褐煤作为气化原料在煤化工企业中的应用

杨 芊，杨晓龙，刘佳金，陶志达

(1.中国煤炭加工利用协会，北京 100013；2.天津水泥工业设计研究院有限公司，天津 300400；3.中国煤矿机械装备有限责任公司，北京 100011)

1 概 述

我国褐煤资源丰富，据第三次煤炭资源调查预测及评价结果显示，已查明褐煤资源储量1 334.69亿t，约占全国煤炭资源总量的13.07%，占非炼焦煤总量的18.05%。我国的褐煤资源大多形成于中生代侏罗纪和新生代古近纪、新近纪，主要分布在内蒙古自治区二连浩特与乌兰察布连线以东的蒙东地区，呼伦贝尔、兴安盟、通辽、赤峰和锡林郭勒5个盟市的褐煤资源储量占到全国的77.1%，云南省昭通、昆明寻甸先锋和红河开远小龙潭3个地区的褐煤储量占全国的12.6%，东三省地区的褐煤储量约占全国的5.0%[1-4]。

褐煤是煤化程度较低的煤种，色泽暗淡，外表呈褐色至浅黑色，易风化、自燃，较高的水分、灰分及挥发分含量导致其发热量低，但化学反应活性好[5-6]。根据中国煤炭加工利用协会煤质分会统计资料，全国褐煤平均全水分约17.8%～50.5%，灰分为10.4%～39.0%，收到基低位发热量一般为11.6～16.71 MJ/kg。

以煤炭为主体的能源生产和消费结构，是近些年推动国内褐煤开发利用快速增长的主要动因，褐煤在“十三五”期间的年均产量约3.5～4亿t，广泛应用于电力、供暖和化工等领域[7-8]。随着现代煤化工技术的发展，煤气化原料已由烟煤逐步扩大到褐煤及无烟煤等领域，基本实现了全煤种向燃料和化学品转化的全流程贯通[9]。因此，进一步总结褐煤作为气化原料在煤化工企业应用的最新成果和经验，实现褐煤清洁高效利用，对保障区域能源安全和化工原材料供应稳定影响深远。

2 主要褐煤资源情况

我国褐煤资源储量最大、最集中的区域在内蒙古自治区东部靠近东三省的地区，按照开发的时间顺序分别包括扎赉诺尔煤田、元宝山煤田、平庄煤田，随后是霍林河煤田、伊敏煤田和大雁煤田，直至现在的胜利煤田、宝日希勒煤田、白音华煤田等。云南省是全国第二大褐煤生产基地，成煤时间与内蒙古自治区不同，煤化程度比蒙东褐煤还低，辖区内昭通煤田储量最大，小龙潭煤田、先锋煤田及其他煤田次之。我国主要褐煤产区及储量情况见表1。

表1 我国主要褐煤产区及储量情况

3 褐煤在煤化工企业中的应用情况

内蒙古和云南两省区的褐煤资源储量约占全国总储量的89.7%，而以褐煤为气化原料的煤化工企业也主要分布在这两个省份。据中国煤炭加工利用协会调研数据显示，截至2019年12月底，我国以褐煤为原料进行气化，生产各类化学品及燃料的企业共计16家，其中已投产运行的企业13家，在建企业2家，破产重组企业1家。主要分布在内蒙古自治区呼伦贝尔盟(4家)、兴安盟(2家)、通辽(2家)、赤峰(2家)、锡林郭勒盟(1家)，吉林白城(1家)、松原(1家)，云南昆明(2家)，辽宁阜新(1家)，具体见表2。

表2 我国褐煤气化企业统计表

在以褐煤为原料进行生产的煤化工企业中，以尿素、合成氨、氨基酸、甲醇及下游产品等传统煤化工企业为主体，气化装备包括恩德炉(5家)、鲁奇炉(4家)、清华炉(2家)、壳牌炉(2家)、BGL炉(云煤炉)(2家)、航天炉(2家)7种炉型。从气化技术上看，有碎煤加压气化、碎煤熔渣气化、粉煤加压气化、水煤浆加压气化等，基本囊括了主流气化炉型及气化技术。

