煤化工生产过程多联产技术研究进展

，，，

(中海油 新能源投资有限责任公司 新能源研究院，北京 100016)

煤化工生产过程多联产技术研究进展

门秀杰，崔德春，于广欣，金阳

(中海油 新能源投资有限责任公司 新能源研究院，北京 100016)

煤化工产业具有投资大、技术不够成熟等特点，单一产品技术路线导致较大的经济风险，因此在生产过程中实施多联产非常必要。本文对煤化工生产过程中多联产技术研究进展进行了评述，主要包括以合成氨为基础、以煤气化联合循环(IGCC)为基础、以煤制天然气为基础、以低阶煤利用为基础等的联产过程。分析认为，大多数过程仍然没有摆脱将单一技术进行简单堆砌排布的思路，指出未来需要注重在生产过程中工艺单元、中间产物、目标产品市场等方面的互补，开发高效、灵活的多联产生产模式。同时，应加大对单一煤化工技术的研发力度，为实施煤化工多联产提供支持。

煤化工;多联产;互补;研究进展;评述

中国化石能源的禀赋为“缺油、少气”，煤炭资源相对丰富。在中国，依靠现代煤化工技术，由煤炭生产附加值更高的下游产品，如燃料油、化工基础原料等，符合国家的能源安全战略[1]。在高油价时代，煤化工产业更加具有竞争力，将成为石油化工产业的有益补充[2-3]。进入21世纪以来，中国政府相继批准了多项煤化工示范项目，通过示范项目开展与运营，进一步推进我国煤化工产业自主创新和技术升级，提升煤炭资源转换效率和综合利用水平[4]。

但是，大多数煤化工项目存在投资大、能效不高等问题，按照单一产品生产的模式存在较大的市场风险[5-6]。应将不同工艺进行多联产，在产品类型、能量利用、污染物处理等方面实现优化组合、优势互补[7-8]。在国家“十二五”煤炭深加工产业发展政策中，鼓励不同工艺技术和生产过程之间的耦合、集成，意义正在于此[9]。

1 多联产概述

多联产是以炭质原料气化或液化技术为“龙头”，对多个转化技术进行组合优化，实现多种产品生产，并充分利用过程能量的化工—能源系统。发展煤化工多联产系统，就原料而言，可以是煤、煤层气、伴生矿物的加工利用相结合；就工艺而言，可以将煤化工、发电、建材、冶金等相结合；就产品而言，可以是液体燃料、化学品、煤气、电力、热能等的关联生产。联产方式既可以是“并联”，也可能是“串联”，还有可能是更加复杂的组合方式。

理想的多联产系统具有安全稳定、节能降耗、清洁生产等特点[10]。因为煤炭组成和性质复杂、加工工艺流程长，因此，煤化工多联产技术有很大的发展空间，代表了未来的技术和产业发展方向[11]。

2 煤化工多联产技术研究进展

煤化工产业实施多联产发轫于化工企业多种产品的联产和能量集成利用，如合成氨联产甲醇工艺，后来一些煤电集团在发展电力的同时，大举介入化工行业，因此，开始在整体煤气化联合循环(IGCC)技术、低阶煤梯级利用等领域引入了多联产的思路，以突破单一行业的局限，提高能效，增强经济性。

2.1 以合成氨为基础的联产技术

在一段时期内，针对中小型氮肥厂产品单一、经济效益低，而甲醇市场一度火爆的市场局面，通过技术改造联产甲醇技术受到高度关注[12-14]。利用合成氨工业联产甲醇，既可发挥氮肥厂以化肥为主、多种经营的积极性，又为企业从甲醇出发，发展一系列高附加值下游产品奠定基础[15]。若利用合成氨过程中富余的二氧化碳生产纯碱，可大幅减少二氧化碳排放。

合成氨联醇工艺分为串联工艺、并联工艺和串-并联工艺[16-17]。其中，串联工艺在国内应用最多，只需在合成氨工序的甲烷化塔之前串联甲醇合成系统，即可实现同一装置得到两种产品。串联工艺比较容易实现技术改造，变换和甲烷化工序的负荷降低，但是全气量通过甲醇合成塔，对脱硫要求高，影响甲醇合成催化剂的寿命，而且醇、氨产能相互制约。并联工艺改进了醇、氨相互影响的问题，甲醇合成单独一条生产线，但是新增投资大，也不能利用驰放气中残留的CO。串-并联工艺对上述两种工艺进行了改进，原料气共同处理，然后两个合成流程并联，但是工艺比较复杂，新增投资也很大。

