煤基甲醇的现状、应用及产业化方向

徐金霞，王 莉，叶蓓蓉

(安徽省化工研究院 ，安徽 合肥 230041)

煤基甲醇的现状、应用及产业化方向

徐金霞，王 莉，叶蓓蓉

(安徽省化工研究院 ，安徽 合肥 230041)

阐述了我国甲醇产业的发展现状。建成中国煤基甲醇新产业，对于改变我国能源结构，解决石油短缺，确保能源安全稳定具有重大战略意义和现实意义。

煤基甲醇；应用；现状；产业化；燃料；能源

甲醇又名木醇、木酒精、甲基氢氧化物，是一种最简单的饱和醇。甲醇用途广泛，是基础的有机化工原料和优质燃料，主要应用于精细化工等领域，用来制造甲醛、醋酸、氯甲烷、甲氨、硫酸二甲酯等多种有机产品，也是农药、医药的重要原料之一。甲醇在深加工后可作为一种新型清洁燃料。

我国甲醇生产起始于二十世纪50年代末期。改革开放以来，我国甲醇工业进入快速发展期。“十一五”期间，我国甲醇产能、产量有很大增长。到2010年底，我国甲醇行业共有生产企业291家，产能达到3756.5万t，比“十一五”初期增长三倍，年均增长率达到32%；2010年产量为1575.26万t，比“十一五”初期增长169%，年均增长率约为22%。

2011年我国甲醇总产能达到4654万t，甲醇产量为2627万t，表观消费量达3195.8万t。甲醛、醋酸对甲醇的需求分别增长约4%和10%，二甲醚、甲醇燃料(甲醇汽油)对甲醇的需求增长超过50%，甲醇制烯烃对甲醇需求达到260万t。新版《天然气利用政策》自2012年12月1日起正式实施，政策中规定，新建或扩建以天然气原料生产甲醇及甲醇生产下游产品装置和以天然气代煤制甲醇项目被列入禁止类。

“十二五”时期是我国经济社会发展重要战略机遇期，对甲醇产业的发展提出更高更新的要求。随着我国工业化和城镇化进程的发展，人民生活水平的提高，甲醇作为重要的基础化工原料，在传统下游应用包括塑料、合成纤维、合成橡胶、胶黏剂、染料、涂料、香料、医药和农药等的社会需求保持着较为稳定的增长趋势，我国甲醇工业正面临更为广阔的发展前景。

能源工业作为国民经济的命脉，是社会经济发展和人民生活质量提高的基本要素之一。我国在能源开发利用和生态环境保护两个方面虽已取得了可喜成绩，但全国能源环境依然十分严峻，以煤为主的能源结构对大气环境的威胁并未从根本上得到改变。煤的含硫量为0.5%～3%，燃烧1吨煤排放的二氧化硫为5～30kg，氮氧化物约为9kg，而且这些污染物的排放总量随着能源消耗总量的增加而增长。为此，中国能源工业面临经济持续增长和生态环境保护的双重压力，煤炭的开发利用已成为我国环境污染物的主要来源。随着能源消费量的增加，我国面临的环境形势越来越严峻，因而推广洁净煤技术是我国在以煤为主的能源生产和消费结构下解决环境问题的必然选择。

而甲醇燃料是理想的能源载体，在化石能源和可再生能源时期均可发展应用，特别是对于以煤为主要能源的我国，在由化石能源向可再生能源过渡的阶段，选择甲醇燃料为发展方向，意义十分重大。甲醇只含碳、氢、氧，不含硫、氮及其它元素。甲醇燃烧充分，燃烧废气无有害杂质，属清洁能源，不仅可以替代汽柴油作为内燃机燃料，而且也可以作为燃料电池等燃料或新型C1化工原料；甲醇燃料不仅可以由化石能源生产，而且也可以由可再生能源生产；不仅具有高效、清洁燃料的特征，而且具有生产技术成熟、原料来源丰富的特点，能够实现可持续发展[1]。

