煤制芳烴產(chǎn)業(yè)化進展及制約因素分析

賈 曌，孟憲玲

（中國石油化工集團公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京100029）

芳烴是重要的基礎(chǔ)有機化工原料，主要用于生產(chǎn)化纖、樹脂等材料，廣泛應(yīng)用于服裝、燃料、醫(yī)藥等領(lǐng)域。芳烴中最主要的成分是“三烯三苯”中的“三苯”，即苯、甲苯、二甲苯。其中需求量最大的物質(zhì)之一是對二甲苯（PX），主要用于制備精對苯二甲酸（PTA），再與乙二醇反應(yīng)生成聚對苯二甲酸乙二醇酯（聚酯、PET），主要應(yīng)用于纖維、瓶、膜等三大領(lǐng)域[1]。

生產(chǎn)芳烴的傳統(tǒng)方法是以石油為原料，通過催化重整、蒸汽裂解等過程得到重整生成油和裂解汽油，再經(jīng)過芳烴抽提等過程得到目的產(chǎn)物。世界范圍內(nèi)約95%的芳烴來自上述石油路線，剩余少量芳烴來自煤焦化副產(chǎn)物。我國石油制芳烴主要制約因素是原料石油的來源，我國一次能源結(jié)構(gòu)的特點是“富煤，少油，少氣”，石油僅占19%，石油產(chǎn)量無法滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，對外依存度連年攀升，2017年接近70%。過高的石油對外依存度會危及國家能源和經(jīng)濟安全，必須使之穩(wěn)定在一定水平之內(nèi)。

根據(jù)我國“富煤，少油，少氣”的獨特能源稟賦，建立煤制芳烴產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，一方面可以使芳烴來源多元化，形成石油制芳烴路線的有效補充，一定程度上降低石油對外依存度；另一方面促進傳統(tǒng)煤化工向清潔、綠色的現(xiàn)代煤化工轉(zhuǎn)型。

現(xiàn)代煤化工主要有5條路徑，分別是煤制油、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制乙二醇和煤制芳烴。目前，前4條路線都已有較為成熟的工業(yè)應(yīng)用，只有煤制芳烴還處于工業(yè)示范階段。

1 技術(shù)原理

目前，煤制芳烴最主要的2種技術(shù)是甲苯甲醇甲基化技術(shù)和甲醇芳構(gòu)化技術(shù)。煤經(jīng)煤氣化制備合成氣，合成甲醇，甲醇進一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為芳烴，再經(jīng)過芳烴聯(lián)合工藝得到對二甲苯等目的產(chǎn)物。前期煤制甲醇和后期芳烴分離轉(zhuǎn)化的步驟都已有成熟的技術(shù)，最關(guān)鍵且尚未完全工業(yè)化的過程是甲醇轉(zhuǎn)化為芳烴的步驟，也是2種技術(shù)最主要的區(qū)別所在[1-2]。

1.1 甲苯甲醇甲基化技術(shù)

甲苯甲醇甲基化技術(shù)的甲醇轉(zhuǎn)化過程與石油路線的甲苯歧化過程相似。甲苯歧化是甲苯和C9芳烴通過烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成二甲苯和苯，甲苯甲醇甲基化是甲苯和甲醇進行烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成二甲苯。甲醇的引入提高了甲苯的利用率，甲苯歧化技術(shù)中，生成1單位對二甲苯消耗2.5單位甲苯，而甲苯甲醇甲基化技術(shù)理論上生成1單位對二甲苯只需消耗1單位甲苯，且副產(chǎn)物苯較少。

1.2 甲醇芳構(gòu)化技術(shù)

甲醇芳構(gòu)化技術(shù)的甲醇轉(zhuǎn)化過程可分為3個步驟：第一步甲醇在催化劑酸性位上脫水生成二甲醚；第二步通過“烴池機理”生成第一個C–C鍵；第三步生成C3、C4低碳烯烴，并通過氫轉(zhuǎn)移、烷基化及縮聚反應(yīng)生成烷烴、環(huán)烷烴、高碳烯烴和芳烴。

