煤化工技術(shù)的發(fā)展與新型煤化工技術(shù)研究

于文靜

（山東能源集團(tuán)兗礦魯南化工有限公司，山東滕州 277599）

就目前來(lái)看，各國(guó)都將煤化工能源技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，通過(guò)大力發(fā)展能源技術(shù)，不僅能夠有效解決能源危機(jī)，還可以推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。煤炭在我國(guó)儲(chǔ)備量巨大，但隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，現(xiàn)有煤炭資源更加緊缺，需要在傳統(tǒng)的煤化工生產(chǎn)技術(shù)上進(jìn)行不斷優(yōu)化與完善，加強(qiáng)煤化工生產(chǎn)管控力度，促進(jìn)煤化工生產(chǎn)節(jié)能減排化發(fā)展[1]。

1 煤化工技術(shù)常見(jiàn)種類(lèi)

1.1 煤干餾

煤干餾技術(shù)就是將與空氣隔絕的煤加熱分解，是一種煤焦化形式。煤化工生產(chǎn)主要分為一次化工加工、二次化工加工以及深度化學(xué)加工。現(xiàn)有大部分煤化工產(chǎn)品如焦化產(chǎn)品、氣化產(chǎn)品、液化產(chǎn)品、電石乙炔產(chǎn)品無(wú)法被石油化工產(chǎn)品取代。

1.2 煤氣化

煤氣化技術(shù)主要就是對(duì)煤原料進(jìn)行反復(fù)加熱處理，通過(guò)使用化學(xué)藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使固體煤炭能夠轉(zhuǎn)化為氣體混合物。氣化劑主要包括水蒸氣、空氣、二氧化碳等，這些材料均可以與煤炭發(fā)生反應(yīng)。不僅如此，煤炭通過(guò)熱分解后會(huì)生成二氧化碳、水蒸氣與烴類(lèi)物質(zhì)，這些物質(zhì)也可以與熱煤發(fā)生均相反應(yīng)。

結(jié)合氣化方法、氣化外在條件以及原料煤根本性質(zhì)，氣化中的氣體組成差距也較大。結(jié)合煤氣爐內(nèi)氣體生成特征，可以將每一層由上至下劃分為干燥層、干餾層以及氫化層等。在煤炭干燥與干流帶中，煤可以返到高溫加熱釋放出水分并蒸發(fā)。其他剩下的物質(zhì)為焦炭，可以在還原帶中發(fā)生氧化反應(yīng)，經(jīng)過(guò)氣化后的煤性質(zhì)不同，水分也存在較大差距。經(jīng)過(guò)氣化反應(yīng)后的煤還需要通過(guò)凈化加工生成化學(xué)品。

1.3 煤液化

煤液化反應(yīng)主要就是將各類(lèi)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為流質(zhì)液態(tài)，產(chǎn)生出能夠被應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)生活中的碳?xì)浠衔铮行〈椭破贰Ｃ阂夯哂芯薮蟮陌l(fā)展前景與應(yīng)用市場(chǎng)，通過(guò)發(fā)展煤液化技術(shù)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)煤化工行業(yè)高質(zhì)高效發(fā)展意義重大。現(xiàn)階段煤化工技術(shù)可以分為直接液化技術(shù)、間接液化技術(shù)、溶劑精制煤工藝、供氫溶劑技術(shù)、氫煤氣技術(shù)多種方式。

直接液化技術(shù)主要就是在高溫及溶劑的催化劑作用下，確保煤炭能夠與氣態(tài)氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而增加煤炭中的氫含量，確保煤炭能夠轉(zhuǎn)化為液態(tài)。直接液化技術(shù)在20世紀(jì)初發(fā)明，后續(xù)科學(xué)家將硫化銅與硫化鎢作為催化劑，使煤炭液化又被細(xì)化分為了兩個(gè)階段，從根本上提升了生產(chǎn)效率，為推動(dòng)煤化工行業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

間接液化技術(shù)主要就是將煤炭作為原材料，借助化學(xué)氫化反應(yīng)生成二氧化碳以及氫氣混合物，然后將氣體借助催化劑的作用生成液態(tài)烴類(lèi)產(chǎn)品。

