煤化工技術應用及研究進展

堯章偉+魏志聰+代宗

摘要： 煤炭作為一種不可再生資源，其化工產(chǎn)品被廣泛應用于化工、冶金、電力和國防等眾多領域。能源的匱乏及資源的日益減少，使得煤化工越來越受到人們的青睞。與此同時，煤化工技術的發(fā)展也愈來愈引起重視。本文回顧了：煤焦化、煤氣化、煤液化三大煤化工技術。詳細介紹了煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制天然氣等新型煤化工技術。概述了三大煤化工技術的作用原理以及存在的問題，國內(nèi)外新型煤化工技術在實際生產(chǎn)中的應用情況及研究進展。提出未來煤化工技術的發(fā)展，應順應趨勢加快精細化、大型化發(fā)展的步伐。指出了在精細化、大型化的發(fā)展趨勢下，未來應重點研究開發(fā)聯(lián)產(chǎn)技術、多元化產(chǎn)品、高新技術，旨在解決產(chǎn)能過剩、產(chǎn)品雷同、能源轉化率低等問題。

Abstract： Coal， as a kind of non-renewable resource， its chemical product is widely used in chemical industry， metallurgy， electric power industry and defense industries， etc. The lack of energy and the ever-decreasing resources make coal chemical more and more popular. At meanwhile， more and more attention also has been paid to the development of coal chemical industry. This article reviewed the coal coking technology， coal gasification technology and coal liquefaction technology. A detailed description is given on several new technologies， including coal to oil， coal to olefin， coal to glycol， coal to gas. Based on the systematic exposition of the basic principles and existential questions of the three technologies， research progress and practical application of new coal chemical industry at home and abroad is described. It proposes that the future development of coal chemical industry should comply with the trend to speed up the pace of refinement and large scale development， and the future research should focus on the development of co-production technology， diversified products， high and new technology， aimed at resolving the problem of excess production capacity， products identical and low energy conversion.

關鍵詞：煤炭；化工；進展

Key words： coal；coal chemical industry；technical advance

中圖分類號：TQ54；TQ049 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）18-0091-04

0 引言

我國的化石能源結構呈富煤缺油少氣。據(jù)中國礦產(chǎn)資源報告（2016年）最新發(fā)布的數(shù)據(jù)：中國為世界上第一大能源生產(chǎn)和消費國。一次能源生產(chǎn)總量為177.2億噸標準煤，較“十一五”增長28%；原煤產(chǎn)量192億噸，增長30.2%，原油產(chǎn)量10.5億噸，增長9.7%，天然氣產(chǎn)量5941億立方米，增長52.7%；一次能源消費總量為206.2億噸標準煤，增長27.7%。自給率達到85%以上。由此可知，我國能源生產(chǎn)和消費仍以煤為主[1，2]。我國多煤缺油少氣，發(fā)展低能高效煤化工技術是符合我國國情的重要舉措，對保證我國能源的可持續(xù)發(fā)展意義重大。

煤炭作為一種不可再生礦產(chǎn)資源，被賦予黑色的金子，工業(yè)的食糧的美名。因工業(yè)用途不同，被劃分為動力煤，煉焦煤，煤化工用煤。換句話來說，煤炭資源不僅可以作為燃料，通常也可作為原材料制備冶金的焦炭及一系列化工產(chǎn)品。煤炭與工業(yè)生產(chǎn)及人類日常生活息息相關。隨著科學技術的不斷革新，煤炭資源已成為21世紀推動我國國民經(jīng)濟建設、可持續(xù)發(fā)展不可或缺的原料之一。如何提高煤炭的利用率至關重要。因此，如何開展好煤化工技術研究工作也隨之成為關系到國民生計的核心問題。鑒于此，本文對煤化工技術發(fā)展現(xiàn)狀進行展望，旨在為今后推進煤化工技術提供參考和借鑒。

1 煤礦資源概況

煤炭呈黑色或黑褐色，一般為粒狀、塊狀，也有粉狀的。作為一種固體可燃有機巖，其中，其中有機質(zhì)元素主要由C、H、O、N和S等組成，除此之外，也會含極少量的P、F、Cl和As等元素。而S、P、F、Cl和As卻是煤炭中的有害成分，其中以S最為嚴重。除了含硫量影響冶金焦炭及鋼鐵質(zhì)量外，SO2因污染大氣，危害人畜健康，腐蝕金屬設備等原因，通常被稱為有害氣體。因此，“硫分”的多少是評判煤質(zhì)的主要指標之一。

