淺談現(xiàn)代煤化工科學(xué)發(fā)展之策略

孫巧莉，李國(guó)明

(寶塔科技實(shí)業(yè)(寧夏)有限公司， 寧夏 銀川 750002)

煤炭是我國(guó)最主要的能源資源，不僅是重要的燃料，還是重要的化工原料。近年來，在國(guó)際油價(jià)急劇震蕩和對(duì)替代化工原料、替代能源的需求越發(fā)迫切的背景下，節(jié)能減排、充分利用資源已成大勢(shì)所趨。在已經(jīng)上報(bào)國(guó)務(wù)院待批的新型能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中，潔凈煤利用成為十個(gè)新興能源產(chǎn)業(yè)之一，諸多上市公司積極介入現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景備受關(guān)注[1-3]。我國(guó)煤化工經(jīng)歷了一個(gè)熾熱階段、大量投資和井噴式的發(fā)展過程，近兩年趨于較為理智的有序發(fā)展。從整體層面上來說，我國(guó)煤化工的發(fā)展目前進(jìn)入了關(guān)鍵時(shí)刻，挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，如何科學(xué)發(fā)展煤化工是新形勢(shì)下我國(guó)煤化工能否實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

1 煤化工在中國(guó)存在的必要性

煤炭屬于低效、高污染能源，環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)效益是煤化工可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵和瓶頸問題。

我國(guó)是在缺油、少氣、富煤的資源條件下發(fā)展煤化工的。只要在使用潔凈煤技術(shù)和節(jié)能提效優(yōu)先的條件下，在生態(tài)環(huán)境允許和具有經(jīng)濟(jì)效益的前提下，現(xiàn)代煤化工是可以而且應(yīng)該積極發(fā)展的，用這樣的方法發(fā)展煤化工能減輕對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)石油的依賴。

我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤用煤大國(guó)，21世紀(jì)以來我國(guó)煤炭產(chǎn)量以每年13～15%的速度在遞增，目前年產(chǎn)量已經(jīng)超過30億噸，盡管產(chǎn)能過剩對(duì)煤炭行業(yè)有過沖擊，但產(chǎn)煤、用煤大國(guó)的主體地位依然不可改變和動(dòng)搖。

當(dāng)我們?nèi)谌胧澜缃?jīng)濟(jì)一體化時(shí)，有一個(gè)問題不可忽視，每桶原油的價(jià)格波動(dòng)很大，當(dāng)油價(jià)處于高位時(shí)，煤化工幾乎一哄而上；當(dāng)油價(jià)處于低位時(shí)，煤化工的地位就會(huì)受到懷疑。

這個(gè)問題應(yīng)當(dāng)從國(guó)家的戰(zhàn)略地位和安全來考慮，對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)缺油多煤的國(guó)情，大量進(jìn)口原油并非長(zhǎng)久之計(jì)，在國(guó)際上依靠煤化工來解決油品和化工產(chǎn)品原料來源的南非已成為先例。

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的要求和工業(yè)的發(fā)展，煤產(chǎn)量大幅下降的可能性不是很大。我國(guó)煤及煤層氣的儲(chǔ)量遠(yuǎn)超過石油和天然氣的儲(chǔ)量，如果以1t原煤轉(zhuǎn)化為0.20t油(合成油)或以1t原煤轉(zhuǎn)化為300標(biāo)方天然氣來計(jì)算，我國(guó)1萬(wàn)億t的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量，相當(dāng)于2000億t油品或300萬(wàn)億標(biāo)方天然氣，這一數(shù)值遠(yuǎn)超過全國(guó)100億t原油或38萬(wàn)億標(biāo)方天然氣的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量。因此我國(guó)能源和化工用煤是不可避免的，煤化工在中國(guó)的存在是順理成章、完全必要的。

2 煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律

近年來，我國(guó)煤化工科研出現(xiàn)了前所未有的局面，一些新工藝、新技術(shù)脫穎而出，如MTG(甲醇制汽油)、MTP(甲醇制丙烯)、MTO(甲醇制烯烴)、煤加氫液化、合成氣制乙二醇、煤焦油加氫制柴油、等煤化工主流課題，這些課題都有相當(dāng)程度的進(jìn)展，特別是催化劑行業(yè)的成果相當(dāng)出色。

總的來講，以上科研成果大規(guī)模工業(yè)化的比例尚不夠高，一個(gè)新的化工工藝流程達(dá)到大規(guī)模工業(yè)化程度必須要經(jīng)過五個(gè)階段(小試、中試、工業(yè)化實(shí)驗(yàn)、示范廠、商業(yè)化工廠)。在這五個(gè)階段中都要有硬件和軟件的配合，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持，在工業(yè)化階段更是起到關(guān)鍵性作用。

