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碳一化工和煤化工本文由taemawing贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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 碳 一 化 工 和 煤 化 工 目 录 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 碳一化工的三个层次 煤化工 煤化工在中国存在的必要性 煤气化分类 我国发展煤化工的方针 发展煤化工存在的问题 关于天然气和煤层气问题 煤烃转换 新一代煤化工的特征 自主创新刻不容缓 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 过量氧化或催化 银或铁钼系 甲醛 硫化床裂解 SAPO-34 MTO 烯烃 C2,C3,C4 固定床裂解 ZSM-5 MTP 丙烯 石脑油 固定床裂解 ZSM-5 MTG 汽油 甲 醇 固定床脱水 Al2O3 二甲醚 CO 羰基合成 铑或铱催化 醋酸 甲 醇 化 工 主 流 产 品 图 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 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。 空气 空分 CO2,H2S 氧气 煤 气化 变换 净化 油品分离 油品精制 蒸汽 煤 H2 煤液化 尾气回收 图8 煤的直接液化示意图 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 移动床(固定床)气化 流化床气化 4.1 学术上的分类 熔融床 气流床气化 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 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 华东理工 大学多喷 嘴对置式 水煤浆气 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最主要因 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，应采取最有利于提高 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，则要在最大的单 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 6.1 资源的困惑 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。 八大储煤国的储量 可采储量 美国 俄罗斯 中国 印度 澳大利亚 南非 乌克兰 哈萨克斯坦 2466.43 1570.10 1145.00 924.45 785.00 487.50 341.53 312.79 亿吨 2005 人均储量 Mt 83.18 109.80 8.78 8.44 392.50 108.33 72.67 208.53 6.2 技术的困惑 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。 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（3235）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。 最近，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，最后一次连续运行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 5.3 5.0 (4.5)* (3.8)* * 山西煤化所最新数据 * 上海神华煤业化中心的最新数据 煤烃转换系数 MTP，MTO， MTG 6.1 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，是最重要的事。 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最大限度单系 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