我国现代煤化工产业发展环保利弊谈

环境保护 2014-05-04 13:11:42
  2012年,中国消费煤炭实物总量为35.51亿吨,占全球总消费量的50%左右。截止2009年,我国探明的化石能源资源总量构成中,煤炭资源占化石能源资源总量的96.42%,远大于石油(1.71%)和天然气(1.87%)的资源量。消费量和资源赋存现状的客观事实,决定我国无法回避煤炭的问题。因此,我国不使用煤炭是不可能的!
  正是煤炭的巨量使用,出现了涉及生存环境的大问题。我国煤炭资源虽然相对丰富,但人均资源占有量也仅占世界平均水平的60%左右,科学合理开发、高效加工转化和最大限度地利用煤炭资源是我们追求的永久目标。
  现代煤化工在改善大气环境质量方面具有显著的产业优势,从治理大气污染的角度,应该积极探索利用先进的产业集群模式发展现代煤化工,做到大幅消减煤炭使用量的同时,还能保证经济的正常发展。
   两种煤炭利用方式的大气污染比较
  煤炭资源的利用方式主要有两种。一是以燃料形式直接利用热能,约占煤炭消耗总量的80%。其中,用于发电用煤55%,建材用煤14%,民用及其它用煤10%;二是以原材料形式利用化学能,约占20%。其中钢铁用煤近16%,煤化工消耗约5%。
  与煤炭消费密切相关的大气环境污染物主要包括二氧化硫、氮氧化物、颗粒物(PM)、二氧化碳、重金属(汞、砷)等等。这里以火电和现代煤化工为例,比较两种利用方式的环保利弊。
  1、二氧化硫
  火电脱硫(目前95%以上为石灰石-石膏法),脱硫效率高的可达95%。但花费巨资仅仅改变污染物的形态,只是将二氧化硫从气态转变为固态污染物,需要占用大量土地,还将产生二次污染。煤化工是将硫变成化工原料如硫磺等,且回收率可高达99.5%以上,最终排放量只有火电厂脱硫后的1/20左右,回收的硫磺可有效解决我国硫磺资源的短缺。近几年我国硫磺进口依存度高达70%,进口量保持在1000万吨/年左右,相当于10亿吨规模煤化工(以煤中含硫1%计)的回收量,也相当于2011年全国二氧化硫的排放总量。
  2、氮氧化物
  火电补燃用空气(有效氧含量21%),1400—1500℃高温加上空气中大量的氮气(78%),增加了氮氧化物的生成和排放。现代煤化工是纯氧气化,没有外来的氮源,且气化过程为还原气氛,不具备合成氮氧化物条件,煤中的氮元素主要转化为氨氮。因此,从来源分析,火电的氮氧化物产生量远高于煤化工。
  3、固体颗粒物(PM)
  火电PM的来源主要是有组织的高空烟囱排放、备煤过程低空除尘器排放和无组织地面二次扬尘(煤堆场、渣堆场、灰堆场、转运等)。煤化工生产高温高压,工艺过程基本没有粉尘排放,大部分粉尘均被液相扑集,也不易二次扬尘,PM仅有备煤干燥过程的低空除尘器排放、煤堆场的地面二次扬尘。因此,煤化工的PM产生与排放优势均是火电无法相比的。
  4、二氧化碳
  对于同一种煤(煤种从褐煤到无烟煤,含碳量60-98%,假定完全燃烧),用于火电时,煤中的碳全部转化为二氧化碳。用于煤化工时,煤中的碳部分被固定在产品中,部分转化为二氧化碳排放。根据不同的产品和工艺路线,煤化工二氧化碳排放可比火电降低30—70%。此外,火电排放的二氧化碳浓度低(小于20%)、废气量大,CO2的捕集与封存(CCS)难度大、成本过高。相比之下,煤化工排放的二氧化碳浓度可达到87%-99%,捕集与封存(CCS)的优势十分显著。
  5、重金属(砷、汞等)
  根据全国24个省市107个煤矿的煤质测定,砷元素的浓度范围为0.322×10-6-97.8×10-6(以干煤计),火电虽然经过除尘、脱硫脱硝过程可以扑集部分重金属,仍然有部分重金属排入大气。煤化工工艺过程,80%左右的砷进入灰渣水,20%左右进入煤气。由于砷危害后续工艺,煤气需要净化脱砷,因此,砷等重金属几乎不会排入大气。
  通过比较分析可以看出,煤化工在大气污染方面的环保优势是火电无法比拟的。除此之外,煤化工多联产还具有火电不具备的调峰调谷优势。因此,发展现代煤化工对于改善环境质量具有不可低估的作用!