近年來，我們大量引進(jìn)煤化工技術(shù)，期望以“市場(chǎng)換技術(shù)”，實(shí)際上并沒有達(dá)到預(yù)想目的，不斷引進(jìn)、不斷提供市場(chǎng)、不斷更新淘汰。以前引進(jìn)的技術(shù)在這樣的流程中循環(huán)我們得到的只是產(chǎn)能，基本上沒有培育成自己的成套技術(shù)。以大型合成氨為例，從20世紀(jì)70年代初至今，引進(jìn)大約30套成套技術(shù)。縱觀世界化肥先進(jìn)技術(shù)，任何西方國(guó)家也望塵莫及。但是到了2005年，海南富島二期的天然氣制氨裝置仍然引用的是KRHS技術(shù)，這不能不說是“市場(chǎng)換技術(shù)”失敗的典型案例。

現(xiàn)在國(guó)家已經(jīng)制止了煤制油特別是煤直接液化技術(shù)的遍地開花，推行“先示范后推廣”的政策，而對(duì)科研部門要求立即大規(guī)模推廣MTO的建議，不能不慎重考慮。在煤化工掀起的熱潮中，我們必須對(duì)發(fā)展過程中的風(fēng)險(xiǎn)有清醒的認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)，一些企業(yè)對(duì)于不成熟的技術(shù)信心過高，沒有估計(jì)到大倍數(shù)放大后實(shí)施工業(yè)化的困難，急于成批地上超大規(guī)模的裝置，這是不科學(xué)和不現(xiàn)實(shí)的。

欲速則不達(dá)，在煤化工領(lǐng)域這樣一個(gè)投資和規(guī)模巨大的產(chǎn)業(yè)，尊重科研規(guī)律穩(wěn)步前進(jìn)、有序發(fā)展是必要的，這也是煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)該遵循的規(guī)律。

3 現(xiàn)代煤化工穩(wěn)健發(fā)展的策略

3.1 新技術(shù)先示范后推廣

從我國(guó)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展歷史來看，并非所有的化工技術(shù)成果都可以順利實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，比如20世紀(jì)50年代的乙炔合成苯開發(fā)成功后并沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化；還有合成氣制乙醇技術(shù)，昂貴的催化劑(金屬銠1500～2000元/g)價(jià)格給大規(guī)模工業(yè)化帶來不可逾越的困難，尚有煤制烯烴項(xiàng)目，折合噸乙烯產(chǎn)品的投資為3～3.5萬(wàn)元，總投資約為石油路線的1.5～2倍，例如50萬(wàn)t/a的煤制烯烴總投資都在150億元人民幣以上。

煤化工項(xiàng)目不僅要考慮工藝和資金的問題，還有環(huán)境問題、水資源問題。為發(fā)展MTO這項(xiàng)產(chǎn)業(yè)投入上千億元的資金、消耗幾億噸的水、數(shù)千萬(wàn)噸的煤，這是否可行值得好好研究，作為正處于工業(yè)化實(shí)驗(yàn)和示范階段的煤制烯烴尚存在技術(shù)及工程放大風(fēng)險(xiǎn)。客觀地講，目前MTO、MTP盡管國(guó)內(nèi)遍地開花，在建和已建的總產(chǎn)能超過1000多萬(wàn)噸，但仍處于工業(yè)化示范階段。2010年國(guó)家發(fā)改委出臺(tái)了“關(guān)于加強(qiáng)煤制油項(xiàng)目管理有關(guān)問題的通知”對(duì)煤制油項(xiàng)目進(jìn)行了政策約束，像煤制油這樣高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的項(xiàng)目要求做到“先示范后推廣”使其步入科學(xué)發(fā)展的規(guī)律和道路，這對(duì)于其它大型項(xiàng)目同樣具有借鑒作用。

3.2 引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新

長(zhǎng)期以來，我國(guó)煤化工發(fā)展采取的政策一直是引進(jìn)技術(shù)和國(guó)內(nèi)開發(fā)兩條腿走路，在這方面有比較好的經(jīng)驗(yàn)，例如Texaco氣流床煤氣化技術(shù)在魯南和渭河就是這樣做的。但是也有反面案例，比如在2008～2010年間國(guó)內(nèi)19家企業(yè)同時(shí)引進(jìn)23套SHELL干煤粉氣化裝置，將發(fā)電用的工藝在沒有充分經(jīng)驗(yàn)的前提下實(shí)施在化工裝置上，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)外化工生產(chǎn)上的先例。實(shí)際情況是先期開車的幾套裝置并沒有達(dá)到預(yù)期效果，主要是開停車次數(shù)太多，不能滿負(fù)荷運(yùn)營(yíng)、能耗高、經(jīng)濟(jì)效益欠佳，與外商的宣傳目標(biāo)有差距，經(jīng)業(yè)內(nèi)人士分析，主要有以下幾方面原因：

