煤化工技术发展现状与新型煤化工技术分析

2021-12-15储佼

化工设计通讯 2021年11期

储佼

（灵谷化工集团有限公司，江苏宜兴 214203）

1 煤化工技术的发展现状

1.1 煤干馏技术

煤干馏技术是在高温与隔离空气条件下，将煤作为原料加热至特定温度进行热分解反应来生成一次、二次热分解产物的一项煤转化工艺技术，在高温干馏生产过程中获取煤气、焦炭、煤焦油等产物，将其作为化工生产原料。煤干馏技术的生产过程为：在隔离空气的环境中将煤料加热升温，在煤料温度提升至200℃以上的过程中有效蒸发所含水分与结晶水；随后将煤料温度提升至350℃以上，煤料出现软化现象，在煤料温度提高至400～500℃时，将产生煤气与焦油等一次热分解产物；在煤料温度提升至550℃以上后析出挥发物，出现收缩现象；温度超过800℃时，产出焦炉煤气等二次热分解产物。

在我国煤炭能源化工产业发展期间，煤干馏技术是应用最为常见的一项煤炭化学转化技术，在生产期间不会出现煤料氧化问题，煤料在焦化后可以产出焦炭、煤焦油、煤气、二甲苯等产品。然而，煤干馏技术的工艺流程较为烦琐，生产质量与效率受到多方面因素影响，如所使用炼焦用煤的黏接性与结焦性、炼焦洗选效果、炼焦过程的膨胀压力等。例如，在所选用炼焦用煤的黏结性过强时，煤料软化形成的胶质体黏度过大，易产生高膨胀压力。针对这一问题，多数企业纷纷加大对煤干馏技术的研发力度，不断对煤干馏技术体系进行优化改进，并陆续推出多项配套煤化工技术，如焦化废水综合治理技术、半焦生产工艺等。

1.2 煤气化技术

煤气化是将煤料或是半焦在高温常压或是加压环境中与气化剂进行一系列化学反应，生成气体产物的一项工艺技术。在气化过程中，逐渐将固态的煤料转换形成气态合成气，并在反应过程中产生少量的焦油与灰渣等残渣。

近年来，随着生产工艺的不断优化，陆续推出多种煤气化技术，不同气化技术的适用范围、工艺特点与优缺点存在明显差异，具体如下：①固定床气化技术。将纯氧以及水蒸气作为煤料的气化剂，主要被用于气化加工粒度在6～50mm的低气化变质程度煤种，如泥煤与褐煤，经过气化加工来获取焦油和轻质油等化工产品。与其他技术相比，固定床气化技术有着原料适用范围广、氧耗量低、可获取副产品种类多的优势，但所产出煤气中含有较高浓度的甲烷与二氧化碳，且平均蒸汽分解率仅为40%。②气流床气化技术。该项技术是将纯氧为气化剂，将煤料置于高温高压环境中进行气化反应，在气化过程中并不会产生焦油与酚水等物质，且粗煤气中的有效气体浓度极高，是推动我国煤炭能源绿色健康发展的一项重要技术。③流化床气化技术。将粒度在0～6mm的煤料作为原材料，气化剂作为流化介质，这项技术具有工艺流程简单和炉内气化温度均匀的优势，但在这一阶段会出现较多的带出物，煤气中的有效成分较少。针对于此，可选择应用新型的循环流化床工期或是U-Gas加压流化床气化工艺。

1.3 煤液化技术

早期煤液化技术采取直接液化法，使用催化剂以及氢气，煤料进行加氢裂化反应，直接转变为液体燃料，由于煤种要求过于严格，导致煤液化生产成本极高，逐渐被间接液化技术所取代。近年来，国内外诸多企业纷纷加大对煤直接液化技术的研发力度，推出多项全新工艺。以氢煤法为例：首先，基于高温与催化剂作用，在氢压作用下将煤料裂解形成小分子烃类液体燃料。其次，煤间接液化技术得到广泛应用，将煤料置于高温有氧环境下与水蒸气进行反应，将气化煤炭经过脱硫、脱碳等一系列处理后形成洁净合成气，再将合成气进行萃化反应来形成烃类液体燃料作为原料生产汽油等产品。

