煤化工技術發展現狀與新型煤化工技術分析

儲 佼

（靈谷化工集團有限公司，江蘇宜興 214203）

1 煤化工技術的發展現狀

1.1 煤干餾技術

煤干餾技術是在高溫與隔離空氣條件下，將煤作為原料加熱至特定溫度進行熱分解反應來生成一次、二次熱分解產物的一項煤轉化工藝技術，在高溫干餾生產過程中獲取煤氣、焦炭、煤焦油等產物，將其作為化工生產原料。煤干餾技術的生產過程為：在隔離空氣的環境中將煤料加熱升溫，在煤料溫度提升至200℃以上的過程中有效蒸發所含水分與結晶水；隨后將煤料溫度提升至350℃以上，煤料出現軟化現象，在煤料溫度提高至400～500℃時，將產生煤氣與焦油等一次熱分解產物；在煤料溫度提升至550℃以上后析出揮發物，出現收縮現象；溫度超過800℃時，產出焦爐煤氣等二次熱分解產物。

在我國煤炭能源化工產業發展期間，煤干餾技術是應用最為常見的一項煤炭化學轉化技術，在生產期間不會出現煤料氧化問題，煤料在焦化后可以產出焦炭、煤焦油、煤氣、二甲苯等產品。然而，煤干餾技術的工藝流程較為煩瑣，生產質量與效率受到多方面因素影響，如所使用煉焦用煤的黏接性與結焦性、煉焦洗選效果、煉焦過程的膨脹壓力等。例如，在所選用煉焦用煤的黏結性過強時，煤料軟化形成的膠質體黏度過大，易產生高膨脹壓力。針對這一問題，多數企業紛紛加大對煤干餾技術的研發力度，不斷對煤干餾技術體系進行優化改進，并陸續推出多項配套煤化工技術，如焦化廢水綜合治理技術、半焦生產工藝等。

1.2 煤氣化技術

煤氣化是將煤料或是半焦在高溫常壓或是加壓環境中與氣化劑進行一系列化學反應，生成氣體產物的一項工藝技術。在氣化過程中，逐漸將固態的煤料轉換形成氣態合成氣，并在反應過程中產生少量的焦油與灰渣等殘渣。

近年來，隨著生產工藝的不斷優化，陸續推出多種煤氣化技術，不同氣化技術的適用范圍、工藝特點與優缺點存在明顯差異，具體如下：①固定床氣化技術。將純氧以及水蒸氣作為煤料的氣化劑，主要被用于氣化加工粒度在6～50mm的低氣化變質程度煤種，如泥煤與褐煤，經過氣化加工來獲取焦油和輕質油等化工產品。與其他技術相比，固定床氣化技術有著原料適用范圍廣、氧耗量低、可獲取副產品種類多的優勢，但所產出煤氣中含有較高濃度的甲烷與二氧化碳，且平均蒸汽分解率僅為40%。②氣流床氣化技術。該項技術是將純氧為氣化劑，將煤料置于高溫高壓環境中進行氣化反應，在氣化過程中并不會產生焦油與酚水等物質，且粗煤氣中的有效氣體濃度極高，是推動我國煤炭能源綠色健康發展的一項重要技術。③流化床氣化技術。將粒度在0～6mm的煤料作為原材料，氣化劑作為流化介質，這項技術具有工藝流程簡單和爐內氣化溫度均勻的優勢，但在這一階段會出現較多的帶出物，煤氣中的有效成分較少。針對于此，可選擇應用新型的循環流化床工期或是U-Gas加壓流化床氣化工藝。

1.3 煤液化技術

早期煤液化技術采取直接液化法，使用催化劑以及氫氣，煤料進行加氫裂化反應，直接轉變為液體燃料，由于煤種要求過于嚴格，導致煤液化生產成本極高，逐漸被間接液化技術所取代。近年來，國內外諸多企業紛紛加大對煤直接液化技術的研發力度，推出多項全新工藝。以氫煤法為例：首先，基于高溫與催化劑作用，在氫壓作用下將煤料裂解形成小分子烴類液體燃料。其次，煤間接液化技術得到廣泛應用，將煤料置于高溫有氧環境下與水蒸氣進行反應，將氣化煤炭經過脫硫、脫碳等一系列處理后形成潔凈合成氣，再將合成氣進行萃化反應來形成烴類液體燃料作為原料生產汽油等產品。

