新型煤化工產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

劉 新

（山西潞安化工集團(tuán)煤基清潔能源公司，山西 長治 046000）

0 引言

我國是全球排名靠前的工業(yè)生產(chǎn)國，但我國礦產(chǎn)資源具有富煤、貧油、少氣的特點(diǎn)，對進(jìn)口石油、天然氣的依賴性較大[1]，對外依存度分別為63.16%、34.44%。近年來為減少石油、天然氣等的對外依存度，對煤化工產(chǎn)業(yè)多元化發(fā)展提出了更高要求。

新型的煤化工是用我國豐富的煤炭資源生產(chǎn)得到潔凈的新能源[2]，如柴油、汽油、甲醇等，將煤炭的物質(zhì)特性與化工技術(shù)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤炭與化工的一體化，進(jìn)而緩解我國對于石油的依賴。新型煤化工是可以替代石化產(chǎn)業(yè)原料的新路徑，因此發(fā)展新型煤化工具有重要的意義。

1 新型煤化工發(fā)展現(xiàn)狀

新型煤化工是以煤為原料經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)獲得經(jīng)濟(jì)性更高的產(chǎn)物，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤炭的清潔利用，同時(shí)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。目前，新型煤化工已在煤制油、煤制天然氣、煤制芳烴、煤制烯烴、煤制乙二醇等領(lǐng)域有所成就。

1.1 煤制油

煤制油[3]是煤在高溫高壓下發(fā)生一系列物化反應(yīng)得到烴類燃料和石油化工產(chǎn)品，主要是通過直接液化和間接液化的方式實(shí)現(xiàn)。

直接液化分為溶劑法、熱裂解法和催化加氫法。其中催化加氫工藝是指煤在催化劑作用下通過加氫裂化轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料，具體分為三部分，即煤漿制備單元、高溫高壓加氫液化反應(yīng)單元、產(chǎn)品分離單元。間接液化主要有合成氣法和甲醇法。合成氣法的具體工藝為原料煤進(jìn)行氣化生成以H2和CO 為主要組分的原料氣，經(jīng)酸性氣體凈化處理后，進(jìn)行催化加氫生成產(chǎn)品。

相比直接液化，間接液化對煤炭質(zhì)量要求不嚴(yán)，且反應(yīng)條件溫和，間接液化的壓力也比直接液化低很多。但從經(jīng)濟(jì)角度上看，直接液化節(jié)約了原料和成本，經(jīng)濟(jì)效益更優(yōu)[4]。目前，伊泰、潞安、神華等單位的煤炭間接液化裝置已在試運(yùn)行。中科院山西煤化所和兗礦集團(tuán)在山西、陜西等煤制油項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了煤間接液化的工業(yè)化應(yīng)用。

1.2 煤制天然氣

煤制天然氣工藝[5]包括煤氣化單元、變換單元、凈化單元和甲烷化單元。煤氣化單元即煤經(jīng)氣化爐轉(zhuǎn)化為CO、H2等氣體，為更好滿足甲烷化工藝的要求[φ（H2）∶φ（CO）=3∶1]，通過變換單元提高原料氣中的氫碳比，通過凈化單元除去變換氣中的硫化物和CO2，最后經(jīng)甲烷化單元生成天然氣CH4。

煤氣化單元及甲烷化單元是工藝關(guān)鍵部分，現(xiàn)階段該技術(shù)已基本成熟。煤氣化技術(shù)有固定床煤氣化、氣流床煤氣化、流化床煤氣化，其中固定床氣化爐更節(jié)能、同時(shí)操作簡單、適用范圍更廣。甲烷化單元技術(shù)目前有魯奇甲烷化、托普索甲烷化和Dvay 甲烷化，由于該反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，對反應(yīng)器、催化劑有較高的要求。

目前，華福聯(lián)合體的無循環(huán)甲烷化技術(shù)的能耗相對傳統(tǒng)的甲烷化技術(shù)更節(jié)能，但在裝置放大、技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級、轉(zhuǎn)化率等還需要更大的升級和創(chuàng)新。

1.3 煤制芳烴

苯、甲苯、二甲苯（簡稱BTX）是重要的化工原料，應(yīng)用于農(nóng)藥、日化、材料、家電等眾多領(lǐng)域。

目前主要的技術(shù)是中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所的固定床甲醇制芳烴技術(shù)（MTA）、清華大學(xué)的循環(huán)流化床甲醇制芳烴技術(shù)（FMTA）、河南煤化集團(tuán)研究院與北京化工大學(xué)開發(fā)的煤基甲醇制芳烴技術(shù)以及甲苯甲醇烷基化制芳烴技術(shù)[6]。