3.2.1 工藝路線的問題

雖然SHELL煤氣化技術(shù)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，但是該工藝并非十全十美。

這種爐型在國(guó)外雖然具有成功案例和經(jīng)驗(yàn)，但是都在發(fā)電行業(yè)內(nèi)使用。引進(jìn)該工藝技術(shù)時(shí)，外商及代理人許諾該技術(shù)適合于任何煤種，不另加備用爐，可以節(jié)氧25%，投資與Texaco氣化差不多等等，吸引了國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)。實(shí)際上引進(jìn)該技術(shù)應(yīng)用于氫、氨、醇生產(chǎn)的過程中會(huì)面臨許多困難，其工藝流程、技術(shù)指標(biāo)、數(shù)據(jù)參數(shù)是在發(fā)電流程上得到的，并非完全適合于氫、氨、醇、甲烷等化工生產(chǎn)。同時(shí)，該技術(shù)與其它氣化技術(shù)的比對(duì)，不是在同等條件下得到的，忽略了合成氣中水蒸氣含量及H2/CO的影響。

3.2.2 原料問題

SHELL聲稱可以使用任何煤種，事實(shí)上并非所有煤種都適用于SHELL氣化法。只有活性好、灰分含量較低的煤種，才能確保長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行表明，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%～20%為最佳。企業(yè)的煤種尚需穩(wěn)定不能經(jīng)常更換，但實(shí)際情況是企業(yè)的煤種繁多，切換頻繁，通常1次/3～4天，最多2次/天，對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)是很困難的。SHELL技術(shù)對(duì)煤種苛刻的要求，使它的應(yīng)用和推廣受到限制和障礙。

3.2.3 生產(chǎn)問題

SHELL氣化技術(shù)通過在中國(guó)的工程化應(yīng)用，出現(xiàn)的一些共性問題，比如選擇什么樣的原料煤、大的渣塊易堵塞煤管、煤粉的流量如何控制、燒嘴頭部富氧過量易損壞、煤的輸送波動(dòng)導(dǎo)致煤/氧比例失調(diào)等問題反映出外商技術(shù)設(shè)計(jì)中的先天不足，為保證引進(jìn)裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)際上國(guó)內(nèi)引進(jìn)廠家也在對(duì)其裝置和技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，特別是零部件的國(guó)產(chǎn)化工作，也積累和創(chuàng)建了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

綜上所述，我們不能只成為外商批量工業(yè)化的試驗(yàn)基地，同時(shí)也要注意我們對(duì)引進(jìn)技術(shù)的改造和提升，對(duì)引進(jìn)的新技術(shù)不能全部生搬硬套，要有一個(gè)消化吸收的過程。神華寧煤50萬(wàn)噸/年MTP技術(shù)是在德國(guó)魯奇技術(shù)的基礎(chǔ)上放大7000倍，做了不少消化吸收再創(chuàng)新的工作。現(xiàn)在魯奇對(duì)外轉(zhuǎn)讓技術(shù)神華寧煤尚要占15%股權(quán)，就是引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新的成功案例。

3.3 有序發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針

煤化工的效率高低和有序發(fā)展問題引起了國(guó)內(nèi)高層學(xué)者的深切關(guān)注，這個(gè)問題的核心實(shí)質(zhì)是用煤做原料來生產(chǎn)化工產(chǎn)品是否合適，許多投資者認(rèn)為從能量利用率出發(fā)，應(yīng)投資能量利用率高的產(chǎn)品作為煤化工的發(fā)展方向，但事實(shí)上不完全如此。隨著化工科研的技術(shù)進(jìn)步，特別是催化劑的更新，節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用，使化工產(chǎn)品的能量利用率不斷提升和改進(jìn)。比如20世紀(jì)70年代的天然氣制合成氨，噸氨的能耗為42GJ；現(xiàn)在通過催化劑更新和節(jié)能技術(shù)，噸氨的能耗降低到28GJ，還有費(fèi)托合成柴油、甲醇制汽油(MTG)等技術(shù)，催化劑的更新?lián)Q代，使其技術(shù)尚有可發(fā)展空間，能量利用率尚有再提升的余地。

用多少噸煤制1t化工產(chǎn)品是眾所關(guān)心的事也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一項(xiàng)指標(biāo)，以噸標(biāo)準(zhǔn)煤來描述比較準(zhǔn)確，如下表1。