2 新型煤化工技术分析

2.1 甲醇生产技术

在早期甲醇生产工艺中，出于成本因素考虑，普遍选择将天然气作为生产原料，但是，随着天然气存储量的变化，以及天然气开采难度的提升，如果仍旧采取传统生产工艺，使得甲醇生产成本过于高昂。在这一时代背景下，甲醇生产原料逐渐由天然气转变为煤炭，提出煤制甲醇技术。在甲醇生产过程中依次经过煤料气化、水煤气变换、合成气净化、甲醇合成与甲醇精馏等阶段。与传统的天然气制甲醇技术相比，煤制甲醇技术具有清洁无污染、反应转换率高、生产成本低等优势。

2.2 新型煤气化技术

在传统煤气化技术体系中，固定床气化、流化床气化与气流床气化等技术都存在着应用局限性，如在应用流化床气化技术时，所产生煤气中往往含有大量的带出物，带出物中的碳含量较高，碳转化率偏低。因此，在新研发的煤气化技术中，选择使用不同批次催化剂对煤料进行均相与非均相化学处理，从而获取多种化学物与混合物，如异丁醇和甲醇所占比重为6∶4的混合物。同时，为避免在煤气化生产过程中频繁出现冷却器与飞灰过滤器故障问题，惠生与壳牌公司联合开发一项Hybrid混合煤气化技术，在原有的SCGP废锅技术流程基础上，综合采取膜式水冷壁、粉煤加压气化输送、间歇性排渣等工艺，以此来替换合成气冷却器以及飞灰过滤器等装置，有效结合了SCGP废锅流程优势与激冷技术优势。

2.3 新型氨合成技术

新型氨合成技术的工艺流程与生产原理为：首先，准备煤料支撑含有氨氮元素的粗原料气，或是直接在固体原料基础上制取合成气；随后，对粗原料气进行净化处理，依次进行一氧化碳变换、脱硫脱碳与气体精制步骤，将生产过程中获取的氢氮混合气压缩至高压状态，使用催化剂获取合成氨，将所获取的氨作为石油炼制、橡胶工业加工、化肥生产的原材料；此外，在应用新型氨合成技术时，重点考虑三废处理与安全问题。其中，三废问题指在氨合成生产过程中所产生排放气与废渣的回收处理问题，如将废渣用水清洗来获取炭黑污水，采取重油萃取法，提取污水中的重油炭黑浆作为锅炉燃料。而安全问题则是对所产生合成氨中的一氧化碳、氨、硫化氢浓度的控制，并采取隔离保护措施，避免出现安全事故。例如，在我国现行的卫生标准规范中明确规定：生产车间内的硫化氢与一氧化碳最高容许浓度分别为10mg/m3与30mg/m3。

2.4 烃化产物的合成

当前，社会对煤化工的技术研发广泛关注。烯烃产物在煤化工技术领域中有着非常重要的分量，在现代化学工业的发展中对低碳烯烃的需求度越来越高，但供求关系的矛盾却越来越大。许多研究人员投入了大量的时间和资金进行煤化工新技术研究工作，对转化技术进行科学研发，成功研发了甲醇制乙烯和丙烯（Methanol to Olefins，MTO）技术以及甲醇制丙烯（Methanol to Propylene，MTP）技术。MTO及MTG的反应历程主反应为：