溶劑精制煤工藝由20世紀(jì)60年代研發(fā)，是一種煤直接加氫液化工藝。在最初發(fā)展過(guò)程中，溶劑精制煤工藝主要用于開(kāi)發(fā)以重質(zhì)燃料油為主的煤液化轉(zhuǎn)化技術(shù)，節(jié)省催化劑，實(shí)際反應(yīng)條件較為溫和。利用煤的黃鐵礦可以將煤轉(zhuǎn)化為低灰低硫常溫下的固體物質(zhì)。后續(xù)通過(guò)對(duì)溶劑精制煤工藝進(jìn)行不斷優(yōu)化，增加了殘?jiān)h(huán)方法，通過(guò)減壓蒸餾方式推進(jìn)煤炭固液分離，獲得常溫下的液體重質(zhì)燃油[2]。

供氫溶劑技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，液化反應(yīng)期間也不必加入催化劑，從而降低了煤礦物質(zhì)對(duì)催化劑的毒害作用，有效延長(zhǎng)了高性能活性催化劑使用壽命。相較于其他生產(chǎn)技術(shù)而言，供氫溶劑技術(shù)能夠從根本上提高溶劑的供氧能力。

氫煤化技術(shù)需要使用高活性催化劑，借助沸騰床反應(yīng)裝置，從根本上提升液化轉(zhuǎn)化率，保障液相粗油質(zhì)量，降低了雜原子含量[3]。

2 新型煤化工技術(shù)

2.1 甲醇生產(chǎn)技術(shù)

在早期甲醇生產(chǎn)環(huán)節(jié)，根本上提高生產(chǎn)期間的經(jīng)濟(jì)效益，控制實(shí)際生產(chǎn)成本，主要將天然氣作為原材料。隨著天然氣儲(chǔ)量不斷減少，天然氣開(kāi)采難度進(jìn)一步提升，采用傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)的生產(chǎn)成本更高。甲醇生產(chǎn)原料從原有天然氣轉(zhuǎn)化為煤炭，開(kāi)發(fā)出了煤制甲醇技術(shù)。

在甲醇生產(chǎn)過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)煤料氣化、水煤氣轉(zhuǎn)變、合成氣凈化、甲醇合成以及甲醇精餾等環(huán)節(jié)。相較于傳統(tǒng)天然氣制煤技術(shù)而言，煤制甲醇技術(shù)反應(yīng)效率高，實(shí)際生產(chǎn)成本能夠得到根本上控制[4]。

2.2 新型煤氣化技術(shù)

傳統(tǒng)煤氣化技術(shù)主要分為固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、氣流床氣化技術(shù)等。這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用期間存在較大的局限性。例如，在流化床氣化技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，煤氣中通常含有大量的帶出物，帶出物質(zhì)內(nèi)部碳含量較高，碳轉(zhuǎn)化效率低。因此在新研發(fā)出的煤氣化技術(shù)中，需要使用不同批次催化劑對(duì)煤料首先開(kāi)展均相與非均相化學(xué)處理，從而獲得多種化學(xué)物質(zhì)與混合物質(zhì)。為避免煤氣化生產(chǎn)期間經(jīng)常出現(xiàn)冷卻器與飛灰過(guò)濾器故障問(wèn)題，還可以使用新型的混合煤氣化技術(shù)，在傳統(tǒng)煤氣化廢鍋技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上，配合膜式水冷壁技術(shù)、粉煤加壓氣化輸送技術(shù)、間歇性排渣進(jìn)入替換氣冷卻裝置以及飛灰過(guò)濾裝置，從根本上提升煤氣化水平。

2.3 新型氨合成技術(shù)

