新常態下現代煤化工思考和創新

汪壽建

(中國化學工程股份有限公司，北京 100007)

專題綜論

新常態下現代煤化工思考和創新

汪壽建

(中國化學工程股份有限公司，北京 100007)

在新常態下，現代煤化工只有堅持技術創新，在煤炭清潔轉化技術、核心工藝技術、高端產品技術、裝備制造技術以及環保控制技術等方面實現創新重點突破，現代煤化工才能在創新升級中得到生存和發展。

煤化工；核心技術；產品技術；制造技術；創新升級

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.001

回顧“十二五”期間煤化工在煤制油、煤制氣、煤制烯烴等示范工程中取得的重大成果、重大技術突破以及存在的問題；思考在新常態下煤化工發展面臨的嚴峻的環保準入門檻、石化產業結構調整、低端產品庫存產能過剩等挑戰；創新煤化工核心工藝技術、市場需求高端產品鏈技術、國產大型裝備制造技術、二耗一效節能降耗技術和環保控制技術，已經成為迫在眉睫的重點課題，把這些創新問題研究透，解決好，現代煤化工才能在創新中生存和發展。

1 “十二五”期間煤化工回顧

現代煤化工產業，包括煤制油、煤制天然氣、煤制烯烴、煤制乙二醇、煤制醇醚燃料和煤制化肥等示范項目，其中有不少堪稱世界煤化工發展的亮點。技術創新一直是煤炭清潔高效開發利用長期發展戰略的核心，它不僅在于原創性發明，獲得單體功能核心技術的突破，更在于為拓展具有重大應用價值鏈的下游產業集成打下了基礎，形成具有競爭力的品牌。

1.1 大型煤氣化、甲醇合成、乙二醇發展現狀

大型煤氣化是煤化工的關鍵技術，通常煤化工項目生產不好都與煤氣化不穩定生產有關。在“十二五”期間，我國煤氣化技術得到快速發展，如多噴嘴對置式氣化爐已建成107臺，其中40臺爐子已經投產運行；航天爐已建成73臺，其中24臺投產運行；水冷壁清華爐、兩段爐、五環爐、東方爐等都取得了很大的成績。

大型甲醇合成：低壓合成，大型氣冷式反應器、水冷式反應器，等溫反應、副產蒸汽、單系列產能5 000 t/d。大唐多倫167萬t/a甲醇，神華包頭180萬t/a甲醇，寧煤180萬t/a甲醇。已建成煤制甲醇裝置產能約5 000萬t/a以上，單系列產能達到60萬t/a、100萬t/a和180萬t/a。

煤制乙二醇：已建成十多套乙二醇示范裝置，單系列裝置產能20萬t/a，乙二醇總產能達到165萬t/a。

1.2 煤(甲醇)制油發展現狀

在一定的溫度、壓力和催化劑條件作用下，原料煤通過一系列加氫化學反應生成液態油(烷烴)的化學轉化過程，也可稱為煤的液化制取合成油的過程。按照煤制油工藝路線可分為直接液化合成油和間接液化合成油，同時將甲醇制汽油也可看成是煤制油的一種形式。主要技術有：德國IGOR工藝，反應條件為溫度470 ℃，壓力30 MPa，催化劑采用煉鋁工業廢渣;日本NEDOL工藝，反應條件為溫度455～465 ℃，壓力17～19 MPa，催化劑采用合成硫化鐵或天然硫鐵礦;美國HTI工藝，反應條件為溫度440～450 ℃，壓力17 MPa，采用懸浮床反應器和鐵基催化劑；神華DCTO工藝，在一定溫度、壓力和催化條件下加氫反應，獲得液化油品，并進行分離、提質加工成汽油、柴油及其他化工產品；山西煤化所的甲醇制汽油工藝等。

神華煤直接液化制油技術成功用到包頭100萬t/a煤制油示范工程中；中科院山西煤化所與中科合成油聯合開發的煤間接液化制油工藝，高溫漿態床F-T合成工藝在伊泰、潞安和神華包頭進行了16萬t/a煤間接液化示范工程建設，已經成功投產運營。

神華煤直接液化工藝：以煤為原料，在一定的溫度、壓力和催化劑條件作用下，通過一系列加氫化學反應生成液態油(烷烴)的化學轉化過程，直接液化制取合成油工藝見圖1。

圖1 煤直接液化工藝流程

以煤為原料，經煤氣化生成粗合成氣(CO+H2)，經氣體凈化后，采用漿化床反應器和鐵基催化劑，通過費托合成生產出餾程不同的液態烴，經裂解重整加氫后制得柴油、石腦油、LPG石腦油等產品，煤間接液化工藝見圖2。

