國(guó)內(nèi)外煤化工碳減排技術(shù)及進(jìn)展

文/任繼勤

國(guó)內(nèi)外煤化工碳減排技術(shù)及進(jìn)展

文/任繼勤

我國(guó)的能源資源稟賦特點(diǎn)是富煤貧油少氣，煤炭在我國(guó)長(zhǎng)期的能源消費(fèi)中占據(jù)主導(dǎo)地位。發(fā)展煤化工，別的國(guó)家可以不做，但我國(guó)一定要做。煤化工行業(yè)是一個(gè)高排放和高耗水行業(yè)，無(wú)論煤制油、煤制烯烴，還是煤制天然氣等，都有較密集的二氧化碳排放。而我國(guó)的煤炭資源和水資源布局在地理上具有矛盾性。煤化工行業(yè)如能利用好自己的技術(shù)特點(diǎn)，控制工藝過(guò)程中耗水和二氧化碳排放，可以加大整個(gè)行業(yè)生存和發(fā)展的一個(gè)可行途徑?！?“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》（國(guó)發(fā)[2011]26號(hào)）到2015年，全國(guó)化學(xué)需氧量和二氧化硫排放總量分別下降8％；全國(guó)氨氮和氮氧化物排放總量下降10％。2015年，實(shí)現(xiàn)單位工業(yè)增加值用水量下降30％?！丁笆濉笨刂茰厥覛怏w排放工作方案》（國(guó)發(fā)[2011]41號(hào)），到2015年全國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2010年下降17％的目標(biāo)，剛性要求。因此，為了國(guó)家能源結(jié)構(gòu)安全，構(gòu)建我國(guó)的生態(tài)文明，以煤為原料發(fā)展化學(xué)工業(yè)，研究煤化工碳減排技術(shù)具有戰(zhàn)略意義。

煤焦化主要生產(chǎn)煉鋼用焦炭，同時(shí)生產(chǎn)焦?fàn)t煤氣、苯、瀝青以及碳素材料等產(chǎn)品；煤氣化生產(chǎn)合成氣，是合成液體燃料、甲醇、乙醇、乙酐等多種產(chǎn)品的原料；煤直接液化，即煤高壓加氫液化，可以生產(chǎn)人造石油和化學(xué)產(chǎn)品。煤間接液化是由煤氣生產(chǎn)合成氣，再經(jīng)催化合成液體燃料和化學(xué)產(chǎn)品。煤低溫干餾生產(chǎn)低溫焦油，經(jīng)過(guò)加氫生產(chǎn)液體燃料，低溫焦油分離后可得有用的化學(xué)產(chǎn)品。低溫干餾的半焦（蘭炭）可用作無(wú)煙燃料，或用作氣化原料、發(fā)電燃料以及碳質(zhì)還原劑等。低溫干餾煤氣可做燃料氣。煤化工碳減排技術(shù)與煤化工的產(chǎn)業(yè)鏈密切相關(guān)。

國(guó)外煤化工碳減排技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

20世紀(jì)煤化學(xué)工業(yè)成為化學(xué)工業(yè)的重要組成部分；1920年～1930年間，煤的低溫干餾發(fā)展較快，半焦用于民用無(wú)煙燃料，焦油進(jìn)一步加氫生產(chǎn)液體燃料；1931年，德國(guó)化學(xué)家Bergius開(kāi)發(fā)成功煤直接液化技術(shù)；二戰(zhàn)期間，德國(guó)發(fā)明F-T合成法，同時(shí)大力發(fā)展煤低溫干餾技術(shù)，發(fā)展煤焦油綜合利用技術(shù)；二戰(zhàn)結(jié)束后由于廉價(jià)石油的發(fā)現(xiàn)，煤化工技術(shù)的開(kāi)發(fā)陷入擱置階段。1973年由于中東戰(zhàn)爭(zhēng)和石油價(jià)格大漲，工業(yè)化國(guó)家意識(shí)到石油供應(yīng)的不穩(wěn)定性，使得煤生產(chǎn)液體燃料及化學(xué)品的方法又受到重視，歐美等國(guó)家加強(qiáng)了煤化工研究的開(kāi)發(fā)工作，通過(guò)大量投資開(kāi)發(fā)大規(guī)模的煤氣化新工藝。20世紀(jì)80年代后期，煤化工有了新突破，成功地由煤氣化制成合成氣，再合成乙酸甲酯，進(jìn)一步進(jìn)行羰化制乙酐。目前，大型煤氣化技術(shù)被美國(guó)、德國(guó)和荷蘭等少數(shù)國(guó)家所壟斷，其他國(guó)家與之相比有一定的差距。

位于美國(guó)田納西州的KINGSPORT，1979年開(kāi)始建設(shè)，1983年投入正式運(yùn)營(yíng)。這是世界上最早的采用煤為原料生產(chǎn)醋酸、醋酐的大型裝置，目前年產(chǎn)量已達(dá)51萬(wàn)噸/年。煤化工裝置生產(chǎn)的醋酸再與纖維素進(jìn)行酯化反應(yīng)，生成醋酸纖維素，再進(jìn)一步加工成絲束、纖維、酯、膠片等。

