碳一化工和煤化工

碳一化工和煤化工唐宏青中国石化集团宁波工程有限公司2007.10目录碳一化工和煤化工1碳一化工的三个层次2煤化工3煤化工在中国存在的必要性4煤气化分类5我国发展煤化工的方针6发展煤化工存在的问题7关于天然气和煤层气问题8煤烃转换9新一代煤化工的特征10自主创新刻不容缓11结束语碳一化工是指含碳原子数为1的碳质化合物进行转化或合成所采用的化学工艺。煤化工、天然气化工、合成气化工、甲醇化工、生物质合成燃料化工等都是碳一化工的一部分。1碳一化工的三个层次1碳一化工的三个层次从国家安全和能源战略的角度出发，研究开发以碳一资源替代石油作为原料的新的化学生产工艺，对于我国这样一个煤多、油少、甲烷资源不丰富的国家，有着极其重要的意义。1碳一化工的三个层次碳一化工的工艺，按照工艺步骤可划分为三个工业化层次：图1碳一化工的工艺三个工业化层次的划分2煤化工2.1煤化工的重要性煤化工是碳一化工的重要组成部分之一。煤化工是以煤为原料，经过化学加工使煤转化为气体(主要是CO+H2)，液体，固体燃料以及化学品的过程。具体来说，就是生产氢、氨、醇、油、燃气五大产品为基础的重化工产业。然后进一步生产成千上万个化工产品，使用到国民经济的各个领域。因此，煤化工是我国发展经济的支柱之一。见图2。图2煤化工工艺图2.2氢气和氨制氢和制氨是煤气化的大宗产品工艺，在国民经济中占据重要地位。图3.煤气化制取H2图4.煤气化制取氨2.3甲醇煤制甲醇是煤气化新兴的大宗产品工艺，在国民经济中越来越受到大家关注。图5.煤气化制取甲醇MTOMTPMTG甲醇甲醛过量氧化或催化银或铁钼系硫化床裂解SAPO-34固定床裂解ZSM-5固定床裂解ZSM-5CO羰基合成铑或铱催化烯烃C2,C3,C4丙烯石脑油汽油醋酸二甲醚固定床脱水γ－Al2O3甲醇和异丁烯酸性催化剂MTBE氧化羰基化氯化物碳酸二甲酯甲醇化工主流产品图2.4城市煤气和发电城市煤气和发电采用废锅流程。废锅回收的热量产生水蒸气，推动蒸汽透平发电，而气化炉产生的合成气推动燃汽透平发电，因此，废锅流程适合于联合发电(IGCC)。图6.煤气化发电IGCC流程图2.5煤代油煤炭液化即国家能源政策中的煤代油，指的就是要解决用煤来代替石油。这是一个从国家到民众都十分关心的问题。因此，煤代油已经成为当前国民经济中的重大问题。煤气化制油“煤气化”是将煤进行不完全燃烧转变为合成气(CO+H2)，即部分氧化工艺。然后由合成气进行费托合成，生成碳氢化合物。通常也将用于煤气化转化为油的工艺称为“煤的间接液化”。见图7。图7煤的间接液化示意图中国合成油开发装置中国第一套伊泰合成油示范厂正在内蒙建设煤液化制油“煤液化”是将煤加氢直接生成液态燃料，通常称为“煤的直接液化”。主要用于燃料油如汽油、柴油等生产。在一个大型煤矿的附近，只有通过煤炭气化得到氢气，也就是只能将煤气化得到的合成气全部转化为H2。因此。煤液化的工艺更复杂。图8煤的直接液化示意图空气CO2,H2S氧气煤蒸汽H2煤气化空分变换净化煤液化油品分离尾气回收油品精制国内第一个6t/d煤直接液化开发装置建设中的神华煤液化装置3煤化工在中国存在的必要性必要性•从能量形式来说，我国煤及煤层气的储量远远超过石油和天然气的储量。•从化工角度来看，如果以1吨煤转化为0.20吨油（合成油），或以1吨煤转化为400标米甲烷(合成天然气)来计算，我国1万亿吨煤的远景储量，相当于2000亿吨石油或400万亿标米天然气。•这一数值远远超过全国100亿吨石油或38万亿标米天然气的远景储量。4煤气化分类4.1学术上的分类熔融床气流床气化流化床气化移动床(固定床)气化4.2技术上的分类4.3国外的煤气化技术•Texaco水煤浆加压气化•Shell粉煤气化•GSP粉煤气化•Lurgi固定床加压气化•恩德粉煤气化Texaco炉Shell炉GSP炉Lurgi炉4.4国内开发的技术华东理工大学多喷嘴对置式水煤浆气化西安热工研究院干煤粉加压气化山西煤化所的灰熔聚煤气化西北化工研究院多元料浆气化灰熔聚流化床粉煤气化炉示意图两段式干煤粉加压气化炉两段式干煤粉加压气化中试装置多喷嘴对置式水煤浆气化炉多喷嘴对置式水煤浆气化炉的烧嘴平台4.5如何选择煤气化的方法•煤种的品质是选择煤气化方法的昀主要因素。