  现代煤化工技术的发展现状
  现代煤化工在我国的发展很迅速,煤制油(煤炭直接液化、间接液化)、煤制烯烃(MTO、MTP)、煤制芳烃、煤制天然气、煤制乙二醇、煤制二甲醚等,均已取得重要成果。除煤制芳烃外,其他工艺均已建成一定规模的工业化示范装置。可以说,我国的现代煤化工技术已经具备规模化发展的基础。
  除煤炭直接液化外,现代煤化工产业链几乎都是以煤炭气化为工艺源头。因此,煤气化技术是现代煤化工的基础核心。目前,我国已有10多种自主开发和国外引进的煤气化技术,是唯一集合了世界上所有煤气化工艺技术的国家。
  按炉型划分,煤气化技术类型主要有固定床、流化床、气流床三种。这三种炉型的气化技术在国内几乎都有过应用。目前,业内基本认同固定床和气流床这两种气化技术,流化床已经很少使用。固定床气化炉有常压固定床煤气化炉、碎煤加压气化炉和碎煤加压熔渣气化炉(BGL炉)。气流床分为干煤粉进料和水煤浆进料两大类气化炉。各种气化技术均有其各自的优缺点,对原料煤的品质均有一定的要求,其工艺的先进性、技术成熟程度也有差异。
  从环保角度分析,我国使用的以固定床和气流床为主流的气化技术,总体上加压纯氧气化技术,环境友好。而常压气化、空气气化技术污染严重,应该予以淘汰。
  1、固定床气化技术
  现代煤化工发展面临的环境困境
  困境一:从环保角度如何看待现代煤化工的作用与意义
  传统意义上的煤化工主要是制煤气、焦炭、化肥、氢气等,而现代煤化工不仅可以完全替代传统煤化工,还可以将电、化、冶、热、建材等多种产业联合,实现大型产业集群。核心是将煤气化技术与化学品加工技术等多产业密切联系,供应跨行业的多种产品,除化学品之外,还可以供应油品、电、热、蒸汽、燃气、建材等能源产品及其它行业产品。不仅可替代能源和石油,而且通过多联产可以大幅度消减电力、水泥、冶炼、热力等重污染行业以及民用燃料、车用燃料生产等污染排放。
  现代煤化工在技术层面已经可以复制石油化工的产业链。如煤制烯烃、芳烃、汽柴油、乙二醇等;煤和石油同为不可再生的化石燃料,在我国资源中的比重差异巨大(煤炭96.42%,石油1.71%),尤其是煤制烯烃技术成熟后,具有明显的成本优势,加上乙烷丙烷制乙烯丙烯等新工艺,我国固有的炼化一体化已经不具有优势,有必要重新校正煤炭与石油在一次能源和二次能源中的定位与产业分工。目前,正是炼化一体化的传统思维,石化行业将优质汽油组分用于生产乙烯等化工产品,使得我国的油品清洁化道路更加困难,因此,基于多方面理由,现代煤化工的重要性与发展的意义,有必要从环境保护角度重新评判和定义,科学的发展现代煤化工,调整煤炭的利用方式和比例,可以明显改善环境质量,也可以说现代煤化工是治理大气环境污染的产业手段。
  困境二:不合理的布局严重威胁环境安全
  由于缺乏国家层面的煤化工发展规划,唯GDP的政绩观促使各地纷纷上马煤化工,规模之庞大超乎想象。根据不完全统计数据,我国煤(甲醇)制烯烃拟建规模超过3000万吨/年、煤制天然气超过2000亿立方米/年、煤制油超过3000万吨/年。除西藏外,西部(包括青海西宁)各地几乎都已经染指煤化工。据了解,内蒙古全区12个盟市有各级工业园区105家,其中国家、自治区级的工业园区有45家,仅鄂尔多斯就有14个煤化工基地。陕西榆林市有31个煤化工基地,近五年批复的兰炭7260万吨、电石360万吨、煤焦油及其燃料油1140万吨等,西部各地产品严重同质化,缺乏市场竞争力。