2 新型煤化工技術分析

2.1 甲醇生產技術

在早期甲醇生產工藝中，出于成本因素考慮，普遍選擇將天然氣作為生產原料，但是，隨著天然氣存儲量的變化，以及天然氣開采難度的提升，如果仍舊采取傳統生產工藝，使得甲醇生產成本過于高昂。在這一時代背景下，甲醇生產原料逐漸由天然氣轉變為煤炭，提出煤制甲醇技術。在甲醇生產過程中依次經過煤料氣化、水煤氣變換、合成氣凈化、甲醇合成與甲醇精餾等階段。與傳統的天然氣制甲醇技術相比，煤制甲醇技術具有清潔無污染、反應轉換率高、生產成本低等優勢。

2.2 新型煤氣化技術

在傳統煤氣化技術體系中，固定床氣化、流化床氣化與氣流床氣化等技術都存在著應用局限性，如在應用流化床氣化技術時，所產生煤氣中往往含有大量的帶出物，帶出物中的碳含量較高，碳轉化率偏低。因此，在新研發的煤氣化技術中，選擇使用不同批次催化劑對煤料進行均相與非均相化學處理，從而獲取多種化學物與混合物，如異丁醇和甲醇所占比重為6∶4的混合物。同時，為避免在煤氣化生產過程中頻繁出現冷卻器與飛灰過濾器故障問題，惠生與殼牌公司聯合開發一項Hybrid混合煤氣化技術，在原有的SCGP廢鍋技術流程基礎上，綜合采取膜式水冷壁、粉煤加壓氣化輸送、間歇性排渣等工藝，以此來替換合成氣冷卻器以及飛灰過濾器等裝置，有效結合了SCGP廢鍋流程優勢與激冷技術優勢。

2.3 新型氨合成技術

新型氨合成技術的工藝流程與生產原理為：首先，準備煤料支撐含有氨氮元素的粗原料氣，或是直接在固體原料基礎上制取合成氣；隨后，對粗原料氣進行凈化處理，依次進行一氧化碳變換、脫硫脫碳與氣體精制步驟，將生產過程中獲取的氫氮混合氣壓縮至高壓狀態，使用催化劑獲取合成氨，將所獲取的氨作為石油煉制、橡膠工業加工、化肥生產的原材料；此外，在應用新型氨合成技術時，重點考慮三廢處理與安全問題。其中，三廢問題指在氨合成生產過程中所產生排放氣與廢渣的回收處理問題，如將廢渣用水清洗來獲取炭黑污水，采取重油萃取法，提取污水中的重油炭黑漿作為鍋爐燃料。而安全問題則是對所產生合成氨中的一氧化碳、氨、硫化氫濃度的控制，并采取隔離保護措施，避免出現安全事故。例如，在我國現行的衛生標準規范中明確規定：生產車間內的硫化氫與一氧化碳最高容許濃度分別為10mg/m3與30mg/m3。

2.4 烴化產物的合成

當前，社會對煤化工的技術研發廣泛關注。烯烴產物在煤化工技術領域中有著非常重要的分量，在現代化學工業的發展中對低碳烯烴的需求度越來越高，但供求關系的矛盾卻越來越大。許多研究人員投入了大量的時間和資金進行煤化工新技術研究工作，對轉化技術進行科學研發，成功研發了甲醇制乙烯和丙烯（Methanol to Olefins，MTO）技術以及甲醇制丙烯（Methanol to Propylene，MTP）技術。MTO及MTG的反應歷程主反應為：

該工藝以甲醇為原料，首先甲醇脫水生成二甲醚（DME），形成甲醇、二甲醚和水的混合物，然后進一步轉化為低碳烯烴，甲醇可由煤為原料輕易制成，可以大量避免原料浪費情況，提高轉化率，是非石油制乙烯和丙烯等產品的核心技術。不過此技術仍存在較多問題，諸多環節存在改進和優化空間。如果在我國煤炭資源豐富的區域，加快煤基MTO工藝的工業研究和發展，實現以乙烯、丙烯為代表的低碳烯烴生產原料多元化，可以解決我國石油資源緊張程度，促進我國低碳烯烴工業快速發展，也有利于我國內地產煤大省實現煤炭資源優勢轉化。另外，還有一種煤化工技術是以煤為基本原料，在高溫高壓下使甲烷發生脫氫反應，生成乙烯，此過程轉化率較高，產品的純度也較好，產物的選擇性大于70%，這也可成為煤化工技術未來研究方向。