•在建设大型煤化工装置时，当煤种适合水煤浆技术时，水煤浆技术是您优先考虑的技术。对于双高煤，应该采用粉煤气化技术加激冷流程。•发电和化工上采用的煤气化后续流程是不同的。5我国发展煤化工的方针煤化工的方针现代煤化工是属于技术密集型和投资密集型的产业，应采取昀有利于提高经济效益的建设及运行方式。现代煤化工的发展要以四化为目标：坑口化园区化大型化洁净化(1)坑口化坑口化就是把大型煤化工装置和煤矿结合起来。把煤气化装置建在矿上，力求减少煤炭运耗及运费，实施资源优化配置，合理使用煤炭资源(按煤质资源优质优用，劣质劣用，各得其所)。(2)园区化•根据化学工业内在的固有特性，适宜于综合利用和深度加工，在基地内建立企业群体。基地内集中布置相关企业的多套装置，可以充分、高效、合理利用各种资源，提高资源配置效率和效益，发挥企业的集聚效应。(3)大型化•大型化就是单套装置的规模尽量大。•我们一定要抛弃那种将小型设备并联来扩大生产，从而显示表面大型化而实质是陈旧落后的小型化做法。•如果一定要进行并联，则要在昀大的单系列规模上进行并联。大型加氢反应器的内径4800mm，壁厚340mm，高44m，应用新型抗氢耐热2.25CrMoV钢。重2250吨。(4)洁净化•粉煤气化和水煤桨气化具有大型化、加压、低污染、易净化的特点，是煤气化发展主要方向。•我国大气污染加剧，二氧化硫和二氧化碳排放量居世界第一和第二位，急需研究开发高效、清洁的煤利用技术，而煤气化技术在整个煤清洁利用技术中处于重要地位。6发展煤化工存在的问题据统计，2005年底我国查明的煤资源探明储量为1145亿吨，主要是在华北，占全国探明储量的57.63％。其中硬煤959亿吨，褐煤186亿吨。这些资源大约可以用50年。低于美国和俄罗斯，位于世界第3。6.1资源的困惑八大储煤国的储量2005可采储量亿吨人均储量Mt美国2466.4383.18俄罗斯1570.10109.80中国1145.008.78印度924.458.44澳大利亚785.00392.50南非487.50108.33乌克兰341.5372.67哈萨克斯坦312.79208.53在国内化工发展的历史上，煤化工曾有过起起落落的记录。国内的科研工作者曾经对煤气化做过不少改进，但并没有划时代的突破。6.2技术的困惑曾寄厚望于重大突破而引进的Texaco水煤浆气化技术、以及国内相关的水煤浆气化开发技术，均因为对煤种的要求较高而难以在行业中普遍推广。近年来，干粉煤气化技术受到人们普遍的关注。其中，引进了芝加哥煤气工业研究院的UGAS炉，反映不佳。近年行业中对壳牌公司的Shell冷壁炉呼声很高，大量引进这种炉型。这种炉子原来是用于发电的，用于化工上的经验还不够丰富，其后续废热锅炉流程不适合化工。19台Shell炉在中国同时引进用于化工，等于国外发电技术在中国的批量化工工业化试验。现在又在开始引进德国(原民主德国)GSP技术。GSP技术是比较好的煤气化技术，但是德国方面的经验不足，示范厂的水平有疑问，这个公司在推广技术的商业方面不够妥当，因此在国内也遇到一些困难。6.3煤气化技术进步缓慢煤气化技术演进的历程：以氧气、富氧代替空气气化，以粉煤代替块煤，以气流床和流化床代替固定床，由常压气化进展到高压气化，这些都是煤气化工艺技术演进升级的重要趋势，但进步缓慢。7关于天然气和煤层气问题至2005年，我国已发现天然气资源总量估计约为38×万亿m3，其中已探明储量约2.35×万亿m3，探明率仅为6%左右。由于我国人口众多，天然气应该首先保证民用。表1我国五大天然气的气田储量•我国的煤层气储量也较丰富，据估算全国在不深于2000m的地层范围内，拥有煤层气资源约为（32－35）×万亿m3。