煤化工发展趋势——以煤制烯烃为例

梁 涛

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃一分公司，宁夏 银川 750001）

引言

烯烃本身就是一种重要的化学原材料，同时这种原材料也是石油化工行业生产加工的核心产品，烯烃在化工行业具有石化工业之母的美誉。而当前，在全球石油价格跌涨起伏较大的背景条件下，乙烯的产量是衡量一个国家石油化工行业发展水平的重要标杆，同时，一个国家对于乙烯的生产能力也能够体现出国家的整体经济实力。

1 国内外煤化工制取烯烃产品的发展现状

在20世纪60年代之初，美国作为世界第一大国的乙烯年产量就已经高达200多万t，经过10年之后，美国的乙烯年产量剧增到了2 000万t，而同年，我国的乙烯年产量仅仅60 000 t。由此可见，在20世纪，我国与西方发达国家之间经济整体实力以及石油化工产业发展水平之间的差距。直到20世纪80年代后，我国才逐渐建立起了30万t的乙烯项目，这也预示着我国乙烯化工行业进入了新的发展时代。我国传统的烯烃产品主要是通过石油裂解生产的方式制取出其中的乙烯和丙烯，但是这种裂解生产的方式过分依赖于对石油资源的获取。直到20世纪90年代，我国已经成为了石油净进口国，在此之后，每年对于石油资源的需求量不断增加，到2007年时，我国每年对于石油资源的需求量已经高达16 000万t，而国内的石油资源完全无法实现有效供给，同年，我国对于进口石油的依赖程度已经高达47.2%。而在近十年的发展阶段中，我国每年对于石油原料的需求量也在持续上升，这也导致我国的石油缺口量逐年增加，使得我国在发展的过程中不得不面临着能源安全供应的问题，这一问题也制约了国民经济的良性循环，成为了威胁社会可持续发展的重要因素。因此，研究如何从煤化工中制取乙烯和丙烯的技术成为了解决石油困境的重要途径。

1.1 国外煤化工制取烯烃产品的发展现状

通过甲醇制取乙烯（见图1），这种工艺最早美孚石油公司提出的，这一想法一经提出就在世界范围内引起了一阵热潮，有大量的业界人士开始注重对甲醇制取乙烯工艺技术的投入和研究，这也在很大程度上推动了甲醇制取乙烯技术的工业化发展。在20世纪90年代，美国与挪威的石油公司合作开发出了甲醇制取乙烯的工艺，该工艺技术被称为MTO技术，这项技术主要是以甲醇作为原材料，通过甲醇的裂解得到乙烯和丙烯为主的烯烃类产品。而在制作的过程中，根据甲醇原材料的差异性，可以分为天然气制取和煤化工制取这两种路线，这项技术中可以将低价的C6～C8重质的烯烃转化为丙烯和乙烯。而通过甲醇制取丙烯这一想法，是由鲁奇公司在2002年正式提出的，该公司在当年建立起了一套MTP装置，该装置通过反应器的运行，能够实现在甲醇中制取丙烯的功能[1]。

1.2 国内煤化工制取烯烃产品的发展现状

我国大连化物所是最早开始研究制取烯烃产品煤化工工艺的研究所。在研究的过程中发现，甲醇转化成西汀产品的核心技术，其实就是催化剂的成分和应用性能，催化剂的化学性质和物理性能决定着甲醇制取乙烯工艺技术的发展和应用。因此，我国大连化物所开始探索新型的小孔分子筛催化剂，而这种新型小孔分子筛催化剂的应用，也是实现甲醇制取乙烯产品技术上的关键突破点，同时也是甲醇制取乙烯技术在未来很长一段时间内的研究方向。我国的大连化学物理研究所从20世纪80年代之初就已经开始研究甲醇制取低碳烯烃产品的新工艺，再后来又相继开发了两代创新型的甲醇制取低碳烯烃产品的技术，并且在1985年时正式通过了中国科学院组织在制取工艺方面的技术鉴定。直到20世纪90年代，我国的大连化学物理研究所又在全球首次创新了合成气通过二甲醚制取低碳烯烃的新工艺方法。

合成气通过二甲醚制取低碳烯烃工艺方法的应用具有以下几个特征。首先，在应用过程中，主要由合成气体制作二甲醚产品，这就打破了传统合成气体制作甲醇流程体系对于温度的要求，同时，通过合成气体直接制作二甲醚，还能够有效地提升一氧化碳的转化效率，在实验中，一氧化碳的转化率高达90%以上。这种合成器，经由甲醇制成低碳烯烃产品，相比于传统的烯烃产品制作工艺来说能够节省5%~8%的成本投入，同时，在操作的过程中还节省了大量的操作费用。该工艺在运用过程中主要运用了小孔磷硅铝（SAPO-34）作为分子筛催化剂，SAPO-34分子筛合成催化剂原材料成本较为低廉，而这种成本较低的催化剂对于流化床工艺的持续发展具有重大意义。

