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中国现代煤化工的创新发展,正在开辟C1化学无限的青春活力和广阔的产品空间

2017年10月11日 17:0910000人浏览字号:T|T

    现代煤化工是典型的C1化学。中国现代煤化工的创新发展,正在开辟C1化学无限的青春活力和广阔的产品空间。

    我国现代煤化工经历了“十一五”和“十二五”的快速发展,技术创新和产业规模均走在世界前列,已建成了煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制乙二醇等一批现代煤化工示范工程,形成了一定产业规模。

    中国石油和化学工业联合会会长李寿生指出,据统计,2017年1-6月,我国煤制油产能达到693万吨/年,产量155万吨;煤(甲醇)制烯烃产能达到1242万吨/年,产量530万吨;煤制乙二醇产能达到270万吨/年,产量70万吨;煤制天然气产能达到51亿立方米/年,产量11亿立方米。

    李寿生表示,为实现煤炭的清洁高效利用奠定了坚实的基础,但因产业处在起步发展阶段,存在着水资源和环保瓶颈制约、工艺流程和技术集成尚需优化升级、产业支撑体系不健全等诸多问题。

    “十三五”以来现代煤化工技术新突破

    当前,世界石化行业日臻成熟,创新驱动成为推动行业发展的主旋律,新产品、新技术不断涌现,技术创新既是石化行业,更是现代煤化工行业发展的核心动力。“十三五”以来,现代煤化工相关领域技术创新能力不断加强,国内外涌现出一大批新的研究成果。

    一是煤气化技术向大型化、长周期迈进。华东理工大学等单位联合完成了日处理煤3000吨级超大型多喷嘴对置式水煤浆气化技术并已在国内累计推广11家企业,在建和运行气化炉42台。该技术是目前世界上唯一能够实现单炉日处理煤3000吨级能力的水煤浆气化技术,为我国大型煤化工的高效、洁净发展提供了坚实的技术支撑。

    航天长征化学工程股份有限公司设计生产的日处理煤2000吨级航天粉煤加压气化炉创造了世界现有工业化气化装置的最长运行记录,单台气化炉连续(A级)运行记录为421天。神华宁煤集团联合中国五环工程公司等科研院所,自主开发出日耗煤2200吨干煤粉加压气化炉(神宁炉)应用于400万吨/年煤制油项目中,各项技术指标均达到国际先进水平。

    二是煤炭液化技术向生产高效化和产品高端化发展。神华集团依据煤直接液化反应的产物分布特点,着力开发超清洁汽、柴油以及军用柴油、高密度航空煤油、火箭煤油等特种油品的生产技术,目前已完成了煤直接液化油品的战机试飞和火箭发动机试验。

    中科合成油技术有限公司基于对煤炭液化过程的全面分析,提出了包括温和加氢液化、费托合成和油品加工三个核心单元的煤炭分级液化工艺。该工艺解决了传统煤炭液化技术存在的操作条件苛刻、油品质量较差、过程能效偏低等问题,操作条件温和、油品化学结构丰富、节能减排效果显著。目前,该技术已通过万吨级中试验证,可形成具有国际领先水平的煤炭分级液化成套技术。

    三是煤制烯烃、芳烃技术实现了多项新的突破。在煤制烯烃方面,中科院大化所包信和院士团队基于“纳米限域催化”的新概念,创造性地构建了硅化物晶格限域的单铁中心催化剂,实现了甲烷在无氧条件下一步高效生产乙烯和芳烃等高值化学品。这是一项“即将改变世界”的新技术,又是一个具有里程碑意义的创新突破。

    中国科学院上海高等研究院在煤经合成气直接制烯烃浆态床技术研发方面,完成了实验室层面低甲烷高烯烃选择性的FTO催化剂的验证,甲烷选择性低于5%,总烯烃选择性高达80%以上,烯/烷比高达8以上,同时产物碳数呈现显著的窄区间高选择性分布,目前该技术即将开展中试验证。

