煤化工技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

      摘要：我國(guó)“富煤少油缺氣”的資源賦存條件決定了煤炭作為主體消費(fèi)能源的地位短期內(nèi)不會(huì)改變，煤炭的大量使用在為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障的同時(shí)，帶來(lái)的環(huán)境污染、資源枯竭等問(wèn)題也越來(lái)越突出，發(fā)展現(xiàn)代煤化工對(duì)于促進(jìn)煤炭清潔高效利用，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)意義重大，本文簡(jiǎn)要概述了煤化工技術(shù)現(xiàn)狀，進(jìn)而對(duì)煤化工技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

      關(guān)鍵詞：煤化工，清潔利用，技術(shù)現(xiàn)狀，發(fā)展前景

1  引言

      我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量十分豐富，是我國(guó)主要能源，占總能源的2/3，煤炭的大量使用在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)極大地提高了人民的生活水平，為社會(huì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但是煤炭在燃燒過(guò)程中排放的NO_x，SO_x、CO_x以及重金屬、二惡英等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞。因此，通過(guò)采取有效的技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)黑色能源的高效、綠色轉(zhuǎn)化勢(shì)在必行，在這些技術(shù)措施中，煤化工是其中之一。

2  煤化工技術(shù)現(xiàn)狀

      煤化工是指通過(guò)化學(xué)加工處理將煤轉(zhuǎn)變成氣、液、固態(tài)燃料和化工產(chǎn)品的過(guò)程，傳統(tǒng)的煤化工技術(shù)包括煉焦、電石以及焦油加工等。

2.1  煉焦

      在煤化工可利用的生產(chǎn)技術(shù)中，煉焦是應(yīng)用最早的工藝，它是指煤在隔絕空氣的條件下，加熱升溫至900℃左右，通過(guò)熱分解和結(jié)焦生成焦炭，同時(shí)回收粗煤氣、焦油和其它副產(chǎn)品的工藝。煉焦過(guò)程分為備煤、煉焦、凈化煤氣三個(gè)階段，具體流程為進(jìn)廠煤炭經(jīng)配煤、粉碎得到特定指標(biāo)的入爐煤后，進(jìn)入煤塔，采用搗固方式推入炭化室高溫?zé)捊?，焦炭?jīng)濕法熄焦、晾焦得到焦炭、焦?fàn)t煤氣，焦炭作為高爐煉鐵的主要原料廣泛用于鋼鐵行業(yè)，焦?fàn)t煤氣一部分作為高熱值燃料，一部分經(jīng)脫硫、脫氨、脫笨等工藝得到輕苯、硫銨、焦油、甲醇等化工產(chǎn)品，同時(shí)減少了污染物排放。在現(xiàn)有的煉焦工藝中，搗固煉焦是應(yīng)用最為廣泛的一種技術(shù)，搗固焦?fàn)t以炭化室高度5m 以下為主，新型焦?fàn)t炭化室高度為6m及以上焦?fàn)t，根據(jù)我國(guó)煤炭質(zhì)量，炭化室高度6.7m 搗固焦?fàn)t正在普及。目前，煉焦技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相對(duì)比較成熟。

2.2  煤炭氣化

      煤炭氣化是以氧或氫作介質(zhì)，在一定溫度和壓力下將固體煤轉(zhuǎn)化為CO、H₂、CH₄ 等可燃?xì)怏w和CO₂、N₂ 等非可燃?xì)怏w的合成氣，再對(duì)合成氣進(jìn)行深加工，制取其它產(chǎn)品。煤炭氣化一般分為地上和地下氣化兩種，具體氣化過(guò)程是煤首先經(jīng)氣化干燥后，繼續(xù)升溫至一定溫度，煤分子開始分解，生成焦油、干餾煤氣等揮發(fā)性物質(zhì)，同時(shí)煤變成半焦?fàn)顟B(tài)；繼續(xù)升溫條件下，與氣化劑反應(yīng)生成粗煤氣（CO、CO₂、N₂、H₂S、CH₄等為主）。

      地上氣化技術(shù)相對(duì)比較成熟，正在向大型化長(zhǎng)周期邁進(jìn)，華東理工大學(xué)等單位聯(lián)合完成了日處理煤量3 000t 級(jí)超大型多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)已在全國(guó)推廣，為我國(guó)煤炭高效潔凈發(fā)展提供了有力保障；神華寧煤集團(tuán)聯(lián)合中國(guó)五環(huán)工程公司等院所，自主開發(fā)日耗煤2 200t 加壓汽化爐應(yīng)用于年產(chǎn)400萬(wàn)t 煤制油項(xiàng)目中，各項(xiàng)技術(shù)均優(yōu)于國(guó)V 和歐V 標(biāo)準(zhǔn)。