近年來，煤基甲醇制芳烴技術(shù)是主流發(fā)展方向，具體工藝為煤經(jīng)氣化、變換等工藝先合成甲醇，再經(jīng)過催化脫氫、環(huán)化反應(yīng)得到芳烴，最后分離得到苯、甲苯、二甲苯產(chǎn)物。

甲醇制芳烴是強(qiáng)放熱反應(yīng)，對所采用的催化劑有較高要求，同時(shí)催化劑成本較高，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較弱，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化面臨著較大，因此未來在催化劑開發(fā)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大等問題上需要進(jìn)一步優(yōu)化。

1.4 煤制烯烴（乙烯、丙烯）

煤制烯烴主要有兩大類。煤基甲醇制烯烴的工藝為煤先通過合成氣得到甲醇，再由甲醇合成進(jìn)一步得到烯烴。煤基費(fèi)托合成烯烴是煤經(jīng)氣化得到合成氣，直接在催化劑作用下合成烯烴[7]。

目前，我國已有7 套煤制烯烴示范工程。在新型煤化工中，煤制甲醇占比很大，目前甲醇產(chǎn)能過剩，且烯烴的價(jià)格每噸近萬元，其價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤或甲醇，因此將甲醇進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成為烯烴，則大大提高了其價(jià)值。

1.5 煤制乙二醇

煤制乙二醇的方法主要有直接合成法和間接合成法[8]。直接合成法是通過煤經(jīng)合成氣直接得到乙二醇。間接合成法主要是合成氣先得到甲醇、甲醛等中間反應(yīng)物，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化得到乙二醇。間接工藝有甲醛法、CO 氧化偶聯(lián)法兩種工藝。與甲醛法相比，CO 氧化偶聯(lián)法原料主要是NO、CO、H2、醇類等，反應(yīng)條件相對溫和。

目前國內(nèi)的煤制乙二醇工藝主要包括福建物構(gòu)所-丹化技術(shù)、宇部興產(chǎn)-高化學(xué)-東華科技技術(shù)等近10 個(gè)技術(shù)聯(lián)合體開發(fā)了成套技術(shù)。但煤制乙二醇示范技術(shù)結(jié)果表明，在降低能耗、提供產(chǎn)品質(zhì)量、降低污染物排放等角度需進(jìn)一步優(yōu)化。

2 新型煤化工存在的問題

相比傳統(tǒng)煤化工，新型煤化工更加清潔高效，但仍存在一些不足，具體表現(xiàn)為：一、價(jià)格競爭力弱。當(dāng)前石油價(jià)格仍處于低位，新型煤化工較石油化工競爭力較弱。二、水資源匱乏。我國煤炭資源主要集中在北方，水資源則集中在南方，而新型煤化工生產(chǎn)需大量的水資源，二者的逆向分布對發(fā)展新型煤化工有一定的制約。三、生產(chǎn)條件苛刻。大多數(shù)新型煤化工的反應(yīng)條件為高溫高壓，且涉及易燃易爆化學(xué)品，對生產(chǎn)安全性有很高的要求。四、污染問題嚴(yán)重[9]。新型煤化工在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生大量的固體廢棄物、SO2及CO2等廢氣、高濃度含鹽廢水，目前CO2、廢水仍較難處理，會(huì)帶來新的環(huán)境污染問題。

3 新型煤化工未來發(fā)展方向

1）新型煤化工暫未實(shí)現(xiàn)大范圍工業(yè)化，發(fā)展競爭力較弱，可利用Aspen 軟件結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，從整體工藝出發(fā)優(yōu)化操作條件，合理利用能量，降低能耗，提高其經(jīng)濟(jì)效益；新型煤化工仍處于發(fā)展初期，國家也應(yīng)從政策角度給予支持。

2）新型煤化工反應(yīng)條件苛刻，需高溫高壓，因此需對采用的催化劑進(jìn)行改性，加快反應(yīng)速率的同時(shí)減緩其在高溫高壓下失活速率，提高使用壽命。

3）在“雙碳”背景下，新型煤化工產(chǎn)生的CO2可采用CO2捕集和封存技術(shù)（CCS）對其進(jìn)行收集、運(yùn)輸和封存，減少環(huán)境問題。但該技術(shù)仍在研究階段，所需成本較高，因此需采取有效措施推動(dòng)CCS 技術(shù)的實(shí)施。