煤化工生產(chǎn)過程多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研究進展

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(中海油 新能源投資有限責任公司 新能源研究院，北京 100016)

煤化工生產(chǎn)過程多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研究進展

門秀杰，崔德春，于廣欣，金陽

(中海油 新能源投資有限責任公司 新能源研究院，北京 100016)

煤化工產(chǎn)業(yè)具有投資大、技術(shù)不夠成熟等特點，單一產(chǎn)品技術(shù)路線導致較大的經(jīng)濟風險，因此在生產(chǎn)過程中實施多聯(lián)產(chǎn)非常必要。本文對煤化工生產(chǎn)過程中多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研究進展進行了評述，主要包括以合成氨為基礎(chǔ)、以煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)為基礎(chǔ)、以煤制天然氣為基礎(chǔ)、以低階煤利用為基礎(chǔ)等的聯(lián)產(chǎn)過程。分析認為，大多數(shù)過程仍然沒有擺脫將單一技術(shù)進行簡單堆砌排布的思路，指出未來需要注重在生產(chǎn)過程中工藝單元、中間產(chǎn)物、目標產(chǎn)品市場等方面的互補，開發(fā)高效、靈活的多聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)模式。同時，應(yīng)加大對單一煤化工技術(shù)的研發(fā)力度，為實施煤化工多聯(lián)產(chǎn)提供支持。

煤化工;多聯(lián)產(chǎn);互補;研究進展;評述

中國化石能源的稟賦為“缺油、少氣”，煤炭資源相對豐富。在中國，依靠現(xiàn)代煤化工技術(shù)，由煤炭生產(chǎn)附加值更高的下游產(chǎn)品，如燃料油、化工基礎(chǔ)原料等，符合國家的能源安全戰(zhàn)略[1]。在高油價時代，煤化工產(chǎn)業(yè)更加具有競爭力，將成為石油化工產(chǎn)業(yè)的有益補充[2-3]。進入21世紀以來，中國政府相繼批準了多項煤化工示范項目，通過示范項目開展與運營，進一步推進我國煤化工產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新和技術(shù)升級，提升煤炭資源轉(zhuǎn)換效率和綜合利用水平[4]。

但是，大多數(shù)煤化工項目存在投資大、能效不高等問題，按照單一產(chǎn)品生產(chǎn)的模式存在較大的市場風險[5-6]。應(yīng)將不同工藝進行多聯(lián)產(chǎn)，在產(chǎn)品類型、能量利用、污染物處理等方面實現(xiàn)優(yōu)化組合、優(yōu)勢互補[7-8]。在國家“十二五”煤炭深加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策中，鼓勵不同工藝技術(shù)和生產(chǎn)過程之間的耦合、集成，意義正在于此[9]。

1 多聯(lián)產(chǎn)概述

多聯(lián)產(chǎn)是以炭質(zhì)原料氣化或液化技術(shù)為“龍頭”，對多個轉(zhuǎn)化技術(shù)進行組合優(yōu)化，實現(xiàn)多種產(chǎn)品生產(chǎn)，并充分利用過程能量的化工—能源系統(tǒng)。發(fā)展煤化工多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，就原料而言，可以是煤、煤層氣、伴生礦物的加工利用相結(jié)合；就工藝而言，可以將煤化工、發(fā)電、建材、冶金等相結(jié)合；就產(chǎn)品而言，可以是液體燃料、化學品、煤氣、電力、熱能等的關(guān)聯(lián)生產(chǎn)。聯(lián)產(chǎn)方式既可以是“并聯(lián)”，也可能是“串聯(lián)”，還有可能是更加復雜的組合方式。

理想的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有安全穩(wěn)定、節(jié)能降耗、清潔生產(chǎn)等特點[10]。因為煤炭組成和性質(zhì)復雜、加工工藝流程長，因此，煤化工多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)有很大的發(fā)展空間，代表了未來的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[11]。