2 產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，我國開始研究煤制芳烴技術(shù)。早期產(chǎn)物以烷烴為主，芳烴含量小，分離成本高，更適合作為油品添加劑。近年來，伴隨著煤制烯烴技術(shù)產(chǎn)業(yè)化并取得一定經(jīng)濟效益，我國的煤制芳烴技術(shù)進展迅速，處于世界領(lǐng)先水平。目前綜合水平較高、產(chǎn)業(yè)化前景較好的4種技術(shù)路線產(chǎn)業(yè)化進展情況如下[3-5]。

2.1 甲苯甲醇甲基化技術(shù)

2.1.1 中國石油化工集團公司（以下簡稱中石化）

2009年，中石化上海石化院開展固定床甲苯甲醇甲基化技術(shù)研究；2012年12月，對揚子石化20萬噸/年甲苯歧化裝置進行改造，建成20萬噸/年甲苯甲醇甲基化裝置，甲醇轉(zhuǎn)化率近100%，二甲苯選擇性大于80%；2014年6月，通過了中石化科技部組織的技術(shù)鑒定；2017年12月，揚子石化甲苯甲醇甲基化項目通過竣工驗收。

2.1.2 中科院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱大化所）

2012年7月，大化所與陜煤化集團建成甲苯甲醇制對二甲苯聯(lián)產(chǎn)低碳烯烴循環(huán)流化床技術(shù)的百噸級中試；2013年11月，陜煤化技術(shù)工程中心、中海油惠州煉油分公司與中石化洛陽工程公司簽訂了流化床甲苯甲醇制芳烴聯(lián)產(chǎn)低碳烯烴工業(yè)示范項目技術(shù)開發(fā)合作協(xié)議；2017年5月，通過了中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的成果鑒定，甲苯轉(zhuǎn)化率24%，甲醇轉(zhuǎn)化率83%，二甲苯中對二甲苯選擇性大于93%。

2.2 甲醇芳構(gòu)化技術(shù)

2.2.1 中科院山西煤炭化學(xué)研究所（以下簡稱山西煤化所）

2005年，山西煤化所與賽鼎工程有限公司開發(fā)了固定床甲醇制芳烴技術(shù)，甲醇轉(zhuǎn)化率大于99%，芳烴含量大于36%；2011年8月，寧夏慶華集團10萬噸/年芳烴并聯(lián)產(chǎn)烯烴示范項目獲發(fā)改委核準(zhǔn)；2012年2月，內(nèi)蒙古慶華集團10萬噸/年甲醇制芳烴項目投產(chǎn)，7月，10萬噸/年二期項目開工建設(shè)；2016年1月，陜西寶氮化工集團10萬噸/年甲醇制芳烴項目運行；2018年1月，山西省鵬飛新能源有限公司30萬噸/年甲醇制芳烴項目環(huán)境影響評價文件獲批復(fù)。

2.2.2 清華大學(xué)

2011年，清華大學(xué)與中國華電合作的萬噸級流化床甲醇制芳烴工業(yè)試驗裝置在陜西榆林開工；2013年1月，3萬噸/年中試裝置試車成功，甲醇轉(zhuǎn)化率大于99%，芳烴收率大于74%、副產(chǎn)部分氫氣和燃料氣；2013年3月，通過了國家能源局成果鑒定；2014年4月，華電集團計劃建設(shè)360萬噸/年上下游一體化煤制芳烴工業(yè)示范裝置，計劃總投資330億元；2018年1月，延長石油集團與華電煤業(yè)集團簽訂關(guān)于華電榆林煤基芳烴及配套煤礦項目合作意向協(xié)議書，標(biāo)志著雙方合作進入實質(zhì)性階段。

