煤基甲醇制烯烃技术及产业发展现状

李丽英，田广华

（神华宁夏煤业集团煤炭化学工业分公司研发中心，宁夏回族自治区银川市 750411）

煤基甲醇制烯烃技术是以煤炭为原料，包括煤气化、合成气制甲醇、甲醇制烯烃等工艺过程的煤炭清洁利用技术。与传统的石油裂解生产低烯烃的化工路线相比，煤基甲醇制烯烃开辟了由煤炭生产基本有机化工原料的新工艺路线，更符合我国在缺油、少气、煤炭资源相对丰富的基本国情下实现煤代油生产基础化工原料的能源战略。

1 煤基甲醇制烯烃工艺路线

煤基甲醇制烯烃包括煤气化、合成气制甲醇和甲醇制烯烃等过程，其工艺路线为：粉煤在高温、高压条件下气化成主要成分为CO和H2的粗合成气，再经过变换及净化工序合成粗甲醇，粗甲醇精制除去水、二甲醚、甲酸甲酯等轻于甲醇的低沸点物质得到精甲醇，最后将精甲醇转化为低碳烯烃。与石油裂解制烯烃相比，煤基甲醇制烯烃工艺中原料相对纯净，可避免石油烃在700 ℃ 低温下裂解的烃类气体中含有的有毒硫化物和乙炔等组分，因此可免去该组分的分离脱除工艺和石油烃制烯烃中多种净化溶剂的再生处理问题[1]。

煤气化和合成气制甲醇工艺技术已经较为成熟且均已实现商业化，有多套大规模装置在运行，但是甲醇制烯烃技术还是当前的关键技术和瓶颈技术。当前，国外开发研究比较成功的甲醇制烯烃工艺主要有美国环球石油公司和挪威海德鲁公司共同开发的甲醇制烯烃（MTO）技术以及德国Lurgi公司的甲醇制丙烯（MTP）技术，而国内主要有中国科学院大连化学物理研究所（简称大连化物所）的甲醇经二甲醚制低碳烯烃（DMTO）技术、中国石油化工股份有限公司（简称中国石化）的甲醇制烯烃（SMTO）技术以及清华大学循环流化床甲醇制丙烯（FMTP）技术。

1.1 MTO技术

MTO技术是指甲醇制乙烯、丙烯等低碳混合烯烃的技术。最初由美国Mobil公司提出，之后由美国环球石油公司和挪威海德鲁公司于1995年合作开发成功。该MTO技术采用循环流化床工艺，以粗甲醇或精制甲醇为原料，采用SAPO-34分子筛催化剂。工艺流程分为反应再生系统和反应气分离系统两部分。反应器内的温度400～500 ℃、压力0.3 MPa。主要工艺流程为液态粗甲醇经加热变成气相，进入流化床转化反应。在催化剂的作用下生成产物，反应热通过产生蒸气移出塔外。反应器设置催化剂溢出侧线，溢出的催化剂通过气力输送进入再生反应器，经空气再生完成的催化剂重新返回转化反应器。如此循环往复，从而保持了催化剂床层的稳定。转化反应器的流出物再经过热回收装置冷却，大部分冷凝水从产品中分离出来[2]。接着到反应气分离系统中，分馏工序包括脱乙烷塔、脱甲烷塔、乙烯分离塔、脱丙烷塔、丙烯分离塔和脱丁烷塔。经压缩、氧化回收、碱液洗涤和干燥后，来自反应器的产物通过急冷后进入脱乙烷塔，塔顶产品是C2的混合物，底部产品为含有丙烷和重烃的混合物。顶部C2产物进入脱甲烷塔，轻组分（如甲烷、氢、惰性气）被分离出来送到燃料气系统，塔底产品被送往乙烯分离器，分离器顶部出来的乙烯送往乙烯储罐，底部乙烷物料经气化、加热后送到燃料气系统。脱乙烷塔底部产品被送到脱丙烷塔，丙烷将从C4重组分中精馏出来，塔顶产品被送到丙烯分离塔中分离丙烯和丙烷，其中，丙烯用泵送至储存罐，底部丙烷经汽化后送往燃料气系统。脱丙烷塔底部产品送往脱丁烷塔中脱出丁烷和其他重组分产物。在上述烯烃分离单元中，轻组分烃类的冷凝和分离通常要求在深冷温度和高压条件下进行，故常设置以丙烯作为冷冻剂的，包括丙烯多级离心深冷压缩机、中间缓冲罐、丙烯冷凝器和丙烯缓冲罐的深冷工序。

