煤化工基础知识

演讲人：日期:煤化工基础知识目录CATALOGUE01煤化工概述02煤转化技术路线03关键产品链04典型工艺装置05环保与可持续发展06行业应用与展望PART01煤化工概述煤化工定义与范畴煤炭转化技术体系煤化工是通过热化学或催化反应将煤炭转化为气体（如合成气）、液体（如煤制油）及固体（如焦炭）产品的工业过程，涵盖煤气化、液化、焦化等核心技术。产业链覆盖范围能源与化工双重属性包括上游原料煤预处理、中游转化工艺（如费托合成、甲醇制烯烃）及下游精细化学品生产（如醋酸、乙二醇），形成完整化工产品树。既生产替代石油的清洁燃料（如煤制天然气），也制备高附加值化工品（如芳烃、聚烯烃），实现煤炭资源梯级利用。123原料分子结构差异煤化工依赖气化合成（如CO+H2平台），石油化工以催化裂解为主，前者单位产品投资强度是后者的2-3倍。工艺路线对比碳排放特征煤化工吨产品CO2排放量达4-8吨，显著高于石油化工，碳捕集与封存（CCUS）技术成为发展关键。煤以稠环芳烃为主需断键重组，石油以链烷烃为主更易直接裂解，导致煤化工能耗高出30%-50%。煤化工与石油化工差异主要原料煤种分类气化用煤标准要求灰熔点＞1250℃、灰分＜15%的烟煤（如神华煤），褐煤需预处理降低水分至20%以下方可使用。焦化煤种选择高阶烟煤（镜质组＞80%）最适宜，氢碳原子比需＞0.8，惰质组含量过高会降低转化率。强粘结性焦煤（G值＞75）为主配煤，配合1/3焦煤和气煤调节收缩度，硫分需控制在0.8%以下。直接液化煤质PART02煤转化技术路线煤气化核心技术采用高温高压（1300-1600℃，2.0-8.5MPa）条件，煤粉与气化剂并流进入反应器，碳转化率可达99%以上，代表技术包括Shell、GSP和Texaco等工艺，适合处理各种煤种特别是低阶煤。气流床气化技术煤块与气化剂逆流接触，操作温度约1000-1200℃，产生大量甲烷（8-12%），典型代表为Lurgi加压气化炉，需使用块煤但蒸汽分解率高，副产焦油和酚类需专门处理。固定床气化技术煤粒在气化剂作用下呈流化状态，操作温度900-1100℃，适合高灰熔点煤种，典型技术包括HTW和U-Gas，具有良好负荷调节性能但碳转化率相对较低（90-95%）。流化床气化技术通过添加碱金属或镍基催化剂降低反应活化能，可使气化温度降低200-300℃，提高甲烷产率至15-20%，但存在催化剂回收和成本问题。催化气化技术煤直接/间接液化工艺直接液化工艺条件在450-470℃、15-30MPa氢压条件下，采用铁系或镍钼催化剂，单程转化率可达90%，典型工艺包括德国IGOR、美国HTI和日本NEDOL，液体产物需经过加氢精制才能获得合格油品。01间接液化费托合成先将煤气化制得H2/CO比为2:1的合成气，在200-350℃、2-3MPa下通过铁基或钴基催化剂进行F-T合成，产物遵循ASF分布规律，需配套产物分离和加工装置。02甲醇制汽油（MTG）工艺合成气先经Cu-Zn-Al催化剂合成甲醇，再通过ZSM-5分子筛催化剂在340-410℃下转化为汽油，汽油收率可达85%，辛烷值超过90，但过程能耗较高。03煤制烯烃（MTO）技术甲醇在SAPO-34催化剂作用下于400-500℃转化为低碳烯烃，乙烯+丙烯选择性可达80%，需配套烯烃分离和C4回炼系统，典型代表有UOP/Hydro和DMTO工艺。04煤焦化与焦炉气利用现代焦炉结构特点采用蓄热式加热系统，炭化室宽度450-600mm，结焦时间15-20小时，配套上升管余热回收和干熄焦（CDQ）装置，可回收80%红焦显热产生中压蒸汽。焦炉气组成与净化典型组成为H2（55-60%）、CH4（23-27%）、CO（5-8%），含焦油、苯、H2S等杂质，需经过初冷、电捕焦油、脱硫（HPF或AS工艺）、洗苯等净化工序。