  煤制天然气的发展现状与环境问题
  1、煤制天然气现状
  目前国外唯一的运行实例只有美国的大平原煤制天然气,于1980年7月破土动工,1984年4月完工并投入试运行,1984年7月28日生产出首批天然气并进入美国的天然气管网;规模为14亿立方米,采用的生产工艺为碎煤加压气化炉(鲁奇炉),煤种为当地褐煤;平均每千立方米天然气耗煤量3.6吨、耗水量6.43立方米。
  环保部至今已批复4个煤制气项目,包括辽宁大唐国际阜新40亿立方米/年、内蒙古大唐国际克旗40亿立方米/年、内蒙古汇能16亿立方米/年和新疆庆华55亿立方米/年煤制天然气项目。煤制天然气总量共计151亿立方米/年,总用水量为9797万立方米/年,总投资792.7亿元。除内蒙古汇能采用GE水煤浆气化工艺外,其他三个项目均采用碎煤加压气化工艺。两个大唐煤制气项目均采用褐煤,新疆庆华项目采用长焰煤,内蒙古汇能采用低硫低灰无烟煤为原料。这四个项目平均每千立方米天然气耗煤量3.13吨、耗水量6.5立方米、二氧化碳排放量4.35吨;据了解,大唐国际克旗40亿立方米/年和新疆庆华55亿立方米/年煤制天然气项目已试车成功,具备供气条件,另外二个也已经基本建成。
  今年国家发改委给了16个煤化工“路条”,包括11个煤制天然气、4个煤烯烃和1个煤制油项目,投资总额达3000~4000亿元,其中14个项目位于西北部地区。煤制气项目主要集中在新疆和内蒙、山西,煤制天然气总规模为562亿立方米/年,除地下气化外,最小为40亿立方米/年,最大为120亿立方米/年。据了解,这些路条项目几乎都计划采取废水“零排放”,意味没有排污去向。
  2、煤制天然气的环境问题
  从使用者角度看,在不考虑成本的情况下,用天然气肯定比用煤好。
  对策与建议
  2012年中国煤炭实物消费量35.51亿吨,是美国的4倍左右,设想如果美国也消费35亿吨煤炭,环境质量即使没有我们今天这样糟糕,也一定比美国现在的环境质量差!煤炭中任何微量的污染物乘以35亿,都将是巨量的,环境难以承载,因此,控制煤炭消费总量是必然的!正是煤炭的巨量使用,出现了涉及生存环境的大问题。
  1、战略层面论证煤炭的利用方式
  煤炭用途为燃料和原料,作为燃料的用量为大于80%,而作为原料的用量仅20%。有两个结论可以肯定,一是创造同样的社会财富可以不用消耗35亿吨煤炭;二是同样消耗35亿吨煤炭,可以不造成如今这样的环境污染后果。问题的关键就是我们的利用方式和产业布局不合理、不科学!因此,现在无论是产业界还是环保界,很有必要反思我们该如何利用煤炭?煤炭的两种用途比例显然不合理,虽然火电技术发展很快,但煤炭在火电(燃料)和煤化工(原料)使用过程中排放的大气污染物相比较,差距仍然十分明显,其他燃料用途就更不用说。由此可见问题很突出,增加煤炭作为原料的比重将显著改善大气环境质量!从国家利益出发,在战略层面充分论证煤炭的利用方式,在弄清楚煤炭作为原料和燃料的配比后,根据环境承载力,才能得到煤炭消费总量的上限。由此可以制定国家方针政策!