这其中，大唐呼伦贝尔化肥项目就近选用宝日希勒褐煤为原料，但是褐煤成浆性较差，在添加添加剂制成水煤浆后，浓度也仅为48%～49%，造成该项目氧耗高、能效低、经济性差[10]。呼伦贝尔金新化工采用3台BGL碎煤熔渣气化炉和1台壳牌粉煤气化炉组合的方式，较好地解决了块煤原料在转运过程中粉煤产生量过高难以加工利用的问题[11]。呼伦贝尔东能化工公司采用气化压力低、设备体积大、投资小的恩德炉生产甲醇及二甲醚，在蒙东地区相对空白的产品市场，有一定的经济效益。兴安盟博源化工和中化吉林长山化工均采用航天炉进行气化，从运行数据看，其比氧耗、碳转化率和装备运行情况均优于蒙东地区其他化肥厂的气化炉型，标志着自主知识产权的航天炉攻克了以褐煤为原料进行加压气化的难题。大唐克旗煤制天然气有限公司近年来随着管理的升级，产品产量逐年稳步提升，项目采用鲁奇炉进行气化，粗合成气中甲烷含量较其他炉型高，但较低的气化温度造成废水成分复杂、处理难度较大，环保方面的负面新闻曾引起过社会的广泛关注。而云南先锋化工采用类似于BGL熔渣气化炉的云煤炉，则较好地解决了污水处理难的问题[12]。内蒙古锡林浩特大唐多伦煤化工有限公司是我国第一家煤制丙烯示范项目，采用壳牌炉进行气化，受下游煤制丙烯工艺装置运行不稳定影响，2019年已全部转产甲醇，目前该项目运行情况良好。

4 褐煤利用中存在的问题

褐煤煤化程度低，直接燃烧时热效率低下，并伴有大量废气、废水和废渣的排放，作为化工原料进行加工转化，又受高含水、高含灰限制，价格低廉是目前褐煤大范围应用的主要原因[13]。截至2019年底，大唐克旗煤制天然气项目、通辽金煤煤制乙二醇项目、云煤先锋甲醇制汽油项目、大唐多伦煤制丙烯项目、煤制化肥项目等一批以褐煤为原料的煤化工项目在开展褐煤提质转化、高效利用方面，均取得一定的积极进展，为推动褐煤等低阶煤气化转化积累了宝贵经验，但褐煤开发及转化项目在运行过程中面临的问题仍待解决[14]。

(1)褐煤主产区生态环境约束愈发严格。褐煤产区主要集中在作为大兴安岭重要组成部分、辽河流域源头和呼伦贝尔腹地的蒙东地区，高强度的露天煤矿开发，对脆弱的草场生态环境、周边湖泊和河流流域的影响逐年增加。伴随褐煤资源的开发利用，当地的生态环境面临进一步恶化的风险，草场生态一旦破坏，再恢复到最初的水平必将付出更大的代价。

目前，内蒙古自治区呼伦贝尔盟海拉尔市仅有金新化工、东能和大唐化肥3个大型煤化工项目[15]。在生态环境红线约束和草场保护性开发等政策影响下，预计“十四五”期间蒙东地区不会大规模新建褐煤生产矿场和煤炭转化利用项目[16]。

(2)褐煤气化仍有诸多技术难题待解决。煤气化技术和工艺是现代煤化工产业的关键和龙头，褐煤气化也已成为现代煤化工发展的重要组成部分，目前的气化技术和工艺条件对煤种煤质要求严苛，在役以褐煤为原料的煤化工项目，存在诸多由于煤种煤质问题引发的停工停车案例。褐煤气化技术还不能视为完全成熟，运行项目也不能视为完全成功。

褐煤热稳定性差，用在鲁奇炉和BGL炉等固定床时，存在煤气夹带粉尘严重、操作麻烦的弊病。褐煤含水量高，用在恩德炉、壳牌炉及航天炉等干煤粉气流床气化时，必须进行干燥预处理，造成项目投资和能耗增加，且存在一定的安全隐患。褐煤成浆性差，采用水煤浆气流床气化时，有较大技术难度，经济性较差，甚至会影响企业正常生产。