2 煤化工多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)研究進展

煤化工產(chǎn)業(yè)實施多聯(lián)產(chǎn)發(fā)軔于化工企業(yè)多種產(chǎn)品的聯(lián)產(chǎn)和能量集成利用，如合成氨聯(lián)產(chǎn)甲醇工藝，后來一些煤電集團在發(fā)展電力的同時，大舉介入化工行業(yè)，因此，開始在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)、低階煤梯級利用等領(lǐng)域引入了多聯(lián)產(chǎn)的思路，以突破單一行業(yè)的局限，提高能效，增強經(jīng)濟性。

2.1 以合成氨為基礎(chǔ)的聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

在一段時期內(nèi)，針對中小型氮肥廠產(chǎn)品單一、經(jīng)濟效益低，而甲醇市場一度火爆的市場局面，通過技術(shù)改造聯(lián)產(chǎn)甲醇技術(shù)受到高度關(guān)注[12-14]。利用合成氨工業(yè)聯(lián)產(chǎn)甲醇，既可發(fā)揮氮肥廠以化肥為主、多種經(jīng)營的積極性，又為企業(yè)從甲醇出發(fā)，發(fā)展一系列高附加值下游產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)[15]。若利用合成氨過程中富余的二氧化碳生產(chǎn)純堿，可大幅減少二氧化碳排放。

合成氨聯(lián)醇工藝分為串聯(lián)工藝、并聯(lián)工藝和串-并聯(lián)工藝[16-17]。其中，串聯(lián)工藝在國內(nèi)應(yīng)用最多，只需在合成氨工序的甲烷化塔之前串聯(lián)甲醇合成系統(tǒng)，即可實現(xiàn)同一裝置得到兩種產(chǎn)品。串聯(lián)工藝比較容易實現(xiàn)技術(shù)改造，變換和甲烷化工序的負荷降低，但是全氣量通過甲醇合成塔，對脫硫要求高，影響甲醇合成催化劑的壽命，而且醇、氨產(chǎn)能相互制約。并聯(lián)工藝改進了醇、氨相互影響的問題，甲醇合成單獨一條生產(chǎn)線，但是新增投資大，也不能利用馳放氣中殘留的CO。串-并聯(lián)工藝對上述兩種工藝進行了改進，原料氣共同處理，然后兩個合成流程并聯(lián)，但是工藝比較復雜，新增投資也很大。

2.2 以IGCC為基礎(chǔ)的聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

IGCC技術(shù)是超清潔、高效發(fā)電技術(shù)，其發(fā)電效率可達43%～45%，在國內(nèi)首先在石化行業(yè)獲得成功，具有污染物排放低、節(jié)能節(jié)水等優(yōu)勢[18]，但是存在投資費用高、操作不夠靈活的缺點。采用IGCC與煤化工聯(lián)產(chǎn)，實現(xiàn)物料、能量的總體優(yōu)化，使裝置的能源利用效率提高，單一項目的經(jīng)濟效益改善，污染物排放減少。IGCC聯(lián)產(chǎn)產(chǎn)品有甲醇、氫氣、油品等，可以為下游的化工產(chǎn)業(yè)提供基本原料。

美國采用IGCC發(fā)電聯(lián)產(chǎn)氫氣。山東某集團的多聯(lián)產(chǎn)示范裝置，以24萬t甲醇輔以60MW級IGCC發(fā)電[19]，運行結(jié)果表明，系統(tǒng)總能效比分產(chǎn)高3.14%。進一步將甲醇裝置與甲醇制丙烯(MTP)裝置多聯(lián)產(chǎn)，則有望進一步提高項目的整體收益。研究表明[20]，若IGCC與煤制油聯(lián)合，把傳統(tǒng)的費托合成尾氣大量循環(huán)的方式改為一次通過方式，不循環(huán)的低熱值尾氣作為IGCC燃料，綜合能效可以達到60%，高于單獨發(fā)電(40%)或單獨合成油(50%)。

但是IGCC本身屬于一個復雜的系統(tǒng)工程，對設(shè)備、過程控制要求高，而且需要解決行業(yè)壟斷、技術(shù)與市場之間的轉(zhuǎn)移等問題[21]。因此，在一定程度上，多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)推動了IGCC技術(shù)的發(fā)展。但是，目前投入應(yīng)用的項目仍然較少。