綜合上述各技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進展，將4種技術(shù)路線進行對比，見表1。甲苯甲醇甲基化和甲醇芳構(gòu)化技術(shù)均有固定床和流化床2種反應(yīng)器，4種路線甲醇轉(zhuǎn)化率均較高，但甲苯轉(zhuǎn)化率有待提升；甲苯甲醇甲基化技術(shù)的二甲苯和對二甲苯選擇性較高；同一種技術(shù)內(nèi)，流化床反應(yīng)器選擇性和收率比固定床反應(yīng)器高，但兩者都有待提升，特別是附加值最高的對二甲苯的收率，將直接影響工藝的經(jīng)濟性；固定床反應(yīng)器裝置較為簡單，產(chǎn)業(yè)化進程稍快，目前已實現(xiàn)十萬噸級成功運行，流化床反應(yīng)器目前還處于百噸和萬噸級別。工業(yè)試驗裝置和示范裝置的成功運行，一方面證明了煤制芳烴技術(shù)的可行性，但另一方面放大至可以盈利的百萬噸級工業(yè)裝置的過程中可能面臨取熱移熱、穩(wěn)定性等放大問題。

表1 煤制芳烴技術(shù)對比

3 制約產(chǎn)業(yè)化因素分析

3.1 技術(shù)因素

中石化和山西煤化所均采用固定床反應(yīng)器，面臨的主要問題是固定床可實現(xiàn)的裝置規(guī)模較小，而后續(xù)芳烴加工裝置規(guī)模較大。例如，一般芳烴聯(lián)合裝置的經(jīng)濟規(guī)模為60萬噸/年（PX），所以兩者很難進行經(jīng)濟性匹配。如采取多套甲醇制芳烴裝置配一套芳烴聯(lián)合裝置，則會導(dǎo)致整體工藝設(shè)備多、路線長、占地廣、投資大，影響項目經(jīng)濟性。此外，甲醇芳構(gòu)化是一個強放熱反應(yīng)，標(biāo)況下每摩爾的放熱量為163.9 kJ，因此大型固定床反應(yīng)器的取熱移熱也是一個技術(shù)難題。

大化所和清華大學(xué)采用的是流化床反應(yīng)器，可以實現(xiàn)的裝置規(guī)模較大，取熱移熱也相對容易，和后續(xù)芳烴聯(lián)合裝置可以實現(xiàn)經(jīng)濟性匹配。但流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作難度和前期投資都較大。

3.2 經(jīng)濟因素

煤制芳烴的經(jīng)濟性從兩方面分析，一是煤制芳烴和石油制芳烴經(jīng)濟性的對比，主要受煤價和油價影響；二是收益性的分析，主要受原料和產(chǎn)品價格差影響。石油制芳烴已有大量工業(yè)裝置可以測算其成本和收益，但煤制芳烴尚無工業(yè)化裝置，目前文獻中多以100萬噸/年規(guī)模為例進行簡化估算，產(chǎn)物按對二甲苯計算，不考慮運輸費用，不計項目建設(shè)等前期投資，僅考慮生產(chǎn)成本。圖1是匯總不同研究機構(gòu)估算數(shù)據(jù)后繪制的煤制芳烴技術(shù)的經(jīng)濟性分析圖[1，6-9]，圖中紅色和紫色數(shù)據(jù)點是2018年5月中旬的實際價格點，油價按照布倫特原油價格計算、煤炭價格分別是內(nèi)蒙古和山東混煤坑口價、對二甲苯按照出廠價格計算。