  2、资源开发与管理模式有待改进
  煤炭开采与利用涉及煤炭资源的管理与配置,西部近十年的资源开发已经暴露诸多问题,尤其是生态环境破坏。大量资金投入的目的是为了占有煤炭资源,地方政府在资源配置上均要求必须就地转化,由此催生了许多不具备条件的区域盲目上马发展煤化工,加剧了不合理布局和环境污染。目前,“诸侯经济”与“全国一盘棋、有序、可持续发展”极其冲突,资源管理模式不适应科学发展要求,各自为政不可能解决环境问题!煤炭资源不应属于地方所有,必须从国家利益出发,从能源替代、资源、市场、技术、交通、环保等诸多方面,对煤炭资源进行科学统筹规划、统一调配,实现自然资源用途管制。应摒弃部门和地方的狭隘利益观,筹划超越行政区划界限的大区域经济,改进财税分配机制,严禁“逢煤必采、逢煤必化”的现象继续蔓延。尽快出台煤炭与煤化工的相关政策,有效遏制西部盲目无序局煤炭清洁利用要拓新路
  近年来,我国持续出现大范围雾霾天气,大气环境引发的关注日益升温。如何保障高效清洁利用煤炭,构建资源节约、环境友好两型社会,是应该深刻思考的问题。
  众所周知,我国能源的基本特点是贫油、少气、富煤,煤炭在能源消费结构中长期占主导地位。而煤炭资源开发利用,也带来了严峻的生态环境破坏和污染物排放等问题,对可持续发展构成了严重的威胁。有研究表明,煤炭燃烧是大气污染物的重要来源。
  国务院发布的《大气污染防治行动计划》明确提出,加快能源结构调整,增加清洁能源供应,控制煤炭消费总量。这一政策,倒逼煤炭企业拓展煤炭高效清洁利用途径。
  从煤炭能源使用的角度来看,解决目前的环境污染问题,可从以下几方面入手:通过国家在资金、税收等方面的支持,加大中小型工业燃煤锅炉改造力度,推广使用高效环保煤粉及水煤浆锅炉技术;加强煤炭清洁高效开发利用技术研究和示范工程建设,研究提出国家清洁煤技术推广目录,建立国家煤炭清洁利用专项基金,提高煤炭清洁高效利用水平;加强对工业环保设施的监管与指导,加大对钢铁、有色金属冶炼、建材、化工、轻工等行业工业窑炉的环保设施技术改造力度,继续做好燃煤电厂的脱硫、脱硝和除尘等工作。
  尤为重要的是,要研究制定煤炭由燃料向原料转化的国家战略。这不仅是实现节能环保的需要,也是延长煤炭产业链、提高产品附加值的必然选择。
  要促进煤炭由燃料向原料转化,就要坚持顶层设计,由国家有关部门牵头,组织开展煤炭由燃料向原料转化发展战略研究,发挥我国煤炭资源优势,生产煤基能源化工产品,部分替代石油天然气,从国家能源安全的战略层面,有效缓解我国石油天然气对外依存度不断扩大的压力,提高我国能源安全供应保障能力。
  为促进相关产业发展,国家应建立部际协调机制,协调解决相关重大问题。在产业政策、规划布局、技术研发、市场准入、投资管理、节能环保等多方面,解决发展中出现的难题,推动相关工作落到实处。同时,应加大对煤炭转化技术、装备研发的支持力度。将煤炭转化重大科学研究和关键技术攻关纳入国家科技重大支撑计划,鼓励大型企业建立煤炭转化产学研一体化的科技创新体系。支持有能力的企业和科研单位建立国家煤炭转化技术中心,推进先进技术产业化进程,提高煤炭转化技术装备国产化水平。进一步推进煤炭转化示范工程建设。
  在总结煤炭直接液化、间接液化、煤制烯烃、煤制气等示范工程建设成果的基础上,我国应稳步推进煤炭向原料转化产业化发展,扩大煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、煤制芳烃等示范试点范围,完善工艺技术和装备,探索产业化发展方向和模式。
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