煤制芳烃产业化进展及制约因素分析

贾 曌，孟宪玲

（中国石油化工集团公司经济技术研究院，北京100029）

芳烃是重要的基础有机化工原料，主要用于生产化纤、树脂等材料，广泛应用于服装、燃料、医药等领域。芳烃中最主要的成分是“三烯三苯”中的“三苯”，即苯、甲苯、二甲苯。其中需求量最大的物质之一是对二甲苯（PX），主要用于制备精对苯二甲酸（PTA），再与乙二醇反应生成聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚酯、PET），主要应用于纤维、瓶、膜等三大领域[1]。

生产芳烃的传统方法是以石油为原料，通过催化重整、蒸汽裂解等过程得到重整生成油和裂解汽油，再经过芳烃抽提等过程得到目的产物。世界范围内约95%的芳烃来自上述石油路线，剩余少量芳烃来自煤焦化副产物。我国石油制芳烃主要制约因素是原料石油的来源，我国一次能源结构的特点是“富煤，少油，少气”，石油仅占19%，石油产量无法满足经济发展的需要，对外依存度连年攀升，2017年接近70%。过高的石油对外依存度会危及国家能源和经济安全，必须使之稳定在一定水平之内。

根据我国“富煤，少油，少气”的独特能源禀赋，建立煤制芳烃产业化技术，一方面可以使芳烃来源多元化，形成石油制芳烃路线的有效补充，一定程度上降低石油对外依存度；另一方面促进传统煤化工向清洁、绿色的现代煤化工转型。

现代煤化工主要有5条路径，分别是煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇和煤制芳烃。目前，前4条路线都已有较为成熟的工业应用，只有煤制芳烃还处于工业示范阶段。

1 技术原理

目前，煤制芳烃最主要的2种技术是甲苯甲醇甲基化技术和甲醇芳构化技术。煤经煤气化制备合成气，合成甲醇，甲醇进一步反应转化为芳烃，再经过芳烃联合工艺得到对二甲苯等目的产物。前期煤制甲醇和后期芳烃分离转化的步骤都已有成熟的技术，最关键且尚未完全工业化的过程是甲醇转化为芳烃的步骤，也是2种技术最主要的区别所在[1-2]。

1.1 甲苯甲醇甲基化技术

甲苯甲醇甲基化技术的甲醇转化过程与石油路线的甲苯歧化过程相似。甲苯歧化是甲苯和C9芳烃通过烷基转移反应生成二甲苯和苯，甲苯甲醇甲基化是甲苯和甲醇进行烷基转移反应生成二甲苯。甲醇的引入提高了甲苯的利用率，甲苯歧化技术中，生成1单位对二甲苯消耗2.5单位甲苯，而甲苯甲醇甲基化技术理论上生成1单位对二甲苯只需消耗1单位甲苯，且副产物苯较少。

1.2 甲醇芳构化技术

甲醇芳构化技术的甲醇转化过程可分为3个步骤：第一步甲醇在催化剂酸性位上脱水生成二甲醚；第二步通过“烃池机理”生成第一个C–C键；第三步生成C3、C4低碳烯烃，并通过氢转移、烷基化及缩聚反应生成烷烃、环烷烃、高碳烯烃和芳烃。

2 产业化现状

20世纪80年代，我国开始研究煤制芳烃技术。早期产物以烷烃为主，芳烃含量小，分离成本高，更适合作为油品添加剂。近年来，伴随着煤制烯烃技术产业化并取得一定经济效益，我国的煤制芳烃技术进展迅速，处于世界领先水平。目前综合水平较高、产业化前景较好的4种技术路线产业化进展情况如下[3-5]。

2.1 甲苯甲醇甲基化技术

2.1.1 中国石油化工集团公司（以下简称中石化）

2009年，中石化上海石化院开展固定床甲苯甲醇甲基化技术研究；2012年12月，对扬子石化20万吨/年甲苯歧化装置进行改造，建成20万吨/年甲苯甲醇甲基化装置，甲醇转化率近100%，二甲苯选择性大于80%；2014年6月，通过了中石化科技部组织的技术鉴定；2017年12月，扬子石化甲苯甲醇甲基化项目通过竣工验收。

2.1.2 中科院大连化学物理研究所（以下简称大化所）

2012年7月，大化所与陕煤化集团建成甲苯甲醇制对二甲苯联产低碳烯烃循环流化床技术的百吨级中试；2013年11月，陕煤化技术工程中心、中海油惠州炼油分公司与中石化洛阳工程公司签订了流化床甲苯甲醇制芳烃联产低碳烯烃工业示范项目技术开发合作协议；2017年5月，通过了中国石油和化学工业联合会组织的成果鉴定，甲苯转化率24%，甲醇转化率83%，二甲苯中对二甲苯选择性大于93%。