圖1 煤制芳烴經(jīng)濟性分析

圖1（a）是以石油價格和煤炭價格為基礎(chǔ)進行煤制芳烴和石油制芳烴經(jīng)濟性對比分析的結(jié)果：左上方區(qū)域煤價高、油價低，煤制芳烴沒有經(jīng)濟性；右下方區(qū)域煤價低、油價高，煤制芳烴有經(jīng)濟性，可以考慮建設(shè)；中間藍(lán)色區(qū)域是2種路線經(jīng)濟性基本持平區(qū)。山東和內(nèi)蒙古的數(shù)據(jù)點均位于持平區(qū)域內(nèi)，說明在不考慮其他因素的前提下，目前的油價和煤價下2種路線的經(jīng)濟性差別不大。

圖1（b）是以原料煤和主要產(chǎn)物對二甲苯的價格為基礎(chǔ)進行收益分析的結(jié)果：左上方區(qū)域原料煤價高、產(chǎn)物對二甲苯價格低，煤制芳烴沒有經(jīng)濟性；右下方區(qū)域原料煤價低、產(chǎn)物對二甲苯價格高，煤制芳烴有經(jīng)濟收益，可以考慮建設(shè)；中間藍(lán)色區(qū)域是成本收益基本持平區(qū)。山東和內(nèi)蒙古的數(shù)據(jù)點均位于持平區(qū)域內(nèi)，說明在不考慮其他因素的前提下，目前的煤價和對二甲苯價格下煤制芳烴盈利有一定困難，但內(nèi)蒙古的數(shù)據(jù)點已經(jīng)優(yōu)于很多測算數(shù)據(jù)點，也就是在一些測算體系下，在煤炭價格較低的地區(qū)，煤制芳烴已經(jīng)可以盈利。

需要注意的是，目前的經(jīng)濟因素分析過程中均沒有考慮原料和產(chǎn)物的運費，這與實際情況有較大差距。因為目前我國煤炭產(chǎn)地與芳烴下游產(chǎn)業(yè)分布地區(qū)差距較大、距離較遠(yuǎn)，會產(chǎn)生較大運費，這一因素也很大程度上影響了煤制芳烴產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟性。

3.3 產(chǎn)業(yè)鏈因素

3.3.1 上游產(chǎn)業(yè)鏈

煤制芳烴的上游產(chǎn)業(yè)主要是煤制甲醇環(huán)節(jié)。近年來，我國甲醇產(chǎn)能增速明顯減緩，且新增產(chǎn)能中大部分配套有下游甲醇制烯烴裝置。2017年新增產(chǎn)能440萬噸/年，有配套下游甲醇制烯烴的產(chǎn)能310萬噸/年；2018年預(yù)計新增產(chǎn)能1 467萬噸/年，有配套下游甲醇制烯烴的產(chǎn)能930萬噸/年。煤制芳烴與煤制烯烴在上游產(chǎn)業(yè)鏈存在一定競爭關(guān)系，而目前煤制烯烴的工業(yè)成熟度和經(jīng)濟性遠(yuǎn)優(yōu)于煤制芳烴，競爭力優(yōu)于煤制芳烴。

3.3.2 下游產(chǎn)業(yè)鏈

目前，我國對二甲苯和PTA的產(chǎn)能分布地區(qū)基本一致，不到10%的產(chǎn)能分布在內(nèi)陸河南、四川、新疆等地，大于90%的產(chǎn)能集中在沿海地區(qū)，形成了完整的芳烴產(chǎn)業(yè)鏈，運費低、競爭力強。我國內(nèi)陸地區(qū)對二甲苯及其下游PTA產(chǎn)能非常小，而內(nèi)陸地區(qū)，特別是中西部地區(qū)，煤炭資源豐富，這一方面表明煤制芳烴產(chǎn)業(yè)在內(nèi)陸地區(qū)有很大發(fā)展機遇，但另一方面也反映出在內(nèi)陸地區(qū)建設(shè)煤制芳烴項目面臨下游產(chǎn)業(yè)鏈完整度不足、競爭力不強的問題。