(3)褐煤提质后储存和长途运输安全隐患。从平均数据看，褐煤的灰分和水分占比一般在50%以上，在褐煤热解提质和干燥技术尚未取得突破性进展的前提下，不足以支撑大规模转化和长距离运输，而从经济性角度看，褐煤的长距离运输也无利可图。褐煤的干燥、热解、提质技术瓶颈仍有待突破，产业化利用尚需时日。

褐煤经干燥提制后虽然可明显降低水分，同时也会降低其粒度，在储存和长途转运过程中极易发生自燃和扬尘等问题。在调研过程中了解到，神华宝日希勒提质项目的提质煤在运往大唐呼伦贝尔化肥项目过程中发生过自燃现象，甚至引燃一辆运输卡车，在其他几个化工项目的储煤场也发生过自燃现象，存在较大的安全隐患。

(4)部分地区褐煤原料供应难稳定保障。受部分地区在煤源紧张时期“保电力不保非电、保区域内不保区域外、保民生不保工业”政策影响，大唐克旗、大唐多伦等多个项目在运行中煤源难以保障，严重影响企业正常生产运行。煤源短缺对企业生产的影响，在冬季取暖季尤为突出。

(5)现有示范项目不具备工业化推广条件。从“十二五”开始，内蒙古和云南陆续兴建的褐煤提质和热解项目，仍在维持运行的企业为数不多。即使在运行，褐煤粉化、难成形、油灰难分离、污染物处理难度大等问题仍未妥善解决，技术成熟度与经济性也远未达到最初的预期。就整个产业来看，褐煤提质尚无可全行业推广的工艺技术与运行模式，工业化大规模转化应用的基础和条件尚不成熟。

5 政策建议

褐煤的清洁高效利用关系东北、蒙东及云南等局部地区的能源安全供应、煤炭清洁高效转化和经济高质量发展。随着《煤炭工业发展“十三五”规划》和《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》等相关政策的支持，在生态环境保护和美丽中国建设的新形势下，褐煤等低阶煤炭资源的开发和利用思路亦逐渐清晰：

(1)强化生态环境保护，控制褐煤利用规模。在生态环境脆弱的蒙东地区，加强对褐煤开发利用的科学研究，合理控制褐煤主产区开采规模，强化生态环境保护力度，实施绿色低碳开采，科学有序对草场环境进行修复。强化褐煤煤田开发对周边草场、水资源等生态环境影响评估，推动褐煤开发利用事前、事中、事后全过程环境监管，实施生态环境保护与地方政府考核挂钩，对于不符合环保要求的落后产能，应按照相关政策要求有序退出。

(2)加强褐煤基础研究，突破关键技术瓶颈。继续加快推进褐煤利用科技攻关，加大科技创新投入，充分发挥国内外高等院校和科研机构力量，强化基础理论研究，开展切实可行的分质分级利用和清洁高效转化技术论证和试验示范。重视关键技术瓶颈突破和重大装备国产化率提升，进一步降低能源消耗，提高能源转化效率，加快推动“煤—电—油—气—热—化”一体化发展，实现全产业链的竞争力和经济性提升。

(3)鼓励褐煤资源利用，加强就近就地转化。坚持“四个革命、一个合作”战略思想，构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源体系，转变褐煤加工转化发展思路，调整产业发展政策，结合褐煤高含水、易自燃、易风化、长距离运输既不经济也不安全的特点，鼓励在产区和坑口建设环保、经济、可靠的褐煤转化项目，提高褐煤资源就近就地转化能力。解决褐煤产区化学品短缺和能源的安全供应，从根本上解决褐煤运输成本的浪费和安全隐患，最大程度提升褐煤资源利用的经济效益。

(4)稳步推进试点示范，完善技术工艺升级。我国褐煤提质及加工转化仍处于初级阶段，大型化、低污染、高效益的问题还未从根本上解决，很多技术路线看似合理，但在规模化、工业化应用上还存在诸多问题，系统与流程的合理性需进一步优化，经济性也有待进一步增强。褐煤提质的发展应稳步推进，不宜操之过急，褐煤清洁高效转化在充分论证投资风险和技术经济性的基础上可适当探索。宜将褐煤热解提质、褐煤制腐殖酸与煤气化、化工合成及清洁煤电相结合，实现产业一体化，减少利用过程中的污染排放，提高褐煤清洁高效利用水平。