2.2 甲醇芳构化技术

2.2.1 中科院山西煤炭化学研究所（以下简称山西煤化所）

2005年，山西煤化所与赛鼎工程有限公司开发了固定床甲醇制芳烃技术，甲醇转化率大于99%，芳烃含量大于36%；2011年8月，宁夏庆华集团10万吨/年芳烃并联产烯烃示范项目获发改委核准；2012年2月，内蒙古庆华集团10万吨/年甲醇制芳烃项目投产，7月，10万吨/年二期项目开工建设；2016年1月，陕西宝氮化工集团10万吨/年甲醇制芳烃项目运行；2018年1月，山西省鹏飞新能源有限公司30万吨/年甲醇制芳烃项目环境影响评价文件获批复。

2.2.2 清华大学

2011年，清华大学与中国华电合作的万吨级流化床甲醇制芳烃工业试验装置在陕西榆林开工；2013年1月，3万吨/年中试装置试车成功，甲醇转化率大于99%，芳烃收率大于74%、副产部分氢气和燃料气；2013年3月，通过了国家能源局成果鉴定；2014年4月，华电集团计划建设360万吨/年上下游一体化煤制芳烃工业示范装置，计划总投资330亿元；2018年1月，延长石油集团与华电煤业集团签订关于华电榆林煤基芳烃及配套煤矿项目合作意向协议书，标志着双方合作进入实质性阶段。

综合上述各技术产业化进展，将4种技术路线进行对比，见表1。甲苯甲醇甲基化和甲醇芳构化技术均有固定床和流化床2种反应器，4种路线甲醇转化率均较高，但甲苯转化率有待提升；甲苯甲醇甲基化技术的二甲苯和对二甲苯选择性较高；同一种技术内，流化床反应器选择性和收率比固定床反应器高，但两者都有待提升，特别是附加值最高的对二甲苯的收率，将直接影响工艺的经济性；固定床反应器装置较为简单，产业化进程稍快，目前已实现十万吨级成功运行，流化床反应器目前还处于百吨和万吨级别。工业试验装置和示范装置的成功运行，一方面证明了煤制芳烃技术的可行性，但另一方面放大至可以盈利的百万吨级工业装置的过程中可能面临取热移热、稳定性等放大问题。

表1 煤制芳烃技术对比

3 制约产业化因素分析

3.1 技术因素

中石化和山西煤化所均采用固定床反应器，面临的主要问题是固定床可实现的装置规模较小，而后续芳烃加工装置规模较大。例如，一般芳烃联合装置的经济规模为60万吨/年（PX），所以两者很难进行经济性匹配。如采取多套甲醇制芳烃装置配一套芳烃联合装置，则会导致整体工艺设备多、路线长、占地广、投资大，影响项目经济性。此外，甲醇芳构化是一个强放热反应，标况下每摩尔的放热量为163.9 kJ，因此大型固定床反应器的取热移热也是一个技术难题。

大化所和清华大学采用的是流化床反应器，可以实现的装置规模较大，取热移热也相对容易，和后续芳烃联合装置可以实现经济性匹配。但流化床反应器结构复杂，操作难度和前期投资都较大。

3.2 经济因素

煤制芳烃的经济性从两方面分析，一是煤制芳烃和石油制芳烃经济性的对比，主要受煤价和油价影响；二是收益性的分析，主要受原料和产品价格差影响。石油制芳烃已有大量工业装置可以测算其成本和收益，但煤制芳烃尚无工业化装置，目前文献中多以100万吨/年规模为例进行简化估算，产物按对二甲苯计算，不考虑运输费用，不计项目建设等前期投资，仅考虑生产成本。图1是汇总不同研究机构估算数据后绘制的煤制芳烃技术的经济性分析图[1，6-9]，图中红色和紫色数据点是2018年5月中旬的实际价格点，油价按照布伦特原油价格计算、煤炭价格分别是内蒙古和山东混煤坑口价、对二甲苯按照出厂价格计算。

图1 煤制芳烃经济性分析

图1（a）是以石油价格和煤炭价格为基础进行煤制芳烃和石油制芳烃经济性对比分析的结果：左上方区域煤价高、油价低，煤制芳烃没有经济性；右下方区域煤价低、油价高，煤制芳烃有经济性，可以考虑建设；中间蓝色区域是2种路线经济性基本持平区。山东和内蒙古的数据点均位于持平区域内，说明在不考虑其他因素的前提下，目前的油价和煤价下2种路线的经济性差别不大。