该工艺的目标产品为乙烯和丙烯，副产品主要有混合C4、C5、汽油、焦炭和水。其主要特点有流化床反应器和再生器可实现连续稳定运转；催化剂具有突出的择形性能，可选择性生成乙烯和丙烯；可以在较宽的范围内灵活调节乙烯和丙烯的质量比（0.75～1.50），乙烯和丙烯的总产率可稳定控制在80% 左右；原料甲醇适用范围较大，粗甲醇或分析纯级甲醇均可；产品主要是烯烃类，不设置乙烯、丙烯分离器的情况下可得到纯度97%的轻烯烃，设置乙烯、丙烯分离设备可得到聚合级轻烯烃。

1.2 MTP 技术

MTP由德国Lurgi公司开发。该技术采用稳定的分子筛催化剂和固定床反应器。工艺流程为原料甲醇被加热后进入二甲醚反应器，采用高活性、高选择性的催化剂将75%甲醇首先转化为二甲醚和水，甲醇-水-二甲醚混合物流进入分凝器，气相受热到反应温度后进入MTP反应器，液相作为控温介质经流量计通过激冷喷嘴进入MTP反应器。反应器温度控制在400～480 ℃、压力为0.13～0.16 MPa，得到反应产物气体经过急冷后被压缩、精馏，分离出聚合级的丙烯产品供下游PP装置使用，副产物烯烃（乙烯、1-丁烯）可返回系统再生产，作为歧化制备丙烯的原料。

该工艺的目标产物为丙烯，主要副产物有高辛烷值汽油和液化石油气（LPG）以及少量的乙烯。其主要特点有工艺流程长，设备多，温度变化范围大（从-100～500 ℃），装置能耗偏高，装置建成后有一定的节能降耗空间；MTP催化剂采用专用沸石催化剂，不用连续再生，对反应温度控制要求非常严格，如果反应器的气流分布不均，将会导致床层局部飞温，生产中需严格监视反应器内各床层内部温度变化；反应采用二步法生产，即将二甲醚作为甲醇制烯烃的中间体，其作用是降低甲醇原料和反应产生的水及水蒸气对催化剂稳定性和寿命的影响，同时二甲醚的分子结构中甲基与氧之比是甲醇的2倍，生产相同量的低碳烯烃，反应出口物料仅为甲醇的一半，从而减小设备尺寸，节省了投资费用。

1.3 其他甲醇制烯烃技术

大连化物所DMTO技术是2004年该所与中国石化洛阳石油化工工程公司合作，在从合成气经二甲醚制低碳烯烃工艺（SDTO）的研究基础上，使用改性的新一代催化剂开发的新MTO工艺。它是同时适用于甲醇和二甲醚两种原料的工艺。与传统的MTO工艺相比，其CO转化率高达90% 以上，投资和运行费用节约50%～80%[3]。2010年5月，大连化物所又研发成功新一代甲醇制烯烃技术（DMTO-Ⅱ），并完成工业试验，进一步提升了MTO技术的经济性。

中国石油化工股份有限公司SMTO技术主要由中国石化上海石油化工研究院开发。他们详细研究了MTO反应的反应行为、失活行为和积炭行为等，于2005年建立了一套12 t/a的循环流化床热模试验装置，实现了其制备的SMTO-1催化剂在该装置上的平稳运行，甲醇转化率大于99.8%，乙烯和丙烯碳基选择性大于80%，乙烯、丙烯和C4选择性超过90%。2007年11月，中国石化北京燕山分公司建设了一套100 t/d 甲醇进料的SMTO工业化示范装置成功投产，产出的乙烯和丙烯直接送往装置，实现连续运行[4]。

清华大学 FMTP 技术是以SAPO-34为催化剂的流化床甲醇制丙烯工艺。它先进行MTO反应，将产物中的丙烯分离出来，剩余的C2组分和C4以上组分进入一个独立的烯烃转化反应器使其转化成丙烯，最终获得高选择性的丙烯产品。该技术采用了构件多层湍动流化床分区反应器，不仅具有传统流化床易于反应移热和催化剂再生的优点，而且可有效控制反应器内返混，减少氢转移、烯烃聚合等副反应，准确控制不同阶段对反应及再生条件的要求，有利于提高丙烯的选择性[3]。据称，该技术丙烯总收率可达77%，双烯（乙烯和丙烯）总收率达88%，原料甲醇消耗为3 t/t丙烯。利用该技术，安徽淮化集团厂区内建设一套30 kt/a的MTP工业试验装置，该项目由中国化学工程集团公司、清华大学和安徽淮化集团有限公司3家单位共同承担。另外，甘肃华亭中煦美化工公司在已经投产的600 kt/a甲醇装置的基础上，计划采用该技术建设200 kt/a丙烯项目。

2 煤基甲醇制烯烃技术在国内的应用

目前，国内已建成的煤制烯烃项目主要有神华包头煤化工有限公司煤制聚烯烃项目、大唐国际发电股份有限公司煤制聚丙烯项目和神华宁夏煤业集团煤制聚丙烯项目。这三个项目的商业化运营，使我国形成了1 580 kt/a的煤制聚烯烃产能，其中，聚乙烯为300 kt/a，聚丙烯为1 280 kt/a，约占国内聚烯烃总产能的7%左右。

