煤化工

　　簡介

　　chemical processing of coal

　　煤化工是指以煤為原料，經(jīng)化學加工使煤轉化為氣體、液體和固體燃料以及化學品的過程。主要包括煤的氣化、液化、干餾，以及焦油加工和電石乙炔化工等。

　　以煤為原料，經(jīng)化學加工使煤轉化為氣體、液體和固體產(chǎn)品或半產(chǎn)品，而后進一步加工成化工、能源產(chǎn)品的過程。

　　主要包括煤的氣化、液化、干餾，以及焦油加工和電石乙炔化工等。隨著世界石油資源不斷減少，煤化工有著廣闊的前景。

　　在煤化工可利用的生產(chǎn)技術中，煉焦是應用最早的工藝，并且至今仍然是化學工業(yè)的重要組成部分。

　　煤的氣化在煤化工中占有重要地位，用于生產(chǎn)各種氣體燃料，是潔凈的能源，有利于提高人民生活水平和環(huán)境保護；煤氣化生產(chǎn)的合成氣是合成液體燃料、化工原料等多種產(chǎn)品的原料。

　　煤直接液化，即煤高壓加氫液化，可以生產(chǎn)人造石油和化學產(chǎn)品。在石油短缺時，煤的液化產(chǎn)品將替代天然石油。

　　發(fā)展運用

　　中國煤化工開始于18世紀后半葉，19世紀形成了完整的煤化工體系。進入20世紀，許多以農(nóng)林產(chǎn)品為原料的有機化學品多改為以煤為原料生產(chǎn)，煤化工成為化學工業(yè)的重要組成部分。第二次世界大戰(zhàn)以后，石油化工發(fā)展迅速，很多化學品的生產(chǎn)又從以煤為原料轉移到以石油、天然氣為原料，從而削弱了煤化工在化學工業(yè)中的地位。進入二十一世紀后，隨著全球石油市場的動蕩和石油價格的攀升，煤炭作為儲量巨大并且可能替代石油的資源重新受到越來越多的重視。煤中有機質(zhì)的化學結構，是以芳香族為主的稠環(huán)為單元核心，由橋鍵互相連接，并帶有各種官能團的大分子結構，通過熱加工和催化加工，可以使煤轉化為各種燃料和化工產(chǎn)品。

　　煤化工項目相關

　　世界上生產(chǎn)的煤，主要用作電站和工業(yè)鍋爐燃料；用于煤化工的占一定比例，其中主要是煤的焦化和氣化。80年代世界焦炭年產(chǎn)量約340Mt,煤焦油年產(chǎn)量約 16Mt（從中提煉的萘約1Mt）。煤焦油加工的產(chǎn)品廣泛用于制取塑料、染料、香料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、溶劑、防腐劑、膠粘劑、橡膠、碳素制品等。1981年，世界合成氨總產(chǎn)量95.3Mt，主要來源于石油和天然氣。以煤為原料生產(chǎn)的氨只約占10%；自煤制合成甲醇的比例也很小，僅占甲醇總產(chǎn)量約1%。

　　美國煤化工　1984年美國用煤717.7Mt,其中用于煉焦的占5.5%,達39.5Mt。煉焦副產(chǎn)的苯占苯總產(chǎn)量的9%，以電石乙炔為原料生產(chǎn)的醋酸乙烯在其總產(chǎn)量中占 8%。1984年美國建成由褐煤氣化再甲烷化生產(chǎn)高熱值城市煤氣的工廠，日加工褐煤22kt，產(chǎn)氣3.89Mm。同時，又在煤氣化和液化方面，進行了不少新工藝試驗。

　　聯(lián)邦德國煤化工　1984年聯(lián)邦德國用煤84.8Mt（不包括褐煤），煉焦用煤占32.6%，為27.6Mt，煤焦油年產(chǎn)量約 1.4Mt。全國鋼鐵等企業(yè)的焦爐生產(chǎn)的煤焦油集中到五個焦油加工廠進行加工,生產(chǎn)的化學品達500多種。電石乙炔化工方面曾有很大發(fā)展，當前在技術上仍有改進。在煤的加壓氣化和直接液化研究方面也有一些新的進展。

　　日本煤化工　1984年日本共用煤106.9Mt,由于其鋼鐵工業(yè)很發(fā)達，煉鐵等冶金用焦炭需要量很大，因此煉焦用煤占66%，為 70.5Mt。每年的煤焦油產(chǎn)量達2.4Mt，提供了全部萘的工業(yè)來源。以電石乙炔為原料生產(chǎn)的醋酸乙烯在其總產(chǎn)量中占23%。

