煤化工技术现状及发展趋势

      摘要：我国“富煤少油缺气”的资源赋存条件决定了煤炭作为主体消费能源的地位短期内不会改变，煤炭的大量使用在为经济发展提供保障的同时，带来的环境污染、资源枯竭等问题也越来越突出，发展现代煤化工对于促进煤炭清洁高效利用，拉动经济增长意义重大，本文简要概述了煤化工技术现状，进而对煤化工技术的发展前景进行了预测。

      关键词：煤化工，清洁利用，技术现状，发展前景

1  引言

      我国煤炭资源储量十分丰富，是我国主要能源，占总能源的2/3，煤炭的大量使用在促进经济快速发展的同时极大地提高了人民的生活水平，为社会发展做出了巨大贡献。但是煤炭在燃烧过程中排放的NO_x，SO_x、CO_x以及重金属、二恶英等有害物质，对环境造成了严重的污染和破坏。因此，通过采取有效的技术措施，实现黑色能源的高效、绿色转化势在必行，在这些技术措施中，煤化工是其中之一。

2  煤化工技术现状

      煤化工是指通过化学加工处理将煤转变成气、液、固态燃料和化工产品的过程，传统的煤化工技术包括炼焦、电石以及焦油加工等。

2.1  炼焦

      在煤化工可利用的生产技术中，炼焦是应用最早的工艺，它是指煤在隔绝空气的条件下，加热升温至900℃左右，通过热分解和结焦生成焦炭，同时回收粗煤气、焦油和其它副产品的工艺。炼焦过程分为备煤、炼焦、净化煤气三个阶段，具体流程为进厂煤炭经配煤、粉碎得到特定指标的入炉煤后，进入煤塔，采用捣固方式推入炭化室高温炼焦，焦炭经湿法熄焦、晾焦得到焦炭、焦炉煤气，焦炭作为高炉炼铁的主要原料广泛用于钢铁行业，焦炉煤气一部分作为高热值燃料，一部分经脱硫、脱氨、脱笨等工艺得到轻苯、硫铵、焦油、甲醇等化工产品，同时减少了污染物排放。在现有的炼焦工艺中，捣固炼焦是应用最为广泛的一种技术，捣固焦炉以炭化室高度5m 以下为主，新型焦炉炭化室高度为6m及以上焦炉，根据我国煤炭质量，炭化室高度6.7m 捣固焦炉正在普及。目前，炼焦技术已经发展的相对比较成熟。

2.2  煤炭气化

      煤炭气化是以氧或氢作介质，在一定温度和压力下将固体煤转化为CO、H₂、CH₄ 等可燃气体和CO₂、N₂ 等非可燃气体的合成气，再对合成气进行深加工，制取其它产品。煤炭气化一般分为地上和地下气化两种，具体气化过程是煤首先经气化干燥后，继续升温至一定温度，煤分子开始分解，生成焦油、干馏煤气等挥发性物质，同时煤变成半焦状态；继续升温条件下，与气化剂反应生成粗煤气（CO、CO₂、N₂、H₂S、CH₄等为主）。

      地上气化技术相对比较成熟，正在向大型化长周期迈进，华东理工大学等单位联合完成了日处理煤量3 000t 级超大型多喷嘴对置式水煤浆气化技术已在全国推广，为我国煤炭高效洁净发展提供了有力保障；神华宁煤集团联合中国五环工程公司等院所，自主开发日耗煤2 200t 加压汽化炉应用于年产400万t 煤制油项目中，各项技术均优于国V 和欧V 标准。

      与地上气化不同，地下气化是在未经开采的煤层中进行，是目前较为先进的技术，是实现煤炭清洁利用，减少大气污染的一种有效途径。与目前广泛应用的采煤工艺路线不同，它是在地下采用先进的技术和设备使煤炭发生化学反应，该过程安全、可控。产生的可燃气体，可以作为燃料、化工原料、城市煤气、坑口电厂发电，尤其适用于难开采或者开采成本较高的煤层，具有安全性好、投资少、效益高、污染少的特点。该技术率先在俄罗斯实现了商业化，目前美国、德国等均已掌握了地下气化的核心技术。我国的地下气化项目也已在内蒙古等地建成，但单从技术角度看，目前我国的煤气化技术与先进国家相比差距较大。近年来，国内外专家普遍认为：煤气化技术未来将集中转向绿色、高效发展。