由于南非石油短缺，其大力發(fā)展煤化工合成液體燃料，南非SASOL公司目的是將豐富廉價(jià)的煤炭資源轉(zhuǎn)化為緊缺的石油產(chǎn)品和化工原料。1955年，第一套裝置（SASOL-I）在SASOLBURG投入運(yùn)營(yíng)，生產(chǎn)液體產(chǎn)品；1969年，SASOL公司建成了一套加工進(jìn)口原油的煉油裝置；1980和1982年，SASOL-II和SASOL-III在SECUNDA建成投產(chǎn)。通過(guò)50年的發(fā)展，SASOL的煤化工裝置每天生產(chǎn)相當(dāng)于15萬(wàn)桶（1.815萬(wàn)噸）石油的燃料及化工原料，占領(lǐng)了南非國(guó)內(nèi)油品市場(chǎng)的40％。SASOL公司的燃料及化工產(chǎn)品達(dá)200多種。

國(guó)外煤化工碳減排技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是，美國(guó)由于頁(yè)巖氣的使用，煤化工應(yīng)該只是一種要研究的技術(shù)了，不會(huì)有大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。而南非這樣的油氣短缺的國(guó)家，會(huì)繼續(xù)進(jìn)行工業(yè)化的生產(chǎn)。而煤氣化新工藝是主要的發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)煤化工碳減排技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

天然氣和煤制乙二醇等，處于示范發(fā)展階段，建成了一批示范項(xiàng)目。在國(guó)家的科技計(jì)劃的支持下，通過(guò)國(guó)內(nèi)企業(yè)、科研單位和高校的聯(lián)合攻關(guān)，已開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水煤漿加壓氣流床氣化技術(shù)、干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù)和灰熔聚流化床氣化技術(shù)。其中多元料漿水煤漿氣化技術(shù)已達(dá)到1500t/d 級(jí)規(guī)模，多噴嘴水煤漿氣化技術(shù)已到達(dá)2000t/d 級(jí)規(guī)模，干煤粉氣化技術(shù)已進(jìn)行了720t/d 級(jí)規(guī)模的工業(yè)化試運(yùn)行，灰熔聚流化床氣化技術(shù)達(dá)到了百噸級(jí)規(guī)模，標(biāo)志著我國(guó)自主的煤氣化技術(shù)正在逐步縮小與世界先進(jìn)水平的差距。

我國(guó)所采用煤為原料的造氣技術(shù)有魯奇（Lurgi）的固定床加壓氣化技術(shù)、德士古（Texaco）、道化學(xué)（DOWChemical）的水煤漿氣化技術(shù)和西門子（GSP）、殼牌（Shell）的粉煤氣化技術(shù)。工藝有：托斯考（Toscoal）工藝，ETCH煤粉快速熱解工藝，魯奇魯爾煤氣化工藝，中國(guó)褐煤干餾等。

國(guó)內(nèi)煤化工碳減排技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是，煤氣化是以煤基為能源的化工系統(tǒng)中最重要的核心技術(shù)，盡管煤氣化的歷史較長(zhǎng)，但大型煤氣化技術(shù)目前仍是能源和化工領(lǐng)域的高新技術(shù)。

我國(guó)在20世紀(jì)80年代以來(lái)，煤化工產(chǎn)業(yè)突飛猛進(jìn)，引進(jìn)了一批國(guó)際上先進(jìn)的技術(shù)，如：水煤漿煤氣化技術(shù)等，并在煤化工行業(yè)得以應(yīng)用?？傮w情況是：傳統(tǒng)煤化工產(chǎn)能過(guò)剩，新型煤化工正在崛起。

傳統(tǒng)煤化工，合成氨、甲醇、電石和焦炭等，但產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為落后，競(jìng)爭(zhēng)力較差；產(chǎn)能均有一定的結(jié)構(gòu)性過(guò)剩。

新型煤化工正在崛起。我國(guó)新型煤化工包括：煤制烯烴、煤制油、煤制

煤化工碳減排技術(shù)的比較

目前正在應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的煤氣化技術(shù)有數(shù)十種之多，氣化爐型也是多種多樣，最有發(fā)展前途的有10余種。所有煤氣化技術(shù)都有一個(gè)共同的特征，即氣化爐內(nèi)煤炭在高溫條件下與氣化劑反應(yīng)，使固體煤炭轉(zhuǎn)化為氣體燃料，剩下的含灰殘?jiān)懦鰻t外。氣化劑主要為水蒸氣和氧（純氧或空氣），粗煤氣的成分主要是CO、H2、CO2、CH4、N2、H2O，還有少量硫化物等其他微量成分。各種煤氣的組成和熱值，取決于煤的種類、氣化工藝、氣化壓力、氣化溫度和氣化劑的組成。煤氣化的全過(guò)程熱平衡說(shuō)明總的氣化反應(yīng)是吸熱的，因此必須給氣化爐供給足夠的熱量，才能保持煤氣化過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行。一般需要消耗氣化用煤發(fā)熱量的15％～35％。

