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富油煤绿色低碳转化技术研究进展
单位:西安交通大学 陕西省能源化工过程强化重点实验室
引用格式:吴志强,杨盼曦,郭伟,等.富油煤绿色低碳转化技术研究进展[J].绿色矿山,2023,1(1):138-165.
摘要
受限于我国相对富煤贫油少气的能源禀赋,拓展非常规油气资源供给途径保障我国能源安全至关重要。富油煤是一类富含易断裂弱键结构且具有较高焦油产率的强资源属性煤种,将其高效清洁转化提取其中潜在的油气资源是极有发展前景的煤炭利用方式。聚焦于富油煤地面快速热解提油、地下原位热解提油以及与生物质协同热解等3种典型工艺路线,分别从研究进展及面临的挑战、反应机理及研究方法、工艺过程分析及优化、工艺装置开发及应用方向等4个方面进行详细阐述与总结。富油煤地面快速热解提油具有焦油收率高的优势,但同时也面临焦油品质差、粉尘分 离困难的挑战。 阐述了富油煤快速热解动力学模型建立及修正、工艺参数调控及优化、相关工艺装置总结及分析等方面进展。
地下原位热解提油指富油煤不经开采直接在地下加热、热解,所得油气 产物经采出至地面分离加工的新技术,具有占地面积小、开采费用少、排放污染小的优势,但也面临储层非均质、产物输运路径长损失大、地层应力高、孔隙压力大等挑战。从地下原位热解的热力学特性分析、过程强化探究、模拟实验装置开发等方面进行论述。富油煤与生物质协同热解可协调2者各自作为碳基热解原料的局限性,实现“ 碳氢互补、协同调质” ,在进一步提高挥发分收率的同时实现热解规模化生产。协同热解仍面临产物定向调控困难、固相产物结构演变机制不明晰、反应器内物料均匀混合不充分等挑战。综述了富油煤与生物质协同热解中关键有机组分间相互作用机 理、固相产物结构影响机制及利用技术、系列化规模装置开发等,并简要介绍了富油煤高效转化的其他分支技术,包括微生物转化,直接制油以及间接制油3种工艺特点及发展现状。 富油煤作为储量丰富的油气替代资源,明确其主要转化提油工艺可以为其合理高效低碳利用提供有力的理论指导,为我国未来的能源发展道路提供更多选择。
引言
2022 年煤炭全球消耗量为160.10 EJ,占全球能源消耗量的26.90%。 煤炭市场震荡剧烈价格暴涨,需求增速1.2%,创历史新高,首次突破 80 亿t。俄乌冲突导致的欧洲能源危机使煤炭贸易动态、价格水平和供需格局发生了巨大变化,高天然气价格导致欧洲部分国家重启燃煤发电。 2022 年中国煤炭消费量占能源消费总量的56.2%,长期以来形成的“以煤为主”的能源结构短期内难以根本改变。 煤炭在中国能源结构和国民经济中发挥着“压舱石”的作用。持续推进煤炭清洁高效利用技术进步,把技术创新有机融入能源体系转型的全过程,可为中国经济-社会-环境系统高质量和谐发展提供充分保障。
煤炭不仅是可直接利用的一次能源,也是重要的化工生产原料。 对其进行合理转化可充分提取其中潜在的物质资源价值,生产多种高附加值化学品,获得更高的经济收益。从矿产资源视角出发,以煤转化所得焦油产率的高低进行分类,焦油产量较高的一类煤炭被划分为富油煤。焦油产率在7% ~ 12%的煤炭为富油煤,焦油产率大于12%的煤炭为高油煤。笔者基于广义富油煤概念展开讨论,即为焦油产率大于7% 的煤炭。 作为一种中低成熟度的煤基油气资源,富油煤挥发分大于30%,镜质体反射率为0.5% ~ 1.0%,其最大的结构特点是含有富氢结构,即反应活性较高的脂肪族桥键及侧链。 国家能源局在《2023 年能源工作指导意见》明确指出,开展富油煤分质分级利用示范,提高清洁煤和油气供应保障能力。