2.3 以煤制天然氣為基礎(chǔ)的聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

煤制天然氣(SNG)技術(shù)，是將低階煤氣化制造合成氣，然后合成氣轉(zhuǎn)化為甲烷，用作替代傳統(tǒng)天然氣的氣體燃料的過程。國家先后在內(nèi)蒙、新疆等地規(guī)劃審批了數(shù)個SNG項目。但是，SNG項目生產(chǎn)的甲烷成本價格較高，技術(shù)經(jīng)濟性是影響該技術(shù)開展的重要因素，另外，SNG屬于氣態(tài)產(chǎn)物，不利于儲存，而國內(nèi)城市燃氣的用氣季節(jié)性、時段性非常不均衡，天然氣調(diào)峰難題亟待解決。

在發(fā)展儲氣庫、天然氣發(fā)電等調(diào)峰技術(shù)的同時，采用煤制天然氣工廠生產(chǎn)過程調(diào)峰也逐漸受到關(guān)注。通過優(yōu)化建設(shè)方案，在天然氣需求淡季，將過剩產(chǎn)能用于聯(lián)產(chǎn)液體燃料、化工品等，能夠同時解決SNG項目技術(shù)經(jīng)濟性和城市天然氣調(diào)峰兩個方面的問題[22]。目前，國內(nèi)已經(jīng)提出了眾多研究方案[23-29]，包括多聯(lián)產(chǎn)催化劑開發(fā)、新工藝設(shè)計等，但是仍然處于概念設(shè)計階段或?qū)嶒炇已芯侩A段，未有應(yīng)用報道。隨著國內(nèi)SNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，SNG多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)將受到更大重視，屬于未來煤化工技術(shù)的重點發(fā)展方向之一。

2.4 以低階煤利用為基礎(chǔ)的聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

以低階煤，如褐煤、長焰煤等為原料，將熱解、氣化、燃燒、合成等過程有機結(jié)合，把煤炭中的揮發(fā)分轉(zhuǎn)化為具有較高附加值的焦油、烯烴、粗苯和煤氣，把半焦作為氣化、電石化、鍋爐等的原料。焦油直接作為燃料或通過加氫制取高品質(zhì)油品，煤氣通過凈化、轉(zhuǎn)化、合成等工序生產(chǎn)燃料油、化工品。過程中產(chǎn)生的氣體、液體等進行集中處理，將煤炭資源有效組分進行最大程度地轉(zhuǎn)化，全生命周期污染物排放大幅度減少，最終實現(xiàn)焦化、煉化、間接合成等工藝技術(shù)的有機結(jié)合，實現(xiàn)煤、氣、油綜合利用[30-32]。近年來受產(chǎn)業(yè)重視的園區(qū)化發(fā)展模式，正基于綜合利用、集中處理的思路。若在煤化工園區(qū)內(nèi)形成某種更加靈活的聯(lián)產(chǎn)機制，產(chǎn)品根據(jù)市場情況靈活調(diào)節(jié)，各個企業(yè)的經(jīng)濟效益將實現(xiàn)最大化、平穩(wěn)化[33-34]。

但是本質(zhì)上而言，低質(zhì)煤的梯級綜合利用，只是將單一產(chǎn)業(yè)鏈進行了延長，對一次產(chǎn)品進行了深加工。因此，按照各梯級組分的“權(quán)重”計算，整體能量利用效率有多大程度提高尚有待商榷。若進行跨行業(yè)多聯(lián)產(chǎn)，把相關(guān)行業(yè)的有效資源加以充分利用，實現(xiàn)物盡其用，則更有望實現(xiàn)1+1>2的模式，但是這有賴于區(qū)域性的資源稟賦。如陜北某些企業(yè)，同時將石油、天然氣、煤化工進行耦合加工，實現(xiàn)碳氫互補與平衡，資源利用率明顯提高。

2.5 其他聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

陳克玲等[35]基于F-T合成、改進的F-T合成(MFT)技術(shù)的產(chǎn)品特點，提出油-煤氣聯(lián)產(chǎn)、油-芳烴聯(lián)產(chǎn)、油-蠟-煤氣聯(lián)產(chǎn)等思路。由于二甲醚既可以做燃料，又可以做化工原料等特殊性質(zhì)，也有合成氨聯(lián)產(chǎn)二甲醚的研究報道[36-37]。還有對水泥與煤氣化聯(lián)產(chǎn)工藝技術(shù)研究[38-39]，將水泥生產(chǎn)和用純氧、CO2作氣化劑制CO技術(shù)進行聯(lián)合。此外，煤氣化還可以與冶金工藝聯(lián)產(chǎn)，生產(chǎn)海綿鐵后的剩余合成氣直接用于生產(chǎn)化工品。

