煤基甲醇制烯烴技術及產業發展現狀

李麗英，田廣華

（神華寧夏煤業集團煤炭化學工業分公司研發中心，寧夏回族自治區銀川市 750411）

煤基甲醇制烯烴技術是以煤炭為原料，包括煤氣化、合成氣制甲醇、甲醇制烯烴等工藝過程的煤炭清潔利用技術。與傳統的石油裂解生產低烯烴的化工路線相比，煤基甲醇制烯烴開辟了由煤炭生產基本有機化工原料的新工藝路線，更符合我國在缺油、少氣、煤炭資源相對豐富的基本國情下實現煤代油生產基礎化工原料的能源戰略。

1 煤基甲醇制烯烴工藝路線

煤基甲醇制烯烴包括煤氣化、合成氣制甲醇和甲醇制烯烴等過程，其工藝路線為：粉煤在高溫、高壓條件下氣化成主要成分為CO和H2的粗合成氣，再經過變換及凈化工序合成粗甲醇，粗甲醇精制除去水、二甲醚、甲酸甲酯等輕于甲醇的低沸點物質得到精甲醇，最后將精甲醇轉化為低碳烯烴。與石油裂解制烯烴相比，煤基甲醇制烯烴工藝中原料相對純凈，可避免石油烴在700 ℃ 低溫下裂解的烴類氣體中含有的有毒硫化物和乙炔等組分，因此可免去該組分的分離脫除工藝和石油烴制烯烴中多種凈化溶劑的再生處理問題[1]。

煤氣化和合成氣制甲醇工藝技術已經較為成熟且均已實現商業化，有多套大規模裝置在運行，但是甲醇制烯烴技術還是當前的關鍵技術和瓶頸技術。當前，國外開發研究比較成功的甲醇制烯烴工藝主要有美國環球石油公司和挪威海德魯公司共同開發的甲醇制烯烴（MTO）技術以及德國Lurgi公司的甲醇制丙烯（MTP）技術，而國內主要有中國科學院大連化學物理研究所（簡稱大連化物所）的甲醇經二甲醚制低碳烯烴（DMTO）技術、中國石油化工股份有限公司（簡稱中國石化）的甲醇制烯烴（SMTO）技術以及清華大學循環流化床甲醇制丙烯（FMTP）技術。

1.1 MTO技術

MTO技術是指甲醇制乙烯、丙烯等低碳混合烯烴的技術。最初由美國Mobil公司提出，之后由美國環球石油公司和挪威海德魯公司于1995年合作開發成功。該MTO技術采用循環流化床工藝，以粗甲醇或精制甲醇為原料，采用SAPO-34分子篩催化劑。工藝流程分為反應再生系統和反應氣分離系統兩部分。反應器內的溫度400～500 ℃、壓力0.3 MPa。主要工藝流程為液態粗甲醇經加熱變成氣相，進入流化床轉化反應。在催化劑的作用下生成產物，反應熱通過產生蒸氣移出塔外。反應器設置催化劑溢出側線，溢出的催化劑通過氣力輸送進入再生反應器，經空氣再生完成的催化劑重新返回轉化反應器。如此循環往復，從而保持了催化劑床層的穩定。轉化反應器的流出物再經過熱回收裝置冷卻，大部分冷凝水從產品中分離出來[2]。接著到反應氣分離系統中，分餾工序包括脫乙烷塔、脫甲烷塔、乙烯分離塔、脫丙烷塔、丙烯分離塔和脫丁烷塔。經壓縮、氧化回收、堿液洗滌和干燥后，來自反應器的產物通過急冷后進入脫乙烷塔，塔頂產品是C2的混合物，底部產品為含有丙烷和重烴的混合物。頂部C2產物進入脫甲烷塔，輕組分（如甲烷、氫、惰性氣）被分離出來送到燃料氣系統，塔底產品被送往乙烯分離器，分離器頂部出來的乙烯送往乙烯儲罐，底部乙烷物料經氣化、加熱后送到燃料氣系統。脫乙烷塔底部產品被送到脫丙烷塔，丙烷將從C4重組分中精餾出來，塔頂產品被送到丙烯分離塔中分離丙烯和丙烷，其中，丙烯用泵送至儲存罐，底部丙烷經汽化后送往燃料氣系統。脫丙烷塔底部產品送往脫丁烷塔中脫出丁烷和其他重組分產物。在上述烯烴分離單元中，輕組分烴類的冷凝和分離通常要求在深冷溫度和高壓條件下進行，故常設置以丙烯作為冷凍劑的，包括丙烯多級離心深冷壓縮機、中間緩沖罐、丙烯冷凝器和丙烯緩沖罐的深冷工序。