焦炉气化工利用途径可通过甲烷化生产SNG（热值35-38MJ/m³），经深冷分离提取LNG和氢气，或作为合成氨、甲醇原料（需补碳调节H/C比），也可用于燃气轮机发电。煤焦油深加工技术中低温焦油经蒸馏切割得到轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油等馏分，可进一步加工提取酚类、吡啶碱、工业萘、沥青焦等高附加值产品，高温焦油中沥青含量达50-60%。PART03关键产品链甲醇及其衍生物合成氨与尿素合成气（CO+H₂）通过催化反应可生产甲醇，甲醇进一步可加工为甲醛、醋酸、烯烃等高附加值化学品，广泛应用于塑料、涂料和医药行业。合成气经变换反应调整氢碳比后，通过哈伯法合成氨，进而生产尿素等化肥，是农业领域的重要原料。煤制合成气衍生品费托合成燃料合成气在铁基或钴基催化剂作用下，通过费托合成反应生成液态烃类（如柴油、石脑油），可作为清洁燃料或化工原料。氢能生产合成气通过水煤气变换反应提纯氢气，用于燃料电池、炼油加氢工艺等新兴能源领域。煤制油（CTL）产品直接液化油品煤在高温高压下加氢裂解，直接转化为粗油，经精制后可产出柴油、汽油及航空煤油，技术核心在于催化剂开发和反应条件优化。间接液化油品煤先气化为合成气，再通过费托合成制取液态烃，产品硫含量极低，适用于环保要求严格的区域市场。副产品利用CTL过程产生的石蜡、α-烯烃等副产物可用于润滑剂、增塑剂等精细化工生产，提升经济性。技术挑战高能耗、高水耗及CO₂排放问题需通过IGCC（整体煤气化联合循环）等集成技术解决。煤基烯烃与芳烃甲醇通过SAPO-34分子筛催化剂转化为乙烯、丙烯，替代石油路线生产聚烯烃，技术关键在于催化剂寿命和选择性控制。甲醇制烯烃（MTO）煤热解产生的焦油富含萘、蒽等芳烃，通过加氢精制和蒸馏提取高纯度化学品，用于染料、医药中间体。煤焦油深加工采用ZSM-5催化剂将甲醇转化为苯、甲苯、二甲苯（BTX），是聚酯纤维和工程塑料的原料，需解决催化剂积碳问题。甲醇制芳烃（MTA）010302煤基路线需与石油路线竞争，依赖煤价波动和碳税政策，需优化工艺降低能耗成本。技术经济性04PART04典型工艺装置固定床气化炉原料煤粉与气化剂在炉内形成流化状态，反应温度均匀且传热效率高。可处理高灰分、高水分劣质煤，碳转化率可达95%以上，但需配套复杂的飞灰回收系统，典型代表有HT-L炉和GSP炉。流化床气化炉气流床气化炉采用粉煤与水煤浆进料，在1400-1600℃高温下完成瞬时气化，碳转化率超过99%，合成气中有效气（CO+H2）含量达80-90%。代表技术包括Shell炉和Texaco炉，但设备投资和氧耗量较大。采用块煤或型煤为原料，气化剂（空气、氧气或水蒸气）从炉底进入，与燃料逆流接触反应，生成粗煤气。其特点是结构简单、操作稳定，但原料适应性较差，灰渣含碳量较高，适用于中小规模气化项目。气化炉类型（固定床/流化床）采用钴基或铁基催化剂，反应温度200-240℃，压力2.0-2.5MPa。产物以重质蜡为主，需后续加氢裂化处理，优点是操作简单、催化剂寿命长，但传热效率低，适用于小规模装置。费托合成反应器固定床反应器使用铁基催化剂，反应温度300-350℃可生产汽油馏分，采用循环流化床（CFB）设计时单程转化率可达85%，但催化剂磨损严重，需连续补加新鲜催化剂。流化床反应器将微米级催化剂悬浮在液态蜡中，等温性能优异，产物分布可通过工艺参数灵活调节。Sasol公司的SSPD工艺采用该技术，可实现年产百万吨级油品，但催化剂分离系统复杂。