圖2 煤間接液化工藝流程

以甲醇為原料，在一定溫度、壓力和催化劑作用下進行烴類裂解反應，生成的混合產物經冷卻后，在分離器中分離出汽油、重油、LPG等產品，一步法甲醇制汽油工藝流程見圖3。部分煤(甲醇)制油示范工程投產概況見表1，部分待建和正在建設的煤(甲醇)制油示范工程的概況見表2。

圖3 一步法甲醇制汽油工藝流程

序號建設地點項目名稱投產日期投資金額/億元1內蒙古鄂爾多斯神華煤化工能源公司100萬t煤直接液化制油投產245(1期)2內蒙古鄂爾多斯內蒙古伊泰煤制油公司16萬t間接制油投產253山西長治山西潞安煤制油公司16+5萬t間接制油投產304陜西榆林陜西榆林未來能源公司100萬t間接制油2015.85內蒙古鄂爾多斯神華煤化工能源公司18萬t間接制油6山西晉城晉煤天溪公司甲醇制油10萬t20147內蒙古鄂爾多斯內蒙古慶華集團甲醇制油2×10萬t20148云南先鋒云南先鋒甲醇制油20萬t20149陜西寶雞陜西寶氮集團公司10萬t2015.1小計290萬t

表2 待建和正在建設的部分煤(甲醇)制油示范工程概況

續表

1.3 煤制烯烴芳烴現狀

煤制烯烴過程主要包括煤氣化、凈化、甲醇合成及甲醇制烯烴。先要把煤制成甲醇，而煤制甲醇的過程首先是將煤氣化制成合成氣，然后將合成氣變換和凈化，最后將合成氣制成粗甲醇并精餾，最終產出合格的甲醇進行甲醇制烯烴。目前甲醇制烯烴技術主要有：中科院大連化物所的甲醇制乙烯/丙烯(DMTO)工藝、 Lurgi公司的固定床甲醇制丙烯(MTP)工藝、中石化的甲醇制乙烯/丙烯(SMTO)工藝等。中科院大連化物所自主研發的DMTO專利技術，是世界首套最大的煤制烯烴示范項目。該技術首次用于神華包頭煤制烯烴工程，于2007年9月開工建設，2011年1月正式投入商業化運營。

大連化物所的DMTO甲醇制烯烴，在神華鄂爾多斯建設了60萬t MTO項目，神華寧煤60萬t MTP甲醇制丙烯項目。清華分別與華電和中國化學開發的流化床甲醇制芳烴FMTA、甲醇制丙烯FMTP中試裝置獲得成功，延長石油集團開發的煤油共煉加氫45萬t的示范工程等。煤制烯烴已建成投產12套裝置，每套約60萬t產能，總烯烴產能約500萬t。大連化物所的甲醇制乙烯/丙烯(DMTO)工藝流程見圖4。

圖4 DMTO甲醇制烯烴工藝流程

Lurgi公司固定床甲醇制丙烯(MTP)工藝見圖5。工藝流程為：原料甲醇經二甲醚(DME)預反應，在催化劑作用下生成混合烴，經調節后進入分離系統，分離出丙烯產品、汽油等副產品，分離出的C1-C2和C4-C5返回到反應段進一步轉化為丙烯，最終得到丙烯產品。部分煤(甲醇)制烯烴企業示范工程投產概況見表3，部分待建和在建的煤(甲醇)制烯烴示范企業工程概況見表4。

圖5 Lurgi(MTP)甲醇制丙烯工藝流程示意圖

序號建設地點項目名稱投產日期投資金額/億元1內蒙古多倫大唐多倫47萬t煤制聚丙烯MTP2009年2402內蒙古包頭神華煤化工能源60萬t煤制聚烯烴DMTO2010年1703寧夏寧東神華寧煤50萬t煤制聚丙烯MTP2012年1704河南中原中石化中原煤化工20萬t聚烯烴SMTO2013年5陜西榆林中煤榆林60萬t聚烯烴DMTO(一期)2014年

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表4 部分待建和在建煤(甲醇)制烯烴企業示范工程概況

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1.4 煤制氣

煤制天然氣是將煤炭通過煤氣化、氣體凈化再合成人工甲烷氣的一種潔凈氣體能源轉換工藝。甲烷化催化劑和反應器是煤制天然氣的關鍵技術，目前主要的甲烷化技術有英國DAVY工藝、德國Lurgi工藝、丹麥TREMPTM工藝等，由于甲烷化是強放熱反應，為防止甲烷化反應器溫度過高，上述技術都采用了大循環氣量移走反應熱的多固定床串聯工藝。大唐克旗第一條生產線、新疆慶華首期13億Nm3天然氣生產線以及新疆廣匯5億Nm3液化天然氣項目均已投產。