    中科院大化所开发的甲醇制丙烯(DMTP)流化床工艺耦合了甲醇转化、乙烯烷基化和C4+转化三个反应,丙烯选择性显著提高,工艺技术和指标先进,目前已完成百吨级放大试验,该工艺技术具有原创性。

在煤制芳烃方面,值得关注的是,北京大学/中国科学院山西煤炭化学研究所团队和厦门大学团队以“背靠背”方式,几乎同时继合成气直接制烯烃之后,又在合成气直接制芳烃方面取得成功。他们利用新功能催化剂,实现了合成气一步法高选择性、高稳定性制备芳烃(SMA过程),芳烃选择性高达80%。

    在烯烃、芳烃联产方面,中科院大化所开发了甲醇甲苯制对二甲苯联产烯烃流化床工艺(DMTA),陕西煤化工技术工程中心有限公司开发了苯和甲醇选择性烷基化制对二甲苯技术和甲苯甲醇制对二甲苯联产低碳烯烃新技术。由于甲醇、甲苯原料来源广泛,价格低廉,产品低碳烯烃、对二甲苯都是大宗化学品,我国对外依存度高,因此以上技术展现了良好的应用前景。

    四是煤制乙醇技术开辟出新能源和精细化工产品的新空间。中科院大化所正在研发的四种煤制乙醇技术,分别处在工业化、工业示范、工业性中试和测线单管放大模试阶段。其中,与江苏飞翔化工集团合作开发的醋酸-丙烯酯化加氢制异丙醇和乙醇技术,于2015年在凯凌(张家港)化工有限公司建成30万吨/年工业化装置,并生产出纯度达99.9%以上的乙醇和异丙醇优质产品;与延长石油集团联合开发的合成气制乙醇成套工艺技术,以煤基合成气为原料,经甲醇、二甲醚羰基化、加氢合成乙醇,并在延长石油建成全球首套10万吨/年合成气制乙醇工业示范项目;

    与江苏索普集团合作开发醋酸加氢制乙醇技术,将高效的醋酸加氢技术与低能耗的分子筛膜脱水技术有机地集成为一体,于2016年4月在江苏索普集团建成3万吨/年醋酸加氢制乙醇工业示范装置并一次开车成功;与山东联盟化工股份有限公司合作开发的甲醇经多相羰基化制乙酸甲酯技术研发了高分散性、高活性、高选择性和高稳定性的催化剂,经中试验证,运行稳定性好,完成了甲醇多相羰基化新工艺开发。

    五是低阶煤热解技术实现新突破。上海胜帮化工技术股份有限公司与陕北乾元能源化工有限公司联合开展的低阶粉煤气固热载体双循环快速热解技术工业试验,实现了低阶粉煤的快速高效热解,为低阶煤热解探索出一条新途径。

    上海新佑能源科技有限公司和河北新启元能源技术开发股份有限公司合作开发劣质重油沸腾床加氢技术(EUU)建成了10万吨/年劣质重油沸腾床加氢装置,可为煤焦油等劣质重油深加工提供了新的技术支撑。

    延长石油针对国内外煤炭技术利用中存在的焦油收率低、半焦转化利用难等问题,借鉴石油化工工程理念,自主研发了粉煤热解-气化一体化技术(CCSI),在一个反应器内完成煤的热解和气化反应,热量相互耦合,实现煤炭资源的最大化利用,目前已建成万吨级工业化试验装置并实现成功运行。

    六是积极探索CO2综合利用的新工艺。科思创公司董事长唐纳德表示,科思创公司目前正在酝酿两大技术的研发突破:一是CO2利用技术,目前他们已经有一套利用CO2生产多元醇的小规模中试装置;另外他们还利用CO2作为软泡聚氨酯的发泡剂(CO2先同聚醚反应,然后再同异氰酸酯合成);二是利用太阳能制氢技术。

