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煤化工

煤化工是指以煤为原料,经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。主要包括煤的气化、液化、干馏,以及焦油加工和电石乙炔化工等。

chemical processing of coal

煤化工以煤为原料,经化学加工使煤转化为气体、液体和固体产品或半产品,而后进一步加工成化工、能源产品的过程。

主要包括煤的气化液化干馏,以及焦油加工和电石乙炔化工等。随着世界石油资源不断减少,煤化工有着广阔的前景。

在煤化工可利用的生产技术中,炼焦是应用最早的工艺,并且至今仍然是化学工业的重要组成部分。

煤的气化在煤化工中占有重要地位,用于生产各种气体燃料,是洁净的能源,有利于提高人民生活水平和环境保护;煤气化生产的合成气是合成液体燃料、化工原料等多种产品的原料。

煤直接液化,即煤高压加氢液化,可以生产人造石油和化学产品。在石油短缺时,煤的液化产品将替代天然石油。

中国煤化工开始于18世纪后半叶,19世纪形成了完整的煤化工体系。进入20世纪,许多以农林产品为原料的有机化学品多改为以煤为原料生产,煤化工成为化学工业的重要组成部分。第二次世界大战以后,石油化工发展迅速,很多化学品的生产又从以煤为原料转移到以石油、天然气为原料,从而削弱了煤化工在化学工业中的地位。进入二十一世纪后,随着全球石油市场的动荡和石油价格的攀升,煤炭作为储量巨大并且可能替代石油的资源重新受到越来越多的重视。煤中有机质化学结构,是以芳香族为主的稠环为单元核心,由桥键互相连接,并带有各种官能团大分子结构,通过热加工和催化加工,可以使煤转化为各种燃料和化工产品

世界上生产的煤,主要用作电站和工业锅炉燃料;用于煤化工的占一定比例,其中主要是煤的焦化和气化。80年代世界焦炭年产量约340Mt,煤焦油年产量约 16Mt(从中提炼的萘约1Mt)。煤焦油加工的产品广泛用于制取塑料、染料、香料、农药、医药、溶剂、防腐剂、胶粘剂、橡胶、碳素制品等。1981年,世界合成氨总产量95.3Mt,主要来源于石油和天然气。以煤为原料生产的氨只约占10%;自煤制合成甲醇的比例也很小,仅占甲醇总产量约1%。

美国煤化工 1984年美国用煤717.7Mt,其中用于炼焦的占5.5%,达39.5Mt。炼焦副产的苯占苯总产量的9%,以电石乙炔为原料生产的醋酸乙烯在其总产量中占 8%。1984年美国建成由褐煤气化再甲烷化生产高热值城市煤气的工厂,日加工褐煤22kt,产气3.89Mm。同时,又在煤气化和液化方面,进行了不少新工艺试验。

联邦德国煤化工 1984年联邦德国用煤84.8Mt(不包括褐煤),炼焦用煤占32.6%,为27.6Mt,煤焦油年产量约 1.4Mt。全国钢铁等企业的焦炉生产的煤焦油集中到五个焦油加工厂进行加工,生产的化学品达500多种。电石乙炔化工方面曾有很大发展,当前在技术上仍有改进。在煤的加压气化和直接液化研究方面也有一些新的进展。

日本煤化工 1984年日本共用煤106.9Mt,由于其钢铁工业很发达,炼铁等冶金用焦炭需要量很大,因此炼焦用煤占66%,为 70.5Mt。每年的煤焦油产量达2.4Mt,提供了全部萘的工业来源。以电石乙炔为原料生产的醋酸乙烯在其总产量中占23%。

南非煤化工 南非是当前世界上仍拥有煤间接液化工厂的地区,有SASOL-Ⅰ、SASOL-Ⅱ、SASOL-Ⅲ三座合成液体燃料工厂,年加工煤共约33Mt,生产汽油、柴油喷气燃料等油品数百万吨,副产气态烃、乙醇、氨、硫等化学品数十万吨。

集约化发展

煤炭能源作为我国能源结构的重要组成,对于确保我国能源供应安全具有至关重要的作用。而煤化工产业作为实现煤炭资源高效利用的有力手段,直接关系到国家的能源战略发展规划。因此,观研天下煤化工产业分析师分析:必须充分认识我国煤化工产业的发展现状,明确煤化工产业的发展趋势,即在确保煤炭资源高效、清洁利用的基础上椎动煤化工产业的规模化以及集约化发展。