      與地上氣化不同，地下氣化是在未經(jīng)開采的煤層中進(jìn)行，是目前較為先進(jìn)的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用，減少大氣污染的一種有效途徑。與目前廣泛應(yīng)用的采煤工藝路線不同，它是在地下采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備使煤炭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該過(guò)程安全、可控。產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，可以作為燃料、化工原料、城市煤氣、坑口電廠發(fā)電，尤其適用于難開采或者開采成本較高的煤層，具有安全性好、投資少、效益高、污染少的特點(diǎn)。該技術(shù)率先在俄羅斯實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，目前美國(guó)、德國(guó)等均已掌握了地下氣化的核心技術(shù)。我國(guó)的地下氣化項(xiàng)目也已在內(nèi)蒙古等地建成，但單從技術(shù)角度看，目前我國(guó)的煤氣化技術(shù)與先進(jìn)國(guó)家相比差距較大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家普遍認(rèn)為：煤氣化技術(shù)未來(lái)將集中轉(zhuǎn)向綠色、高效發(fā)展。

2.3 煤炭液化

      煤液化是制取石油替代品的一種技術(shù)手段，是當(dāng)前煤化工的一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，它有兩種不同的路線，一種是直接液化，另一種是間接液化。

      直接液化是把煤炭磨成煤粉與溶劑配成油煤漿，在400℃、150kPa 條件下催化加氫液化，生產(chǎn)含芳烴較高的粗油品，再經(jīng)進(jìn)一步加氫得到可使用油品。這種路線回收率較高，但操作條件苛刻。目前引領(lǐng)煤液化發(fā)展方向的技術(shù)包括工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)物雜原子含量低的德國(guó)IGOR 工藝、以生產(chǎn)重質(zhì)燃油為目的的美國(guó)SRC 工藝、解決了催化劑鉬的回收的俄羅斯低壓加氫液化技術(shù)等。這些新液化技術(shù)由于生產(chǎn)成本較廉價(jià)石油高，目前尚未工業(yè)化生產(chǎn)。從國(guó)內(nèi)進(jìn)展來(lái)看，具有代表性的有神華集團(tuán)研究開發(fā)的煤直接液化生產(chǎn)軍用柴油、高密度航空煤油等特種油品技術(shù)，該技術(shù)已完成戰(zhàn)機(jī)試飛和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)；中科合成油技術(shù)有限公司為了解決傳統(tǒng)液化技術(shù)存在的煤質(zhì)要求高，反應(yīng)條件苛刻等問(wèn)題，提出了分級(jí)液化工藝，目前該技術(shù)已通過(guò)萬(wàn)噸級(jí)中試驗(yàn)證。

      煤間接液化與煤種關(guān)系不大，它是指高溫條件下，煤炭與氧和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)分解，制成合成氣（CO+H₂），然后在催化劑作用下，通過(guò)費(fèi)托合成將合成氣進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成液體油品和石化產(chǎn)品。典型的間接液化工藝有費(fèi)托合成法、中質(zhì)餾分合成（SMDS）工藝、漿態(tài)床合成技術(shù)等，目前我國(guó)的間接液化技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，兗礦集團(tuán)采用低溫漿態(tài)床費(fèi)托合成技術(shù)在榆林建成投產(chǎn)百萬(wàn)噸煤間接制油示范項(xiàng)目，神華寧煤寧東400 萬(wàn)t/a 項(xiàng)目采用中溫漿態(tài)床費(fèi)托合成技術(shù)示范項(xiàng)目已經(jīng)于2017 年建成投產(chǎn)，并于當(dāng)年實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷運(yùn)行。

2.4 新型煤化工技術(shù)

      新型煤化工是以生產(chǎn)潔凈能源和石油化工替代產(chǎn)品（天然氣、二甲醚、烯烴、精細(xì)化學(xué)品等）為目的的技術(shù)路線，是未來(lái)煤炭清潔利用的重點(diǎn)發(fā)展方向，有利于減輕環(huán)保壓力，緩解對(duì)進(jìn)口石油的依賴。近年來(lái)我國(guó)煤制甲醇、煤直接和間接制油、煤制烯烴、煤制乙二醇等技術(shù)和裝備自主化率達(dá)到85%以上，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)能已初具規(guī)模。

