煤化工

　　簡(jiǎn)介

　　chemical processing of coal

　　煤化工是指以煤為原料，經(jīng)化學(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體燃料以及化學(xué)品的過(guò)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(xué)加工使煤轉(zhuǎn)化為氣體、液體和固體產(chǎn)品或半產(chǎn)品，而后進(jìn)一步加工成化工、能源產(chǎn)品的過(guò)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(shù)中，煉焦是應(yīng)用最早的工藝，并且至今仍然是化學(xué)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(hù)；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(xué)產(chǎn)品。在石油短缺時(shí)，煤的液化產(chǎn)品將替代天然石油。

　　發(fā)展運(yùn)用

　　中國(guó)煤化工開始于18世紀(jì)后半葉，19世紀(jì)形成了完整的煤化工體系。進(jìn)入20世紀(jì)，許多以農(nóng)林產(chǎn)品為原料的有機(jī)化學(xué)品多改為以煤為原料生產(chǎn)，煤化工成為化學(xué)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(xué)品的生產(chǎn)又從以煤為原料轉(zhuǎn)移到以石油、天然氣為原料，從而削弱了煤化工在化學(xué)工業(yè)中的地位。進(jìn)入二十一世紀(jì)后，隨著全球石油市場(chǎng)的動(dòng)蕩和石油價(jià)格的攀升，煤炭作為儲(chǔ)量巨大并且可能替代石油的資源重新受到越來(lái)越多的重視。煤中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，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(tuán)的大分子結(jié)構(gòu)，通過(guò)熱加工和催化加工，可以使煤轉(zhuǎn)化為各種燃料和化工產(chǎn)品。

　　煤化工項(xiàng)目相關(guān)

　　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(lái)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(guó)煤化工　1984年美國(guó)用煤717.7Mt,其中用于煉焦的占5.5%,達(dá)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(guó)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(shí)，又在煤氣化和液化方面，進(jìn)行了不少新工藝試驗(yàn)。

　　聯(lián)邦德國(guó)煤化工　1984年聯(lián)邦德國(guó)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(guó)鋼鐵等企業(yè)的焦?fàn)t生產(chǎn)的煤焦油集中到五個(gè)焦油加工廠進(jìn)行加工,生產(chǎn)的化學(xué)品達(dá)500多種。電石乙炔化工方面曾有很大發(fā)展，當(dāng)前在技術(shù)上仍有改進(jìn)。在煤的加壓氣化和直接液化研究方面也有一些新的進(jìn)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(dá)，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(dá)2.4Mt，提供了全部萘的工業(yè)來(lái)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(dāng)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(wàn)噸，副產(chǎn)氣態(tài)烴、乙醇、氨、硫等化學(xué)品數(shù)十萬(wàn)噸。

　　技術(shù)進(jìn)展

　　新型煤化工是指以潔凈能源和化學(xué)品為目標(biāo)產(chǎn)品， 應(yīng)用煤轉(zhuǎn)化高新技術(shù)，建成未來(lái)新興煤炭－能源化產(chǎn)業(yè)；結(jié)合煤炭資源開發(fā)和煤炭生產(chǎn)建設(shè)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(jié)構(gòu)，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(lǐng)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(dú)具優(yōu)勢(shì)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(diǎn)

　　(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(dú)具優(yōu)勢(shì)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(lái)中國(guó)能源技術(shù)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(shù)結(jié)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(shù)及優(yōu)化集成。新型煤化工根據(jù)煤種、煤質(zhì)特點(diǎn)及目標(biāo)產(chǎn)品不同，采用不同煤轉(zhuǎn)化高新技術(shù)，并在能源梯級(jí)利用、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面對(duì)不同工藝優(yōu)化集成，提高整體經(jīng)濟(jì)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(shí)，新型煤化工可以通過(guò)信息技術(shù)的廣泛利用，推動(dòng)現(xiàn)代煤化工技術(shù)在高起點(diǎn)上迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。

　　(4）建設(shè)大型企業(yè)和產(chǎn)業(yè)基地。新型煤化工發(fā)展將以建設(shè)大型企業(yè)為主，包括采用大型反應(yīng)器和建設(shè)大型現(xiàn)代化單元工廠，如百萬(wàn)噸級(jí)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(shè)大型企業(yè)的基礎(chǔ)上，形成新型煤化工產(chǎn)業(yè)基地及基地群，制砂設(shè)備。每個(gè)產(chǎn)業(yè)基地包括若干不同的大型工廠，相近的幾個(gè)基地組成基地群，成為國(guó)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(gè)工廠用不同的技術(shù)加工不同煤種并使各種技術(shù)得到集成和互補(bǔ)，使各種煤炭達(dá)到物盡其用，充分發(fā)揮煤種、煤質(zhì)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量煤炭資源的合理、有效利用。新型煤化工強(qiáng)化對(duì)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(jì)效益最大化。通過(guò)建設(shè)大型工廠，應(yīng)用高新技術(shù)，發(fā)揮資源與價(jià)格優(yōu)勢(shì)，資源優(yōu)化配置，技術(shù)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(shè)的資金投入，降低生產(chǎn)成本，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益，選礦設(shè)備。