表1 煤烴轉(zhuǎn)化系數(shù) (噸標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)化為噸產(chǎn)品)

以上數(shù)據(jù)已經(jīng)包括電、蒸汽、燃料等其它形式的消耗，也就是說從地下開采的煤通過各種方式轉(zhuǎn)化成所需的產(chǎn)品，從整個(gè)工程設(shè)計(jì)中獲得是一個(gè)宏觀的定量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不是理論值而是工程值，隨著節(jié)能技術(shù)的采用，催化劑的改進(jìn)，裝置規(guī)模的不同數(shù)據(jù)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

從工程設(shè)計(jì)的另一個(gè)角度來說，噸產(chǎn)品煤耗與煤烴轉(zhuǎn)化具有共性只是角度不同而已，如下表2。

表2 煤化工產(chǎn)品的能耗

從表2中可以看出，煤制烯烴的能耗比較高，而煤制甲烷和甲醇的能量轉(zhuǎn)化率比較高，隨著催化劑技術(shù)的提升，煤制烯烴的能耗會(huì)有所下降，而煤制甲醇現(xiàn)在的能量利用率已經(jīng)達(dá)到比較高的水平，提高的空間不是太大。

煤化工總的來講，能耗比較大，不僅能量的回收率很低，而且大約70%的C生成的CO2直接排放到大氣中，給環(huán)境造成污染，這個(gè)代價(jià)是巨大的。所以煤化工確實(shí)需要有序有控地發(fā)展。

南非的煤化工發(fā)展歷史值得借鑒，南非有限的原油儲(chǔ)備和大量煤炭?jī)?chǔ)備的狀況促使南非發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)，上世紀(jì)50年代起，國(guó)際社會(huì)對(duì)南非實(shí)行石油禁運(yùn)和制裁，又進(jìn)一步推動(dòng)南非建立大規(guī)模煤制油工廠，當(dāng)國(guó)際解除禁運(yùn)以后，南非煤化工產(chǎn)品的重點(diǎn)不再是油品而是主攻化學(xué)品。目前，南非煤炭液化技術(shù)已日臻成熟，并擁有兩種“煤制油”技術(shù)，由煤炭液化技術(shù)而引伸出來的產(chǎn)品已遍布整個(gè)化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域。目前，南非不僅可以從煤炭中生產(chǎn)汽油、柴油、煤油等普通石油制品，而且還可以大規(guī)模生產(chǎn)航空燃油和潤(rùn)滑油等高品質(zhì)石油制品。這種持續(xù)發(fā)展的模式使南非到目前為止，無(wú)論是工業(yè)化技術(shù)還是生產(chǎn)能力，南非都是全球煤制油領(lǐng)域最先進(jìn)的國(guó)家。

薩索爾公司是目前世界上擁有煤炭液化工廠的公司之一，擁有目前國(guó)外商業(yè)化的煤間接液化典型技術(shù)——F-T合成技術(shù)。目前，該公司的3個(gè)液化廠，年耗煤4590萬(wàn)t,主要產(chǎn)品為汽油、柴油、蠟、燃?xì)狻薄⒁蚁⒈⒕酆衔铩⒋肌⑷⑼?13種，總產(chǎn)量達(dá)760萬(wàn)t，其中油品占60%左右，保證了南非28%的汽油、柴油供給量。

南非在煤炭間接液化產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的同時(shí)，不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和技術(shù)進(jìn)步，形成目前世界最大的煤轉(zhuǎn)化工廠，延長(zhǎng)了煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，提升了煤化工產(chǎn)品的附加值。南非自主發(fā)展煤化工的成功經(jīng)驗(yàn)值得提倡和借鑒。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將通過清潔、高效的途徑，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、特別是優(yōu)化終端能源結(jié)構(gòu)[4]。通過新型煤化工技術(shù)，把固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化為石油替代化工產(chǎn)品和清潔能源，極大的提高能源利用率是未來煤化工發(fā)展的趨勢(shì)。

自主創(chuàng)新能力是一個(gè)國(guó)家的核心能力，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力是我國(guó)應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)的重大選擇，目前國(guó)內(nèi)的科研環(huán)境對(duì)于科技驅(qū)動(dòng)發(fā)展、科技引領(lǐng)發(fā)展形勢(shì)十分有利。兗礦、神華、伊泰、潞安、華電等煤炭企業(yè)對(duì)煤化工科技投入將煤化工科研向前推進(jìn)了一大步。沿著自主創(chuàng)新有序發(fā)展這條路走下去，中國(guó)煤化工的希望就在明天。