    目前科莱恩和德固赛正在联合研究开发一个令人关注的新技术,即CO2+H2→CH4。由科莱恩负责提供新型触媒,德固赛负责工艺开发,现已有一套正在运行中的中试装置(在法兰克福附近)。科莱恩还正在利用政府资助(1亿欧元)资金,开发一个CO2+H2生产甲醇技术。

    在国内CO2利用方面,国内也有不少单位正在开展相关研究,中国科学院上海高等研究院、山西潞安矿业(集团)有限责任公司和荷兰壳牌石油工业公司三方合作开发的甲烷二氧化碳自热重整制合成气关键技术,建成了国际首套1万标方每小时级规模的甲烷二氧化碳自热重整制合成气工业侧线装置并稳定运行,实现了CO2的高效资源化利用。中科院上海高研院与上海华谊集团的合作开展CO2加氢制甲醇技术研究,已实现了中试工艺全流程贯通和平稳运行。

    当前现代煤化工发展面临的新形势和新挑战

    “十三五”时期我国现代煤化工发展面临着一系列新形势和新挑战,有利条件和制约因素相互交织、增长潜力和发展压力同时并存,但机遇大于挑战。

    一是产业定位已明确。党和政府高度重视煤炭清洁高效利用。2016年12月28日,在神华宁煤煤制油示范项目建成投产当日,习近平总书记做出重要批示:“这一重大项目建成投产,对我国增强能源自主保障能力、推动煤炭清洁高效利用、促进民族地区发展具有重大意义,是对能源安全高效清洁低碳发展方式的有益探索,是实施创新驱动发展战略的重要成果”。

    今年新年伊始,国家能源局印发了《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》;3月,国家发展和改革委员会、工业和信息化部联合印发了《现代煤化工产业创新发展布局方案》。《规划》和“方案”的出台从国家层面进一步明确了产业的定位,加强了产业顶层设计,为规范和引导产业科学健康发展指明了方向。

    二是市场刚性需求巨大。我国对清洁油品、天然气及石化基础原料有巨大的刚性需求。我国石油和天然气进口依赖度不断上升,已成为全球主要的能源消费国和进口国。2016年,我国原油的对外依存度已达60%以上,天然气的对外依存度达到36.6%,且有逐年增加趋势。

    在绿色低碳发展、环保法规要求趋严形势的推动下,我国油品质量升级步伐加快,发展煤制油能够提供优质清洁油品,丰富成品油的多元化原料供应,减少油品使用对雾霾天气的影响、缓解我国部分地区的大气污染问题。我国部分基础石化产品(特别是以石油为原料的产品)对外依存度较高。

    2016 年乙烯(当量)、对二甲苯、聚乙烯、乙二醇、苯乙烯的自给率分别为52.5%、43%、62.9%、34.6% 和60%。未来供需情况虽有所改善,但在“十三五”期间仍将维持较大缺口。

    三是国际油价低迷。全球石油市场呈现供应宽松局面,影响国际原油价格的因素复杂多变。国际原油价格低位运行将大幅降低国内石油路线化工产品生产成本,从而降低石化产品市场价格。

    我国煤炭市场相对独立,煤炭价格受原油价格影响因素较低,而产品价格受到油价低位运行影响较大,企业在原料成本端保持不变的情况下,产品价格大幅下降,企业盈利能力大幅下降。根据国内外相关机构预测,国际油价在“十三五”期间处于50-70美元/桶为大概率事件,现代煤化工项目将处于盈亏点平衡附近,成本的竞争将会成为现代煤化工生存和发展的一个关键因素。

    四是海外低价产品冲击。近年来,中东地区凭借天然气资源优势,大规模扩大乙烯产能,并推动石化产业快速发展,成为世界大宗常规石化产品的主要产地和出口地区。中东地区天然气和油田伴生气价格低廉,比炼厂配套的石脑油制乙烯、丙烯成本低15%以上,比煤制化工产品更具有成本优势。美国由于页岩气大规模开发使得天然气、乙烷价格大幅走低,按照目前价格,美国甲醇、乙烯及聚乙烯等产品的竞争力甚至超过海湾地区。