該工藝的目標產品為乙烯和丙烯，副產品主要有混合C4、C5、汽油、焦炭和水。其主要特點有流化床反應器和再生器可實現連續穩定運轉；催化劑具有突出的擇形性能，可選擇性生成乙烯和丙烯；可以在較寬的范圍內靈活調節乙烯和丙烯的質量比（0.75～1.50），乙烯和丙烯的總產率可穩定控制在80% 左右；原料甲醇適用范圍較大，粗甲醇或分析純級甲醇均可；產品主要是烯烴類，不設置乙烯、丙烯分離器的情況下可得到純度97%的輕烯烴，設置乙烯、丙烯分離設備可得到聚合級輕烯烴。

1.2 MTP 技術

MTP由德國Lurgi公司開發。該技術采用穩定的分子篩催化劑和固定床反應器。工藝流程為原料甲醇被加熱后進入二甲醚反應器，采用高活性、高選擇性的催化劑將75%甲醇首先轉化為二甲醚和水，甲醇-水-二甲醚混合物流進入分凝器，氣相受熱到反應溫度后進入MTP反應器，液相作為控溫介質經流量計通過激冷噴嘴進入MTP反應器。反應器溫度控制在400～480 ℃、壓力為0.13～0.16 MPa，得到反應產物氣體經過急冷后被壓縮、精餾，分離出聚合級的丙烯產品供下游PP裝置使用，副產物烯烴（乙烯、1-丁烯）可返回系統再生產，作為歧化制備丙烯的原料。

該工藝的目標產物為丙烯，主要副產物有高辛烷值汽油和液化石油氣（LPG）以及少量的乙烯。其主要特點有工藝流程長，設備多，溫度變化范圍大（從-100～500 ℃），裝置能耗偏高，裝置建成后有一定的節能降耗空間；MTP催化劑采用專用沸石催化劑，不用連續再生，對反應溫度控制要求非常嚴格，如果反應器的氣流分布不均，將會導致床層局部飛溫，生產中需嚴格監視反應器內各床層內部溫度變化；反應采用二步法生產，即將二甲醚作為甲醇制烯烴的中間體，其作用是降低甲醇原料和反應產生的水及水蒸氣對催化劑穩定性和壽命的影響，同時二甲醚的分子結構中甲基與氧之比是甲醇的2倍，生產相同量的低碳烯烴，反應出口物料僅為甲醇的一半，從而減小設備尺寸，節省了投資費用。

1.3 其他甲醇制烯烴技術

大連化物所DMTO技術是2004年該所與中國石化洛陽石油化工工程公司合作，在從合成氣經二甲醚制低碳烯烴工藝（SDTO）的研究基礎上，使用改性的新一代催化劑開發的新MTO工藝。它是同時適用于甲醇和二甲醚兩種原料的工藝。與傳統的MTO工藝相比，其CO轉化率高達90% 以上，投資和運行費用節約50%～80%[3]。2010年5月，大連化物所又研發成功新一代甲醇制烯烴技術（DMTO-Ⅱ），并完成工業試驗，進一步提升了MTO技術的經濟性。