2.4.1 煤制烯烴

      煤制烯烴是先將煤制成中間物甲醇，再通過(guò)甲醇制取乙烯、丙烯等產(chǎn)品的技術(shù)，該路線由煤氣化、合成氣凈化、CH₃OH 合成、CH₃OH制烯烴四部分組成。目前該路線相對(duì)成熟，且基本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。截至2017 年，我國(guó)已投產(chǎn)的煤制烯烴產(chǎn)能達(dá)960 萬(wàn)t/a，預(yù)計(jì)2020 年產(chǎn)能將達(dá)2300 萬(wàn)t/a，在我國(guó)聚烯烴產(chǎn)能占比將達(dá)到38%以上。2017 年煤制烯烴催化劑方面實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)突破，中科院大化所包信和院士團(tuán)隊(duì)在無(wú)氧條件下，通過(guò)硅化物晶格限域的單鐵中心催化劑的使用，實(shí)現(xiàn)了合成氣選擇轉(zhuǎn)化低碳烯烴和其它化學(xué)品；中科院上海高等研究院在煤經(jīng)合成氣直接制烯烴漿態(tài)床技術(shù)研發(fā)方面，完成了實(shí)驗(yàn)室層面低甲烷高烯烴選擇性的FTO催化劑的驗(yàn)證，總烯烴選擇性高達(dá)80%以上，目前正在中試驗(yàn)證。

2.4.2 煤制天然氣

      煤制天然氣指用褐煤等低品質(zhì)煤種經(jīng)過(guò)氣化、變換、凈化、甲烷化等步驟制取天然氣。由于我國(guó)煤制天然氣行業(yè)真正起步時(shí)間較晚，甲烷化催化劑制備作為煤制天然氣的關(guān)鍵技術(shù)，被國(guó)外的巴斯夫、魯奇等公司率先掌控。最近幾年，我國(guó)煤制天然氣技術(shù)開始迅速發(fā)展，甲烷化催化劑研制正在趕超國(guó)外，相關(guān)技術(shù)、設(shè)備基本可以實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)。我國(guó)已經(jīng)投產(chǎn)的天然氣項(xiàng)目包括：神華集團(tuán)內(nèi)蒙古鄂爾多斯煤制天然氣項(xiàng)、大唐國(guó)際內(nèi)蒙克什克騰旗、大唐國(guó)際遼寧阜新、新汶礦業(yè)新疆伊犁煤制天然氣項(xiàng)目等。煤制天然氣不僅拓寬了低品質(zhì)褐煤的利用途徑，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品增值，而且由于該路線耗水少，轉(zhuǎn)化率高且環(huán)保，對(duì)于“富煤缺水”的西部地區(qū)意義重大。

2.4.3 煤制乙二醇

      新型煤化工工藝中最經(jīng)濟(jì)合理也最具前景的當(dāng)屬煤制乙二醇，該工藝流程短，成本低，在國(guó)內(nèi)受到較高的關(guān)注。煤制乙二醇一般是指煤經(jīng)氣化、變換、凈化及分離提純后先得到合成氣，其中的CO 經(jīng)催化合成草酸酯，再與H₂ 進(jìn)行反應(yīng)后獲得聚酯級(jí)乙二醇的過(guò)程。該路線以煤代替石油乙烯生產(chǎn)乙二醇，是一項(xiàng)首創(chuàng)技術(shù)，符合我國(guó)煤炭多、缺油少氣的實(shí)情。截止2017 年6 月，我國(guó)已投產(chǎn)的煤制乙二醇項(xiàng)目合計(jì)產(chǎn)能285 萬(wàn)t/a，單套裝置規(guī)模最大的是鄂爾多斯新杭能源，產(chǎn)能30 萬(wàn)t/a，其他多數(shù)規(guī)模為20 萬(wàn)t/a，在建的煤制乙二醇項(xiàng)目12 個(gè)，合計(jì)產(chǎn)能305 萬(wàn)t/a，擬在建項(xiàng)目呈上升態(tài)勢(shì)，近期還有幾個(gè)乙二醇項(xiàng)目提上日程，單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模高達(dá)100～200 萬(wàn)t/a。如果這些項(xiàng)目都按計(jì)劃實(shí)施，未來(lái)3-5a，我國(guó)乙二醇產(chǎn)能將大幅增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)乙二醇的市場(chǎng)供需格局將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。