我國煤礦資源儲量及產(chǎn)量均處世界前幾位[3]。根據(jù)國土資源部2016年公布的最新數(shù)據(jù)：中國是世界上煤產(chǎn)量最高的國家。截至2015年底，煤炭查明資源儲量15663.1萬億噸，可采儲量占世界的12%，僅次于美國（25%）和俄羅斯（23%）。目前，我國煤礦資源主要分布在內(nèi)蒙古、山西、陜西、寧夏、甘肅、河南等西北地區(qū)，其煤總量占我國煤炭資源量的50%?！笆晃濉逼陂g，根據(jù)我國能源結構明確了“煤為基礎、多元發(fā)展”的基本方略。“十二五”期間，煤炭工業(yè)結構調(diào)整、產(chǎn)業(yè)轉型基本完成?，F(xiàn)階段，中國煤炭工業(yè)的發(fā)展主要以煤化工為主。

2 煤化工技術[4-9]

煤化工技術是指基于物理及化學手段將煤轉化為氣體、液態(tài)、固體作為燃劑或一系列化工化學原料及產(chǎn)品的的技術。依照生產(chǎn)工藝的差異，煤化工技術大致被劃分為三大類：煤焦化、煤氣化、煤液化。

2.1 煤焦化技術

煤焦化技術也被稱為干餾技術，其目的是為了獲得焦化石化產(chǎn)品。煤焦化技術的本質(zhì)為：真空熱解。即在真空條件下，對煤炭進行高強度的熱分解處理，再經(jīng)過一次或多次深度加工便可產(chǎn)出不可替代、獨一無二的焦化產(chǎn)品、氣化產(chǎn)品、液化產(chǎn)品及合成產(chǎn)品。此類產(chǎn)品被推廣于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥等眾多行業(yè)。

煤焦化技術的革新是關系到煉焦行業(yè)能否可持續(xù)發(fā)展的重要因素，也是創(chuàng)建低能耗、大型化、綠色環(huán)保型焦化廠的基礎。目前我國煤焦化技術主要存在：資源利用率低且獲得的產(chǎn)品單一、工藝復雜、設備生產(chǎn)效率低、能源消耗大等問題。湯志剛[10]等介紹了一種焦油常減壓新工藝。該工藝采用負壓精餾和換熱網(wǎng)絡，不僅同時降低加工溫度及廢水的排放，也可使餾分收率提高3～5%。針對煤焦化過程中設備存在的問題，趙偉喆[11]介紹了一種經(jīng)過改進精餾塔內(nèi)件設備獲得較好的效果。該設備不僅可以有效提高煤焦化精餾過程的效率，也可滿足煤焦化精餾過程精細化、大型化。由此可知，未來煤焦化技術應向著產(chǎn)業(yè)和設備大型化發(fā)展。

2.2 煤氣化技術

國內(nèi)的煤氣化技術相對比較成熟，煤炭氣化被推廣應用于機械、化工、燃氣等領域。煤氣化技術的基本原理為[8，10]：選用煤炭或煤焦作為原料，在添加了氣化劑（空氣、水蒸氣或二氧化碳）的高溫環(huán)境下，使原材與化學藥劑充分作用發(fā)生化學反應，使之轉化為氣體混合物。因熱分解過程中的氣態(tài)物體均能與熱碳發(fā)生均相反應，從而氣化爐內(nèi)自上而下依次形成了灰層與氫化帶、還帶、干餾帶、干燥帶等不同的煤層，粗煤氣經(jīng)凈化及加工后便可得到各類化學產(chǎn)品。

煤氣化技術作為制烯烴、合成燃料等現(xiàn)代煤化工的基礎，開發(fā)和研究煤氣化技術具有重大意義。目前我國煤氣化技術存在工藝繁瑣、裝備選擇性差、處理量小、能量轉化率低等問題。目前較為成熟的煤氣化技術主要有固定床、流化床、氣流床及煤催化氣化等幾類。近幾年國內(nèi)外學者[12-16]對煤氣化技術進行探討均認為：未來煤氣化技術將向著高效、綠色環(huán)保的方向發(fā)展；進一步研發(fā)大型化、高效率、選擇性強煤氣化裝置。