神华包头煤化工有限公司煤制聚烯烃项目是2006年12月经国家发改委核准，由中国神华集团有限责任公司投资170多亿元在包头建设的采用大连化物所DMTO工艺技术，包括1 800 kt/a煤基甲醇联合化工装置、600 kt/a DMTO装置、300 kt/a采用Univation公司 Unipol气相流化床单反应器工艺聚乙烯装置和300 kt/a采用Dow化学公司 Unipol气相流化床反应器工艺聚丙烯装置的煤制烯烃示范项目。该项目于2010年完工并投料试车，7月顺利生产出MTO级甲醇，甲醇单程转化率、乙烯和丙烯的选择性等主要技术指标都达到甚至优于设计值，8月份顺利产出聚烯烃产品，2011年1月实现商业化运营。其年产聚乙烯、聚丙烯共600 kt，副产硫磺20 kt、混合C4及C5125 kt。2012年上半年，该项目实现销售收入31亿元、利润6亿元，成为我国5个现代煤化工示范工程中第一个进入商业化运营并取得较好效益的项目。

大唐国际发电股份有限公司煤制聚丙烯项目是在内蒙古多伦县建设的460 kt/a煤基聚丙烯项目。该项目以内蒙古锡林浩特胜利煤田的褐煤为原料，采用壳牌煤气化装置，德国Lurgi MTP生产工艺和Spheripol气相环管聚丙烯生产工艺。年产中间产品甲醇1 680 kt，聚丙烯460 kt及副产精甲醇240 kt，汽油129.5 kt，LPG 66.6 kt。2012年1月10日，该装置MTP反应器B在低温环境中开车成功，首次产出纯度为99.9%、乙烯含量仅为34 μg/g的聚合级丙烯产品，完全达到聚丙烯装置的聚合要求。

神华宁夏煤业集团煤制聚丙烯项目是采用德国Lurgi公司MTP技术的500 kt/a煤基聚丙烯大型煤化工示范项目。2010年10月投料试车，并成功产出纯度为99.69%的丙烯，这是全球首套MTP大规模产业化装置。装置采用德国南方化学公司的专有沸石催化剂，三台MTP反应器，正常生产时始终保证两台在线生产，一台备用或再生。主要产品丙烯474 kt/a（聚合级），副产品有乙烯20.0 kt/a （聚合级）、汽油184.7 kt/a、LPG 41.4 kt/a。其中，聚合级丙烯和乙烯用于后续采用ABBLummus公司的Novolen气相法聚合工艺技术聚丙烯装置，该装置设计产能500 kt/a，包括产能为200 kt/a的主要生产均聚物、抗冲共聚物和少数无规共聚物的一条生产线和产能为300 kt/a的主要生产均聚物和无规共聚物的另一条生产线。另外，神华宁夏煤业集团还利用自产的甲醇（850 kt/a）和周边甲醇原料再建设一套500 kt/a MTP项目，目前项目建设已经全面展开，预计2014年6月建成，项目计划总投资65亿元，仍然采用德国Lurgi公司的 MTP工艺。

近几年又有众多煤制烯烃项目遍地开花。如中国石化投资建设的4个煤制烯烃项目分别位于河南濮阳、河南鹤壁、安徽淮南和贵州毕节，烯烃总产能约为2 000 kt/a，预计将于2015年前后建成。其中，位于河南濮阳的中原石油化工有限责任公司总投资15亿元，包括新建600 kt/a甲醇制200 kt/a烯烃，新建100 kt/a聚丙烯装置和现有聚乙烯装置改造至260 kt/a。项目采用SMTO技术，2010年8月开工建造，2011年10月成功产出乙烯和丙烯。中国中煤能源集团有限公司也分别在新疆伊犁、陕西榆林和内蒙古呼伦贝尔开发煤制烯烃项目，并与2010年5月与延长石油集团合资开发建设油气煤盐综合利用制烯烃项目。陕西煤业化工集团有限责任公司在渭北煤化工业园区建设1 800 kt/a甲醇及600 kt/a烯烃项目，采用具有我国自主知识产权的DMTO-Ⅱ技术等。

3 煤基甲醇制烯烃技术在国内工业化应用前景

煤基甲醇制烯烃是继二甲醚、甲醇汽油后成为甲醇下游新发展的领域。它的快速发展首先与经济成本有关。煤制烯烃和石脑油裂解制烯烃技术路线相比较，在经济上的竞争力取决于甲醇的成本。中国神华集团有限责任公司煤制烯烃项目可行性研究表明，当原料煤价格在100 元/t左右，煤制甲醇的规模达到1 000 kt/a以上时，可以将甲醇的完全生产成本控制在100 美元/t以下。通过对比煤基聚烯烃（采用MTO工艺）和石脑油基聚烯烃的成本测算，前者（煤价100 元/t）比后者（石脑油价格22 美元/桶）低400 元/t 左右[5]，可见煤制烯烃工艺路线在经济上的竞争力不言而喻。