该工艺以甲醇为原料，首先甲醇脱水生成二甲醚（DME），形成甲醇、二甲醚和水的混合物，然后进一步转化为低碳烯烃，甲醇可由煤为原料轻易制成，可以大量避免原料浪费情况，提高转化率，是非石油制乙烯和丙烯等产品的核心技术。不过此技术仍存在较多问题，诸多环节存在改进和优化空间。如果在我国煤炭资源丰富的区域，加快煤基MTO工艺的工业研究和发展，实现以乙烯、丙烯为代表的低碳烯烃生产原料多元化，可以解决我国石油资源紧张程度，促进我国低碳烯烃工业快速发展，也有利于我国内地产煤大省实现煤炭资源优势转化。另外，还有一种煤化工技术是以煤为基本原料，在高温高压下使甲烷发生脱氢反应，生成乙烯，此过程转化率较高，产品的纯度也较好，产物的选择性大于70%，这也可成为煤化工技术未来研究方向。

2.5 煤化工技术设备不断优化

由于煤化工生产技术的发展以及我国当前自动化控制、智能化技术的不断更新，煤化工技术设备的科技性也会越来越高。同时，因为煤化工的生产过程中存在一定的污染物，当代社会的安全环保要求尤为严格，所以在将来煤化工技术与设备发展中，为提升竞争力和持续生产，企业会着力投入大量资金研究开发具有环保价值的煤化工生产设备和水处理零排放设备，降低生产过程的能耗，进而降低成本，提升煤化工生产企业的经济收益。同时为了保证煤化工新型设备的应用与回收效果，要形成一套完整的设备开发与回收体系，为能够使用新型技术设备的煤化工企业提供更大的便利，推动煤化工行业整体的技术进步。

3 新型煤化工技术发展的必要性和发展要点

随着我国发展步伐的加快，国民经济水平的提升，导致我国对石油的需求量日益增加，进而大幅提升我国石油的进口量。过分依赖进口石油的情况将会制约我国经济的可持续发展速度。因此，我国有必要大力发展和研究新型煤化工技术，重视煤化工新型技术在国家发展中的积极作用，努力提升煤化工技术水平，为我国能源的安全性和可靠性提供有效保障。另外，在目前严峻的环保要求和政策下，国家和人民越来越重视对生态环境的保护。新型的煤化工技术相比传统的煤化工工艺，具有十分明显的优势，比如：原料由干法处理向湿法处理的转变，使得粉尘污染减小同时易于处理；普通锅炉向航天炉或者华东理工的多喷嘴水煤浆汽化炉的转变，使碳转化率升高，有毒气体排放减少，得到的产品气更为清洁，发气量更大，废渣处理更为简便。我国煤化工的相关产业如何合理应用并改进新型煤化工技术不仅可以提升煤炭转化质量和效率，同时对产品生产价值和附加值的提升均有一定的优化，能够最大程度降低生产过程中污染物的排放量，有益于煤炭行业健康、稳定、可持续发展，使我国煤炭企业在激烈的国际市场中更有生命力和竞争力。

新型煤化工技术的发展要点需要注意以下几个方面：一是由于我国天然气与石油储量较低，而煤炭的利用率优于前者，再者甲醇是重要的化学产品基本原料，所以需要开发高质量的甲醇工艺，这样可提高化工产品质量和效率，同时甲酸、草酸等元素是用甲醇萃取，使用范围广泛。二是研发多种技术结合，优化化工联产技术方式，煤化工生产过程并不单一，将各种煤化工技术融合在一起进行研究，进行技术联产可有效提高煤炭的使用价值和生产效果，减少生产能耗，降低生产成本。在实际生产中集成多元技术的煤化工联合生产技术在遇到故障和突发事件时可以有更多的应急方式，更有效的生产转型，可以将损失减到最低，同时联产技术下可高效生产多样化产品，提高产品附加值，满足市场需求。三是研发水煤浆技术。水煤浆是新型含油燃料，有更好的稳定性。传统燃料在运输工艺上较为困难也会造成更多粉尘污染，同时燃烧过程中碳转化率不高，能量产出较小，释放的有害气体较多，对环境有一定的污染。而水煤浆的输送和储存就比较便捷，燃烧释放的能量也大，碳转化率高，无有害气体释放，符合绿色环保的要求。现今使用的水煤浆、油煤浆、油水煤等，均具有研发价值。