2.3 煤液化技術

煤焦化技術、煤氣化技術相比。煤液化技術有著更為寬泛的發(fā)展領域，有望創(chuàng)造更加有益的經(jīng)濟效益。與煤氣化技術作用機理相似。煤液化按照生產(chǎn)條件不同大致劃分為間接液化與直接液化兩種煤液化技術。其實質(zhì)為：以固體煤轉為加工原材，采用必要的手段將煤炭中的各類有機物轉換成具有流體性質(zhì)的液體。間接液化與直接液化生產(chǎn)工藝如圖1[17，18]。

煤直接液化工藝對原料的硬度和質(zhì)量要求比較高，因而僅部分青煤適用于直接液化。此外機械磨損率高、雜質(zhì)含量較高、加工及除雜成本高等因素限制了煤直接液化技術的發(fā)展。與煤直接液化技術相比，間接液化工藝對原料的選擇性比較好，加工工藝及反應條件均較為簡單。但也存在原料消耗大（4.5～5.5t原煤僅產(chǎn)1t左右成品）、產(chǎn)生的廢水量大，占地面積大等缺點。無論在國內(nèi)外煤液化技術都是緩解燃料不足的重要舉措。從而大力發(fā)展我國的煤液化技術不僅可以緩解石油供不應求所帶來的壓力，也是平衡我國能源結構的有效手段。由此可知，根據(jù)工藝條件，未來煤液化技術應向研發(fā)更為有效的催化劑、溶劑等新型藥劑、低能高效新型設備及聯(lián)合其他工藝提高生產(chǎn)效率的方向發(fā)展。

3 新型煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代新型煤化工是基于C1化工技術，以煤炭為基料，以生產(chǎn)滿足市場需求的產(chǎn)品為方向，選用交友工藝方案結合先進技術手段，建立一條綠色、環(huán)保、高效、經(jīng)濟效益顯著的產(chǎn)業(yè)鏈。新型煤化工技術包括煤制烯烴、煤制油、煤制乙二醇、煤制天然氣等技術[1]。在傳統(tǒng)煤焦化、合成氨的基礎上，旨在生產(chǎn)含雜質(zhì)少的清潔能源、建立煤炭-化工聯(lián)合技術、采用適應性強高新技術及開創(chuàng)大型化生產(chǎn)平臺。下面對近年來國內(nèi)外在煤制油、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制天然氣等重點領域的技術進展進行論述。

3.1 煤制油

依據(jù)生產(chǎn)技術路線的差異，煤制油被分為煤直接液化、煤間接液化、煤焦油加氫及煤油共煉技術。目前煤制油技術中先進的直接液化集中在德國、美國、日本等。其中IGOR工藝、DEDOL工藝、HTI的兩段催化液化工藝最為先進。此外我國神華集團已于2008年建成108萬t/a煤直接液化裝置且運行平穩(wěn)，經(jīng)濟效益顯著，可產(chǎn)油品約200萬t/a；間接液化技術國外較為成熟的有費托合成技術、SMDS技術、MTG技術等。迄今為止，南非等多地已建成以煤基合成油品為核心的大型煤化工產(chǎn)業(yè)基地。我國間接液化技術則主要依托于中科合成油公司自主開發(fā)的低溫費托合成有技術。在陜西、內(nèi)蒙古、山西等西北多地區(qū)已建成大規(guī)模大型化間接液化煤制油示范工業(yè)園區(qū)[18，19]。

與煤直接液化、煤間接液化技術相比，煤焦油加氫及煤油共煉技術相對而言應用范圍相對比較窄，在國內(nèi)尚處于探索適應初級階段，截止2016年上半年，采用較為成熟的煤焦油加氫裂化工藝、加氫裂化工藝及加氫精制-加氫裂化工藝等煤焦油加氫技術在上海、撫順、陜西等地投產(chǎn)，初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；煤油共煉技術則是依托直接液化技發(fā)展的一項煤制油技術。以陜西延長石油集團在2014年首次投建的煤油共煉工業(yè)示范裝置為例[1，13，19]。該項目已建成世界級首套在45萬t/a的Y-CCO，并在初調(diào)試獲得了成功。該技術也是我國在世界處于領先水平的煤制油技術之一。

3.2 煤制烯烴（MTO）

烯烴類作為基本原料，其產(chǎn)量、質(zhì)量及制烯烴技術均對化工行業(yè)的發(fā)展起至關重要的作用，同時也是評判一個國家石化工業(yè)及國民經(jīng)濟水平的基準。結合我國富煤少油缺氣的能源結構特點，推行發(fā)展以煤制烯烴替代石油的舉措，對促進我國資源配置及可持續(xù)發(fā)展意義非凡。