1 煤基甲醇产业发展的现状

国际上甲醇的大规模工业化生产起始于二十世纪20年代的高压法(25～30MPa)，该法投资大，生产成本高。二十世纪60～70年代，英国ICI公司和德国Lurgi公司分别成功地研制出中低压甲醇合成催化剂(氧化物铜基催化剂)，使反应压力降低了5～10MPa，促进了甲醇生产的高速发展。

随着Lurgi超大规模甲醇(Mega Methanol)概念的提出，Lurgi、Davy、Topsφe等甲醇技术供应商相继开发出了年产百万吨以上规模的甲醇生产技术，并成功实现了商业转让。目前，采用德国Lurgi公司技术在南美洲特立尼达建设的160万t/a甲醇装置已进入平稳运行。目前在建的最大规模甲醇装置是采用Topsφe公司技术，在尼日利亚建设的250万t/a甲醇装置。

装置规模的扩大使甲醇生产成本大幅降低，使发展甲醇制低碳烯烃等下游产业在经济上具备很强的竞争力。我国甲醇生产以煤为主，产能方面煤制甲醇占72%左右，天然气约占26%；在建项目中煤制甲醇的比例更是达到80%以上。甲醇生产企业主要分布在原料资源地和重点消费地区，目前向原料资源地发展的趋势明显。技术方面，现代甲醇生产技术几乎全为低压法，我国以水煤浆为原料的大型气化炉已运行多年，可实现长周期运行。新型水煤浆气化炉和干煤加压气化炉正在积极开发。

甲醇生产的工艺流程主要有三个环节：一是将煤或天然气转化成合成气(CO 和H2)，包括造气、净化(脱硫)、除CO2等；二是合成甲醇(其中包含甲醚等副产物)，主要依靠高温、高压、催化方式；三是提纯以获得成品甲醇，主要通过精馏、精制等方式。

目前国内甲醇装置规模普遍较小，以煤作为生产甲醇的主要原料，在生产装置方面的投资费用高于使用石油或者天然气作为原料的装置，但与高昂的油价相比，煤基甲醇的生产成本更低，经济效益更加显著。我国近200家甲醇生产企业中，10万t/a以上的装置只占20%，其余均为小规模装置。国内煤基甲醇产品能耗为50～60GJ/t，耗煤1.6t左右，耗水20～30t。以天然气为原料生产的甲醇产品能耗约为40GJ/t，耗天然气900～1150 m3，耗水16～20t。我国小型联醇装置每吨产品耗能则高达70GJ。而国外大型甲醇装置基本都以天然气为原料，并且产品能耗只有25～30GJ/t，耗天然气760～920 m3，耗水10～15t[2]。产能方面，由于近十年的市场需求，我国甲醇产能增长速度非常快。 2006年产能1365万t，产能利用率55.8%；2009年产能2628万t，产能利用率43.1%；2010年我国甲醇产能3086万t，产能利用率51.4%。2013年1～6月198个企业统计实际产量1363.7万t，比去年同期增加2.4%。预计2016年，我国甲醇生产能力将控制在5000万t左右，但其增长速度远远超过了需求增长速度[3]。在消费市场方面，我国甲醇40%左右用于制造甲醛，27%用于生产甲基叔丁基醚，15%用于合成医药和农药，9%用于制造醋酸，其余主要用于燃料和制造二甲醚、碳酸二甲酯、对苯二甲酸二甲酯、甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯等各种化工产品。目前，甲醇的传统下游产业甲醛、醋酸、农药等行业增速缓慢，对甲醇需求量减少，其最具潜力的新兴市场二甲醚消费量也大幅萎缩。产能远大于需求，因而开拓新的甲醇应用领域迫在眉睫。

目前，我国的物资运营成本很高，物流并不足以满足需求，因此建设甲醇一体化项目非常必要，很多新的甲醇项目位于东部沿海地区，因此如果建设一体化项目，可以将生产基地放在内陆省份，尤其是我国政府大力倡导发展的西部省份。可以预见，未来西部省份甲醇及其衍生物的生产和市场将有更大的发展。

