工业副产氢中痕量杂质定向深度脱除难等“卡脖子”问题,开展纯化工艺、痕量杂质定性定量分析等关键技术研究,推动我国氢能和燃料电池行业健康发展。开发燃料电池系统集成技术,进行低成本核心技术开发,进一步推动技术的产业化应用,完善我国能源供应体系,为相关产业低碳发展提供技术支撑。

3.4 节能环保新技术

在现代能源体系理念下实现煤炭绿色转化,需要坚持发展绿色化工技术,包括原料绿色化、化学反应绿色化及产品绿色化,着力开发化工废气、废水及废渣治理及综合利用技术。

通过新型组合工艺研究,重点开发化工废水深度处理关键应用技术,实施废水深度处理,形成煤化工有机废水处理成套技术,为现代煤化工项目废水零排放提供技术保障。开展化工VOCs等废气治理技术研发,应用吸附、脱附、燃烧、控制等技术,推进焦炉尾气、锅炉烟气等脱硫、脱硝工程实践。开展气化灰渣无害化、资源化技术开发,突破气化灰渣资源化利用或无害化批量处理的技术瓶颈。

4 结语

面向未来,山能化工将坚持“高端化、多元化、低碳化”发展方向,落实山东能源化工产业“十四五”发展路径,坚持“存量优化、增量跨越”并重,打造山东省内高端化工新材料产业园区和高端化工转型发展示范基地、陕西高端化学品产业示范基地、内蒙古煤基化工新材料示范基地,加快建设绿色化工新能源新材料融合发展一流企业。到“十四五”末,力争实现化工产品总产能2 000万t/a,产品利润率处在行业前列。

参考文献:

[1] 山东能源集团网.山东能源集企业简介[EB/OL].(2022-06-10)[2022-07-10]. http://www.shandong-energy.com/page/jituan/company-profile.html.

[2] 新华社微博.习近平谈能源产业:走绿色低碳发展道路[EB/OL].( 2021-09-14)[2022-07-10]. http://www.xinhuanet.com/politics/leaders/2021-09/14/c_1127861100.htm.

[3] 华东理工大学新闻网.创新前沿:世界单炉最大规模水煤浆气化工业示范装置完成现场考核[EB/OL].(2021-01-27)[2022-07-10]. https://news.ecust.edu.cn/2021/0127/c6a158030/page.htm.

[4] 华东理工大学资源与环境工程学院.首套多喷嘴对置式半废锅水煤浆气化工业示范装置完成现场考核[EB/OL].( 2022-06-01)[2022-07-10]. https://zhxy.ecust.edu.cn/2022/0601/c6479a145124/page.htm.

[5] 大众日报.兖矿鲁南化工4万吨高端改性聚甲醛装置试车成功,德国专家连称神奇![EB/OL].(2020-07-02)[2022-07-10].https://www.163.com/dy/article/FGI73LSU0530 WJTO. html.

[6] 佚名.兖矿10万吨高温费托合成工业示范装置通过考核[J].气化净化,2019(9):52.

[7] 李军,王法强.未来能源高端费托蜡新品投产[N/OL]. 中国化工报,(2020-10-20)[2022-07-10]. http://www.ccin.com.cn/detail/43a87f8f16 29 3f7e1d44a48b41b571f5.

[8] 齐鲁壹点.兖矿氢能产业迈出关键第一步 济宁首条氢能公交示范线路正式开通[EB/OL].(2019-11-12)[2022-07-10].https://hb.dzwww.com/p/4006304.html.

Research on the high-quality development path of coal chemical industry of Shandong Energy Group under the goals of carbon peak and carbon neutrality

WU Yongguo1,2, LI Tao1,2, XIA Shuilin3

(1.National Engineering Research Center of Coal Gasification and Coal-based Advanced Materials, Jinan, Shandong 250100, China;2. Yankuang Coal Slurry Gasification and Coal Chemical Industry National Engineering Research Center Co., Ltd., Jinan, Shandong 250100, China;3. Shandong Energy Chemical Branch of Yankuang Energy Group Co., Ltd., Jining, Shandong 273500, China)

Abstract The coal-based chemical industry is one of the six leading industries of Shandong Energy Group, in order to promote the high-end, diversified and low-carbon development of the coal chemical industry and accelerate the upgrading of the whole industrial chain mode of modern coal chemical industry under the goals of carbon peak and carbon neutrality, this paper introduces the development status of coal chemical industry in Shandong Energy Group and the main technical achievements and application of coal chemical industry in Shandong Energy Group relying on enterprises and scientific research institutes in recent years, and analyzes the main problems existing in the development process of coal chemical industry in Shandong Energy Group. Combined with the spirit of General Secretary Xi Jinping's speech on September 13th, 2021 in Yulin, Shaanxi, this paper expounds the high-end, diversified and low-carbon development path of Shandong Energy Group in coal chemical industry during the 14th Five-Year Plan from three aspects of expanding the industrial chain and enhancing the value chain, optimizing the industrial regional layout and scientific and technological research and development and achievement transformation, and introduces the key research directions of coal gasification technology innovation and integration, high-end coal chemical products development, new energy technology, new technology of energy conservation and environmental protection, which puts forward guiding suggestions for the high-quality development of coal chemical industry.

Key words goals of carbon peak and carbon neutrality; coal chemical industry; coal water slurry gasification technology of new radiation waste boiler; new products of high-end modified polyoxymethylene; high-quality development; Shandong Energy Group

中图分类号 TD-9;TQ5

文献标志码 A

移动扫码阅读

引用格式:吴永国,李涛,夏水林. 双碳目标下山东能源集团煤化工产业高质量发展路径研究[J]. 中国煤炭,2022,48(8):33-38. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.08.006

WU Yongguo, LI Tao, XIA Shuilin. Research on the high-quality development path of coal chemical industry of Shandong Energy Group under the goals of carbon peak and carbon neutrality [J]. China Coal,2022,48(8):33-38. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.08.006

作者简介:吴永国(1969-),男,湖北武汉人,硕士,研究员,兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司总工程师,从事煤气化及煤化工技术研发工作。E-mail:13465961818@139.com

(责任编辑 郭东芝)