中國石油化工股份有限公司SMTO技術主要由中國石化上海石油化工研究院開發。他們詳細研究了MTO反應的反應行為、失活行為和積炭行為等，于2005年建立了一套12 t/a的循環流化床熱模試驗裝置，實現了其制備的SMTO-1催化劑在該裝置上的平穩運行，甲醇轉化率大于99.8%，乙烯和丙烯碳基選擇性大于80%，乙烯、丙烯和C4選擇性超過90%。2007年11月，中國石化北京燕山分公司建設了一套100 t/d 甲醇進料的SMTO工業化示范裝置成功投產，產出的乙烯和丙烯直接送往裝置，實現連續運行[4]。

清華大學 FMTP 技術是以SAPO-34為催化劑的流化床甲醇制丙烯工藝。它先進行MTO反應，將產物中的丙烯分離出來，剩余的C2組分和C4以上組分進入一個獨立的烯烴轉化反應器使其轉化成丙烯，最終獲得高選擇性的丙烯產品。該技術采用了構件多層湍動流化床分區反應器，不僅具有傳統流化床易于反應移熱和催化劑再生的優點，而且可有效控制反應器內返混，減少氫轉移、烯烴聚合等副反應，準確控制不同階段對反應及再生條件的要求，有利于提高丙烯的選擇性[3]。據稱，該技術丙烯總收率可達77%，雙烯（乙烯和丙烯）總收率達88%，原料甲醇消耗為3 t/t丙烯。利用該技術，安徽淮化集團廠區內建設一套30 kt/a的MTP工業試驗裝置，該項目由中國化學工程集團公司、清華大學和安徽淮化集團有限公司3家單位共同承擔。另外，甘肅華亭中煦美化工公司在已經投產的600 kt/a甲醇裝置的基礎上，計劃采用該技術建設200 kt/a丙烯項目。

2 煤基甲醇制烯烴技術在國內的應用

目前，國內已建成的煤制烯烴項目主要有神華包頭煤化工有限公司煤制聚烯烴項目、大唐國際發電股份有限公司煤制聚丙烯項目和神華寧夏煤業集團煤制聚丙烯項目。這三個項目的商業化運營，使我國形成了1 580 kt/a的煤制聚烯烴產能，其中，聚乙烯為300 kt/a，聚丙烯為1 280 kt/a，約占國內聚烯烴總產能的7%左右。

神華包頭煤化工有限公司煤制聚烯烴項目是2006年12月經國家發改委核準，由中國神華集團有限責任公司投資170多億元在包頭建設的采用大連化物所DMTO工藝技術，包括1 800 kt/a煤基甲醇聯合化工裝置、600 kt/a DMTO裝置、300 kt/a采用Univation公司 Unipol氣相流化床單反應器工藝聚乙烯裝置和300 kt/a采用Dow化學公司 Unipol氣相流化床反應器工藝聚丙烯裝置的煤制烯烴示范項目。該項目于2010年完工并投料試車，7月順利生產出MTO級甲醇，甲醇單程轉化率、乙烯和丙烯的選擇性等主要技術指標都達到甚至優于設計值，8月份順利產出聚烯烴產品，2011年1月實現商業化運營。其年產聚乙烯、聚丙烯共600 kt，副產硫磺20 kt、混合C4及C5125 kt。2012年上半年，該項目實現銷售收入31億元、利潤6億元，成為我國5個現代煤化工示范工程中第一個進入商業化運營并取得較好效益的項目。

大唐國際發電股份有限公司煤制聚丙烯項目是在內蒙古多倫縣建設的460 kt/a煤基聚丙烯項目。該項目以內蒙古錫林浩特勝利煤田的褐煤為原料，采用殼牌煤氣化裝置，德國Lurgi MTP生產工藝和Spheripol氣相環管聚丙烯生產工藝。年產中間產品甲醇1 680 kt，聚丙烯460 kt及副產精甲醇240 kt，汽油129.5 kt，LPG 66.6 kt。2012年1月10日，該裝置MTP反應器B在低溫環境中開車成功，首次產出純度為99.9%、乙烯含量僅為34 μg/g的聚合級丙烯產品，完全達到聚丙烯裝置的聚合要求。