　　(7）環(huán)境友好。通過(guò)資源的充分利用及污染的集中治理，達(dá)到減少污染物排放，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。

　　(8）人力資源得到發(fā)揮。通過(guò)新型煤化工產(chǎn)業(yè)建設(shè)，帶動(dòng)煤炭開采業(yè)及其加工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、建筑業(yè)、裝備制造業(yè)、服務(wù)業(yè)等發(fā)展，擴(kuò)大就業(yè)，充分發(fā)揮我國(guó)人力資源豐富的優(yōu)勢(shì)。

　　甲醇生產(chǎn)化學(xué)品

　　以煤基生產(chǎn)化學(xué)品，主要是將煤先制成甲醇，再將甲醇制成其它化學(xué)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(shù)，是將甲醇轉(zhuǎn)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(jī)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(shí)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(shù)是整套工藝流程的核心技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)比較成熟的烯烴分離技術(shù)有——惠生MTO烯烴分離技術(shù)。該技術(shù)采用用一個(gè)非清晰切割的預(yù)切割塔把碳一及更輕組分與大部分碳二分開，預(yù)切割塔的塔頂出口氣體進(jìn)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(dá)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(yù)切割塔頂部進(jìn)行再生。

　　惠生MTO烯烴分離技術(shù)特點(diǎn)是

　　1、流程簡(jiǎn)單，無(wú)深冷分離單元，無(wú)乙烯制冷壓縮機(jī)，設(shè)備投資少，能耗低；

　　2、采用切實(shí)有效的方法脫除氮?dú)狻⒀鯕?、CO和DME等含氧輕質(zhì)氣體， 流程簡(jiǎn)單、可靠，對(duì)原料中這些組分的變化適應(yīng)能力強(qiáng)；

　　3、采用先進(jìn)技術(shù)和合理的設(shè)計(jì)，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(jié)焦和結(jié)垢以及安全措施，確保裝置長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)安全可靠，無(wú)工業(yè)化風(fēng)險(xiǎn)。

　　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(jìn)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(shù)，是將合成氣經(jīng)草酸酯加氫合成乙二醇的工藝。

　　技術(shù)流程

　　煤中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，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(tuán)的大分子結(jié)構(gòu)（見煤化學(xué)），通過(guò)熱加工和催化加工，可以使煤轉(zhuǎn)化為各種燃料和化工產(chǎn)品。 　在煤的各種化學(xué)加工過(guò)程中，焦化是應(yīng)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(shí)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(jī)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(guò)程主要生產(chǎn)液體燃料，在20世紀(jì)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(jì)上無(wú)法與天然石油相競(jìng)爭(zhēng)而趨于停頓，當(dāng)前只有在南非仍有煤的間接液化工廠；煤的其他直接化學(xué)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(yīng)用。

　　相關(guān)裝備

　　煤化工裝備種類較多，主要分為動(dòng)、靜兩大類。其中，加氫反應(yīng)器、氣化爐、還原爐、換熱器、盛運(yùn)容器等壓力容器和管道、閥門等屬于靜裝備，泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、空分裝備等屬于動(dòng)裝備。氣化爐是煤化工最為關(guān)鍵的裝備，大部分煤化工項(xiàng)目都需要經(jīng)歷煤炭經(jīng)氣化爐轉(zhuǎn)換為合成氣這一環(huán)節(jié)。空分裝備也是煤化工的關(guān)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(shù)壁壘。

　　技術(shù)要求

　　資源優(yōu)勢(shì)