新型氨合成技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要就是利用高溫高壓環(huán)境，直接在固體原料基礎(chǔ)上制取的合成氣。對(duì)粗原料進(jìn)行凈化處理反應(yīng)，而后開(kāi)展一氧化碳轉(zhuǎn)變、脫碳脫硫以及氣體精制等環(huán)節(jié)，使實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中制取的碳?xì)浠旌蠚怏w能夠被壓縮到高壓狀態(tài)。借助催化劑生成氨，將生成的氨應(yīng)用在石油煉制、橡膠工藝生產(chǎn)過(guò)程中。在應(yīng)用新型氨合成技術(shù)期間，還需要著重關(guān)注三廢處理工作。具體來(lái)說(shuō)，三廢就是實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生出的廢氣、廢水以及固體廢棄物。在廢渣處理過(guò)程中，可以配合使用重油萃取方式，提取污水內(nèi)的重油碳黑漿，將黑漿作為鍋爐燃料。

為從根本上保障實(shí)際生產(chǎn)期間的安全性，還需要著重關(guān)注氨合成期間的一氧化碳、氨氣以及硫化氫濃度控制工作，配合使用專(zhuān)項(xiàng)可行的隔離保護(hù)技術(shù)手段，避免在實(shí)際生產(chǎn)期間出現(xiàn)環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)期間的經(jīng)濟(jì)效益與安全效益造成不利影響[5]。

2.4 烴化產(chǎn)物合成

現(xiàn)階段國(guó)家對(duì)煤化工技術(shù)發(fā)展研究工作更加關(guān)注，烯烴產(chǎn)物在煤化工生產(chǎn)中的分量日漸增加。當(dāng)前化學(xué)工業(yè)發(fā)展對(duì)低碳烯烴材料的要求日漸提高，但實(shí)際生產(chǎn)供求關(guān)系矛盾日漸增大。通過(guò)開(kāi)展煤化工新技術(shù)的研究工作，現(xiàn)有烴化產(chǎn)物合成技術(shù)又相繼研發(fā)出了甲醇制烯烴技術(shù)。

具體來(lái)說(shuō)，在丙烯生產(chǎn)期間，以甲醇為原材料，對(duì)甲醇進(jìn)行脫水處理，生成二甲醚、水混合物，而后轉(zhuǎn)化為低碳烯烴、甲醛等物質(zhì)。由于甲醇能夠使用酶原料生成，能夠有效避免實(shí)際生產(chǎn)期間的原料浪費(fèi)問(wèn)題，從根本上提升產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化效率，是現(xiàn)階段非石油生產(chǎn)丙烯與乙烯的重要技術(shù)手段。但就目前來(lái)看，該技術(shù)使用過(guò)程中還存在著較多亟待改進(jìn)的空間。在我國(guó)煤炭資源豐富地區(qū)，通過(guò)使用甲醇制乙烯與丙烯技術(shù)，可以使丙烯與乙烯為代表的低碳烯烴類(lèi)生產(chǎn)原料邁向多元化發(fā)展，有效緩解我國(guó)石油資源緊張問(wèn)題，進(jìn)一步提升低碳烯烴工業(yè)生產(chǎn)綜合效益，體現(xiàn)我國(guó)煤炭資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化[6]。

另一種煤化工技術(shù)主要就是將煤炭作為原材料，在高溫高壓作用下發(fā)生甲烷脫氫反應(yīng)，從而生成乙烯，此種反應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率高，生產(chǎn)出的產(chǎn)品純度良好，產(chǎn)品的選擇性高出70%，現(xiàn)階段也成為煤化工技術(shù)重要發(fā)展方向。

2.5 煤化工生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備的優(yōu)化

現(xiàn)階段我國(guó)煤化工生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備逐漸趨向于自動(dòng)化、智能化發(fā)展方向轉(zhuǎn)變，煤化工生產(chǎn)科學(xué)性日漸提升。但就目前來(lái)看，在煤化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在一定的污染物質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品安全生產(chǎn)要求更為嚴(yán)格。為從根本上提高煤化工技術(shù)以及煤化工生產(chǎn)水平，增強(qiáng)煤化工綜合競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)會(huì)投入大量資金應(yīng)用在煤化工生產(chǎn)設(shè)備以及處理零排放技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中，從根本上控制實(shí)際生產(chǎn)期間的能耗量，有效降低生產(chǎn)成本，切實(shí)保障企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益。為從根本上保障煤化工新型設(shè)備應(yīng)用及回收效果，還需要配合使用更加完善的設(shè)備開(kāi)發(fā)與回收體系，推動(dòng)我國(guó)煤化工行業(yè)技術(shù)發(fā)展[7]。