煤层气主要成分是甲烷，与天然气的成分、用途基本相同，下游市场也基本一致。8煤烃转换8.1煤制烃的工艺过程用煤制取烃类，有不少工艺路线可以采用。首先要进行的煤气化，生成CO+H2，然后进行其它化学变化，生成烃类。总览目前的煤制烃技术，主要有5条工艺路线。无论那一条，煤制烃的工艺过程离不开煤气化。图11煤烃转换图(1)煤气化,合成气制油(合成油)•中国科学院山西煤化所研究的合成油技术，已经完成千吨级的试验装置，正在建设年产16万吨的示范厂装置；在国际上南非已经工业化的技术，年产500万吨烃类。•国内兖州矿业集团也进行这方面的研究。据报道，美国空军已多次进行了用煤基F-T合成的航空煤油试飞“B-52同温层堡垒轰炸机”取得成功，且声称在建设煤基F-T合成油厂（CTL）方面，美国已落后于中国。B52(2)煤气化,合成气制甲醇，甲醇制烯烃(MTO)•中国科学院大连化物所开发的、洛阳工程公司已经完成万吨级的工业化试验的DMTO技术，即将开展示范厂建设。主要产物是乙烯、丙烯和丁烯。(3)煤气化,合成气制甲醇，甲醇制烯烃(MTP)•该工艺的主要产物丙烯、汽油和LPG，丙烯的转化率约为70％。•国际上Lurqi公司开发了MTP(甲醇制丙烯固定床反应)技术。国外已经建成10万吨/a的装置。国内正在建设二套煤头的47万吨/a装置。(4)煤气化,合成气制甲醇，甲醇制汽油(MTG)甲醇制汽油(MTG)工艺由Mobil公司于80年代开发成功,并于1986年在新西兰建成规模高达2000t/d的工业化生产装置,现在已经停产。昀近，国内对这个工艺重燃热情，认为产生的汽油品位比较高，中试已经成功，正在建设万吨级的示范厂。(5)煤气化,合成气制氢，再与煤进行液化(直接液化)•神华集团正在研究和建设的煤直接液化技术，也是二次大战中德国采用的方法，当时德国年产540万吨。•国内神华集团正在建设百万吨级的示范厂和进行6t/d的研究试验。后者经过3次试运转，昀后一次连续运行1000小时以上，总计运行2460小时，2007年1月通过国家科技部验收。8.2煤烃转换系数煤烃转换系数就是消耗多少煤(标准煤)转化为1吨油。这是指整个装置的煤耗量，包括所有原料、燃料、电力和输入蒸汽等所有的煤耗，而不是仅仅指主要原料。表2煤烃转换系数费托合成油煤液化MTP，MTO，MTG煤烃转换系数5.3(4.5)*5.0(3.8)**6.1*山西煤化所昀新数据**上海神华煤业化中心的昀新数据在煤烃转换的工艺中，煤气化是共同的步骤。改进煤气化技术，是昀重要的事。煤烃转换系数是一个非常有用的数据，对指导煤化工的发展有积极的意义。认识这个系数，如同认识“热电转化”和“光电转化”一样，给我们的经济生活产生重要的影响。9新一代煤化工的特征新一代煤化工的特征应该是昀大限度单系列能力下的大型化、多种产品的联合生产、高度自动化、对环境全面友好的高洁净产业，能够安全、稳定、长周期运转、满负荷生产。新一代煤化工的特征可以用以下八个字描写：“大多高净、安稳长满”。前四个字说的是规划和设计，后四个字意味着运行和管理。10自主创新刻不容缓10.1实现国产化和自主知识产权•真正的核心技术是买不来的。在发展技术特别是战略高技术及其产业方面，必须强调国家意志。•通过自主创新，掌握关键技术，提升关键产业水平，应当成为新时期我国技术进步的基本立足点。•“以市场换技术”的理论就是大量引进国外技术，把国内变成外商新技术的批量试验地。也就是国内出地、出钱、出人，国外出新技术，从而获得技术。•事实证明，“以市场换技术”泡汤落空。问题验证了中国的一句古话：“天上不会掉馅饼”。10.2国际上没有大力发展煤化工•国外在煤气化技术上是有发展的，但没有大力发展。•目前国外几乎所有重要的煤气化工艺都在开拓联合循环发电方面的应用。•世界上已有4座250～300MW等级的大型IGCC电站相继投运。•国外的煤气化技术还在合成油工艺上有出色的应用，典型的代表是南非。10.3国产化和自主知识产权•在全国的煤产量中，有1亿吨是可