2 甲醇的应用领域

中国经济社会的可持续发展路线决定了在今后50年内，只能依托自身的资源和条件大力发展现代煤化工，走新一代的煤基能源化工发展的战略路线，而煤基甲醇是我国的优势能源，依托现代煤化工技术的发展，特别是煤基“多联产”体系的发展为支撑，实现以优势能源替代劣势能源的原则，到2020年以1.3亿t标煤生产1亿t甲醇，可替代超过1亿t原油，以此减少1亿多t原油的进口，不仅为国家减少支付进口原油外汇，增加财政及税务收入，还可以保证我国原油对外依存度在50%以下。

无论是石油化工、煤化工、天然气化工均可经过合成甲醇向下游发展，这就自然将甲醇推到了二次能源的地位，甲醇体系的能源化工应运而生。甲醇体系能源化工的发展集成了石油、煤、天然气化工的优势，弥补了不同化石能源产品的不足，未来甲醇体系能源化工的发展，将改变化学工业的方向。因此，在当前我国以煤为主、多元发展的能源政策指导下，替代石油基能源化工必须科学有效地从甲醇做起，石油化工能做的，甲醇体系能源化工均能做到，但以甲醇为基础的碳一化工所具备的优势，石油化工却很难做到。甲醇已客观成为能源化工的物质基础，这也是甲醇体系能源化工路线体现的化学工业方向[4]。经济的增长、城市化的加速以及现代交通系统的成型都是导致我国液体燃料消费上升的因素。预测我国液体燃料消费总量将以年均3.5%的速度增长(高于世界其他国家增长速度)。预计2010～2030年，我国将占据世界液体燃料消费总增量的28%[5]。

2.1 甲醇作为替代燃料

甲醇作为汽车的替代燃料技术成熟，经济可行，市场需求广阔，资源有保障。甲醇燃料不但可以替代石油燃料，还有比石油燃料更加清洁和经济的特点。甲醇燃料作为替代燃料在技术上成熟，经济上可行，用甲醇、二甲醚替代石油，符合我国资源实际，具有重大产业推广价值[6]。甲醇作为能源应用提升了煤和天然气的使用价值，相比之下甲醇是一种更廉价的能源代替品。

2.1.1 甲醇直接作为燃料使用

麻省理工大学的研究报告认为，甲醇是最经济的液体燃料，燃烧效率更高，价格具有竞争性，预计未来将有更多甲醇在燃烧领域应用。目前显示的汽车替代能源有甲醇、乙醇、石油气、生物柴油、合成油、燃料电池等。而甲醇来源广，品质纯净，使用安全，就其理化特性而言可认为是当前最现实的车用液体燃料替代能源。有关石油燃料替代及甲醇燃料发动机开发已有专家论述，而M100甲醇燃料的燃烧性、动力性、环保性、安全性表明其可以成为一种高效清洁安全的车用替代能源[7]。我国目前甲醇燃料有M85和M100两种国家标准，还有M15标准正在审核中。由于目前尚未掌握甲醇燃料在使用、能效、清洗、腐蚀等方面的权威性数据，且对甲醇自身的毒害性和冷启动时尾气的危害性尚有不同认识，再加上使用观念上的差距，在一定程度上影响了甲醇直接作为燃料的推广应用。