原料煤經氣化制備合成氣(CO+H2),合成氣經過變換、氣體凈化，送甲烷化合成天然氣，天然氣再通過干燥加壓管道輸送到客戶端或制液化天然氣(LNG)。煤制天然氣工藝流程見圖6。部分煤制天然氣示范工程投產概況見表5，部分待建和在建的煤制天然氣示范工程概況見表6。

圖6 煤制天然氣工藝流程

序號建設地點項目名稱投產/建設投資金額/億元1內蒙古克旗大唐克旗40億Nm3煤制天然氣一期2013年底2572新疆伊犁新疆慶華55億Nm3煤制天然氣一期2013年2783內蒙古鄂爾多斯內蒙古匯能20億Nm3煤制天然氣一期2014年1704新疆廣匯新疆廣匯5億Nm3煤制天然氣一期2014年250小計36億Nm31200

表6 部分待建和在建的煤制天然氣示范工程概況

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2 煤化工存在的問題

2.1 煤化工布局問題

逢煤必化。“十二五”期間，煤化工一窩蜂上馬現象嚴重，而國家對煤化工布局有嚴格要求，要優先在有煤炭資源的開發區和重點開發區布局，但部分煤化工企業未選擇在環境容量較好的地區進行符合環境保護的規劃，對沒有環境容量的地區也未開展經濟結構調整、替代措施來騰出環境容量，也未最大限度減少污染物的排放。

據有關統計資料顯示，從2013年～2015年5月，獲得國家發改委路條的煤化工項目共計22個，總投資達5 000億元，而各地上報發改委的煤化工項目達104個，總投資額高達2萬億元。

2.2 水資源瓶頸制約問題

煤化工是一個大量消耗水資源的產業，而部分煤化工項目布局在水資源相對匱乏、環境相對脆弱的地區。工藝蒸汽參加化學反應、循環冷卻水蒸發或“跑、冒、滴、漏”損失需要的系統補充水、除鹽水補充水及生活用新鮮水，同時還會產生大量廢水，對環境產生巨大威脅。若節水措施不到位，如開式循環冷卻水系統節水技術、空冷技術、閉式冷凝液回收技術、水的梯級利用及重復利用技術等措施沒實施好，單位水耗和廢水排放量就降不下來，從而影響煤化工項目整體布局。

2.3 產品同質化及低油價沖擊經濟效益問題

煤化工產品同質化現象非常普遍。沒有獲取開發高端煤化工產品的核心技術以及國產化大型裝備制造技術，國際專利商會完全壟斷高端產品的市場；煤化工生產企業只能生產低端產品或者是后續產品鏈的原料，產業鏈做不長，這就導致煤化工中間產品雷同現象比較嚴重，企業核心競爭力不強，經不起低油氣價的沖擊，煤化工的競爭力成本優勢遇到了極大的挑戰，企業效益不好。

2.4 三廢排放及綜合利用問題

高濃度有機廢水排放污染處理不到位。主要來源于煤氣化廢水等，污染物以COD為主，典型的高濃度有機廢水COD濃度一般均在3 000～5 000 mg/L以上,有的出水甚至超過10 000 mg/L，污水處理量大。BOD與COD的比值>0.3時，廢水還相對容易處理，但如果選擇工藝不正確、投資不到位難以達標或直接送至蒸發塘處理，就會給周圍環境造成不良影響；高濃度難降解有機物廢水處理工藝選擇存在問題，對高濃有機物、高難降解物、高含毒物、高含油物以及氰化物、硫化物、硫氰化物、高含氨氮等的處理后不能達標；BOD與COD的比值<0.3時，含有苯酚、萘、蒽、苯并芘等多環類化合物、以芳香族化合物和雜環化合物居多；重金屬和有毒有機物，色度高，有異味，散發出刺鼻惡臭，對于具有強酸強堿性等成分復雜的污水處理目前還沒有更好的工藝技術或投資成本太高。

已經選擇的一些技術可生化性較差。本質上是由其難降解物種類的特性決定的，外部環境條件(如溫度、pH值等)未達到生物處理的最佳條件,化合物本身的化學組成和結構非常復雜,在微生物群落中,沒有針對要處理的化合物的酶,使其具有抗降解性，同時含有對微生物有毒或者能抑制微生物生長的物質。

高濃鹽水處理回收綜合利用問題。含鹽廢水主要來源于生產過程中的煤氣洗滌廢水、循環水排水、除鹽水排水、回用系統濃水以及補充的新鮮水等。煤化工實現“零排放”后得到的雜鹽，具有極強的可溶性，其穩定性和固化性差，易造成二次污染。