3 煤化工技術(shù)發(fā)展必要性及發(fā)展要點(diǎn)

3.1 煤化工技術(shù)發(fā)展必要性

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程日漸加快，國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平進(jìn)一步提升，石油需求量大幅增長(zhǎng)，使得我國(guó)石油進(jìn)口量也不斷提升。過(guò)于依賴(lài)石油進(jìn)口會(huì)一定程度影響到我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速率，因此國(guó)家及有關(guān)部門(mén)必須結(jié)合現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景，大力開(kāi)發(fā)新型煤化工技術(shù)研發(fā)工作，充分發(fā)揮出新型煤化工技術(shù)在推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要作用，從根本上提升煤化工生產(chǎn)水平。

為積極響應(yīng)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展號(hào)召，配合生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，新型煤化工技術(shù)也應(yīng)逐漸趨向于綠色環(huán)保化方向發(fā)展。具體來(lái)說(shuō)，在煤化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，原料可以由干法處理向濕法處理轉(zhuǎn)變，最大限度控制原料處理期間的污染程度，降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)的粉塵污染。傳統(tǒng)生產(chǎn)所用鍋爐可以由多噴嘴水煤漿氣化爐代替，從根本上提升碳轉(zhuǎn)化效率，控制有毒物質(zhì)排放量，確保獲得的產(chǎn)品更為清潔，簡(jiǎn)化廢渣處理流程。

當(dāng)前我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)就如何提高新型的化工技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致研究，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)價(jià)值與附加值進(jìn)一步優(yōu)化，有效降低生產(chǎn)期間的污染物排放量，對(duì)促進(jìn)煤炭行業(yè)健康、穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展意義重大。

在現(xiàn)階段新型煤化工技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，需要注意我國(guó)天然氣與石油資源儲(chǔ)存量逐漸降低，應(yīng)當(dāng)在生產(chǎn)期間進(jìn)一步提高各類(lèi)資源利用率。甲醇是重要的化學(xué)原材料，需要著重優(yōu)化甲醇生產(chǎn)，切實(shí)保障化工產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與效率。在甲醇生產(chǎn)期間可以提取出甲酸及草酸等，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)效益。

加強(qiáng)各類(lèi)技術(shù)的有機(jī)融合，配合使用化工聯(lián)產(chǎn)技術(shù)手段，確保各類(lèi)煤化工技術(shù)能夠有機(jī)融合在一起，從根本上提升煤炭生產(chǎn)效果。在煤炭實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使用提升多元化技術(shù)以及煤化工聯(lián)合生成技術(shù)，確保在化工生產(chǎn)能夠就設(shè)備運(yùn)行故障以及突發(fā)性危險(xiǎn)事件作出快速正確的應(yīng)急反應(yīng)，推動(dòng)生產(chǎn)流程轉(zhuǎn)型，增強(qiáng)產(chǎn)品附加值。

著重研發(fā)水煤漿技術(shù)手段，水煤漿是新型燃料，具有良好的穩(wěn)定性特征。在傳統(tǒng)燃煤運(yùn)輸環(huán)節(jié)極容易出現(xiàn)粉塵污染、煤料燃燒過(guò)程中的燃燒不充分，產(chǎn)生出的能量難以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求，更容易生成一氧化碳、二氧化碳等有害氣體。通過(guò)開(kāi)展水煤漿運(yùn)輸及儲(chǔ)存技術(shù)的研究，能夠有效提升煤料釋放能量，保障原料碳轉(zhuǎn)化效率，控制煤化工生產(chǎn)期間的環(huán)境污染程度，確保煤化工生產(chǎn)技術(shù)能夠更加符合現(xiàn)階段社會(huì)發(fā)展期間的綠色環(huán)保要求。