2.3 煤炭液化

      煤液化是制取石油替代品的一种技术手段，是当前煤化工的一个发展热点，它有两种不同的路线，一种是直接液化，另一种是间接液化。

      直接液化是把煤炭磨成煤粉与溶剂配成油煤浆，在400℃、150kPa 条件下催化加氢液化，生产含芳烃较高的粗油品，再经进一步加氢得到可使用油品。这种路线回收率较高，但操作条件苛刻。目前引领煤液化发展方向的技术包括工艺简单、产物杂原子含量低的德国IGOR 工艺、以生产重质燃油为目的的美国SRC 工艺、解决了催化剂钼的回收的俄罗斯低压加氢液化技术等。这些新液化技术由于生产成本较廉价石油高，目前尚未工业化生产。从国内进展来看，具有代表性的有神华集团研究开发的煤直接液化生产军用柴油、高密度航空煤油等特种油品技术，该技术已完成战机试飞和火箭发动机实验；中科合成油技术有限公司为了解决传统液化技术存在的煤质要求高，反应条件苛刻等问题，提出了分级液化工艺，目前该技术已通过万吨级中试验证。

      煤间接液化与煤种关系不大，它是指高温条件下，煤炭与氧和水蒸气发生反应分解，制成合成气（CO+H₂），然后在催化剂作用下，通过费托合成将合成气进一步转化成液体油品和石化产品。典型的间接液化工艺有费托合成法、中质馏分合成（SMDS）工艺、浆态床合成技术等，目前我国的间接液化技术已经商业化，兖矿集团采用低温浆态床费托合成技术在榆林建成投产百万吨煤间接制油示范项目，神华宁煤宁东400 万t/a 项目采用中温浆态床费托合成技术示范项目已经于2017 年建成投产，并于当年实现了满负荷运行。

2.4 新型煤化工技术

      新型煤化工是以生产洁净能源和石油化工替代产品（天然气、二甲醚、烯烃、精细化学品等）为目的的技术路线，是未来煤炭清洁利用的重点发展方向，有利于减轻环保压力，缓解对进口石油的依赖。近年来我国煤制甲醇、煤直接和间接制油、煤制烯烃、煤制乙二醇等技术和装备自主化率达到85%以上，现代煤化工产能已初具规模。

2.4.1 煤制烯烃

      煤制烯烃是先将煤制成中间物甲醇，再通过甲醇制取乙烯、丙烯等产品的技术，该路线由煤气化、合成气净化、CH₃OH 合成、CH₃OH制烯烃四部分组成。目前该路线相对成熟，且基本实现商业化。截至2017 年，我国已投产的煤制烯烃产能达960 万t/a，预计2020 年产能将达2300 万t/a，在我国聚烯烃产能占比将达到38%以上。2017 年煤制烯烃催化剂方面实现了多项突破，中科院大化所包信和院士团队在无氧条件下，通过硅化物晶格限域的单铁中心催化剂的使用，实现了合成气选择转化低碳烯烃和其它化学品；中科院上海高等研究院在煤经合成气直接制烯烃浆态床技术研发方面，完成了实验室层面低甲烷高烯烃选择性的FTO催化剂的验证，总烯烃选择性高达80%以上，目前正在中试验证。

2.4.2 煤制天然气

      煤制天然气指用褐煤等低品质煤种经过气化、变换、净化、甲烷化等步骤制取天然气。由于我国煤制天然气行业真正起步时间较晚，甲烷化催化剂制备作为煤制天然气的关键技术，被国外的巴斯夫、鲁奇等公司率先掌控。最近几年，我国煤制天然气技术开始迅速发展，甲烷化催化剂研制正在赶超国外，相关技术、设备基本可以实现自主生产。我国已经投产的天然气项目包括：神华集团内蒙古鄂尔多斯煤制天然气项、大唐国际内蒙克什克腾旗、大唐国际辽宁阜新、新汶矿业新疆伊犁煤制天然气项目等。煤制天然气不仅拓宽了低品质褐煤的利用途径，实现了产品增值，而且由于该路线耗水少，转化率高且环保，对于“富煤缺水”的西部地区意义重大。