神華寧夏煤業集團煤制聚丙烯項目是采用德國Lurgi公司MTP技術的500 kt/a煤基聚丙烯大型煤化工示范項目。2010年10月投料試車，并成功產出純度為99.69%的丙烯，這是全球首套MTP大規模產業化裝置。裝置采用德國南方化學公司的專有沸石催化劑，三臺MTP反應器，正常生產時始終保證兩臺在線生產，一臺備用或再生。主要產品丙烯474 kt/a（聚合級），副產品有乙烯20.0 kt/a （聚合級）、汽油184.7 kt/a、LPG 41.4 kt/a。其中，聚合級丙烯和乙烯用于后續采用ABBLummus公司的Novolen氣相法聚合工藝技術聚丙烯裝置，該裝置設計產能500 kt/a，包括產能為200 kt/a的主要生產均聚物、抗沖共聚物和少數無規共聚物的一條生產線和產能為300 kt/a的主要生產均聚物和無規共聚物的另一條生產線。另外，神華寧夏煤業集團還利用自產的甲醇（850 kt/a）和周邊甲醇原料再建設一套500 kt/a MTP項目，目前項目建設已經全面展開，預計2014年6月建成，項目計劃總投資65億元，仍然采用德國Lurgi公司的 MTP工藝。

近幾年又有眾多煤制烯烴項目遍地開花。如中國石化投資建設的4個煤制烯烴項目分別位于河南濮陽、河南鶴壁、安徽淮南和貴州畢節，烯烴總產能約為2 000 kt/a，預計將于2015年前后建成。其中，位于河南濮陽的中原石油化工有限責任公司總投資15億元，包括新建600 kt/a甲醇制200 kt/a烯烴，新建100 kt/a聚丙烯裝置和現有聚乙烯裝置改造至260 kt/a。項目采用SMTO技術，2010年8月開工建造，2011年10月成功產出乙烯和丙烯。中國中煤能源集團有限公司也分別在新疆伊犁、陜西榆林和內蒙古呼倫貝爾開發煤制烯烴項目，并與2010年5月與延長石油集團合資開發建設油氣煤鹽綜合利用制烯烴項目。陜西煤業化工集團有限責任公司在渭北煤化工業園區建設1 800 kt/a甲醇及600 kt/a烯烴項目，采用具有我國自主知識產權的DMTO-Ⅱ技術等。

3 煤基甲醇制烯烴技術在國內工業化應用前景

煤基甲醇制烯烴是繼二甲醚、甲醇汽油后成為甲醇下游新發展的領域。它的快速發展首先與經濟成本有關。煤制烯烴和石腦油裂解制烯烴技術路線相比較，在經濟上的競爭力取決于甲醇的成本。中國神華集團有限責任公司煤制烯烴項目可行性研究表明，當原料煤價格在100 元/t左右，煤制甲醇的規模達到1 000 kt/a以上時，可以將甲醇的完全生產成本控制在100 美元/t以下。通過對比煤基聚烯烴（采用MTO工藝）和石腦油基聚烯烴的成本測算，前者（煤價100 元/t）比后者（石腦油價格22 美元/桶）低400 元/t 左右[5]，可見煤制烯烴工藝路線在經濟上的競爭力不言而喻。

其次，符合我國缺油、少氣、煤炭資源豐富的國情和甲醇下游產品開發的需要。石油資源緊缺嚴重制約了下游產業的發展，國內甲醇產能又存在過剩的情況，“十二五”期間，我國對乙烯和丙烯等化工產品還將保持較高的剛性需求等促使了煤制烯烴工業成為適合我國國情的化工產業持續發展的途徑。目前，煤制烯烴項目多建設在中西部地區，其原因在于該地區煤炭資源豐富，且相對石油價格廉價，適合建設大型煤化工項目；水資源充足，能夠滿足煤化工耗水量大的特點；交通便利，便于產品和原料的運輸；區位優勢明顯，有利于資源共享等。