2.1.2 甲醇转化为二甲醚作为燃料

随着能源危机的日益严峻，不可再生资源的大量损耗，发展替代资源已经成为一种趋势，醚醇燃料应运而生。二甲醚分子内含氧34.8%，作为车用燃料环保性能好，尾气排放达欧III标准，部分指标达欧IV标准，发动机动力性超过柴油。二甲醚沸点接近液化天然气，燃烧热值高，因而大量用作燃料、气化剂或代替氟利昂用作冷冻剂。二甲醚作为清洁燃料，其不存在甲醇直接作为燃料使用时的安全毒性问题，已经引起国内外的广泛关注。尤其在液化石油气资源较为稀缺的地区，其市场发展潜力更大。我国已经批准了“城镇燃气用二甲醚”产品标准，年产二甲醚200万t的产业化示范项目正在内蒙古鄂尔多斯建设。在技术层面上，我国已经掌握了甲醇生产二甲醚的全套技术，拥有完全的自主知识产权。上汽集团通过产学研合作，已研发出具有自主知识产权，达到欧III标准的二甲醚城市公交客车。二甲醚汽车发动机需要重新设计，油路系统需加压，加油站改造投资也比较大。海洋轮船使用的传统燃料是原油，对海洋有一定污染。目前世界各地正在寻找可替代的燃料。甲醇、二甲醚或者液化气都是替代选择，但后者的安全性有争议。目前船舶业正在研究甲醇转变为二甲醚用于轮船燃料，一旦成功，排放可以较原油降低2/3[8]。根据我国的“十二五”规划，未来二甲醚的年需求量将达到1000万t。

醇醚燃料的生产工艺已经相当成熟，但从发展形势来看，必须不断完善工艺技术，优化生产工艺，加大自主知识产权的开发，实现节能减排的目标，运用新技术推动生产工艺的发展。醚醇燃料的使用涉及行业较多，不仅涉及民用燃料消费，也涉及到汽车的消费，直接关系到国家能源的发展，因此，必须要依赖产业政策的指导才能保持健康的发展趋势。对此，国家有关部门要加大对醇醚行业的管理，及时制定并适时颁布相关支持政策；利用支持产业发展政策与消费鼓励政策，推进产业结构的完善，降低我国石油对外的依存度[9]。

2.1.3 甲醇转化成聚甲氧基二甲醚(DMMn)用于燃料

以甲醇为原料生产DMMn，可作为柴油的调和组分，与DME类似均可以作为柴油替代品，属于甲醇间接作为柴油发动机的燃料。DMMn最先由美国研究，欧洲ENI公司也进行了研究，但都存在收率低、产品分布不理想等缺点。近几年国内研究也取得重大进展。在采用一种离子液为触媒的均相反应体系中，单程DMMn收率达到50%。DMMn的十六烷值高，物性和柴油相近，调和到柴油中使用不需要对车辆实施任何改动；此外，其环保性能好，按15%比例调和到柴油中，可增加油品含氧量7%以上，污染物减排50%以上。

文学事业，应该成为无产阶级总的事业的一部分，应该成为一个统一的伟大的社会民主党的机械的“齿轮与螺丝钉”，这个机械是由全体工人阶级的整个自觉的先锋队所推动的。[2]

2.2 甲醇制烯烃

2.2.1 甲醇制烯烃的产业背景

制取乙烯、丙烯的传统路线是采用石脑油裂解生产，目前，我国面临石油资源短缺越来越严重的局面，预计到2016年，我国石油对外依存度将达到60%。从某种意义上来说甲醇可以代替石脑油，生产以石脑油为原料的许多化工产品。石脑油的价格和全球原油价格挂钩，使用进口原油制备烯烃的成本并不具备优势，因此未来甲醇制烯烃将获得更大的发展机遇。甲醇制烯烃是低碳经济的发展模式，这是因为：①甲醇的碳氢比比石脑油要高，也就是化学反应生成热的过程中将多产生水，少产生二氧化碳；②甲醇制烯烃和以石脑油制烯烃相比，由于原料与工业路线的不同其吨产品综合能耗要相差近一倍，即用甲醇制烯烃比石脑油制烯烃综合能耗要低得多[10]。