3 煤化工生存和發展

隨著國際油價的下跌、國內環保標準的提高、石油化工產業結構的轉型調整和大量中低檔產品庫存積壓等因素的疊加，“十三五”期間現代煤化工產業進入一個發展調整新周期。在這個時期，現代煤化工只有創新升級才能生存發展，除此之外，沒有其他的好辦法。我們可以在下面這些技術中進行創新升級。

3.1 推進煤炭清潔轉化產品鏈技術升級

按照統一規劃、合理布局、綜合利用的原則，統籌推進現代煤化工產業發展和煤炭清潔轉化創新技術，在形成現代煤化工向新型化、大型化、產業基地及基地群方面進一步優化布局；重點在煤炭資源豐富、水資源有保障、生態環境許可、運輸便捷的地區，根據生態環境、水資源保障的情況布局現代煤化工示范項目；加強煤化工技術、產品、工藝領域的耦合集成，提升現代煤化工技術水平和煤炭清潔轉化產品鏈技術，減少對生態環境的負面影響，促進煤化工深度發展。

3.2 完善清潔能源產品多聯產技術升級

現代煤化工要以清潔能源產品為基礎，以煤制清潔油品技術為突破口，為大氣污染防治的重點城市提供標準油品，為煉廠成品油升級提供優質的調和技術；以低階煤分級分質利用技術為突破口，進行低階煤多聯產，提升煤炭轉化利用總體效率；以煤制天然氣為突破口，解決富煤地區的能源長距離外送，為目標消費市場削減分散燃煤、發展冷、熱、電三聯供和清潔燃料運輸工具提供潔凈能源保障。

3.3 推進超大型化潔凈煤氣化技術升級

現代煤氣化是煤化工發展的核心，國外大型先進煤氣化技術Texaco水煤漿氣化技術、Shell粉煤氣化技術和GSP粉煤氣化技術處于領先地位，要分別對具有自主知識產權的多噴嘴水煤漿氣化、干煤粉氣流床氣化技術進行工業示范開發和放大研究；大型化潔凈煤氣化發展趨勢和方向應遵循我國煤種多、煤質多樣性的特點，研究開發適合灰熔點高、中強黏結性煤種的氣化技術。推進大型潔凈煤氣化技術穩步發展，確保取得“長、滿、穩、優”龍頭作用；不斷創新煤轉化率高、氣化效率高、有效產率高、節能消耗低、成本造價低、長周期穩定、綠色環保優的氣化工藝，推進各類加壓氣化技術進一步升級、集成、耦合及裝備大型化。

3.4 優化超大型氣體凈化技術

針對不同的氣化技術、原料氣差異和目標產品的特征，優化選擇最佳的氣體凈化技術，集成合成氣凈化方案，提升耐硫寬溫變換催化劑活性和使用壽命，降低消耗、提高轉化率和降低投資的變換技術。優化集成以適應各種變換氣的工藝參數，滿足各種產品對脫硫脫碳的要求，提高脫碳效率，降低能耗，降低蒸汽消耗，降低大型低溫甲醇洗工藝投資，形成能滿足大型二氧化碳脫除的工藝技術以及大型吸收塔器等設備。開發脫硫及硫回收以及一氧化碳及二氧化碳分離技術，通過變壓吸附、PSA、膜分離、低溫精餾等工藝的組合滿足不同產品、不同規模、不同組分的氣體分離升級技術。堅持技術升級示范與結構調整相結合，利用煤化工的先進工藝、技術和裝備對氣體凈化技術進行升級改造，使傳統的凈化工藝形成規模化、集約化、可持續化發展模式。

3.5 開發超大型低壓等溫高位回收甲醇合成技術

采用低壓甲醇合成技術是發展趨勢。以低中壓甲醇合成為目標，節能降耗為目的，選擇等溫型反應器，在最適宜的溫度范圍內運行；以反應熱副產蒸汽，高位能回收方式可使合成甲醇綜合能耗有效降低。采用新型催化劑是因其具有高活性、低溫耐硫，床層溫度易控等特點。力求催化劑床層溫度分布有效控制，滿足各種操作條件變化；力求床層內均溫或溫差小，生產強度大，使用壽命長，時空收率高，低循環比和高單程轉化率，副反應產物和雜質少；采用徑向或軸徑向等溫反應器是發展趨勢。選擇徑向或軸徑向床層結構，氣體分布均勻，阻力降小，結構簡單；選擇材料應具有抗羰基化生成能力和抗氫脆能力，因其制造檢修及裝卸還原方便，避免采用特殊貴重材料；選擇凈化降低合成氣總硫含量，避免甲醇催化劑中毒；研發液相法甲醇合成新工藝是發展趨勢。進一步開發氣-液-固滴流床、漿態床和流化床甲醇合成工藝，由于液相合成中使用了熱容高、導熱系數大的惰性液體，更好進行等溫反應。