"十二五"期间,国内经济结构将继续延续重化工业发展的态势,国民经济对能源消费的需求仍将保持平稳增长。预计国内以煤炭为主的能源消费格局短期难以改变,煤炭消费将基本与国民经济增长保持同步增长。

发展新型煤化工可以部分代替石化产品,对于保障国家能源安全具有重要的战略意义。我国石油、天然气对外依存度日益提高,石油进口比例已经超过50%,国家能源安全问题日益突出。

据《中国煤化工行业发展前景与投资战略规划分析报告 前瞻》报告显示,随着国内石油、天然气供应的日益紧张,国内化工行业出现了向煤化工倾斜的趋势。国家在内蒙、山西、宁夏、河南等地开展了一系列示范工程项目,支持新型煤化工的发展。其中,内蒙古是中国煤化工产业发展最快的地区之一,部分煤化工技术走在全国前列。

煤化工装备行业研究小组分析认为,伴随着西北地区煤化工产业投资热情的高涨,煤化工装备需求即将爆发,这为行业相关企业创造了巨大的发展机遇,新型煤化工将在"十二五"期间获得新一轮大发展。

从总量上来看,2006年在建煤化工项目有30项,总投资达800多亿元,新增产能为甲醇850万吨,二甲醚90万吨,烯烃100万吨,煤制油124万吨。而已备案的甲醇项目产能3400万吨,烯烃300万吨,煤制油300万吨。2006年,国家发改委出台了政策并利用各种渠道广泛征求意见,以期规范和扶持煤化工产业的发展。2006年中国自主知识产权的煤化工技术也取得了很大的进展,开始从实验室走向生产。

2007年是中国煤化工产业稳步推进的一年,在国际油价一度冲击百元大关、全球对替代化工原料和替代能源的需求越发迫切的背景下,中国的煤化工行业以其领先的产业化进度成为中国能源结构的重要组成部分。煤化工行业的投资机遇仍然受到国际国内投资者的高度关注,煤化工技术的工业放大不断取得突破、大型煤制油和煤制烯烃装置的建设进展顺利、二甲醚等相关的产品标准相继出台。

新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工的产品为主,如柴油、汽油、航空煤油液化石油气乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料(甲醇、二甲醚)等,它与能源、化工技术结合,可形成煤炭--能源化工一体化的新兴产业。煤炭能源化工产业将在中国能源的可持续利用中扮演重要的角色,是今后20年的重要发展方向,这对于中国减轻燃煤造成的环境污染、降低中国对进口石油的依赖均有着重大意义。可以说,煤化工行业在中国面临着新的市场需求和发展机遇。

我国煤炭资源丰富,煤种齐全,发展煤炭液化、气化等现代煤转化技术,对发挥资源优势、优化终端能源结构、大规模补充国内石油供需缺口有现实和长远的意义,国家"十五"能源 科技和能源建设计划对发展煤化工给予充分的重视,煤化工在我国面临新的市场需求和发展机遇。本文根据国内外煤化工发展的特点,提出"新型煤化工"的概念。与传统煤化工不同,新型煤化工将形成具有中国特色的煤炭-能源化工新产业,是我国煤炭工业结构调整、实现可持续发展的战略方向,对未来能源建设和能源技术的发展将有重要影响。