2.2 以IGCC为基础的联产技术

IGCC技术是超清洁、高效发电技术，其发电效率可达43%～45%，在国内首先在石化行业获得成功，具有污染物排放低、节能节水等优势[18]，但是存在投资费用高、操作不够灵活的缺点。采用IGCC与煤化工联产，实现物料、能量的总体优化，使装置的能源利用效率提高，单一项目的经济效益改善，污染物排放减少。IGCC联产产品有甲醇、氢气、油品等，可以为下游的化工产业提供基本原料。

美国采用IGCC发电联产氢气。山东某集团的多联产示范装置，以24万t甲醇辅以60MW级IGCC发电[19]，运行结果表明，系统总能效比分产高3.14%。进一步将甲醇装置与甲醇制丙烯(MTP)装置多联产，则有望进一步提高项目的整体收益。研究表明[20]，若IGCC与煤制油联合，把传统的费托合成尾气大量循环的方式改为一次通过方式，不循环的低热值尾气作为IGCC燃料，综合能效可以达到60%，高于单独发电(40%)或单独合成油(50%)。

但是IGCC本身属于一个复杂的系统工程，对设备、过程控制要求高，而且需要解决行业垄断、技术与市场之间的转移等问题[21]。因此，在一定程度上，多联产技术推动了IGCC技术的发展。但是，目前投入应用的项目仍然较少。

2.3 以煤制天然气为基础的联产技术

煤制天然气(SNG)技术，是将低阶煤气化制造合成气，然后合成气转化为甲烷，用作替代传统天然气的气体燃料的过程。国家先后在内蒙、新疆等地规划审批了数个SNG项目。但是，SNG项目生产的甲烷成本价格较高，技术经济性是影响该技术开展的重要因素，另外，SNG属于气态产物，不利于储存，而国内城市燃气的用气季节性、时段性非常不均衡，天然气调峰难题亟待解决。

在发展储气库、天然气发电等调峰技术的同时，采用煤制天然气工厂生产过程调峰也逐渐受到关注。通过优化建设方案，在天然气需求淡季，将过剩产能用于联产液体燃料、化工品等，能够同时解决SNG项目技术经济性和城市天然气调峰两个方面的问题[22]。目前，国内已经提出了众多研究方案[23-29]，包括多联产催化剂开发、新工艺设计等，但是仍然处于概念设计阶段或实验室研究阶段，未有应用报道。随着国内SNG产业的发展，SNG多联产技术将受到更大重视，属于未来煤化工技术的重点发展方向之一。

2.4 以低阶煤利用为基础的联产技术

以低阶煤，如褐煤、长焰煤等为原料，将热解、气化、燃烧、合成等过程有机结合，把煤炭中的挥发分转化为具有较高附加值的焦油、烯烃、粗苯和煤气，把半焦作为气化、电石化、锅炉等的原料。焦油直接作为燃料或通过加氢制取高品质油品，煤气通过净化、转化、合成等工序生产燃料油、化工品。过程中产生的气体、液体等进行集中处理，将煤炭资源有效组分进行最大程度地转化，全生命周期污染物排放大幅度减少，最终实现焦化、炼化、间接合成等工艺技术的有机结合，实现煤、气、油综合利用[30-32]。近年来受产业重视的园区化发展模式，正基于综合利用、集中处理的思路。若在煤化工园区内形成某种更加灵活的联产机制，产品根据市场情况灵活调节，各个企业的经济效益将实现最大化、平稳化[33-34]。

但是本质上而言，低质煤的梯级综合利用，只是将单一产业链进行了延长，对一次产品进行了深加工。因此，按照各梯级组分的“权重”计算，整体能量利用效率有多大程度提高尚有待商榷。若进行跨行业多联产，把相关行业的有效资源加以充分利用，实现物尽其用，则更有望实现1+1>2的模式，但是这有赖于区域性的资源禀赋。如陕北某些企业，同时将石油、天然气、煤化工进行耦合加工，实现碳氢互补与平衡，资源利用率明显提高。