浆态床反应器甲醇制烯烃（MTO）单元采用SAPO-34分子筛催化剂，在400-500℃、0.1-0.3MPa条件下实现甲醇转化，双烯（乙烯+丙烯）选择性达80%以上。需配套连续再生装置烧除积碳，典型设计包括UOP的MTO+OCP组合工艺。反应-再生系统包含急冷塔、压缩机组和深冷分离塔，采用前脱丙烷流程时丙烯纯度可达99.6%，乙烯回收率超过99.9%。关键设备包括膨胀机和脱甲烷塔，能耗占全厂40%以上。产物分离系统处理含甲醇、二甲醚的工艺废水，采用汽提+生化组合工艺使COD降至50mg/L以下。中石化SMTO技术配套的污水处理系统可回收99.5%的甲醇。废水处理单元PART05环保与可持续发展废水处理技术煤化工废水含有高浓度有机物、氨氮及重金属，需采用物理化学法（如混凝沉淀、吸附）、生物法（如厌氧-好氧工艺）及高级氧化技术（如臭氧氧化、Fenton试剂）进行分级处理，确保达标排放或回用。废气治理技术针对煤化工产生的硫化氢、氮氧化物、挥发性有机物（VOCs）等，需通过湿法脱硫、SCR脱硝、蓄热燃烧（RTO）等技术实现高效净化，并结合在线监测系统实时控制排放浓度。固废资源化利用气化渣、焦油渣等固体废物可通过焚烧发电、建材原料（如制砖、水泥掺料）或热解提取有价值组分（如炭黑、金属）等方式实现资源化，减少填埋量并降低环境风险。三废处理技术（废水/废气/固废）燃烧前捕集技术在煤气化阶段通过变压吸附（PSA）或低温甲醇洗（Rectisol）分离高纯度CO₂，捕集效率可达90%以上，适用于IGCC（整体煤气化联合循环）系统。燃烧后捕集技术采用胺液吸收法（如MEA、DEA）或膜分离技术从烟气中捕集CO₂，需解决能耗高与溶剂降解问题，目前示范项目捕集成本约40-80美元/吨。封存与利用路径捕集的CO₂可注入枯竭油气田或深部咸水层实现地质封存，或用于驱油（EOR）、食品级CO₂生产、微藻养殖等增值应用，推动循环经济模式。碳捕集与封存（CCS）能源效率优化路径工艺耦合与系统集成通过煤气化-费托合成-热电联产多联产系统，实现物料与能量梯级利用，使整体能效提升15%-20%，减少单位产品煤耗与碳排放。余热回收技术利用余热锅炉、热泵系统回收中低温余热（如合成气冷却、反应器散热），用于预热原料或发电，可降低综合能耗10%-15%。先进催化剂开发研发高活性、长寿命催化剂（如钴基费托催化剂、耐硫变换催化剂），提高反应选择性与单程转化率，减少副产物生成与能源浪费。PART06行业应用与展望现代煤化工产业布局区域化产业集群发展我国已形成以内蒙古、陕西、宁夏等富煤地区为核心的煤化工产业带，依托煤炭资源优势，重点发展煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇等大型项目，推动上下游产业链协同发展。技术集成与规模化生产现代煤化工项目趋向于采用多联产技术，如煤气化与费托合成耦合工艺，实现甲醇、烯烃、芳烃等产品的联产，降低能耗与成本，提升经济效益。环保与资源循环利用产业布局中强化废水、废气、废渣处理设施配套，推广近零排放技术，例如高盐废水蒸发结晶、CO₂捕集封存（CCUS）等，推动绿色低碳转型。煤基新材料开发趋势煤基生物可降解材料开发煤基PGA（聚乙醇酸）、PHA（聚羟基脂肪酸酯）等可降解塑料，响应环保政策需求，解决白色污染问题。高性能煤基碳材料通过煤焦油深加工制备中间相沥青、针状焦等高端碳材料，用于锂电负极、石墨电极等领域；煤基碳纤维因其高强度、耐腐蚀特性，在航空航天、汽车轻量化中应用前景广阔。煤制聚酯产业链延伸以煤制乙二醇为原料，向下游延伸生产PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯），替代石油基聚酯，降低纺织、包装行业对原油的依赖。政策与技术