　　一是我國(guó)的能源稟賦特點(diǎn)是“缺油、少氣、煤炭資源相對(duì)豐富”；二是煤炭?jī)r(jià)格相對(duì)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(huì)導(dǎo)致煤炭供應(yīng)數(shù)量的不穩(wěn)定；成分上不 穩(wěn)定。化工生產(chǎn)是要長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的，原料數(shù)量和質(zhì)量不穩(wěn)定，化工生產(chǎn)就無(wú)法正 常操作。一般地講，一個(gè)像樣的煤化工項(xiàng)目，一年要消耗幾百萬(wàn)噸煤炭，要保持煤化 工企業(yè)運(yùn)行幾十年，考慮到開采率等問(wèn)題，沒(méi)有幾十億噸的儲(chǔ)量是難以滿足煤化工企 業(yè)的要求的。如果當(dāng)?shù)孛禾抠Y源儲(chǔ)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?jī)r(jià)格是發(fā)展煤化工的另一個(gè)重要因素。煤價(jià)過(guò)高，就使得煤化工企業(yè)沒(méi)有競(jìng) 爭(zhēng)力。相對(duì)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(cái)務(wù)費(fèi)用高。煤 價(jià)過(guò)高，單位產(chǎn)品成本就必然高，體現(xiàn)不出煤化工的優(yōu)勢(shì)。2004 年美國(guó)一家煤化工公 司的到廠煤價(jià)為 20 美元/bbl。在工作中遇到很多煤化工項(xiàng)目，有的原料煤價(jià)格很便 宜，在 100 元/t 以下，項(xiàng)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(jià)很高，有的煙煤甚至達(dá)到 400 元/t 以上，有些山西無(wú)煙塊煤到廠價(jià) 達(dá)到 700 多元/t 甚至還要高，項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)力很弱。

　　充足水源

　　耗水量大是煤化工的一大特點(diǎn)。很多地方煤資源豐富，水資源卻短缺。中國(guó)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(zhēng)水現(xiàn)象。要保持煤化工企業(yè)正常運(yùn)行，起碼要保證每小時(shí) 上千噸新鮮水的供應(yīng)。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(shí)，煤化工企業(yè)對(duì)水價(jià)也比較敏感。全國(guó)各地水價(jià)相差很大，一般南方靠近江 河的地方水價(jià)便宜，新鮮水價(jià)格 0.2-0.3 元/t，水資源費(fèi)0.02-0.03 元/t，大部分地區(qū) 水價(jià)格在 0.4-0.5 元/t。然而，有的地方要從很遠(yuǎn)地方調(diào)水，有些工業(yè)園區(qū)水價(jià)很高， 達(dá)到 1.5 元/t，企業(yè)難以承受。個(gè)別沿海缺水地區(qū)，選用海水淡化，水價(jià)至少達(dá)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(yùn)輸量大，交通運(yùn)輸顯得十分重要，最好是靠近鐵路或水運(yùn)方便的地方。鐵路、水運(yùn)和汽運(yùn)比較起來(lái)，一是鐵路和水運(yùn)在數(shù)量上可以很方便地滿足要求，數(shù)量大了，汽運(yùn)組織起來(lái)很麻煩；二是鐵路和水運(yùn)價(jià)格大大低于汽車運(yùn)輸 價(jià)格。鐵路運(yùn)價(jià)一般為 0.15 元/（t·km）（指國(guó)鐵），水運(yùn)價(jià)格為 0.10 元/（t·km）， 而汽運(yùn)價(jià)格為 0.32 元/（t·km），相差甚大；三是汽車運(yùn)輸損耗大。當(dāng)然，煤化工企 業(yè)坐在煤田上，靠皮帶運(yùn)輸，可以大大減少原料煤的運(yùn)輸量。但產(chǎn)品還要運(yùn)出去，還是有鐵路好。國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)也是這樣的。目前國(guó)內(nèi)也有很多小型煤化工企業(yè)不靠鐵路運(yùn)輸，發(fā)展受到限制。

　　環(huán)境容量

　　中國(guó)煤炭資源豐富，但總體上說(shuō)，煤含硫高，開發(fā)利用的環(huán)保要求高。2003 年中國(guó) 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(lái)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，總還是有三廢要排放 的。這是不可回避的問(wèn)題。中國(guó)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(biāo)，尤其是山區(qū)較多的地區(qū)，廢氣擴(kuò)散困難，很多地方酸雨嚴(yán)重，再發(fā)展煤化工已 沒(méi)有余量，項(xiàng)目很難通過(guò)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(shù)成熟，是應(yīng)予推廣應(yīng)用的重點(diǎn)；合成油與現(xiàn)有車輛技術(shù)體系和基礎(chǔ)設(shè)施完全兼容，但其技術(shù)尚待完善，將在2020年發(fā)揮重要作用；氣體燃料車優(yōu)點(diǎn)很多，我國(guó)將從基礎(chǔ)科學(xué)研究、前沿技術(shù)創(chuàng)新、工程應(yīng)用開發(fā)等方面逐一突破。