2.5 其他联产技术

陈克玲等[35]基于F-T合成、改进的F-T合成(MFT)技术的产品特点，提出油-煤气联产、油-芳烃联产、油-蜡-煤气联产等思路。由于二甲醚既可以做燃料，又可以做化工原料等特殊性质，也有合成氨联产二甲醚的研究报道[36-37]。还有对水泥与煤气化联产工艺技术研究[38-39]，将水泥生产和用纯氧、CO2作气化剂制CO技术进行联合。此外，煤气化还可以与冶金工艺联产，生产海绵铁后的剩余合成气直接用于生产化工品。

3 总结与展望

利用煤炭生产替代能源或者化工原料是能源升级换代过渡期的重要途径。煤化工产业规模化效应明显，投资大，但是，对于单一目标产品的工艺路线而言，必然存在较大的市场经济风险，从而有必要对多个工艺路线进行集成优化、实施生产过程多联产。

目前开展的煤化工生产过程多联产技术路线，主要包括以合成氨为基础、以IGCC为基础、以煤制天然气为基础、以低阶煤利用为基础等的联产模式。但是，大多数研究和项目实施仍然没有脱离将单一技术进行简单堆砌排布的思路，因此能否实现“1+1>2”的效果有待商榷。理想的多联产技术路线是结合原料组成和性质、产品市场选取生产工艺，并注重多个生产工艺在工艺单元、中间产物、目标产品市场变化等方面的互补性。多联产作为一种关系未来发展的产业模式，需要做许多技术、工程、系统管理等研究工作，以推进这一先进模式的完善，尽早实现产业示范应用，为煤炭的高效、清洁利用做出贡献。

煤化工多联产过程，是对几个或数个单一技术进行集成优化的过程。若无成熟的单一技术作为支撑，多联产过程只能是空谈。所以，应该加大力量对单一煤化工技术进行研发。目前，以煤气化为“龙头”的现代煤化工技术正在日益受到产业的重视。虽然煤化工产业规划都是雄心勃勃，但是在全球范围内，成熟的煤化工商业化装置仍然为数不多。就中国而言，应加大资金和政策支持力度，对关乎国计民生的能源技术，如煤制天然气、煤制油等技术进行深入研发，不但能够获得单一技术的自主知识产权，也能促进多联产技术的发展。

[1]林伯强.中国能源战略调整和能源政策优化研究[J].电网与清洁能源，2012，28(1)：1-3.

[2]王基铭.中国煤化工发展现状及对石油化工的影响[J].当代石油石化，2010，18(6)：1-6.

[3]龚国军.煤化工业与石油的优势互补[J].中国石油企业，2008(4)：78-79.

[4]刘方斌.“十一五”煤化工示范项目完成过半[N].中国化工报，2010-09-01(005).

[5]潘连生，张瑞和，朱曾惠.对我国煤基能源化工品发展的一些思考[J].煤化工，2008，36(2)：1-6.

[6]白富鑫.煤化工发展趋势及面临问题[J].当代化工，2010，39(4)：461-463.

[7]顾宗勤.煤化工产业发展分析[J].化学工业，2012，30(6)：7-11,20.

[8]孙石，李文姬.螺杆膨胀机在煤气化余热回收中的应用[J].节能技术，2011，29(1)：83-84，91.

[9]杨智璇，班允浩.煤化工业“十二五”时期的产能过剩防范问题研究:基于山西、陕西和内蒙古煤化工行业的调研[J].财经问题研究，2011，335：32-38.

[10]唐宏青.现代煤化工新技术[M].北京：化学工业出版社，2009:458-460.

[11]王丽，李舒，丛峰.我国煤化工产业应走产业联合与洁净能源之路[J].中国石油和化工，2005(9)：30-35.

[12]李琼玖.渣油制氨气化联产C1化工产品[J].化肥工业，1992(2)：53-57.

[13]房鼎业，应为勇，秦慧芳.大型合成氨装置联产甲醇初探:以煤为原料合成氨联产甲醇[J].氮肥设计，1995，33(3)：18-22.

[14]韩梅，王秀国.甲醇生产需求现状及合成氨联产甲醇的发展模式探讨[J].中国煤炭，2008，34(7)：82-85.

[15]张文效.合成氨联产甲醇工艺的进展[J].现代化工，2004，24(8)：23-27.

[16]Ermanno Filippi. Process for ammonia and methanol co-production:US,6333014[P].2001-12-25.

[17]闫常群，是洪钢，邵金山，等.多段合成甲醇联产合成氨新工艺：中国，200810123231,6[P].2008-6-13.