甲醇制乙烯、丙烯的MTO工艺和甲醇制丙烯的MTP工艺是目前重要的的化工技术。该技术以煤(包括焦炉煤气、煤层气)或天然气合成的甲醇为原料生产低碳烯烃，其技术已日趋成熟，具备工业化条件。甲醇转化制烯烃单元除反应段的热传递方向不同之外，其他都和目前炼油过程中成熟的催化裂化工艺过程类似，且由于原料是单一组分，更易把握物性，具有操作条件更温和、产物分布窄等特点，更有利于实现过程化。较烯烃回收单元与传统的石脑油裂解制烯烃工艺中的裂解气分离单元基本相同，且产物组成更为简单，杂质种类和含量更少，更易于实现产品的分离回收，因此在工程实施上可以借鉴现有成熟工艺，技术风险处于可控范围。甲醇制烯烃技术开辟了由煤炭经气化生产基础有机化工原料的新工艺路线，有利于改变传统煤化工的产品格局，是实现煤化工向石油化工延伸的桥梁。近几年来，国内外甲醇制烯烃技术开发进展迅速，正在走向工业化。

2.2.2 甲醇制烯烃的代表性技术

甲醇制烯烃是实现煤替代石油生产轻烯烃产品，实现煤化工向石油化工延伸的关键技术。目前，国内外开发研究比较成功的甲醇制烯烃工艺主要包括环球石油公司(UOP)和海德鲁公司(Norsk Hydro)共同开发的UOP/Hydro 技术、中国科学院大连化学物理研究所自主创新研发的DMTO(DMTO II)技术和中石化的SMTO技术；另一条是德国鲁奇公司(Lurgi)开发的Lurgi MTP技术和我国清华大学自主研发的FMTP技术[11]。

二十世纪80年代，美国UCC公司发现了SAPO-34催化剂，随即以炼油工业FCC技术为基础开发了MTO工艺过程。1992年，UOP与Hydro合作，UOP催化剂和反应再生技术与Hydro烯烃分离技术组合，建设0.75t甲醇/天MTO工业中试装置，并实现成功运行。1995年1月，UOP和Hydro联合宣布可对外转让MTO技术。目前有多个MTO技术工业项目处于实施中，但进展缓慢。

Lurgi公司从二十世纪90年代开始研究MTP工艺，并与Sudchemie公司合作成功开发MTP工艺催化剂。2001年Lurgi公司在挪威Tjeldbergolden的Statoil工厂建设MTP工艺工业示范装置，截至2004年3月已运行11000h，催化剂测试时间大于7000h，为大型工业化设计取得了大量数据。2004年Lurgi公司与伊朗国家石化公司签订10万t/a规模MTP装置的专利合同。

对于我国而言，在煤炭资源较丰富的地区，建设经由甲醇制烯烃的项目有竞争力。随着能源战略多元化的实施，已经成为驱动力最强的甲醇下游产业。

3 我国煤基甲醇的产业化方向

为解决我国燃料紧缺和燃煤造成的环境污染，开发了煤和天然气生产合成氨的同时生产甲醇的工艺路线，简称“联醇”工艺，即以合成氨生产中需要清除的CO、CO2及原料气中的H2为原料来合成甲醇。此工艺可利用现有数百家化肥厂的合成氨生产装置，进行联产甲醇改造，向集化肥与燃料生产为一体的大型或特大型产业发展，此路线具有以下优点：

3.1 有利于化肥工业的发展

我国氮肥工业经过50多年的发展，合成氨生产企业约有420多家，合成氨产量超过3000万t，居世界首位。其中，以煤为原料的占总产量的77%。由于装备落后，产量单一，每吨尿素生产成本都在1100元左右，难以适应激烈的市场竞争，急需进行技术创新和结构调整。走氨厂联产甲醇燃料的道路，可充分利用煤炭气化产生的CO来生产甲醇，减少转化成的CO2放空，以减少对环境的污染。氨联产甲醇既增加了产品品种，又降低了生产成本，以醇补肥，可提高经济效益，促进氮肥工业的发展。若现有合成氨厂技改联产甲醇，可形成4500万t/a的生产能力，技改费只需新建厂的六分之一，因此，从煤炭合成氨再联产甲醇，已成为当前经济易行的途径之一，也是一种新的经济效益型模式，符合我国发展液体洁净燃料的产业政策。