纵观近百年化学工业的发展历史,其间每次原料结构的变化总伴随着化学工业的巨大变革。1984年世界化石燃料探明的可采储量,煤约占74%,而石油约12%、天然气约10%,从资源角度看,煤将是潜在的化工主要原料。未来煤化工将在哪些领域,以什么速度发展,将取决于煤化工本身技术的进展以及石油供求状况和价格的变化。而钢铁等冶金工业所用的焦炭仍将依赖于煤的焦化,而炼焦化学品如萘、蒽等多环化合物仍是石油化工所较难替代的有机化工原料;煤的气化随着气化新技术的开发应用,仍将是煤化工的一个主要方面;将煤气化制成合成气,然后通过碳一化学合成一系列有机化工产品的开发研究,是进展较快,且引起关注的领域;从煤制取液体燃料,无论是采用低温干馏、直接液化或间接液化,都不得不取决于技术经济的评价。进入21世纪以来,国际能源价格出现了快速上涨。其中原油、天然气价格大幅上涨,而煤炭价格涨幅相对较小,与石油、天然气的价差不断扩大。根据2011年的价格,统一热值后的煤炭价格(日本动力煤到岸价)仅相当于原油价格的24%,天然气价格的26%。2012年下半年以来,随着煤炭价格的快速下跌,原油与煤炭的价格比进一步扩大。煤炭和原油价格表现的差异,使得煤炭作为原材料的成本优势得到提升,煤化工的经济性逐步显现。我国独特的能源结构也进一步提升了发展煤化工的必然性,未来我国煤化工产业,特别是新型煤化工有望迎来快速发展。石油、天然气的进口常常受到战争、地缘政治等因素的影响而波动较大,因此石油和天然气的过度对外依赖,对我国的能源安全保障带来很大的隐患。由于石油是生产大部分化工产品的原料,石油资源的匮乏使得我国很多化学原料依赖进口,成本居高不下,因此寻找替代能源很有必要。煤化工与石油化工具有相互替代性,比如煤化工生产的烯烃、成品油等均是石油化工的主要产品。发展新型煤化工可以作为石油化工很好的补充,具有很强的战略意义。

新型煤化工是指以洁净能源和化学品为目标产品, 应用煤转化高新技术,建成未来新兴煤炭-能源化产业;结合煤炭资源开发和煤炭生产建设的发展,建成若干大型产业基地或基地群。新型煤化工是煤炭工业调整产业结构,走新型工业化道路的战略方向。

新型煤化工与传统煤化工的区别:新型煤化工通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃、煤制乙二醇等等。传统煤化工涉及焦炭、电石、合成氨等领域。

新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主,如柴 油、汽油、航空煤油、液化石油气(以上产品见图2--煤的间接液化)。乙烯原料、聚丙烯原料、甲醇、二甲醚以及煤化工独具优势的特有化工产品,如芳香烃类产品。(以上产品见图1)。还有电力、热力等(以上产品见图2--煤基多联产示意图)。

新型煤化工的特点

(1)以清洁能源为主要产品。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主,如柴油、汽油、航空煤油、液化石油气、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料(甲醇、二甲隧〉、电力、热力等,以及煤化工独具优势的特有化工产品,如芳香短类产品。

(2)煤炭一能源化工一体化。新型煤化工是未来中国能源技术发展的战略方向,紧密依托于煤炭资源的开发,并与其它能源、化工技术结合,形成煤炭一能源化工一体化的新兴产业。

(3)高新技术及优化集成。新型煤化工根据煤种、煤质特点及目标产品不同,采用不同煤转化高新技术,并在能源梯级利用、产品结构方面对不同工艺优化集成,提高整体经济效益,如煤焦化一煤直接液化联产、煤焦化一化工合成联产、煤气化合成一电力联产、煤层气开发与化工利用、煤化工与矿物加工联产等。同时,新型煤化工可以通过信息技术的广泛利用,推动现代煤化工技术在高起点上迅速发展和产业化建设。

(4)建设大型企业和产业基地。新型煤化工发展将以建设大型企业为主,包括采用大型反应器和建设大型现代化单元工厂,如百万吨级以上的煤直接液化、煤间接液化工厂以及大型联产系统等。

在建设大型企业的基础上,形成新型煤化工产业基地及基地群,制砂设备。每个产业基地包括若干不同的大型工厂,相近的几个基地组成基地群,成为国内新的重要能源产业。

(5)有效利用煤炭资源。新型煤化工注重煤的洁净、高效利用,如高硫煤或高活性低变质煤作化工原料煤,在一个工厂用不同的技术加工不同煤种并使各种技术得到集成和互补,使各种煤炭达到物尽其用,充分发挥煤种、煤质特点,实现不同质量煤炭资源的合理、有效利用。新型煤化工强化对副产煤气、合成尾气、煤气化及燃烧灰渣等废物和余能的利用。

