雙碳背景下的新型煤化工技術分析

牛志軍

（山西金象煤化工有限責任公司，山西 晉城 048100）

0 引言

在雙碳背景下，推進綠色轉型、節能減排成為當前工業發展的主要方向。距離2030 年碳達峰目標已經十分接近，深入分析新型煤化工技術，優化煤炭的使用路徑，提升煤炭的使用效率，是當前我國煤化工應當重點關注的問題。為了進一步提升煤炭的使用效率，技術人員需要對現有新型煤化工技術進行系統性分析，從而在保護生態環境的基礎目標上，推進我國煤化工產業實現可持續發展。

1 雙碳背景下新型煤化工技術的應用特點

新型煤化工技術本身屬于傳統煤化工技術的進一步優化，不僅保留了傳統煤化工技術的要點，同時做出了更新，進一步提升了煤化工技術的清潔程度、融合程度和靈活程度。

1）關于清潔程度。新型煤化工的技術以清潔能源為主，比如石油氣、汽油、電力、熱力等，都在新型煤化工技術的使用范圍之內，切實提升了清潔程度。

2）關于融合程度。煤化工技術本身屬于工業領域中必不可缺的一部分，而新型煤化工技術則具備發展新興產業的作用，能夠在經濟發展中對現有能源進行開發，充分發揮煤炭資源的作用。

3）關于靈活程度。目前，煤炭資源的種類十分豐富，技術人員在利用煤炭資源的過程中，可以合理選擇自己需要的煤炭資源進行使用。同時，在此基礎上，技術人員還能夠通過煤化工技術的集成以及煤化工技術自身具備的優化作用，對煤炭資源的利用效率進一步開發，確保在滿足生產的基礎上減少煤炭資源的消耗，有效降低成本，提升經濟收益。

2 雙碳背景下新型煤化工技術應用分析

2.1 煤化工技術

2.1.1 煤焦化技術

在煤化工發展過程中，煤焦化產品十分重要，無論是焦爐煤氣、煤焦油亦或者焦炭，都屬于化工領域中的重要原料。其中焦炭是汽化和電石生產的重要原料之一，主要在鋼鐵冶煉和金屬鑄造中發揮自身作用。在對煤進行干餾工作時，需要將煤做空氣隔絕處理，隨后對煤進行加熱，使煤分解。干餾工作結束后，生成的黑灰色固體物質就是焦炭，而產出的氣體則包含氫氣、乙烯、一氧化碳、甲烷等。同時還會產生黑褐色且粘稠的油狀物，即煤焦油。

煤焦化過程，大致可分為三個階段。第一個階段，即0～300 ℃之間，該階段中煤通常不會出現變化，但是能對煤做脫水工作以及脫氣工作。等到溫度升至300～600 ℃之間時，酶會發生分解反應和解聚，并黏結成半焦。該階段中煤會產出焦油，以及部分氣體[1]。第3 個階段也就是600～1 000 ℃之間，半焦會逐漸向焦炭的形態轉變，這也是煤炭焦化技術的最終階段。具體見圖1。

2.1.2 煤液化技術

煤液化技術，主要是將煤炭的原料從固體狀態轉化為液體狀態的過程，在該技術下，可以劃分為直接液化以及間接液化兩個過程。

一方面，關于直接液化。直接液化的典型工藝，主要包含煤的破碎和干燥、制備煤漿、加氫液化、固液分離、氣體凈化、產品分餾、產品精制等步驟。煤的直接液化工藝流程圖見圖2。

圖2 煤的直接液化工藝流程圖

另一方面，關于煤的間接液化。間接液化技術首先需要利用一氧化碳和氫制備出合成氣，隨后利用合成器，在保證一定溫度以及壓力的前提下，對烴類燃料油和化工原料進行催化，從而得到液化煤。間接液化的典型工藝是F-T 合成法。即對現有反應條件加以控制，并調整氫和一氧化碳的比值，隨后選擇性能較高的催化劑，生出烷經和烯經。

2.2 新型煤氣化技術

在新型煤氣化技術當中，技術人員需要合理利用催化劑，對煤炭進行催化。使用新型煤氣化技術時，由于化學反應不同，生出的化合物和混合物也會發生變化，通常情況下甲醇和丁醇是最常見的物質。

以甲醇為例，煤制甲醇主要包含氣化、變換、甲醇洗、甲醇精制4 個步驟。

1）關于氣化。氣化時，原料會在高壓氧與水的共同作用之下發生反應，生成合成氣。在合成氣當中，一氧化碳、二氧化碳、氫氣、水蒸汽都是常見氣體[2]，具體的反應方程式是。在此過程中，反應會在瞬間完成。

2）關于變換。過程較為簡單，即一氧化碳和水發生反應，產生氫氣。反應方程式為

3）關于低溫甲醇洗。該過程中，主要以去除二氧化碳、硫化物等雜質為主。

4）關于甲醇精制。合成氣在經過凈化后，需要在氣體壓縮機當中壓縮，隨后置入甲醇反應器當中，生產粗甲醇。最后，再利用精制器對粗甲醇進行加工，能夠得到精制甲醇產品。

2.3 低碳烯烴合成技術

低碳烯烴的可行技術路線較多，主要包含4 種，分別是甲醇、二甲醚、合成氣、天然氣。詳細生產低碳烯烴的可行技術路線，見圖3。

圖3 生產低碳烯烴的可行技術路線

以甲醇制低碳烯烴為例，在甲醇制低碳烯烴的過程中，催化劑的選擇十分重要，技術人員必須選擇活性高的催化劑，才能滿足制備需求。當前甲醇制低碳烯烴的最常用催化劑是磷酸硅鋁[3]，主要反應公式為其中，n 的取值范圍應當在2 到8 之間。甲醇制低碳烯烴的合成工藝流程圖見圖4。

圖4 醇制低碳烯烴的合成工藝流程圖

在此過程中工作人員需要注意，甲醇制低碳烯烴的反應溫度通常在325～425 ℃之間，如果溫度存在誤差，則可能導致制備效率降低。同時，反應壓力也需要處于適當的位置，過高或者過低的壓力都會使烯烴的制備效率有所下降，最合適的壓力應當為0.17 MPa。

2.4 合成氨技術

當下隨著國內社會經濟發展，煤化工領域不斷進步，合成氨技術不再是部分企業的專利，得到了廣泛應用。在我國無論是使用煤或天然氣作為原材料，都能夠達到合成氨的目的[4]。在生產初期，工作人員需要對原料氣體進行生產，將煤炭和焦炭作為主要原材料，通過物理方式生產原料氣體。合成氨的具體生產流程圖見圖5。

圖5 合成氨的具體生產流程圖

其中，氣化爐，燃燒層當中碳會和空氣中的水蒸氣混合物相互產生作用，并產出半水煤氣，反應方程式為在此過程中，n（CO+H2）∶n（N2）的比值應當不小于3.2。

3 結論

為了推進雙碳目標的實現，合理利用新型煤化工技術，是煤化工領域中至關重要的內容之一。新型煤化工技術能夠有效保證國家能源安全，并推進當地區域經濟發展，從而在環保理念的引領下，幫助國家實現煤炭強國的目標。工作人員在研究過程中，需要對新型煤氣化技術、合成氨技術、低碳烯烴合成技術等內容進行系統性探究，在保障生態環境安全的前提下，進一步提升煤炭的使用效率，從而助力國家實現雙碳目標。