其次，符合我国缺油、少气、煤炭资源丰富的国情和甲醇下游产品开发的需要。石油资源紧缺严重制约了下游产业的发展，国内甲醇产能又存在过剩的情况，“十二五”期间，我国对乙烯和丙烯等化工产品还将保持较高的刚性需求等促使了煤制烯烃工业成为适合我国国情的化工产业持续发展的途径。目前，煤制烯烃项目多建设在中西部地区，其原因在于该地区煤炭资源丰富，且相对石油价格廉价，适合建设大型煤化工项目；水资源充足，能够满足煤化工耗水量大的特点；交通便利，便于产品和原料的运输；区位优势明显，有利于资源共享等。

另外，国内煤基烯烃示范项目的成功运营和先进技术的开发，为国内煤化工产业的迅速发展奠定了基础。“十二五”期间，这些技术还将不断得到优化和完善。如今国内煤基烯烃技术工业化应用日趋广泛，尽管2006年煤化工项目遭国家发改委叫停，但据不完全统计，在近3年内，国内准备开工建设的煤制烯烃装置有可能突破36套（含正在试车的装置），这些煤制烯烃装置绝大多数拟建在我国西部地区的煤炭大省，届时煤制烯烃新技术将会彻底改变我国烯烃工业“东富西贫”的格局。据了解，计划在建的项目内蒙古有7套、陕西7套、新疆4套、宁夏3套、山西3套、河南2套，另外安徽、贵州、山东、甘肃、浙江、辽宁、大连、青海等省也正在做煤制烯烃项目的前期工作。在上述项目的投资立项建设单位中，中国神华集团有限责任公司、中国中煤能源集团有限公司、大唐国际发电股份有限公司、中国石油化工集团公司和蒲城清洁能源化工有限责任公司等建设规划设计规模均超出年产1 800 kt 甲醇、600 kt聚烯烃的装置规模，预计未来3—5年国内建成投产的煤制烯烃新技术装置数将超过我国现有的石脑油裂解制烯烃装置数。同时，国外企业也开始进驻国内市场。2010年初，神华-陶氏煤制烯烃项目获得国家能源局批准，11月向政府提交了项目申请报告；同月，道达尔集团与中国电力投资集团签署了一份合作框架协议，启动在内蒙古建设一个世界级煤制烯烃项目的可行性研究。该项目将引进甲醇制烯烃与烯烃裂解一体化工艺（MTO/OCP），将可以大幅度提高MTO技术的乙烯和丙烯收率。另外，据国家能源局科技司的消息，《煤炭深加工示范项目规划》和《煤炭深加工产业发展政策》即将出台，国家发改委首次对行业进行全面具体的引导和规范，这意味着煤基烯烃技术发展前景可期。

但是，随着众多煤制烯烃项目蜂拥建设和投产，存在的问题和挑战也会逐渐显现，如产业发展缺乏引导和统筹规划；投资强度高、经济风险较大；国外低成本烯烃产品涌入；技术成熟性有待进一步确认；技术资源研发缺乏统一协调；高耗能、高污染的缺点凸显等[6]。可见，煤制烯烃项目建设的热潮背后，存在危机也如影随形。

4 结语

煤基甲醇制烯烃的发展现状表明该技术是切实可行的，它是替代石油生产乙烯、丙烯等基础化工产品，减少石油消耗的有效途径。目前国内项目建设突飞猛进，但仍需立足科学规划，优化产业结构，加速煤化工行业规模化、大型化、一体化、基地化发展，加速煤化工多联产项目建设，加快技术升级，稳步推进产业发展，使煤制烯烃走上健康的发展之路。

[1] 李琼玖，申同贺，王树中，等.煤基甲醇制烯烃替代石油路线的工艺技术剖析[J].河南化工，2007，24（11）：5-8．

[2] 周传雷.我国煤制烯烃产业现状及发展前景[J].化学工程师，2011(8)：42-45．

[3] 朱杰，崔宇，陈元君，等.甲醇制烯烃过程研究进展[J].化工学报，2010， 61（7）：1675-1684.

[4] 代炳新，王新生.我国煤基甲醇制烯烃技术进展[J].河南化工，2010，27（4）：25-28.

[5] 张殿奎.煤化工发展方向——煤制烯烃[J].化学工业，2009，27（1/2）：18-22．

[6] 龚华俊.“十二五”期间我国煤制烯烃产业发展的几点建议[J].化学工业，2010，28（2/3）：1-4.