榆林创建国家能源革命创新示范区的思考与建议

孟 宇，闫 龙，李 健，王玉飞，高平强，陈 娟

（1.榆林学院，陕西 榆林719000；2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林719000）

引 言

榆林被誉为“中国的科威特”，煤炭资源丰富，预测储量为2 714亿t，探明储量约为1 470亿t[1]，其中95%以上是侏罗纪精煤，具有特低灰、特低硫、特低磷、中高发热量的“三低一高”特点[2]，被称为“环保煤”“洁净煤”和“化工煤”。煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院液化室对榆林煤的高压试验反应结果显示[3]，榆林煤作为液化用煤，转化率约92.35%，油产率约为63.93%，这两项液化指标都比较高，因此榆林煤也被称为“富油煤”。可见，榆林最大的优势资源是煤炭资源，最大的发展潜力在于资源的转化增值。

作为国家级能源化工基地，经过近20年的发展，榆林已经形成了一（煤炭热解）推四（煤制烯烃、煤制芳烃、煤制油、煤盐化一体化）的产业链体系[4]，形成了煤炭干馏-气化-加氢-甲醇-烯烃-发电一体化、多联产综合利用的具有榆林特色的现代煤化工产业体系。为了能清洁高效综合利用榆林煤炭资源，创建国家能源革命创新示范区，笔者课题组作为本土煤化工科研团队，通过调研榆林地区相关煤化工产业状况，深入研究，针对榆林地区煤化工产业的发展提出以下建议。

1 水耗是制约榆林煤化工发展的瓶颈问题

榆林位于陕西省的最北部，黄土高原和毛乌素沙漠交界地，属于干旱、半干旱大陆性季风气候，年平均降水量在405 mm左右。榆林市水资源总量约32亿m3，人均水资源865 m3[5]，远低于全省和全国平均水平，属重度缺水地区。水资源的匮乏，成为影响榆林工业经济发展的瓶颈，作为国家级能源化工基地，水资源成为煤化工发展考虑的重中之重。不同煤化工技术路线耗水量的相关统计如表1[6]所示。

表1 不同煤化工路线最终产品耗水量t/t

从表1可以看出，不同煤化工路线在生产过程中普遍存在着水耗严重的问题。而榆林属严重缺水地区，首套煤制烯烃项目就是由于水资源供应不足而“出走”包头，因此，打造世界高端能源化工基地的瓶颈问题是水耗问题。

针对煤化工用水难题，专家学者们提出了煤炭分质利用技术[7]，根据榆林煤的特性，摸索出将榆林煤干馏转化为兰炭、煤焦油及干馏煤气的低温干馏生产工艺路线，其生产1 t兰炭水耗仅0.3 t。近年来，各科研院校和技术研发团队对兰炭生产工艺进行技术升级改造[8]，进一步降低生产过程耗水，给榆林煤就地初步转化生产提供了科学、合理且切合实际情况的煤化工生产工艺。

通过低温干馏工艺生产兰炭、煤焦油及干馏煤气，针对3种产品的特性进行进一步深加工利用，不仅能实现煤中不同组分的高效利用，同时能最大程度地减少煤化工水耗严重的问题，适合富煤缺水地区煤炭的高效转化[9]。

2 榆林发展兰炭产业的地方优势和特色

2.1 从能源结构分析，榆林煤属于富油煤，更适合先“拔头”的干馏工艺

榆林煤大多属于低阶煤，具有挥发分高、有机质侧链多、氢氧元素含量高和水分高等特点[10]，这样的结构特点决定了以中低温干馏工艺为核心，可以较低的能耗和物耗获得兰炭、煤焦油和干馏气[11]。

2.2 从技术难度分析，中低温干馏技术的产业化难度低于其他现代煤化工技术

首先，煤中低温干馏作为一种煤制油和化学品的方法，可在较少投资和较低能耗水平上实现大规模的生产，1.65 t煤热解可得到1 t兰炭、0.1 t高附加值煤焦油以及1 000 m3左右的煤气[12]。此外，与气化工艺不同，干馏过程隔绝氧气对煤加热，工业生产系统不需要大型催化、空分、加压等装置。