2.5 煤化工技術設備不斷優化

由于煤化工生產技術的發展以及我國當前自動化控制、智能化技術的不斷更新，煤化工技術設備的科技性也會越來越高。同時，因為煤化工的生產過程中存在一定的污染物，當代社會的安全環保要求尤為嚴格，所以在將來煤化工技術與設備發展中，為提升競爭力和持續生產，企業會著力投入大量資金研究開發具有環保價值的煤化工生產設備和水處理零排放設備，降低生產過程的能耗，進而降低成本，提升煤化工生產企業的經濟收益。同時為了保證煤化工新型設備的應用與回收效果，要形成一套完整的設備開發與回收體系，為能夠使用新型技術設備的煤化工企業提供更大的便利，推動煤化工行業整體的技術進步。

3 新型煤化工技術發展的必要性和發展要點

隨著我國發展步伐的加快，國民經濟水平的提升，導致我國對石油的需求量日益增加，進而大幅提升我國石油的進口量。過分依賴進口石油的情況將會制約我國經濟的可持續發展速度。因此，我國有必要大力發展和研究新型煤化工技術，重視煤化工新型技術在國家發展中的積極作用，努力提升煤化工技術水平，為我國能源的安全性和可靠性提供有效保障。另外，在目前嚴峻的環保要求和政策下，國家和人民越來越重視對生態環境的保護。新型的煤化工技術相比傳統的煤化工工藝，具有十分明顯的優勢，比如：原料由干法處理向濕法處理的轉變，使得粉塵污染減小同時易于處理；普通鍋爐向航天爐或者華東理工的多噴嘴水煤漿汽化爐的轉變，使碳轉化率升高，有毒氣體排放減少，得到的產品氣更為清潔，發氣量更大，廢渣處理更為簡便。我國煤化工的相關產業如何合理應用并改進新型煤化工技術不僅可以提升煤炭轉化質量和效率，同時對產品生產價值和附加值的提升均有一定的優化，能夠最大程度降低生產過程中污染物的排放量，有益于煤炭行業健康、穩定、可持續發展，使我國煤炭企業在激烈的國際市場中更有生命力和競爭力。

新型煤化工技術的發展要點需要注意以下幾個方面：一是由于我國天然氣與石油儲量較低，而煤炭的利用率優于前者，再者甲醇是重要的化學產品基本原料，所以需要開發高質量的甲醇工藝，這樣可提高化工產品質量和效率，同時甲酸、草酸等元素是用甲醇萃取，使用范圍廣泛。二是研發多種技術結合，優化化工聯產技術方式，煤化工生產過程并不單一，將各種煤化工技術融合在一起進行研究，進行技術聯產可有效提高煤炭的使用價值和生產效果，減少生產能耗，降低生產成本。在實際生產中集成多元技術的煤化工聯合生產技術在遇到故障和突發事件時可以有更多的應急方式，更有效的生產轉型，可以將損失減到最低，同時聯產技術下可高效生產多樣化產品，提高產品附加值，滿足市場需求。三是研發水煤漿技術。水煤漿是新型含油燃料，有更好的穩定性。傳統燃料在運輸工藝上較為困難也會造成更多粉塵污染，同時燃燒過程中碳轉化率不高，能量產出較小，釋放的有害氣體較多，對環境有一定的污染。而水煤漿的輸送和儲存就比較便捷，燃燒釋放的能量也大，碳轉化率高，無有害氣體釋放，符合綠色環保的要求。現今使用的水煤漿、油煤漿、油水煤等，均具有研發價值。

4 結語

為克服傳統煤化工技術體系中的工藝局限性與技術難題，全面提高煤化工產品質量與生產效率，企業必須進一步提高對新技術的研究與開發，通過借鑒國內外重要的關鍵手段，集成融合多種煤炭資源轉換方法的技術優勢，從根本上加快我國現代化技術水平提升，促進綠色環保新型產業體系的完善發展。