[18]施强，乌晓江，徐雪元，等.整体煤气化联合循环(IGCC)发电技术与节能减排[J].节能技术，2009，27(1)：18-20.

[19]肖云汉.以煤气化为基础的多联产技术创新[J].中国煤炭，2008，34(11)：11-15，43.

[20]陈俊武，陈香生.煤化工应走跨行业联产的高效节能之路(中)[J].煤化工，2009，37(14)：1-3.

[21]张兴刚.煤化工应尽早确立多联产发展路线[N].中国化工报，2009-9-25(005).

[22]钱伯章.煤制天然气的优势与发展分析[J].项目管理，2013(1)：10-18.

[23]武晋强.利用鲁奇技术发展煤化工多联产系统[J].煤化工，2002，30(4)：6-11.

[24]常俊石，田文堂，蒋建明，等.含甲烷合成气生产甲醇联产甲烷工艺：中国，200810226890.2[P].2008-11-19.

[25]孙予罕，王宁，姜东，等.一种煤制合成气联产低碳醇和天然气的技术：中国，200910175306.X[P].2009-12-07.

[26]朱文良，刘中民，刘勇，等.一种用于合成气制甲烷并联产油品的催化剂、其制备及应用方法：中国，201010610435[P].2010-12-29.

[27]刘勇，刘中民，朱文良，等.一种用于合成气转化制取甲烷并联产低碳烯烃的催化剂、其制备及应用：中国，201010613450.X[P].2010-12-30.

[28]朱文良，刘中民，刘洪超，等.一种合成气制甲烷并联产甲醇的方法：中国，201010613448.2[P].2010-12-30.

[29]朱文良，刘中民，刘洪超，等.一种合成气制甲烷并联产低碳混合醇的方法：中国，201010613800.2[P].2010-12-30.

[30]关珺，何德民，张秋民.褐煤热解提质技术与多联产构想[J].煤化工，2011，39(6)：1-4.

[31]张兴刚.煤热解：出路只有多联产[N].中国化工报，2011-11-7(005).

[32]温亮.循环流化床热电气焦油多联产技术的试验研究 [D].杭州：浙江大学，2010.

[33]张宏忠，戴长华.煤化工多联产基地的建设[J].煤化工，2007，35(2)：52-54.

[34]张鸣林，韩梅.兖矿集团煤炭间接液化项目的进展及其煤气化多联产系统的应用前景[J].中国煤炭，2006，32(2)：8-9，66.

[35]陈克玲，傅其仲.F-T合成技术最佳化产品方案设计[J].化学进展，1993，5(2)：148-165.

[36]陈大保.氨-油-化联产工业侧线模式[J].煤化工，1993，21(2)：64-65.

[37]於子方.合成氨联产二甲醚技术[J].小氮肥，2008，36(4)：14-18.

[38]张成顺，白晓明.水泥与煤气化联产工艺研究[J].中国环境管理丛书，2011(4)：37-39.

[39]王立久，薛庆，曹明莉.最新洁净煤技术:燃煤发电与水泥生产联产研究[J].粉煤灰，2003，15(2)：41-42

ResearchProgressofCo-productionduringCoal-chemicalIndustry

MEN Xiu-jie, CUI De-chun, YU Guang-xin, JIN Yang

(New Energy Institute, New Energy Investment Co., Ltd, CNOOC, Beijing 100016,China)

Coal-chemical processes are characterized by large investment during construction and not-enough maturity in technology. A single kind of products would lead to high economic risks,so it's importannt to carry out co-production to avoid the potential danger. Research progress of co-production during coal-chemical industry were reviewed, including co-production based on ammonia synthesis, integrated gasification combined cycles(IGCC), coal to synthetic nature gas,and low-rank coal utilization, etc.. The results showed that most processes were confined to stiffly pile up every single process together. Laying emphasis on synergetic effects among units, intermediate products and target product market fluctuation are important to develop high-efficient and flexible process. Meanwhile, paying more attention on R&D of certain single coal-chemical technology is fundamentally helpful for carrying out the co-production operation.

coal-chemical industry;co-production;mutual complementarity;research progress;review

2013-06-25修订稿日期2013-07-19

门秀杰(1982～)，男，博士，工程师，从事煤炭气化和合成气转化应用基础研究。

TQ536.1;TQ519

A

1002-6339 (2014) 01-0048-03