　　南非煤化工　南非是當前世界上仍擁有煤間接液化工廠的地區(qū)，有SASOL-Ⅰ、SASOL-Ⅱ、SASOL-Ⅲ三座合成液體燃料工廠，年加工煤共約33Mt，生產(chǎn)汽油、柴油、噴氣燃料等油品數(shù)百萬噸，副產(chǎn)氣態(tài)烴、乙醇、氨、硫等化學品數(shù)十萬噸。

　　技術進展

　　新型煤化工是指以潔凈能源和化學品為目標產(chǎn)品， 應用煤轉化高新技術，建成未來新興煤炭－能源化產(chǎn)業(yè)；結合煤炭資源開發(fā)和煤炭生產(chǎn)建設的發(fā)展，建成若干大型產(chǎn)業(yè)基地或基地群。新型煤化工是煤炭工業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構，走新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略方向。

　　新型煤化工與傳統(tǒng)煤化工的區(qū)別：新型煤化工通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烴、煤制乙二醇等等。傳統(tǒng)煤化工涉及焦炭、電石、合成氨等領域。

　　新型煤化工以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工產(chǎn)品為主，如柴 油、汽油、航空煤油、液化石油氣。乙烯原料、聚丙烯原料、甲醇、二甲醚以及煤化工獨具優(yōu)勢的特有化工產(chǎn)品，如芳香烴類產(chǎn)品。還有電力、熱力等。

　　新型煤化工的特點

　　(1）以清潔能源為主要產(chǎn)品。新型煤化工以生產(chǎn)潔凈能源和可替代石油化工產(chǎn)品為主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油氣、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲隧〉、電力、熱力等，以及煤化工獨具優(yōu)勢的特有化工產(chǎn)品，如芳香短類產(chǎn)品。

　　(2）煤炭一能源化工一體化。新型煤化工是未來中國能源技術發(fā)展的戰(zhàn)略方向，緊密依托于煤炭資源的開發(fā)，并與其它能源、化工技術結合，形成煤炭一能源化工一體化的新興產(chǎn)業(yè)。

　　(3）高新技術及優(yōu)化集成。新型煤化工根據(jù)煤種、煤質(zhì)特點及目標產(chǎn)品不同，采用不同煤轉化高新技術，并在能源梯級利用、產(chǎn)品結構方面對不同工藝優(yōu)化集成，提高整體經(jīng)濟效益，如煤焦化一煤直接液化聯(lián)產(chǎn)、煤焦化一化工合成聯(lián)產(chǎn)、煤氣化合成一電力聯(lián)產(chǎn)、煤層氣開發(fā)與化工利用、煤化工與礦物加工聯(lián)產(chǎn)等。同時，新型煤化工可以通過信息技術的廣泛利用，推動現(xiàn)代煤化工技術在高起點上迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化建設。

　　(4）建設大型企業(yè)和產(chǎn)業(yè)基地。新型煤化工發(fā)展將以建設大型企業(yè)為主，包括采用大型反應器和建設大型現(xiàn)代化單元工廠，如百萬噸級以上的煤直接液化、煤間接液化工廠以及大型聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)等。

　　在建設大型企業(yè)的基礎上，形成新型煤化工產(chǎn)業(yè)基地及基地群，制砂設備。每個產(chǎn)業(yè)基地包括若干不同的大型工廠，相近的幾個基地組成基地群，成為國內(nèi)新的重要能源產(chǎn)業(yè)。

　　(5）有效利用煤炭資源。新型煤化工注重煤的潔凈、高效利用，如高硫煤或高活性低變質(zhì)煤作化工原料煤，在一個工廠用不同的技術加工不同煤種并使各種技術得到集成和互補，使各種煤炭達到物盡其用，充分發(fā)揮煤種、煤質(zhì)特點，實現(xiàn)不同質(zhì)量煤炭資源的合理、有效利用。新型煤化工強化對副產(chǎn)煤氣、合成尾氣、煤氣化及燃燒灰渣等廢物和余能的利用。

　　(6）經(jīng)濟效益最大化。通過建設大型工廠，應用高新技術，發(fā)揮資源與價格優(yōu)勢，資源優(yōu)化配置，技術優(yōu)化集成，資源、能源的高效合理利用等措施，減少工程建設的資金投入，降低生產(chǎn)成本，提高綜合經(jīng)濟效益，選礦設備。

　　(7）環(huán)境友好。通過資源的充分利用及污染的集中治理，達到減少污染物排放，實現(xiàn)環(huán)境友好。

　　(8）人力資源得到發(fā)揮。通過新型煤化工產(chǎn)業(yè)建設，帶動煤炭開采業(yè)及其加工業(yè)、運輸業(yè)、建筑業(yè)、裝備制造業(yè)、服務業(yè)等發(fā)展，擴大就業(yè)，充分發(fā)揮我國人力資源豐富的優(yōu)勢。