2.4.3 煤制乙二醇

      新型煤化工工艺中最经济合理也最具前景的当属煤制乙二醇，该工艺流程短，成本低，在国内受到较高的关注。煤制乙二醇一般是指煤经气化、变换、净化及分离提纯后先得到合成气，其中的CO 经催化合成草酸酯，再与H₂ 进行反应后获得聚酯级乙二醇的过程。该路线以煤代替石油乙烯生产乙二醇，是一项首创技术，符合我国煤炭多、缺油少气的实情。截止2017 年6 月，我国已投产的煤制乙二醇项目合计产能285 万t/a，单套装置规模最大的是鄂尔多斯新杭能源，产能30 万t/a，其他多数规模为20 万t/a，在建的煤制乙二醇项目12 个，合计产能305 万t/a，拟在建项目呈上升态势，近期还有几个乙二醇项目提上日程，单个项目规模高达100～200 万t/a。如果这些项目都按计划实施，未来3-5a，我国乙二醇产能将大幅增长，国内乙二醇的市场供需格局将发生重大转变。

2.4.4 煤制芳烃

      煤制芳烃是煤先生成甲醇，再在催化剂作用下，将甲醇脱氢、环化生成芳烃。目前煤制甲醇、芳烃分离技术已经工业化应用，关键技术在甲醇制芳烃。我国具有自主知识产权的甲醇制芳烃技术主要有中科院山西煤炭化学研究所与赛鼎工程有限公司合作的的固定床甲醇制芳烃技术（MTA）、清华大学的循环流化床甲醇制芳烃技术（FMTA）和中石化技术以及河南煤化集团研究院与北京化工大学合作开展的煤基甲醇制芳烃技术等，这些技术多数处于实验室及中试阶段，只有少数进入工业化生产，未来甲醇制芳烃反应器设计和放大、反应热平衡和工程优化、PX 催化剂工业化应用等问题需要重点解决。总体来看，煤制芳烃项目生产成本受煤炭和石油价格的影响，成本较高，但作为石油芳烃的重要补充，发展煤制芳烃能够减少我国PX 进口量，具有良好的市场前景。

3  煤化工技术未来的发展趋势

      我国传统煤化工发展较早，但受到环保政策限制，加之盲目发展且下游市场低迷，未来需要走优势资源整合、淘汰落后产能、集约发展的道路。而新型煤化工产品作为清洁能源和石油化工替代品，需求空间相对较大，发展前景广阔。鉴于前期发展过程中出现的盲目发展、污染严重、资源浪费等问题，煤化工在未来产业发展上，应重点围绕以下方面。

      一是优化示范工程技术，创新发展。当前，我国的现代煤化工产业仍处于起步阶段，大部分关键技术刚刚工业化生产，技术路线和工艺需要进一步调整，未来应重点从加强产业体系化、通过减少资源消耗增加成本优势、改进工艺路线提高能效、减少污染排放等方面创新发展，实现首创技术产业化。

      二是实现煤炭与能源化工大型化、一体化生产，延长产业链。目前我国新型煤化工产业链相对较短，终产物品类少，且产品同质化严重，未来应合理结合煤炭资源状况和化工技术知识，破除产业格局，跨行业、跨地区配置资源，形成煤炭-能源-化工一体化产业链，提高煤化工技术的利用效果，加速革新换代，降低开发及加工成本，加强相关企业之间的联合，形成新型产业。

      三是推进煤化工与关联产业的融合发展。目前，传统煤化工和新型煤化工均存在资源利用率低的问题，未来发展将朝向多联产技术，采取煤化电热一体化，推动煤化工与石油化工等产业融合，充分利用资源，提高综合能效。例如，与石油化工融合，将液化的中间产物作为原料应用到炼油厂，通过相互优化调和，不仅可以提高石油化工产品的质量，也可以减少机动车尾气中污染物（CO₂、NOx 等）的排放；煤制天然气与煤制甲醇、煤制烯烃等产业融合，可以充分发挥各产品的优势，取长补短，提高整体的经济效益和抗风险能力。

4  结语

      总体来说，煤化工技术在我国起步较晚，但发展较快，目前已经具备一定的基础，它的发展符合我国“富煤少油缺气”的现状，在经济可持续发展中起着十分重要的作用。发展新型煤化工在我国得到了政策上的大力支持，具有很大的优势，决定了煤化工项目具有广阔的发展前景，但是新型煤化工产业的发展给我国带来机遇的同时也带来了挑战，金融动荡、石油价格、环境污染等限制了它的发展，我国必须要加大煤化工技术的开发力度，努力提高技术水平，形成规模效应，大力推动下游产品链结构的发展，降低资源成本，提高在煤化工市场上的竞争力。

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