“双碳”目标是指在2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。这既是我国对国际社会的承诺,也是新时代推进生态文明建设的内在要求。习近平总书记强调指出,实施“双碳”战略,要抓好煤炭清洁高效利用,狠抓绿色低碳技术攻关,加快先进技术推广应用。
近年来,瑞星集团与航天长征化学工程股份有限公司合作,开发了世界领先的航天粉煤气化技术,建设了Ⅲ期粉煤气化暨航天超大型粉煤气化项目,提高了碳转化率,实现了用炭不排碳的目标,也进一步提升了企业发展质量和效益。今年1-4月份,企业上交税金5917万元,同比增长61.7%,对地方经济的贡献力进一步增强。
一、煤的主要成分
构成煤炭有机质的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫等,此外,还有极少量的磷、氟、氯和砷等元素。
碳、氢、氧是煤炭有机质的主体,占95%以上。碳和氢是煤炭燃烧过程中产生热量的元素,氧是助燃元素。煤炭燃烧时,氮不产生热量,在高温下转变成氮氧化合物和氨。硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭中的有害成分。煤炭燃烧时绝大部分的硫被氧化成二氧化硫,随烟气排放,污染大气,危害动植物生长及人类健康。
二、煤的种类及利用方式
煤炭被誉为“黑色的金子”、“工业的粮食”,是工业生产的基础能源和重要的化工原料,在国民经济发展中发挥着重要作用。在工业生产中,根据用途的不同将煤炭分为动力煤、炼焦煤、煤化工用煤三大类,相对应的利用方式分别为燃烧、焦化、气化。
1、动力煤—燃烧
动力煤狭义上一般是指用于火力发电的煤。从广义上来讲,凡是以燃烧为目的产生热量和动力而使用的煤炭都属于动力用煤,简称动力煤。动力煤主要是用来燃烧发电,煤中的碳、氢等有机质通过燃烧由化学能转变热能,再通过蒸汽轮机将热能转变为电能,实现发电。在此过程中,碳元素燃烧后变为二氧化碳(化学反应方程式:C + O2 = CO2)。2020年碳排放前三的行业分别是燃煤电厂、钢铁和水泥,占比超过了全国总量的60%,其中,燃煤电厂占比为34.11%,是碳排放最大的行业,其次是钢铁、水泥行业,占比分别为15.4%和10.71%。所以,煤炭燃烧是碳排放的重要来源。
煤炭中的氢元素燃烧后变为水,其他元素燃烧后则变为硫化物、氮氧化物等有害气体,同时产生一定量的烟尘。目前,国内大型发电厂均配备了现代化的脱硫脱硝设施和烟尘处理装置,实现了达标有序排放。农村老百姓冬天取暖,则直接将煤炭燃烧后的有害气体排放到了大气中,这种无序排放对环境的污染更严重。
2、炼焦煤—焦化
炼焦煤是一种烟煤,习惯上将具有一定的粘结性,在室式焦炉炼焦条件下可以结焦,用于生产一定质量焦炭的原料煤统称为炼焦煤。顾名思义,炼焦煤主要用于生产焦炭,主要作为燃料广泛用于钢铁、冶金行业,炼焦煤的最终应用方式还是燃烧。
炼焦的工艺是煤炭在炼焦炉内,经过高温干馏生产焦炭,同时获得煤气、煤焦油等化工产品。炼焦主要用的是煤中的固体碳,通过高温干馏将煤中的其他元素转化为煤气、煤焦油等化工产品和硫化物、氮氧化物、碳氢化物、苯类、酚类、多环芳烃等有害气体,同时带来较大的烟尘、焦尘等污染物。
3、煤化工用煤—气化
煤被誉为化工原料之母。碳、氢、氧、氮是化工生产最为重要的元素,其中碳、氢元素主要是通过煤的气化制得,氧、氮元素则大量分布在空气中。可以说,没有煤炭,就没有化学工业。
煤的气化是在封闭的气化炉内,在高温、高压下与水蒸气进行化学反应生成半水煤气(主要成分是氢气和一氧化碳,化学反应方程式:C+H2O H2+CO),以此为原料生产化学品,如化肥、甲醇、乙二醇以及其他精细化工产品等。在此生产过程中,原料煤中的碳元素没有消失,而是转化为了化工产品,不排放任何温室气体,对大气环境基本没有影响。
气化过程中,煤中的其他成分转化为了H2S、SO2以及氮氧化物、焦油等杂质成分,经过净化环节,将有害其他进行深度处理,生产出硫酸、硫磺等产品,气化后的粉煤灰直接用于生产加气砖和陶粒等建材产品。整个生产流程全封闭,不对外排任何有害气体。
通过对比煤炭的燃烧、焦化(最终也是燃烧)、气化三种利用方式,我们也可看出,只有当煤炭作为原料时,才不会有碳排放,给环境造成的危害最小,因此,压减原料用煤并不能降低碳排放。所以,在“双碳”战略背景下,气化是煤炭最科学、高效、清洁的利用方式。
三、瑞星集团对煤炭的高效利用
瑞星集团从事煤化工产业半个世纪以来,始终坚持通过创新推动生产技术升级,努力推进资源高效利用和绿色发展。目前,瑞星集团煤炭利用的核心装置是自主研发的世界规模最大、技术最先进的3500吨级航天粉煤气化炉,碳转化率大于99%,产生的有效气体中一氧化碳和氢气含量大于90%。新开发的半废锅+水激冷技术,利用气化显热副产高压蒸汽,使气化装置的热效率从83%提高到88%,年余热回收折合标准煤8万吨。通过优化合成气除尘、渣水闪蒸等工艺流程,装置的废水、废气量均减少20%以上(以上数据来源于国家工业和信息化部网站)。通过先进的低温甲醇洗、液氮洗等净化工艺,可完全脱除煤炭气化后产生的杂质,进而制造合成氨产品(N2+3H2 N2H3)。化肥生产过程不仅不排放二氧化碳,还要消耗大量的二氧化碳(尿素合成化学反应式:2NH3+CO2 CH4N2O+H2O)。因为整个反应过程全封闭,不会排放任何有害气体。
煤化工生产的第一个环节就是煤的气化,这也是提高行业高质量发展的关键。通过推广利用瑞星集团航天粉煤气化技术生产的洁净合成气,己经由生产合成氨、甲醇,扩展到生产煤制油、煤制烯烃、芳烃,煤制天然气、氢气,煤制乙二醇等多种化工原料,广泛应用于煤基含氧化合物(醇、醚、酮、醛、酸、酯等)、煤基化工中间体和煤基化工新材料(聚碳酸酯、聚甲醛、蜜胺树脂等)众多化工行业。
习近平总书记明确指出,搞“碳冲锋”“一刀切”、运动式“减碳”,都不符合党中央要求。总书记强调要求,煤炭产业发展要转型升级,走绿色低碳发展的道路,就不会超出资源、能源、环境的极限。发展的实践证明,瑞星集团航天粉煤气化技术是目前最科学的煤炭利用技术,是煤炭清洁低碳高效利用的重要途径,我们将坚持走下去,久久为功,在绿色发展上蹚出瑞星特色的发展模式,助力煤化工行业实现低碳高质量发展。