　　甲醇生產(chǎn)化學品

　　以煤基生產(chǎn)化學品，主要是將煤先制成甲醇，再將甲醇制成其它化學產(chǎn)品。

　　a）甲醇制烯烴

　　甲醇制烯烴(Methanol To Olefin，MTO)是煤制烯烴工藝路線的核心技術，是將甲醇轉化為乙烯、丙烯的工藝。MTO工藝開辟了由煤炭或天然氣生產(chǎn)基本有機化工原料的新工藝路線，是最有希望取代傳統(tǒng)的以石油為原料制取烯烴的路線，也是實現(xiàn)煤化工向石油化工延伸發(fā)展的有效途徑。

　　其中烯烴分離技術是整套工藝流程的核心技術，目前國內(nèi)比較成熟的烯烴分離技術有——惠生MTO烯烴分離技術。該技術采用用一個非清晰切割的預切割塔把碳一及更輕組分與大部分碳二分開，預切割塔的塔頂出口氣體進入油吸收塔，用吸收劑（碳三、碳四或碳五）吸收碳二及更重組分達到碳一與碳二的完全分離。吸收塔底部出口的吸收劑送到預切割塔頂部進行再生。

　　惠生MTO烯烴分離技術特點是

　　1、流程簡單，無深冷分離單元，無乙烯制冷壓縮機，設備投資少，能耗低；

　　2、采用切實有效的方法脫除氮氣、氧氣、CO和DME等含氧輕質(zhì)氣體， 流程簡單、可靠，對原料中這些組分的變化適應能力強；

　　3、采用先進技術和合理的設計，在低能耗的情況下保證乙烯、丙烯的高收率；

　　4、采取有效措施防止系統(tǒng)內(nèi)結焦和結垢以及安全措施，確保裝置長周期安全穩(wěn)定運行；

　　5、整體流程由常規(guī)單元集成優(yōu)化而成，各單元均有成功的生產(chǎn)運行經(jīng)驗，技術安全可靠，無工業(yè)化風險。

　　b）煤制乙二醇

　　乙二醇是重要的化工原料和戰(zhàn)略物資，用于制造聚酯(可進一步生產(chǎn)滌綸、飲料瓶、薄膜）、炸藥、乙二醛，并可作防凍劑、增塑劑、水力流體和溶劑等。合成氣制乙二醇是煤制乙二醇工藝路線的核心技術，是將合成氣經(jīng)草酸酯加氫合成乙二醇的工藝。

　　技術流程

　　煤中有機質(zhì)的化學結構，是以芳香族為主的稠環(huán)為單元核心，由橋鍵互相連接，并帶有各種功能團的大分子結構（見煤化學），通過熱加工和催化加工，可以使煤轉化為各種燃料和化工產(chǎn)品。 　在煤的各種化學加工過程中，焦化是應用最早且至今仍然是最重要的方法，其主要目的是制取冶金用焦炭，同時副產(chǎn)煤氣和苯、甲苯、二甲苯、萘等芳烴；煤氣化在煤化工中也占有很重要的地位，用于生產(chǎn)城市煤氣及各種燃料氣（廣泛用于機械、建材等工業(yè)），也用于生產(chǎn)合成氣（作為合成氨、合成甲醇等的原料）；煤低溫干餾、煤直接液化及煤間接液化等過程主要生產(chǎn)液體燃料，在20世紀上半葉曾得到發(fā)展，第二次世界大戰(zhàn)以后，由于其產(chǎn)品在經(jīng)濟上無法與天然石油相競爭而趨于停頓，當前只有在南非仍有煤的間接液化工廠；煤的其他直接化學加工，則生產(chǎn)褐煤蠟、磺化煤、腐植酸及活性炭等，仍有小規(guī)模的應用。

　　相關裝備

　　煤化工裝備種類較多，主要分為動、靜兩大類。其中，加氫反應器、氣化爐、還原爐、換熱器、盛運容器等壓力容器和管道、閥門等屬于靜裝備，泵、風機、壓縮機、空分裝備等屬于動裝備。氣化爐是煤化工最為關鍵的裝備，大部分煤化工項目都需要經(jīng)歷煤炭經(jīng)氣化爐轉換為合成氣這一環(huán)節(jié)。空分裝備也是煤化工的關鍵裝備之一，煤氣化及煤液化均需使用大量的高純度氧氣，均具有較高的技術壁壘。

　　技術要求

　　資源優(yōu)勢

　　一是我國的能源稟賦特點是“缺油、少氣、煤炭資源相對豐富”；二是煤炭價格相對低廉。有很多地方，煤炭資源豐而不富，如資源分布廣而散，小礦多，大礦少，雞窩礦多。這會導致煤炭供應數(shù)量的不穩(wěn)定；成分上不 穩(wěn)定。化工生產(chǎn)是要長周期穩(wěn)定運行的，原料數(shù)量和質(zhì)量不穩(wěn)定，化工生產(chǎn)就無法正 常操作。一般地講，一個像樣的煤化工項目，一年要消耗幾百萬噸煤炭，要保持煤化 工企業(yè)運行幾十年，考慮到開采率等問題，沒有幾十億噸的儲量是難以滿足煤化工企 業(yè)的要求的。如果當?shù)孛禾抠Y源儲量不大，成分不穩(wěn)定，或者灰粉太高，熱值不高， 那么，就不必要硬去搞煤化工，還是把這些煤用作燃料為好。