笔者聚焦于 3 种典型的富油煤绿色开发低碳转化利用技术:快速热解、地下原位热解以及与生物质协同热解。快速热解是指富油煤煤粉在大于 100 °C / s的加热速率下迅速达到终温进行热分解。 快速热解在短时间内完成,具有焦油收率较高的优势,但同样面临着焦油中重质组分过高、粉尘分离困难的挑战。地下煤炭原位热解(UCP,Underground Coal Pyrolysis)是指富油煤在地下通过热载体传递热量进行加热,当达到一定温度时,煤层原位进行热解,挥发分经由地底煤层内多尺度裂隙结构或水平井流动至抽采井,采出至地面分离后获得油气产物,剩余焦炭留在地下,经余热回收后其疏松的多孔结构可用来封存CO2 。 富油煤与生物质协同热转化是化石能源和可再生能源耦合利用重要途径之一,富油煤和生 物质协同热解可实现碳氢互补,协同调质。 笔者将围绕上述3种典型富油煤转化工艺及其他相关工艺,对 工艺特点、科学研究方法、过程优化调控及工艺装置 开发等方面进行详细论述,为富油煤的清洁高效利用提供更综合、更全面的视角。
结论
富油煤作为一种特殊的煤炭资源,提取煤中以油为主的绿色低碳技术可分为通过地面快速热解、地下原位热解以及煤与生物质协同转化。目前粉煤快速热解面临焦油品质低、粉尘夹带严重等问题,快速热解输运床可有效抑制二次反应并避免颗粒碰撞粉碎形成粉尘,是未来粉煤快速热解工艺发展的重要研究分支。 如何将半机理热解动力学与大规模颗粒在输运床反应器中的流动换热进行耦合进行过程模拟与工艺开发也是未来需要开展的重要研究方向。地下原位热解研究仍处于起步阶段,其关键技术环节,如 地下加热、布井结构构建、高效压裂、多功能支撑剂制备及填充、地底余热回收等,都需要参考发展较为成熟的油页岩地下热解工艺进行设计,并进行先导试验 进一步验证其可行性。煤与生物质协同热转化技术已克服了焦油产率调控的难题,但仍需关注工艺的规模化放大以及工艺体系能效的提升。 在反应器层面 进行结构设计以合理调控不同物料的流动、热解行为的匹配是进行规模化共热解应用的关键。 在系统层面综合考虑预处理、共热解及产物高值化利用环节的 能量综合利用则可进一步提高共热解体系的能量效率。
持续发展富油煤制油工艺也可有效弥补我国油气资源的缺口。在我国石油需求逐步增大而国内产出无法有效跟进的形势下,利用好富油煤的油气资源特性,实现其高效清洁利用,是发挥我国煤炭资源优势、保障国家能源安全、稳步推进“ 双碳” 战略目标的重要途径。 准确把握富油煤主要转化提油工艺特点与发展趋势,是保证工艺合理选择的理论基础,也是 实现技术放大与落地的实践前提,具有重要的基础研究价值。
部分图表
图 1 富油煤热解过程热传质特性及内部压力梯度
图 2 考虑颗粒内部压力分布的修正模型计算流程
图 3 修正的焦油总产率
图 4 非支配多目标遗传算法求解框
图 5 最优解的分布
图 6 二氧化碳排放变化
图 7 富油煤地下原位热解
图 8 部分典型反应的热力学分析结果
图 9 木质纤维生物质与富油煤共热解协同效应
图 10 微藻生物质与富油煤共热解协同效应
吴志强,内蒙古赤峰人,教授,博导,西安交通大学化工学院院长助理。主要从事煤炭与生物质等碳氢资源高效清洁转化,入选西安交通大学青年拔尖人才(A类)、陕西省青年科技新星、陕西高校青年杰出人才、陕西省首批秦创原“科学家+工程师”队伍首席科学家。任中国化工学会工程热化学专委会青年委员、中国生态经济学会工业生态经济与技术专委会理事、Int. J. Coal. Sci. Technol副主编、《绿色矿山》副主编、J. Anal. Appl. Pyrol客座编辑、《煤化工》编委。
研究方向
煤炭分质转化/地下原位热解、生物质化学链转化、直接空气捕碳与利用
主要成果
致力于能源化工过程强化相关研究,聚焦煤炭分质转化/地下原位热解催化提质(UCP)、生物质化学链转化(BCLP)、直接空气捕碳与利用(DACU)等方向。主持承担国家自然科学基金项目、重点研发计划子课题等国家/省部基金和企业项目14项,发表SCI论文65篇,7篇入选ESI高被引论文,授权国家发明专利30余件。提出基于两类碳氢资源组分调控视角的研究策略,揭示共热解过程中不同组分间协同机理及提高挥发性产物产率的化学本质,为共热解高值化产物调控及反应装置开发提供理论基础;建立共热解焦表面形貌及碳微晶等复杂非均匀结构的量化分析策略,为协同热解固相产物性能预测及多元化利用提供技术支撑;构建共热解全流程强化策略,开发兼具“多风室锥形旋转内构件”与“定向风帽”的5-25 t/d系列装置,促进共热解技术低碳化实施。