    因此,美国和中东的低成本化工产品会对我国煤制化学品生产形成一定冲击。在完全市场成本价格的基础上,同石油、天然气化工产品竞争将会成为现代煤化工发展的硬任务和高要求。

    五是环保压力不断增大。随着新环保法以及大气污染、水污染、土壤污染等专项行动计划的实施,现代煤化工产业的污染控制要求将更加严格,现代煤化工项目获得用水、用能、环境指标的难度加大。

    如何提高现代煤化工产业环保技术水平,降低污水处理、固体废弃物处理与处置、大气污染物排放处理的成本等问题将成为开展煤化工项目以及煤化工产业发展的重要研究问题。此外,为落实巴黎气候大会形成的《巴黎协定》,我国实施碳交易或开征环保税已是大势所趋,这将会影响现代煤化工产业的整体竞争力。

    今后的发展方向及重点

    “十三五”及今后较长一个时期,是我国推动能源革命和现代煤化工行业升级示范的关键时期。现代煤化工发展在深入开展升级示范的同时,应围绕制约现代煤化工产业发展的重大关键共性技术和重大装备积极开展科技攻关,尽快改变目前终端产品结构雷同的被动局面,加快形成终端产品高端化、差异化的新局面。从现在技术发展的突破和未来技术的潜力看,李寿生认为在以下几个方面还可以大有作为:

    一是发挥煤制超清洁油品及特种油品的优势。煤直接液化能够生产出石油化工难以生产的产品,特别是可以作为军民用航空飞机、航天火箭以及特种装甲车辆的油品,满足我国日益增加的特种油品需求。

    煤间接液化制油产品具有十六烷值高和超高清洁性等特点,可以作为国家清洁油品及油品升级调和组份。随着我国特种燃料和日益严格的油品升级需求,煤制油产品的优势将会得到进一步发挥。

    二是大力开拓煤制烯烃、芳烃新材料高端化、差异化的产业链。从跨国公司的技术创新上,可以看到PE、PP下游加工可以创造上百种市场终端产品,而目前聚乙烯、聚丙烯专用牌号很少,只要在技术创新上有所突破,高端、差异化的PE、PP就可以开创一颗枝繁叶茂的产品树。

    苯是重要的有机化工基础原料,煤制芳烃的突破,不仅可以拿到苯,而且还可以开辟一大批以苯为原料的有机产品,从苯乙烯、聚苯乙烯到己内酰胺,双酚A,甚至到聚碳酸酯等重要产品,又可以培育一颗枝叶茂盛的产品树。

    三是积极探索煤制含氧化合物产品的新路子。草酸酯路线煤制乙二醇的技术研发正在向低成本、高选择性、长催化剂寿命和环境友好的方向发展,由于产品质量不断优化,以及下游用户对煤制乙二醇应用理解的加深,煤制乙二醇已经开始大规模应用于聚酯化纤行业。

    发展煤制乙醇既能消耗大量醋酸,缓解醋酸产能过剩的矛盾,还能通过推广乙醇汽油替代部分石油。当然,这些产品在发展过程中还面临一些技术或标准的制约,需要持续不断开展相关研究。

    四是努力推进低阶煤分质分级利用的新模式。相对煤炭直接燃烧,低阶煤分级分质利用的优势是能够实现物质、能量的梯级利用,提高煤炭利用效率,增加煤炭附加值。对成煤时期晚、挥发分含量高、反应活性高的低阶煤,通过热解、半焦利用、焦油加氢等技术进行分质分级利用,探索形成“油、气、化、电”多联产的新模式,并积极探索与煤炭、冶金、电力等产业融合发展,提升煤炭转化总体效益,提升煤炭清洁高效利用整体水平。 

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