3.2 有利于资源的综合利用

由于合成氨仅需合成气中的纯H2、N2，其它组分如CO、CO2将使触媒失去活性必须预先除掉。而CO又是生产甲醇的基本原料，CO2是生产尿素的原料，合成氨联产甲醇、尿素，可以做到物尽其用，既增加了产品品种，又免除了CO、CO2放空的污染。在现有合成氨厂进行联产甲醇改造，可发展成集化肥与燃料生产为一体的大型产业。在联产系统中，CO只进行单程反应合成甲醇，未反应的合成气体不再送回反应器，转而送去燃气/蒸汽联合循环电厂用于燃烧发电，简化了工艺，减少了设备投资和运行费用，降低了甲醇生产成本。

联醇系统实现了煤能源的清洁利用，从联醇系统中得到合成气、氢、甲醇、二甲醚等重要清洁燃料，因而是高效、廉价、大规模制取清洁燃料的技术。但是联醇技术也存在如下一些问题，有待进一步探讨和解决[12]：

(1)规模小，没有良好的规模效应。

(2)技术路线单一，几乎全是清一色的氨醇联产路线，并且全是串联，联醇诸工序采用的都是老工艺、老设备，因此能耗较大(国外先进联醇装置能耗30GJ/t左右，我国联醇装置能耗一般在50GJ/t以上)。

(3)合成塔内件设计不合理，催化剂床层温差大，易结蜡，热交换堵塞严重。

(4)脱硫部分操作不力，造成催化剂寿命缩短，操作压力高，合成率低，产品纯度差。

(5)甲醇的生产能力受合成氨生产所限制。

4 结束语

当前，世界范围内的能源紧张问题已日趋尖锐，同时环境保护也是世界各国迫切需要解决的问题。能源是经济发展的重要因素，因而发展燃料甲醇其影响深远。随着石油资源的日益减少和甲醇单位成本的降低，甲醇作为新兴的化工起始原料以及新能源已经成为当今世界化工发展的必然趋势。因此，由甲醇作为化工基础能源，不失为一条可以延续到化石能源时代后期解决能源问题的可行途径，其所具有的优势是其他能源无法比拟的。选择洁净煤多联产技术发展煤基甲醇能源化工，应是我国解决近期能源安全的最佳选择和实施低碳经济的必由之路。我国对甲醇行业明确提出了以下几点要求：

(1)严格控制甲醇产能总量，通过上大压小的方式淘汰落后甲醇产能。

(2)积极开发新型甲醇下游产品，缓解产能过剩矛盾。

(3)稳步、有序地推进煤制烯烃、煤制甲烷和煤制乙二醇的示范工程建设。

(4)加快甲醇燃料标准的实施，引导二甲醚产业合理发展，加快甲醇在民用燃气和替代燃油方面的应用。

总之，对于甲醇，一方面要限制落后，治理过剩；另一方面要加大甲醇本身和下游相关产品的研发、生产管理力度。在突出产业链的同时，更要强调环境、资源、效益的协调性。国家要实现统筹规划，疏堵结合，尤其在甲醇行业更要推进供给侧结构性改革，减少无效和低端供给，扩大有效和中高端供给，增加公共产品和公共服务供给，使供给和需求协同促进，以保证我国甲醇的行业健康、有序、协调发展。

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(本文文献格式：徐金霞，王 莉，叶蓓蓉.煤基甲醇的现状、应用及产业化方向[J].山东化工,2017,46(5):63-66.)

The Status of Application and Industrialization Direction of Coal Based Methanol in China

XuJinxia，WangLi，YeBeirong

(Anhui Research Institute of Chemical Industry, Hefei 230041,China)

This paper expoanded the status of the development of the methanol industry in China. To build China's coal based methanol industry , to change the energy structure in our country, to solve the shortage of oil, to ensure stable energy security has great strategic significance and practical significance .

coal based methanol;application; present situation; industrialization; fuel;energy

2017-01-25

徐金霞(1983—)，女，毕业于皖西学院，助理工程师，从事科技期刊和化工信息技术工作。

TQ223.12

A

1008-021X(2017)05-0063-04