目前，國外多半采用煤基甲醇制烯烴，最為經(jīng)典為采用MTO 技術和MTP技術制取乙烯和丙烯[14，15]。煤基甲醇制烯烴作用機理為：選用煤氣化合成的甲烷，基于流化床反應形式經(jīng)催化裂化，產(chǎn)出含碳比較少的烯烴。其發(fā)生反應過程本質(zhì)如圖2[16]。

近幾年來，我國的煤制烯烴技術發(fā)展現(xiàn)狀，吳秀章[16]以神華包頭煤制低碳烯烴示范工程為例介紹了我國我國的煤制烯烴技術最新進展。同時項東等[18]也對我國科研所、高校及化工企業(yè)對UOP/Hydro MTO工藝、DMTO工藝、SMTO工藝、Lurgi MTP技術及FMTP工藝五大煤制烯烴技術的優(yōu)化、改進等也進行了詳細介紹。截止2015年，我國已實現(xiàn)了煤制低碳烯烴的工業(yè)化；擁有多項較為成熟的自主知識產(chǎn)權的技術；掌握了解決煤制甲醇工藝中存在的系統(tǒng)配置、火炬系統(tǒng)集成及高壓氮氣配置問題的技術；已擁有較為系統(tǒng)的從煤到甲醇、甲醇到乙烯、丙烯的工業(yè)化生產(chǎn)煤制烯烴路線。

此外我國還是較早研究煤制芳烴的國家之一，且擁有了較為成熟的核心技術，煤制芳烴處于世界領先水平。目前已擁有多項具有自主知識產(chǎn)權的相關技術[13]，涉及固定床甲醇制芳烴技術（MTA）、循環(huán)流化床甲醇制芳烴技術、全球首套萬噸級甲醇制芳烴工業(yè)試驗裝置等，對促進我國煤制烴技術的發(fā)展具有指導性意義。

3.3 煤制乙二醇（MEG）

MEG作為重要的有機化工原料，被廣泛應用于各個領域。隨著聚酯行業(yè)的快速發(fā)展，對MEG的需求與日俱增。作為乙二醇生產(chǎn)及消費大國，而我國的乙二醇仍舊依托于石油生產(chǎn)。因此我國煤代油制乙二醇具有很大的發(fā)展空間[19]。

煤合氣制乙二醇技術主要有直接高壓法、甲醇甲醛法、草酸酯法等。其中，草酸酯法因其工藝及反應條件不苛刻，且具有一定的技術優(yōu)勢、市場較為廣泛自然而然成為研究煤制乙二醇技術最為熱門的方向。國外草酸酯技術研究始于20世紀70年代，日本、美國的煤合氣制乙二醇技術最具代表性。日本Ube的CO高壓液相催化法合成草酸二丁酯技術已投產(chǎn)應用了40多年。此外，日本、美國、意大利等多家企業(yè)相繼開展了常壓氣相合成草酸二酯新工藝研究。此外，對以銅元素為主的催化劑的探索成功，可使乙二醇的收率大于95%[20-22]。

目前，國內(nèi)對煤合氣制乙二醇技術的研究也于上世紀80年代開始并取得了一定的效果。最有工業(yè)化前景的煤制乙二醇技術是氧化偶聯(lián)法（兩步間接合成法）[23]，也是研究最為深入的。以中科院、天津大學等科研單位為代表的研究最為廣泛和深入，目前部分煤代油制乙二醇技術均可投入工業(yè)化。但目前我國的煤合氣制乙二醇技術尚不成熟，存在設備效率低，投資成本大、雜質(zhì)含量大等一些原因?qū)е轮迫〉囊叶籍a(chǎn)品質(zhì)量不高。因而如何提高生產(chǎn)效率，改善產(chǎn)品的UV值，繼續(xù)發(fā)展下游產(chǎn)品成為未來煤合氣制乙二醇技術發(fā)展亟待解決的關鍵問題。

3.4 煤制天然氣（SNG）

天然氣被譽為清潔能源，具有使用安全，熱值高，無污染等特點。據(jù)中國礦產(chǎn)資源報告（2016）公布的數(shù)據(jù)來看：我國天然氣產(chǎn)量5941億立方米，增長52.7%。而我國天然氣儲量卻很貧乏，天然氣地質(zhì)資源量90萬億立方米，但可采資源量卻只有50萬億立方米，僅占世界總儲量的1.3%，但產(chǎn)量卻居于世界第六位[1，24]。綜合考量我國資源綜合利用及可持續(xù)開采等問題，開展煤制天然氣技術是緩解資源不足的重要手段。