　　煤炭價格是發(fā)展煤化工的另一個重要因素。煤價過高，就使得煤化工企業(yè)沒有競 爭力。相對于石油化工和天然氣化工而言，煤化工單位產(chǎn)品投資大，財務費用高。煤 價過高，單位產(chǎn)品成本就必然高，體現(xiàn)不出煤化工的優(yōu)勢。2004 年美國一家煤化工公 司的到廠煤價為 20 美元/bbl。在工作中遇到很多煤化工項目，有的原料煤價格很便 宜，在 100 元/t 以下，項目效益很好，如陜北、內(nèi)蒙古等地；而有的地方雖然有煤 炭資源，但煤價很高，有的煙煤甚至達到 400 元/t 以上，有些山西無煙塊煤到廠價 達到 700 多元/t 甚至還要高，項目競爭力很弱。

　　充足水源

　　耗水量大是煤化工的一大特點。很多地方煤資源豐富，水資源卻短缺。中國北方和沿海大部分地區(qū)都屬于這種情況。有許多煤化工企業(yè)受缺水的困擾，常常出現(xiàn)煤化工企業(yè)與農(nóng)業(yè)或其他工業(yè)爭水現(xiàn)象。要保持煤化工企業(yè)正常運行，起碼要保證每小時 上千噸新鮮水的供應。真正上規(guī)模的煤化工企業(yè)，2000-3000t/h 的用水量也是必要的。

　　同時，煤化工企業(yè)對水價也比較敏感。全國各地水價相差很大，一般南方靠近江 河的地方水價便宜，新鮮水價格 0.2-0.3 元/t，水資源費0.02-0.03 元/t，大部分地區(qū) 水價格在 0.4-0.5 元/t。然而，有的地方要從很遠地方調(diào)水，有些工業(yè)園區(qū)水價很高， 達到 1.5 元/t，企業(yè)難以承受。個別沿海缺水地區(qū)，選用海水淡化，水價至少達到 5 元/t，若煤化工企業(yè)用就承受不起。

　　交通便利

　　煤化工企業(yè)產(chǎn)品和原料運輸量大，交通運輸顯得十分重要，最好是靠近鐵路或水運方便的地方。鐵路、水運和汽運比較起來，一是鐵路和水運在數(shù)量上可以很方便地滿足要求，數(shù)量大了，汽運組織起來很麻煩；二是鐵路和水運價格大大低于汽車運輸 價格。鐵路運價一般為 0.15 元/（t·km）（指國鐵），水運價格為 0.10 元/（t·km）， 而汽運價格為 0.32 元/（t·km），相差甚大；三是汽車運輸損耗大。當然，煤化工企 業(yè)坐在煤田上，靠皮帶運輸，可以大大減少原料煤的運輸量。但產(chǎn)品還要運出去，還是有鐵路好。國外的經(jīng)驗也是這樣的。目前國內(nèi)也有很多小型煤化工企業(yè)不靠鐵路運輸，發(fā)展受到限制。

　　環(huán)境容量

　　中國煤炭資源豐富，但總體上說，煤含硫高，開發(fā)利用的環(huán)保要求高。2003 年中國 SO2 排放和 CO2 排放分別占世界第一和第二，其中 90%的 SO2 的排放來自煤的使用。

　　煤化工企業(yè)排污是不可避免的，即使經(jīng)處理達到排放標準，總還是有三廢要排放 的。這是不可回避的問題。中國南方煤質(zhì)含硫量高，很多地方環(huán)境容量已經(jīng)飽和或已 超標，尤其是山區(qū)較多的地區(qū)，廢氣擴散困難，很多地方酸雨嚴重，再發(fā)展煤化工已 沒有余量，項目很難通過環(huán)保部門的審批。

　　煤化工替代燃料產(chǎn)品可分為三類：含氧燃料（醇/醚/酯）、合成油（煤制油）、氣體燃料（甲烷氣/合成氣/氫氣）。其中含氧燃料技術成熟，是應予推廣應用的重點；合成油與現(xiàn)有車輛技術體系和基礎設施完全兼容，但其技術尚待完善，將在2020年發(fā)揮重要作用；氣體燃料車優(yōu)點很多，我國將從基礎科學研究、前沿技術創(chuàng)新、工程應用開發(fā)等方面逐一突破。