其次，中低温干馏生产工艺是依据榆林煤质进行设计及生产的工艺，已经能直接将开采出来粒径大于3 mm的原煤进行全部干馏，而粒径小于3 mm的原煤干馏技术也在不断创新、研发、试验中。现有运行的低温干馏生产工艺已经实现单炉大型化、集约化、规模化、自动化的转变，在生产经营管理、生产技术工程化等方面难度要低于其他现代化煤化工技术，适合榆林当地企业的生存及发展。中低温干馏技术已经走出高耗能、高污染、低产出的初级阶段，开始进入清洁生产、资源循环利用的新阶段。

2.3 煤低温干馏与新型煤化工相比更具投资效率和能效转化优势

煤热解与其他新型煤化工技术在投资效率和能效转化方面的对比见图1[13]。投资效率为投资亿元可得万吨产品数，投资效率越大，说明资金使用率越高；能效转化率是装置最终产出的有效产品的热值之和与进入装置的原料、辅料、电等物料热值之和的比值，能效转化率越高，说明原料煤的利用率越高。从图1可以看出，煤热解转化的投资效率远高于其他以气化为龙头的转化技术；热解转化的能效转化率超过88%，远高于排名第二的煤制天然气(能效转化率为56%)。

图1 煤热解与其他新型煤化工投资效率和能效转化对比

2.4 从环保分析，煤低温干馏过程也是脱除煤中污染物的过程

首先，煤通过低温干馏后，约60%的硫、28%的氮以及95%的多环芳烃均被有效脱除，不仅从源头上实现了烟煤无烟化，还有利于污染物的集中处理。煤中硫、氮等污染源绝大部分在煤热解气化过程中就以H2S和NH3形式析出，与直接燃烧产生的SO2、NOx等相比，脱除煤气中H2S和NH3要容易得多[11]。

其次，兰炭可作为一种新的洁净能源。试验证实兰炭具有低排放、低污染的优点，相对于原煤具有减排优势：兰炭较于无烟煤和烟煤，PM2.5排放分别下降79.88%和86.76%，有机碳排放分别下降80.62%和83.51%，元素碳排放分别下降82.11%和94.61%。另外，硫、氮排放也有着烟煤难以比拟的优势[14]。

再次，近年来相关企业对兰炭干馏工艺进行了一系列升级改造：建设煤焦棚，减少粉尘污染；生产装置全密闭运行，减少无组织排放；氨水分离装置建设地上装置、实现雨污分离，减少水污染；厂区设置在线检测、无死角监控，对生产过程中的污染物控制起到了重要作用。

2.5 榆林地区围绕兰炭已形成了独具优势和特色的载能、化工和材料产业链条

通过低温干馏生产工艺路线将煤转化为兰炭、煤焦油及干馏煤气3种产品。干馏煤气可作为燃料，也可作为化工原料：如作燃料可加工金属镁，然后向镁铝深加工延伸；如作化工原料，可制甲醇、乙二醇和LNG等。煤焦油可加工成柴油、汽油、高级润滑油、特殊燃料油、烃类、酯类等。兰炭广泛应用在硅铁、硅锰、玻璃、陶瓷、电石、高炉喷吹、气化和PVC等行业[15]。

2.6 兰炭产业的社会效益及经济效益

目前煤的低温干馏每年在榆林年产值可达到约700亿元。单纯以煤焦油为例，每年产量接近400万t，远超延长石油在榆林的原油产量280万t。神木和府谷煤焦油加氢规模300万t/a，产值在200亿元以上，进一步做精细化学品，产值将几何级增长，榆林地区很多企业煤焦油加氢二期项目已经有序展开。将榆林煤进行统一加工，每吨煤产生煤气600 m3，榆林每年干馏产生的煤气（约300亿m3），远远大于西气东输工程的年用气量（240亿m3）[16]。

煤的低温干馏工艺是依托榆林煤而开发的技术，2019年榆林兰炭产量约为4 500万t，转化煤炭约为7 600万t，约占榆林原煤总产量的16.5%[12]。兰炭生产企业的建设还为当地解决了就业问题，并带动了相关行业的经济发展。兰炭产业经过整合提升，逐步成为了榆林重要的煤化工产业、民营经济发展和投资的重要平台、榆林经济发展乃至陕西经济发展的重要支柱。因此，建议对榆林地区所生产的原煤统一进行煤干馏，将对区域经济的发展创造更大的经济效益和社会效益。