该实验的第二阶段采用的主要是硫化反应器，该反应器能够在实验过程中快速导出热量，并且能够实现反应气体再生的连续操作，从而有效地降低了反应器运行过程中对于资源的消耗率[2]。合成气经由二甲醚制取低碳烯烃产品的新工艺方法在应用的过程中具有较强的灵活性，该工艺方法中包含的两段化学反应工艺，不仅能够将合成气制作二甲醚以及烯烃类产品的制取联合为一个整体，同时，这两个反应阶段还可以独立存在。需要注意的是，该新工艺中所应用的SAPO-34分子筛催化剂（见图2）可以直接用于制作甲醇制取烯烃的化学流程中。

之后，我国大连化学物理研究所又研制出了一款我国独有的，并且成本，价格更为低廉的新一代微球小孔磷硅铝分子筛型催化剂（DO123），该烯烃产品制取过程中的催化剂以及其活性分子SAPO-34分子筛，都已经在国内进行了大规模的烯烃产品制取实验。并且在接下来几年的发展过程中取得了突破性的进展，直到2010年，该工艺在包头建设的工业化煤制烯烃产品项目中正式投入使用。除此之外，中国化学工程集团公司联合清华大学以及安徽淮化集团有限公司还有合作开发了甲醇制备丙烯产品的万吨级工业实验装置，该实验装置在2009年12月份正式投入使用并且取得了成功。这项实验装置的投入和应用，也为我国日后煤制烯烃品化工工艺产业化发展奠定了基础，这项实验装置的成功应用，也是我国化学工艺发展历程中的重大突破[3]。

2 我国发展煤制烯烃的外部条件

2.1 工业布局

我国国土广袤，煤矿资源蕴含丰富。但是我国许多煤矿资源丰富的地区地处偏远，距离经济发达的区域路程遥远。除此之外，通过对国家矿藏资源进行分析发现，我国煤矿资源丰富的地区普遍缺水，而在水资源丰富的地区煤矿资源不够充足。因此，想要实现煤化工智取烯烃的工业化发展模式，就必须要针对资源的分布状况进行合理布局。应该尽量选择煤矿资源丰富、水资源相对充足，并且交通便利的地区作为发展煤化工制取烯烃工业的首选区域[4]。

2.2 煤化工制取烯烃工艺的能源利用效率

煤化工制取烯烃工艺的首要条件是要确保充足的煤炭资源，我国煤炭资源蕴含丰富，但是，由于近年来市场中对于煤炭资源的需求量不断增多，一些浅层的煤炭资源已经被挖掘殆尽。现有的大多数煤炭资源储藏区域较深，而能够看测到的深度煤炭资源储量却较小。相比于其他煤炭资源大国来说，我国存在煤炭资源供给不足，并且资源利用转化效率较低的问题。而想要推动我国煤化工制取烯烃工艺的规模化发展，就必须要确保煤炭资源的充足供应。因此，我国在未来的发展过程中，必须要进一步加大煤炭资源地质勘查的力度，并且研究更加先进的煤炭资源开采技术和设备，进一步地提升煤炭资源的供给量以及利用转化效率[5]。

2.3 煤化工制取烯烃工艺发展面临的环境压力

煤化工产业的生产和发展不可避免地会产生较多的污染物质，而传统的煤化工加工行业中，对于高污染物质硫以及酸类化学物质的排放，当前已经得到了有效地控制。除此之外，我国近年来也在不断研究关于工业废渣的综合利用，并且取得了相当的应用成效[6]。但是水资源的匮乏是煤化工产业发展过程中最为关键的制约因素，尽管我国已经有许多大型煤化工工厂采用了先进的化工设备以及化工技术，在加工过程中，水资源的利用效率得到了持续的提升，但是煤化工行业还是会消耗大量的水资源，因此，某些水资源匮乏的地区不适应于大规模的发展煤化工产业。除此之外，化石工业的生产以及发展中不可避免地会应用到煤炭资源，不管是将煤炭资源作为燃烧材料，或是采用煤化工技术转化烯烃产品，都不可避免地会产生大量的二氧化碳，而二氧化碳是引发温室效应的罪魁祸首。因此，在我国煤化工行业的发展过程中对于温室气体的控制也应该引起重视[7]。

3 我国煤制烯烃工艺的未来发展方向

为了解决煤制烯烃工艺发展过程中伴随的污染问题，必须加快研究开发煤炭清洁能源自有技术。近年来，我国甲醇产品的生产能力持续提升，市场中甚至已经出现了甲醇产品过剩的现象[8]。因此，我国应该加快推动甲醇制取烯烃的规模化发展，通过甲醇产品的深加工将甲醇产能过剩的优势利用起来，同时，也能够为甲醇产业的持续健康发展提供动力。而煤制烯烃工业的规模化发展，有赖于技术水平的支持、资金成本的支持以及人才设备的支持，这项技术的应用对于工业企业的综合实力要求较为严格。但是这项技术的应用受到了水资源以及消费市场距较远的限制，产品的运输成本相对较高。因此，想要确保煤制烯烃的产业化发展以及规模化发展，必须要有国家资金政策的支持，通过建立一体化的煤制烯烃工艺流程，推动我国煤制烯烃工业的产业化发展[9]。

4 结语

煤制烯烃的产业化发展能够有效地降低国家制取烯烃产品对于石油资源的依赖和消耗，有效地提升国家能源的安全性。因此，煤制烯烃工艺将会成为未来煤化工行业发展的主要方向。