2.4.4 煤制芳烴

      煤制芳烴是煤先生成甲醇，再在催化劑作用下，將甲醇脫氫、環(huán)化生成芳烴。目前煤制甲醇、芳烴分離技術(shù)已經(jīng)工業(yè)化應(yīng)用，關(guān)鍵技術(shù)在甲醇制芳烴。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甲醇制芳烴技術(shù)主要有中科院山西煤炭化學(xué)研究所與賽鼎工程有限公司合作的的固定床甲醇制芳烴技術(shù)（MTA）、清華大學(xué)的循環(huán)流化床甲醇制芳烴技術(shù)（FMTA）和中石化技術(shù)以及河南煤化集團(tuán)研究院與北京化工大學(xué)合作開展的煤基甲醇制芳烴技術(shù)等，這些技術(shù)多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室及中試階段，只有少數(shù)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)，未來(lái)甲醇制芳烴反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大、反應(yīng)熱平衡和工程優(yōu)化、PX 催化劑工業(yè)化應(yīng)用等問(wèn)題需要重點(diǎn)解決?？傮w來(lái)看，煤制芳烴項(xiàng)目生產(chǎn)成本受煤炭和石油價(jià)格的影響，成本較高，但作為石油芳烴的重要補(bǔ)充，發(fā)展煤制芳烴能夠減少我國(guó)PX 進(jìn)口量，具有良好的市場(chǎng)前景。

3  煤化工技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

      我國(guó)傳統(tǒng)煤化工發(fā)展較早，但受到環(huán)保政策限制，加之盲目發(fā)展且下游市場(chǎng)低迷，未來(lái)需要走優(yōu)勢(shì)資源整合、淘汰落后產(chǎn)能、集約發(fā)展的道路。而新型煤化工產(chǎn)品作為清潔能源和石油化工替代品，需求空間相對(duì)較大，發(fā)展前景廣闊。鑒于前期發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的盲目發(fā)展、污染嚴(yán)重、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，煤化工在未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，應(yīng)重點(diǎn)圍繞以下方面。

      一是優(yōu)化示范工程技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)的現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，大部分關(guān)鍵技術(shù)剛剛工業(yè)化生產(chǎn)，技術(shù)路線和工藝需要進(jìn)一步調(diào)整，未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)從加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)體系化、通過(guò)減少資源消耗增加成本優(yōu)勢(shì)、改進(jìn)工藝路線提高能效、減少污染排放等方面創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)首創(chuàng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

      二是實(shí)現(xiàn)煤炭與能源化工大型化、一體化生產(chǎn)，延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈。目前我國(guó)新型煤化工產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)較短，終產(chǎn)物品類少，且產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，未來(lái)應(yīng)合理結(jié)合煤炭資源狀況和化工技術(shù)知識(shí)，破除產(chǎn)業(yè)格局，跨行業(yè)、跨地區(qū)配置資源，形成煤炭-能源-化工一體化產(chǎn)業(yè)鏈，提高煤化工技術(shù)的利用效果，加速革新?lián)Q代，降低開發(fā)及加工成本，加強(qiáng)相關(guān)企業(yè)之間的聯(lián)合，形成新型產(chǎn)業(yè)。

      三是推進(jìn)煤化工與關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。目前，傳統(tǒng)煤化工和新型煤化工均存在資源利用率低的問(wèn)題，未來(lái)發(fā)展將朝向多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，采取煤化電熱一體化，推動(dòng)煤化工與石油化工等產(chǎn)業(yè)融合，充分利用資源，提高綜合能效。例如，與石油化工融合，將液化的中間產(chǎn)物作為原料應(yīng)用到煉油廠，通過(guò)相互優(yōu)化調(diào)和，不僅可以提高石油化工產(chǎn)品的質(zhì)量，也可以減少機(jī)動(dòng)車尾氣中污染物（CO₂、NOx 等）的排放；煤制天然氣與煤制甲醇、煤制烯烴等產(chǎn)業(yè)融合，可以充分發(fā)揮各產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整體的經(jīng)濟(jì)效益和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

4  結(jié)語(yǔ)

      總體來(lái)說(shuō)，煤化工技術(shù)在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展較快，目前已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，它的發(fā)展符合我國(guó)“富煤少油缺氣”的現(xiàn)狀，在經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中起著十分重要的作用。發(fā)展新型煤化工在我國(guó)得到了政策上的大力支持，具有很大的優(yōu)勢(shì)，決定了煤化工項(xiàng)目具有廣闊的發(fā)展前景，但是新型煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展給我國(guó)帶來(lái)機(jī)遇的同時(shí)也帶來(lái)了挑戰(zhàn)，金融動(dòng)蕩、石油價(jià)格、環(huán)境污染等限制了它的發(fā)展，我國(guó)必須要加大煤化工技術(shù)的開發(fā)力度，努力提高技術(shù)水平，形成規(guī)模效應(yīng)，大力推動(dòng)下游產(chǎn)品鏈結(jié)構(gòu)的發(fā)展，降低資源成本，提高在煤化工市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

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