2.7 从政策层面讲，煤炭分质利用符合国家和地方政府对煤炭清洁高效利用政策的要求

国家能源局印发的《煤炭清洁高效利用行动计划（2015—2020年）》和《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》明确指出“鼓励低阶煤提质技术研发和示范，积极推进煤炭分级分质梯级利用，加快推进低阶煤中低温热解分质转化利用项目示范”。煤炭通过热解提油、提气已经确立为国家能源安全战略工程，正在鼓励发展。榆林市人民政府最新发布的《榆林市化工产业投资指导目录（试行）》指出“在神木兰炭产业特色园区和府谷高新区重点布局煤炭热解及资源综合利用产业”。陕煤1 500万t/a煤炭分质利用项目顺利备案，榆林龙成1 000万t/a煤提油项目纳入国家重点示范工程等，这些都表明：在榆林发展低阶煤中低温热解分质转化利用项目是符合国家政策要求和榆林实际的选择。

3 传统兰炭产业与现代煤化工的耦合互补发展

3.1 兰炭在多产业的耦合发展

兰炭相较于原煤，污染更低，热值更高。兰炭产品可供下游电石、铁合金及固定床气化等使用，改变低温干馏操作参数，可生产合适的高炉喷吹料。初步计算，每年钢厂需要高炉喷吹料约为1.5亿t，因此将兰炭用作高炉喷吹料，可为钢厂节约大量的原料成本。兰炭也可作为清洁燃料外售，用于民用燃烧；可作为优质气化原料，经气化后生产甲醇、乙二醇和聚氧醚等产品；还可以作为活性炭等多种炭功能材料优质原料[17-18]。据统计，兰炭产品中40%左右作为清洁燃料，60%左右通过其他途径加工成为高端化工原料。

3.2 中低温煤焦油与煤制油品的耦合互补

中低温煤焦油密度通常在1 000 kg/m3左右，其中＜350℃馏分占50%以上，＞490℃馏分不到10%，中低温煤焦油中芳烃含量较少，烷烃和环烷烃含量较高，一方面，可通过较温和的加氢精制或改质处理，生产石脑油、柴油和航空煤油等清洁燃料油品；另一方面，与间接液化油品相比，煤焦油加氢后的柴油馏分密度更高，适合加工为重质柴油调和油，而煤直接液化制得的柴油馏分密度偏低，不符合国标，如能将煤焦油加氢后的柴油馏分与煤直接液化制得的柴油馏分进行调配，则可直接获得符合国Ⅵ标准的柴油。此外，煤焦油加工制航空煤油在技术上也可行，煤焦油馏分中航空煤油的占比较高，可通过悬浮床、沸腾床、固定床等加氢方式改质，进而按馏分切割，并经过精制+深度精制得到航空煤油产品。目前，煤焦油加氢精制的各类产品在市场上供不应求，很多煤焦油加工企业不得不在新疆、内蒙等其他地方外购煤焦油来加工。

3.3 兰炭和煤焦油可为煤制烯烃、芳烃及其下游产业提供原料

兰炭产业也可以和煤制烯烃、芳烃产业互补，其中煤焦油加氢产品中的石脑油可以用来生产芳烃，粉煤分质利用产品粉焦可以通过气化生产甲醇，进而生产烯烃，解决粉煤大规模综合利用后产品粉焦的出路问题。此外，烯烃、芳烃为产业链进一步延伸到合成材料提供了上游原料。因此兰炭与烯烃、芳烃耦合是榆林兰炭产业向高端化、现代煤化工发展的重要方向，也是大规模粉煤分质利用的重要方向。

3.4 利用干馏煤气制氢可为其他煤化工提供大量的廉价氢源

干馏煤气中的有效组分体积分数大于80%，且H2、CH4和CO的含量较高，热值约为30 MJ/m3，粉煤热解煤气中氢气和甲烷含量较高，具备发展氢和甲烷产业的原料优势[19]。一方面可分离提取干馏煤气中的H2和CH4等有效组分，为榆林作为缺水缺氢地区发展现代煤化工提供氢源；另一方面，剩余气也可直接用于变换转化为合成气，走合成气加工路线，故干馏煤气制氢是榆林兰炭产业高端化发展的重要路径之一。

综上分析，笔者课题组认为，榆林创建国家能源革命创新示范区，要充分考虑榆林能源禀赋和产业发展现状，在解决好水耗问题下，合理调配现代煤化工产业和传统兰炭产业的耦合互补，构建多能融合的能源体系，实现煤炭资源清洁高效利用。