图1（b）是以原料煤和主要产物对二甲苯的价格为基础进行收益分析的结果：左上方区域原料煤价高、产物对二甲苯价格低，煤制芳烃没有经济性；右下方区域原料煤价低、产物对二甲苯价格高，煤制芳烃有经济收益，可以考虑建设；中间蓝色区域是成本收益基本持平区。山东和内蒙古的数据点均位于持平区域内，说明在不考虑其他因素的前提下，目前的煤价和对二甲苯价格下煤制芳烃盈利有一定困难，但内蒙古的数据点已经优于很多测算数据点，也就是在一些测算体系下，在煤炭价格较低的地区，煤制芳烃已经可以盈利。

需要注意的是，目前的经济因素分析过程中均没有考虑原料和产物的运费，这与实际情况有较大差距。因为目前我国煤炭产地与芳烃下游产业分布地区差距较大、距离较远，会产生较大运费，这一因素也很大程度上影响了煤制芳烃产业的经济性。

3.3 产业链因素

3.3.1 上游产业链

煤制芳烃的上游产业主要是煤制甲醇环节。近年来，我国甲醇产能增速明显减缓，且新增产能中大部分配套有下游甲醇制烯烃装置。2017年新增产能440万吨/年，有配套下游甲醇制烯烃的产能310万吨/年；2018年预计新增产能1 467万吨/年，有配套下游甲醇制烯烃的产能930万吨/年。煤制芳烃与煤制烯烃在上游产业链存在一定竞争关系，而目前煤制烯烃的工业成熟度和经济性远优于煤制芳烃，竞争力优于煤制芳烃。

3.3.2 下游产业链

目前，我国对二甲苯和PTA的产能分布地区基本一致，不到10%的产能分布在内陆河南、四川、新疆等地，大于90%的产能集中在沿海地区，形成了完整的芳烃产业链，运费低、竞争力强。我国内陆地区对二甲苯及其下游PTA产能非常小，而内陆地区，特别是中西部地区，煤炭资源丰富，这一方面表明煤制芳烃产业在内陆地区有很大发展机遇，但另一方面也反映出在内陆地区建设煤制芳烃项目面临下游产业链完整度不足、竞争力不强的问题。

3.4 风险分析

3.4.1 市场供需风险

虽然我国对二甲苯长期处于供不应求的状态，对外依存度近60%，但随着2020年前后大批石油制芳烃项目建成投产，现有市场供需局面将会发生扭转，我国对二甲苯供应缺口将很快弥补，对二甲苯及其下游产业将会出现供大于求现象，很大程度上影响煤制芳烃产业的经济性。

3.4.2 相对竞争力风险

目前煤制芳烃项目装置成本高、投资强度大、固定成本比重大，前期投资和总投资远高于同等规模的石油制芳烃，相对石油路线的竞争力存在风险，特别是在中低油价时代；同时，煤制芳烃与技术更成熟的煤制烯烃等煤化工项目相比，技术和经济性也存在一定差距，存在相对竞争力风险。

3.4.3 国家政策风险

国家对煤化工项目、甲醇项目、芳烃项目等的要求和审批日趋严格，对项目的产能和环保要求也日趋严格。因此，煤制芳烃项目的建设不仅要考虑现有的政策，还需考虑建设过程中可能的政策变化趋势带来的不确定风险。

3.4.4 社会舆论风险

国内新建对二甲苯项目屡遭抵制，群众事件频发，需合理引导舆论导向，避免社会舆论风险。

4 产业化建议

4.1 技术方面：加强现有技术难点攻关，加快新技术研发

现有的煤制芳烃技术难点主要在于催化剂的选择性及实验装置向工业装置放大问题，因此，首先应加强产学研结合，加大高效催化剂开发，提升芳烃总收率和对二甲苯的选择性；其次应加强流动、反应、混合规律研究，预测及解决装置向百万吨级放大过程中面临的取热移热、系统稳定性等工业问题。

此外，应拓宽思路，关注新方法新技术，特别是加快研究并工业化合成气一步法直接制芳烃技术，降低投资费用和运行成本。

4.2 经济方面：降低成本，合理选址

在中低油价的时代，煤制芳烃必须采取更先进的技术手段降低成本，才能具备足够的竞争力。主要包括：高效催化剂的开发可以提高产物选择性，减少副产物；经济合理利用氢气、干气、焦炭等副产物，可以提高综合能量利用效率，降低成本。

在经济因素分析中已经发现，不同地域选址，煤制芳烃项目经济效益会有明显差别，因此应考虑在我国中西部煤炭资源富集区选址，与石油路线形成产业互补、区域互补，同时响应国家“一带一路”政策，煤制高附加值产品，带动西部产业结构升级。

4.3 产业链方面：因地制宜，全产业链布局

在合理选址的基础上，应充分利用煤炭资源丰富的优势，煤制芳烃与煤制乙二醇路线耦合，实现“煤－甲醇－芳烃－PX－PTA－PET－纺织”的全产业链，增强竞争力；在煤和石油都较丰富的地区（如新疆等），甲基化路线可与石油路线结合，优势互补[10]。