3 總結(jié)與展望

利用煤炭生產(chǎn)替代能源或者化工原料是能源升級換代過渡期的重要途徑。煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)模化效應(yīng)明顯，投資大，但是，對于單一目標產(chǎn)品的工藝路線而言，必然存在較大的市場經(jīng)濟風險，從而有必要對多個工藝路線進行集成優(yōu)化、實施生產(chǎn)過程多聯(lián)產(chǎn)。

目前開展的煤化工生產(chǎn)過程多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)路線，主要包括以合成氨為基礎(chǔ)、以IGCC為基礎(chǔ)、以煤制天然氣為基礎(chǔ)、以低階煤利用為基礎(chǔ)等的聯(lián)產(chǎn)模式。但是，大多數(shù)研究和項目實施仍然沒有脫離將單一技術(shù)進行簡單堆砌排布的思路，因此能否實現(xiàn)“1+1>2”的效果有待商榷。理想的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)路線是結(jié)合原料組成和性質(zhì)、產(chǎn)品市場選取生產(chǎn)工藝，并注重多個生產(chǎn)工藝在工藝單元、中間產(chǎn)物、目標產(chǎn)品市場變化等方面的互補性。多聯(lián)產(chǎn)作為一種關(guān)系未來發(fā)展的產(chǎn)業(yè)模式，需要做許多技術(shù)、工程、系統(tǒng)管理等研究工作，以推進這一先進模式的完善，盡早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)示范應(yīng)用，為煤炭的高效、清潔利用做出貢獻。

煤化工多聯(lián)產(chǎn)過程，是對幾個或數(shù)個單一技術(shù)進行集成優(yōu)化的過程。若無成熟的單一技術(shù)作為支撐，多聯(lián)產(chǎn)過程只能是空談。所以，應(yīng)該加大力量對單一煤化工技術(shù)進行研發(fā)。目前，以煤氣化為“龍頭”的現(xiàn)代煤化工技術(shù)正在日益受到產(chǎn)業(yè)的重視。雖然煤化工產(chǎn)業(yè)規(guī)劃都是雄心勃勃，但是在全球范圍內(nèi)，成熟的煤化工商業(yè)化裝置仍然為數(shù)不多。就中國而言，應(yīng)加大資金和政策支持力度，對關(guān)乎國計民生的能源技術(shù)，如煤制天然氣、煤制油等技術(shù)進行深入研發(fā)，不但能夠獲得單一技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)，也能促進多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。

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ResearchProgressofCo-productionduringCoal-chemicalIndustry

MEN Xiu-jie, CUI De-chun, YU Guang-xin, JIN Yang

(New Energy Institute, New Energy Investment Co., Ltd, CNOOC, Beijing 100016,China)

Coal-chemical processes are characterized by large investment during construction and not-enough maturity in technology. A single kind of products would lead to high economic risks,so it's importannt to carry out co-production to avoid the potential danger. Research progress of co-production during coal-chemical industry were reviewed, including co-production based on ammonia synthesis, integrated gasification combined cycles(IGCC), coal to synthetic nature gas,and low-rank coal utilization, etc.. The results showed that most processes were confined to stiffly pile up every single process together. Laying emphasis on synergetic effects among units, intermediate products and target product market fluctuation are important to develop high-efficient and flexible process. Meanwhile, paying more attention on R&D of certain single coal-chemical technology is fundamentally helpful for carrying out the co-production operation.

coal-chemical industry;co-production;mutual complementarity;research progress;review

2013-06-25修訂稿日期2013-07-19

門秀杰(1982～)，男，博士，工程師，從事煤炭氣化和合成氣轉(zhuǎn)化應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

TQ536.1;TQ519

A

1002-6339 (2014) 01-0048-03