3.4 風(fēng)險分析

3.4.1 市場供需風(fēng)險

雖然我國對二甲苯長期處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，對外依存度近60%，但隨著2020年前后大批石油制芳烴項目建成投產(chǎn)，現(xiàn)有市場供需局面將會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，我國對二甲苯供應(yīng)缺口將很快彌補，對二甲苯及其下游產(chǎn)業(yè)將會出現(xiàn)供大于求現(xiàn)象，很大程度上影響煤制芳烴產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟性。

3.4.2 相對競爭力風(fēng)險

目前煤制芳烴項目裝置成本高、投資強度大、固定成本比重大，前期投資和總投資遠(yuǎn)高于同等規(guī)模的石油制芳烴，相對石油路線的競爭力存在風(fēng)險，特別是在中低油價時代；同時，煤制芳烴與技術(shù)更成熟的煤制烯烴等煤化工項目相比，技術(shù)和經(jīng)濟性也存在一定差距，存在相對競爭力風(fēng)險。

3.4.3 國家政策風(fēng)險

國家對煤化工項目、甲醇項目、芳烴項目等的要求和審批日趨嚴(yán)格，對項目的產(chǎn)能和環(huán)保要求也日趨嚴(yán)格。因此，煤制芳烴項目的建設(shè)不僅要考慮現(xiàn)有的政策，還需考慮建設(shè)過程中可能的政策變化趨勢帶來的不確定風(fēng)險。

3.4.4 社會輿論風(fēng)險

國內(nèi)新建對二甲苯項目屢遭抵制，群眾事件頻發(fā)，需合理引導(dǎo)輿論導(dǎo)向，避免社會輿論風(fēng)險。

4 產(chǎn)業(yè)化建議

4.1 技術(shù)方面：加強現(xiàn)有技術(shù)難點攻關(guān)，加快新技術(shù)研發(fā)

現(xiàn)有的煤制芳烴技術(shù)難點主要在于催化劑的選擇性及實驗裝置向工業(yè)裝置放大問題，因此，首先應(yīng)加強產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，加大高效催化劑開發(fā)，提升芳烴總收率和對二甲苯的選擇性；其次應(yīng)加強流動、反應(yīng)、混合規(guī)律研究，預(yù)測及解決裝置向百萬噸級放大過程中面臨的取熱移熱、系統(tǒng)穩(wěn)定性等工業(yè)問題。

此外，應(yīng)拓寬思路，關(guān)注新方法新技術(shù)，特別是加快研究并工業(yè)化合成氣一步法直接制芳烴技術(shù)，降低投資費用和運行成本。

4.2 經(jīng)濟方面：降低成本，合理選址

在中低油價的時代，煤制芳烴必須采取更先進的技術(shù)手段降低成本，才能具備足夠的競爭力。主要包括：高效催化劑的開發(fā)可以提高產(chǎn)物選擇性，減少副產(chǎn)物；經(jīng)濟合理利用氫氣、干氣、焦炭等副產(chǎn)物，可以提高綜合能量利用效率，降低成本。

在經(jīng)濟因素分析中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，不同地域選址，煤制芳烴項目經(jīng)濟效益會有明顯差別，因此應(yīng)考慮在我國中西部煤炭資源富集區(qū)選址，與石油路線形成產(chǎn)業(yè)互補、區(qū)域互補，同時響應(yīng)國家“一帶一路”政策，煤制高附加值產(chǎn)品，帶動西部產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級。

4.3 產(chǎn)業(yè)鏈方面：因地制宜，全產(chǎn)業(yè)鏈布局

在合理選址的基礎(chǔ)上，應(yīng)充分利用煤炭資源豐富的優(yōu)勢，煤制芳烴與煤制乙二醇路線耦合，實現(xiàn)“煤－甲醇－芳烴－PX－PTA－PET－紡織”的全產(chǎn)業(yè)鏈，增強競爭力；在煤和石油都較豐富的地區(qū)（如新疆等），甲基化路線可與石油路線結(jié)合，優(yōu)勢互補[10]。