3.6 耦合優化工藝產品行業領域集成技術

整體煤氣化要與煤化工、聯合循環發電以及大型超超臨界發電等進行耦合；不同煤氣化技術與污染物控制技術方面的集成，包括高效除塵、硫回收、脫硝技術；酚氨回收、廢水制漿、活性炭吸附等污水處理技術。焦化、低溫熱解與不同煤氣化技術之間的組合應用技術以及污染物控制技術方面要有重大突破和集成。在高效除塵、脫硫、脫硝，酚氨回收、廢水制漿、活性炭吸附等污水處理以及大型氣化爐、熱解爐、合成塔、廢熱鍋爐技術方面要形成具有自主知識產權的潔凈煤轉化升級技術。

3.7 突破低階煤分級分質利用熱解技術

低階煤分級分質多聯產綜合利用是一項具有發展前景的煤炭潔凈轉化技術，特別對含油率較高的低階煤，經低溫(500～600 ℃)熱解，獲得焦油、煤氣等輕質組分，同時獲得熱值較高的固體清潔燃料(半焦)。煤氣可用于制氫或甲烷化以及其他化學品。半焦比原煤熱值更高、更潔凈，既可氣化生產合成氣，繼而生產化工產品，又可作為優質民用燃料和電廠燃料，從而實現煤的分質分級高效清潔利用。提升集成煤焦油精制重整產品鏈技術。低溫熱解得到的焦油產品深加工與高溫焦油不一樣，煤焦油加工向精細化工、染料、醫藥等方面延伸，精加工向燃料油方面發展。煤焦油分離和利用的重點由高含量組分轉向低含量組分方面研發，獲得生產精細化學品所需的高附加值成分和新工藝。利用煤焦油加氫精制和加氫裂化的方法來生產滿足環保要求的石腦油、柴油產品是煤炭資源更合理利用的發展方向。

3.8 控制三廢排放

煤化工項目在環保節能減排控制技術方面要加大力度，完善污染物排放強度低的升級工藝，在污染控制技術開發(如廢水處理技術、廢水處置方案、結晶鹽利用與處置方案)方面要勇于承擔環保示范任務。以資源高效和循環利用為核心，堅持減量化、再利用、再循環的原則，注重推進資源、能源節約和推行清潔生產，降低廢棄物產出率，加強“三廢”治理和循環利用，最大限度地降低污染物和二氧化碳的排放量。加強對二氧化碳捕集與封存、利用技術的研究，使之盡快成為解決煤化工產業溫室氣體排放問題的重要配套技術。新建示范工程在大氣污染物和污水排放方面要符合最嚴格的環保要求，廢渣全部無害化處理或資源化利用，推廣利用廢水制水煤漿、空氣冷卻等節水型技術，要實現環保控制關鍵技術和裝備制造國產化。

4 結語

在“十三五”開局之年，現代煤化工技術創新肯定會面臨很多新挑戰、新困難，同時也會迎來新的戰略機遇，只要堅持技術創新，全面解決“十二五”煤化工存在的各類問題，在煤炭清潔轉化技術、核心工藝技術、高端產品技術、裝備制造技術以及環保控制技術方面取得創新重點突破，現代煤化工才能在創新升級中得到生存和發展。

[1]韓曉剛，曾磊.預處理-SBR工藝處理甲醇生產廢水工程設計與運行調試[J].水處理技術，2012，37(7)：121-124.

[2]劉培青，李巖巖，等，固定化微生物技術處理甲醇廢水[J].遼寧化工，2012，40(12)：38-40.

Reflection and Innovation of Modern Coal Chemical Industry under the New Normal Condition

WANG Shou-jian

(ChinaNationalChemicalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100007China)

Under the new normal condition, the modern coal chemical industry can only survive and develop through innovation and upgrading by making breakthrough in the clean coal conversion technology, core technology, high-end products, manufacturing technology, environment protection and control technology.

coal chemical industry; core technology; product technology; manufacturing technology; innovation and upgrading

汪壽建(1956年-)，男，江蘇無錫人，教授級高級工程師，中國化學工程股份有限公司總工程師，長期從事化工、煤化工工程設計、開發及技術管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.001

TQ 541

A

1004-8901(2016)06-0001-07

2016-08-30