煤制天然氣本質(zhì)[25]是以煤為原料，生產(chǎn)出以甲烷為主要成分與天然氣等價、等熱值的清潔能源的過程。國內(nèi)外對煤制天然氣的研究相對其他煤化工技術較晚。但與其他煤化工技術相比，該技術具有工藝流程簡單、投資少、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)生的廢氣、廢水等污染少以及廢熱循環(huán)利用等優(yōu)點，受到國內(nèi)研究學者的一致青睞，且市場空間更大。

煤制天然氣依據(jù)生產(chǎn)程序的復雜性可劃分為：“一步法”和“兩步法”兩大工藝[26-28]。據(jù)報道“一步法”煤制天然氣技術也稱藍氣技術，因美國巨點能源公司（Great Point Energy）研發(fā)的催化蒸汽甲烷化技術而得名。與一步法相比，因技術更為成熟、甲烷轉化率高的原因兩步法應用范圍更廣。我國首個煤制天然氣工業(yè)化項目已于2013年年底投入產(chǎn)業(yè)化實行規(guī)模化生產(chǎn)。但兩步法存在對煤質(zhì)要求高、工藝流程較為復雜、設備成本高等問題，推動了藍氣技術的工業(yè)化建設。我國擬在新疆等地采用藍氣技術建設煤制天然氣工業(yè)試驗。此外，多個科研單位也從未停止對煤制天然氣技術研究[28]，現(xiàn)有耐高溫水熱穩(wěn)定性的完全甲烷化催化劑技術、“合成氣完全甲烷化成套工藝技術”、M-849H型甲烷化催化劑技術、煤制天然氣甲烷化工藝技術等多項先進技術。

4 結語與展望

煤作為能源型國家戰(zhàn)略性資源，煤化工技術的發(fā)展關系到國民生計、國家經(jīng)濟建設。大力開發(fā)煤化工是民之所向，大勢所趨。近幾年，在國家戰(zhàn)略方針的推行下我國現(xiàn)代煤化工技術已基本形成雛形并部分已投入運行，具有一定的工業(yè)化規(guī)模。今后我們應順應趨勢，加快煤化工大型化、精細化發(fā)展的步伐。具體實施方案為：開發(fā)聯(lián)產(chǎn)技術：可揚長避短利用各類技術優(yōu)勢，多種煤化工技術集成互補；以煤化工技術為基礎，輔助化工生產(chǎn)技術，尋求最優(yōu)單聯(lián)產(chǎn)及多聯(lián)產(chǎn)煤-化工聯(lián)合技術實現(xiàn)資源合理配置。產(chǎn)品多元化：可對煤焦油進行深加工、開發(fā)新型煤基化學品、精細化中間體或開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈下游產(chǎn)品。采用高新技術：為推動產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，技術革新也一種必要的有效途徑。可尋求來源廣，價格便宜，可重復或高效的催化劑來降低投資成本、研發(fā)高效設備、開發(fā)對煤種適應性強的技術、簡化生產(chǎn)工藝來提高生產(chǎn)效率。以上均可促進未來煤化工工業(yè)精細化、大型化發(fā)展。

此外，目前煤化工精細化發(fā)展仍存在以下問題亟待解決：①能源轉換率低。煤化工的本質(zhì)為用不可再生資源煤替代不可再生資源石油，卻存在能源利用效率低的問題。因此未來開展完善、優(yōu)化工藝流程、研發(fā)高效設備刻不容緩。②水資源短缺。我國煤礦資源呈北富南貧，西多東少分布。煤化工工業(yè)主要集中在西北地區(qū)，煤化工作為高耗水行業(yè)需要豐富的水資源支撐，而西北部干旱且缺水，限制了工業(yè)化大型化建設。研發(fā)回水利用、水權置換、節(jié)水工藝及設備的技術勢在必行。③廢氣、廢水排放。目前我國煤化工仍處于工業(yè)化初級階段，受環(huán)保壓力，面臨廢水、廢氣減排的壓力。為響應國家節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的宗旨，應加大力度實行廢水凈化處理技術及用于CO2封存或利用的CCS技術等的研發(fā)。④節(jié)能降耗。普遍存在設備高能耗低效率、投資及設備成本高的問題，應著手開展新型研發(fā)設備、尋求環(huán)境友好、高效催化劑及低能耗高效率生產(chǎn)工藝及技術探索等工作。

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