另外，國內煤基烯烴示范項目的成功運營和先進技術的開發，為國內煤化工產業的迅速發展奠定了基礎。“十二五”期間，這些技術還將不斷得到優化和完善。如今國內煤基烯烴技術工業化應用日趨廣泛，盡管2006年煤化工項目遭國家發改委叫停，但據不完全統計，在近3年內，國內準備開工建設的煤制烯烴裝置有可能突破36套（含正在試車的裝置），這些煤制烯烴裝置絕大多數擬建在我國西部地區的煤炭大省，屆時煤制烯烴新技術將會徹底改變我國烯烴工業“東富西貧”的格局。據了解，計劃在建的項目內蒙古有7套、陜西7套、新疆4套、寧夏3套、山西3套、河南2套，另外安徽、貴州、山東、甘肅、浙江、遼寧、大連、青海等省也正在做煤制烯烴項目的前期工作。在上述項目的投資立項建設單位中，中國神華集團有限責任公司、中國中煤能源集團有限公司、大唐國際發電股份有限公司、中國石油化工集團公司和蒲城清潔能源化工有限責任公司等建設規劃設計規模均超出年產1 800 kt 甲醇、600 kt聚烯烴的裝置規模，預計未來3—5年國內建成投產的煤制烯烴新技術裝置數將超過我國現有的石腦油裂解制烯烴裝置數。同時，國外企業也開始進駐國內市場。2010年初，神華-陶氏煤制烯烴項目獲得國家能源局批準，11月向政府提交了項目申請報告；同月，道達爾集團與中國電力投資集團簽署了一份合作框架協議，啟動在內蒙古建設一個世界級煤制烯烴項目的可行性研究。該項目將引進甲醇制烯烴與烯烴裂解一體化工藝（MTO/OCP），將可以大幅度提高MTO技術的乙烯和丙烯收率。另外，據國家能源局科技司的消息，《煤炭深加工示范項目規劃》和《煤炭深加工產業發展政策》即將出臺，國家發改委首次對行業進行全面具體的引導和規范，這意味著煤基烯烴技術發展前景可期。

但是，隨著眾多煤制烯烴項目蜂擁建設和投產，存在的問題和挑戰也會逐漸顯現，如產業發展缺乏引導和統籌規劃；投資強度高、經濟風險較大；國外低成本烯烴產品涌入；技術成熟性有待進一步確認；技術資源研發缺乏統一協調；高耗能、高污染的缺點凸顯等[6]。可見，煤制烯烴項目建設的熱潮背后，存在危機也如影隨形。

4 結語

煤基甲醇制烯烴的發展現狀表明該技術是切實可行的，它是替代石油生產乙烯、丙烯等基礎化工產品，減少石油消耗的有效途徑。目前國內項目建設突飛猛進，但仍需立足科學規劃，優化產業結構，加速煤化工行業規模化、大型化、一體化、基地化發展，加速煤化工多聯產項目建設，加快技術升級，穩步推進產業發展，使煤制烯烴走上健康的發展之路。

[1] 李瓊玖，申同賀，王樹中，等.煤基甲醇制烯烴替代石油路線的工藝技術剖析[J].河南化工，2007，24（11）：5-8．

[2] 周傳雷.我國煤制烯烴產業現狀及發展前景[J].化學工程師，2011(8)：42-45．

[3] 朱杰，崔宇，陳元君，等.甲醇制烯烴過程研究進展[J].化工學報，2010， 61（7）：1675-1684.

[4] 代炳新，王新生.我國煤基甲醇制烯烴技術進展[J].河南化工，2010，27（4）：25-28.

[5] 張殿奎.煤化工發展方向——煤制烯烴[J].化學工業，2009，27（1/2）：18-22．

[6] 龔華俊.“十二五”期間我國煤制烯烴產業發展的幾點建議[J].化學工業，2010，28（2/3）：1-4.