(6)经济效益最大化。通过建设大型工厂,应用高新技术,发挥资源与价格优势,资源优化配置,技术优化集成,资源、能源的高效合理利用等措施,减少工程建设的资金投入,降低生产成本,提高综合经济效益,选矿设备。

(7)环境友好。通过资源的充分利用及污染的集中治理,达到减少污染物排放,实现环境友好。

(8)人力资源得到发挥。通过新型煤化工产业建设,带动煤炭开采业及其加工业、运输业、建筑业、装备制造业、服务业等发展,扩大就业,充分发挥我国人力资源丰富的优势。

甲醇生产化学品

以煤基生产化学品,主要是将煤先制成甲醇,再将甲醇制成其它化学产品(见图2--甲醇生产化学品流程)。

a)甲醇制烯烃

甲醇制烯烃(Methanol To Olefin,MTO)是煤制烯烃工艺路线的核心技术,是将甲醇转化为乙烯、丙烯的工艺。MTO工艺开辟了由煤炭或天然气生产基本有机化工原料的新工艺路线,是最有希望取代传统的以石油为原料制取烯烃的路线,也是实现煤化工向石油化工延伸发展的有效途径。

其中烯烃分离技术是整套工艺流程的核心技术,目前国内比较成熟的烯烃分离技术有--惠生MTO烯烃分离技术。该技术采用用一个非清晰切割的预切割塔把碳一及更轻组分与大部分碳二分开,预切割塔的塔顶出口气体进入油吸收塔,用吸收剂(碳三、碳四或碳五)吸收碳二及更重组分达到碳一与碳二的完全分离。吸收塔底部出口的吸收剂送到预切割塔顶部进行再生。(见图3)

MTO烯烃分离技术特点是

1、流程简单,无深冷分离单元,无乙烯制冷压缩机,设备投资少,能耗低;

2、采用切实有效的方法脱除氮气、氧气、CO和DME等含氧轻质气体, 流程简单、可靠,对原料中这些组分的变化适应能力强;

3、采用先进技术和合理的设计,在低能耗的情况下保证乙烯、丙烯的高收率;

4、采取有效措施防止系统内结焦和结垢以及安全措施,确保装置长周期安全稳定运行;

5、整体流程由常规单元集成优化而成,各单元均有成功的生产运行经验,技术安全可靠,无工业化风险。

b)煤制乙二醇

乙二醇是重要的化工原料和战略物资,用于制造聚酯(可进一步生产涤纶、饮料瓶、薄膜)、炸药、乙二醛,并可作防冻剂、增塑剂、水力流体和溶剂等。合成气制乙二醇是煤制乙二醇工艺路线的核心技术,是将合成气经草酸酯加氢合成乙二醇的工艺。

煤中有机质的化学结构,是以芳香族为主的稠环为单元核心,由桥键

互相连接,并带有各种功能团的大分子结构(见煤化学),通过热加工和催化加工,可以使煤转化为各种燃料和化工产品(见图)。 在煤的各种化学加工过程中,焦化是应用最早且至今仍然是最重要的方法,其主要目的是制取冶金用焦炭,同时副产煤气、甲苯、二甲苯、等芳烃;煤气化在煤化工中也占有很重要的地位,用于生产城市煤气及各种燃料气(广泛用于机械、建材等工业),也用于生产合成气(作为合成氨、合成甲醇等的原料);煤低温干馏、煤直接液化及煤间接液化等过程主要生产液体燃料,在20世纪上半叶曾得到发展,第二次世界大战以后,由于其产品在经济上无法与天然石油相竞争而趋于停顿,当前只有在南非仍有煤的间接液化工厂;煤的其他直接化学加工,则生产褐煤蜡磺化煤、腐植酸及活性炭等,仍有小规模的应用。

煤化工装备种类较多,主要分为动、静两大类。其中,加氢反应器、气化炉、还原炉、换热器、盛运容器等压力容器和管道、阀门等属于静装备,泵、风机、压缩机空分装备等属于动装备。气化炉是煤化工最为关键的装备,大部分煤化工项目都需要经历煤炭经气化炉转换为合成气这一环节。空分装备也是煤化工的关键装备之一,煤气化及煤液化均需使用大量的高纯度氧气,均具有较高的技术壁垒。

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