3.2 煤化工先進(jìn)管控技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)煤化工行業(yè)處于快速發(fā)展階段，通過(guò)在投資前期與國(guó)內(nèi)外知名公司及大學(xué)進(jìn)行合作，開(kāi)發(fā)出了更多先進(jìn)控制技術(shù)，使煤化工各生產(chǎn)流程均得到了全面管控。

（1）先進(jìn)控制技術(shù)在煤化工加熱爐中的應(yīng)用。在煤化工行業(yè)中，加熱爐運(yùn)行水平可直接影響到實(shí)際生產(chǎn)水平，需要在加熱爐管控中配合使用先進(jìn)控制手段。如對(duì)加熱爐植入平衡進(jìn)行現(xiàn)代化管控，確保加熱爐的熱效應(yīng)及基礎(chǔ)原料不變，對(duì)加熱爐管道流量進(jìn)行靈活調(diào)控，使加熱爐溫度數(shù)值處于合理狀態(tài)下。在溫度控制過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)有效規(guī)避管道溫度升溫情況，最大限度延長(zhǎng)加熱爐運(yùn)行壽命。對(duì)加熱爐的爐口溫度進(jìn)行前饋控制，避免加熱爐在運(yùn)行時(shí)被各類(lèi)因素干擾。

對(duì)加熱爐的提降量進(jìn)行控制，在爐內(nèi)流量數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化的情況下，應(yīng)當(dāng)配合使用先進(jìn)控制技術(shù)手段，使加熱爐的流量處于恒定狀態(tài)，確保加熱爐始終處于最佳溫度。

（2）先進(jìn)控制技術(shù)在煤化工分餾塔中的應(yīng)用。分餾塔回流取熱環(huán)節(jié)使用先進(jìn)控制技術(shù)，能夠更好實(shí)現(xiàn)分流塔取熱目標(biāo)。借助預(yù)測(cè)控制手段，對(duì)協(xié)調(diào)層設(shè)計(jì)方案進(jìn)行切實(shí)優(yōu)化。掌握分餾塔各運(yùn)行時(shí)間段的最熱化及最高取熱數(shù)值。在最高數(shù)值保持恒定的同時(shí)，使取熱必維持在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)，對(duì)回流取熱進(jìn)行全程管控，從根本上提升煤化工產(chǎn)品生產(chǎn)水平。

（3）先進(jìn)控制技術(shù)在粗汽油干點(diǎn)與輕柴油傾點(diǎn)質(zhì)量卡邊控制中的應(yīng)用。在煤化工生產(chǎn)期間，粗汽油干點(diǎn)與輕汽油傾點(diǎn)卡邊質(zhì)量控制工作主要采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。由于粗汽油干點(diǎn)與輕柴油傾點(diǎn)之間存在非線(xiàn)性關(guān)系，在二者對(duì)應(yīng)溫度較高的情況下，質(zhì)量點(diǎn)的具體數(shù)值也會(huì)較高。在對(duì)應(yīng)油氣壓較高時(shí)，質(zhì)量點(diǎn)的數(shù)值會(huì)相對(duì)下降。

（4）先進(jìn)控制技術(shù)在原蒸餾塔優(yōu)化及建模中的應(yīng)用。原煤化工蒸餾塔模型采用平衡級(jí)模型構(gòu)建手段，此種建模方式存在一定的特殊性。為從根本上保障原蒸餾塔優(yōu)化及建模技術(shù)手段，還需要配合使用先進(jìn)控制方式，對(duì)平衡級(jí)模型進(jìn)行規(guī)范化處理。靈活使用不同方程組求解手段，控制不同求解方式的偏差情況[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

為有效解決傳統(tǒng)煤化工生產(chǎn)期間存在的各類(lèi)問(wèn)題，從根本上提升煤化工生產(chǎn)期間的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，在現(xiàn)階段煤化工新型技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，還需著重分析存在于傳統(tǒng)煤化工生產(chǎn)期間的各種問(wèn)題，積極引進(jìn)先進(jìn)管理理念及控制手段，融合多類(lèi)煤炭資源轉(zhuǎn)化技術(shù)形式，從根本上提升我國(guó)煤化工生產(chǎn)水平，加快煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程。