煤氣化分類無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有多種分類方法。按氣化爐供熱方式可分為：外熱式（間接供熱）和內(nèi)熱式（直接供熱）兩類；按煤氣熱值可分為：低熱值煤氣（ ＆lt；8340kJ/Nm3）、中熱值煤氣（16000～33000kJ/Nm3）和高熱值煤氣（＆gt；33000kJ/Nm3）三類；按煤與氣化劑在氣化爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為：固定床（移動(dòng)床）、流化床和氣流床三類，這是目前比較通用的分類方法；此外還有按氣化爐壓力、氣化爐排渣方式、氣化劑種類、氣化爐進(jìn)煤粒度和氣化過(guò)程是否連續(xù)等進(jìn)行分類的。

煤制甲醇，已經(jīng)是相對(duì)成熟的工藝路線，煤制甲醇工藝路線的主要差異是造氣工序的不同。

合成氣一步法合成二甲醚工藝主要有日本NKK公司的液相一步法新工藝、大連化學(xué)物理研究所的固相新工藝、美國(guó)空氣化學(xué)品公司漿態(tài)床一步法合成二甲醚工藝等。美國(guó)Air products公司成功開(kāi)發(fā)了液相二甲醚新工藝，得到二甲醚和副產(chǎn)甲醇。中科院大連化物所開(kāi)發(fā)了固定床合成氣一步法合成二甲醚新工藝。

煤制烯烴，目前比較成功的主要有美國(guó)UOP公司的MTO技術(shù)、我國(guó)大連化物所的DMTO技術(shù)等。

煤的間接液化中的Fischer-Tropsch合成和MTG的Mobil工藝都已經(jīng)工業(yè)化。反應(yīng)器類型：固定床反應(yīng)器、氣流床反應(yīng)器、漿態(tài)床反應(yīng)器。間接液化允許液化采用高灰分的劣質(zhì)煤，較適合于生產(chǎn)柴油、含氧的有機(jī)化工原料和烯烴等。間接液化，煤的間接液化技術(shù)相對(duì)直接液化來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，南非SASOL公司運(yùn)用該技術(shù)生產(chǎn)油品已有50多年的歷史。約5噸煤間接液化可得到1噸液體產(chǎn)品，工藝路線較長(zhǎng)，投資回報(bào)率較低，但對(duì)煤種要求較低，產(chǎn)品品種較多。

煤制油，直接液化，目前，具有代表性的液化技術(shù)有德國(guó)兩段液化（IGOR）工藝、美國(guó)氫煤法（H-coal）工藝和日本的NEDOL工藝。理論上3噸煤直接液化可得到1t液體產(chǎn)品，投資回報(bào)率較高，但對(duì)煤種要求高。直接液化與間接液化的對(duì)比：直接液化熱效率較高，對(duì)原料的要求高，較適合于生產(chǎn)汽油和芳烴；直接液化的代表性工藝：德國(guó)的IG工藝、美國(guó)的SRC-Ⅰ/Ⅱ工藝、日本的NEDOL法等。

煤制天然氣，根據(jù)工藝流程的不同分為直接甲烷化和間接甲烷化。煤直接甲烷化是在一定的溫度和壓力下用煤直接制成富甲烷氣。

間接甲烷化也叫兩步法煤制天然氣工藝，德國(guó)魯奇、英國(guó)DAVY和丹麥TOPSOE 的甲烷化技術(shù)處于領(lǐng)先地位。英國(guó)DAVY和丹麥TOPSOE 的甲烷化工藝相似，都是采用固定床反應(yīng)器串聯(lián)的甲烷化工藝，DAV工藝采用4個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)，前2個(gè)為主反應(yīng)器后2個(gè)為補(bǔ)充反應(yīng)器。TOPSOE采用3個(gè)幾乎同等功能的串聯(lián)反應(yīng)器，工藝條件也接近，壓力為3～6MPa，溫度為250～700℃。以上幾種工藝所用催化劑基本為鎳基催化劑，催化劑的選擇性較高，CO轉(zhuǎn)化率可達(dá)100％，CO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)99％以上。

較為成熟的煤化工產(chǎn)品路線主要是以煤制合成氣為源頭，部分工藝路線通過(guò)合成氣直接合成化工產(chǎn)品，另一部分路線通過(guò)合成氣制甲醇，再以甲醇為原料進(jìn)一步反應(yīng)生產(chǎn)衍生化工產(chǎn)品。我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)正處于成長(zhǎng)期，發(fā)展前景廣闊，煤化工產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力日益凸顯。煤化工技術(shù)正在不斷完善，工業(yè)化發(fā)展速度不斷加快，相應(yīng)的工藝路線將在不斷的選擇、驗(yàn)證、改進(jìn)、磨合過(guò)程中日趨成熟。