煤气化及煤液化洁净技术应用发展趋势

　　世界石油能源紧张，价格飚升猛涨波动，开发煤的液化，煤的气化技术势在必行，煤炭化学前景广阔
　　从七十年代中期开始，出现世界石油能源紧张，供不应求，价格一路飚升。30年间石油价格每桶由十几美元涨至2008年每桶140美元，目前在70美元上下波动。从上世纪80年代初，各国政府和专家就以新的观点来评价煤作为化工原料和能源的重要性，煤炭对于“贫油、少气、富煤”的中国而言，是主要的化石能源，随着社会经济持续、高速发展，在全球对替代化工原料和替代能源的需求越发迫切、节能减排大势所趋的形势下，使用洁净煤技术生产的煤化工产品不仅成本相对较低，而且对于中国减轻燃煤造成的环境污染、降低中国对进口石油的依赖均有着重大意义。
　　煤炭利用洁净煤技术，生产化工产品及工农业用原材料，受到极其广泛的重视
　　一、从长远来看煤是最可靠的化工原料
　　追述到150年前，有机化学曾经就是煤炭化学。第二次世界大战前，石油化学原料在有机化学产品的生产中起的作用是有限的，只有少量的脂肪族化合物是利用石油化学原料生产的。1925年，美国在这些化合物生产总量中，以石油为原料的部分只占0.1%。
　　当前，世界上矿物质燃料储量与消费量之间比例失调。全球年均石油消费量约286.16×108桶,大大超过了每年发现的贮量，开采速度与消费量及与每年发现的贮量之间愈益不相适应，下世纪可能导致石油和天然气耗用殆尽。目前，西方国家正面临着必须采用其他能源（煤能源或燃料乙醇等）来代替正在广泛应用的石油能源。
　　地球上煤的总贮量（按能量计）大约超过石油贮量的20倍，在1985年时估计约有11.5万亿t标准燃料，按当时开采水平，预计地球贮藏的煤可供开采450年，（天然气为50年，石油为45年）。2009年初英国石油公司（BP）发表的报告指出：2008年世界煤炭消费增长率，是世界各国燃料消费发展最快的燃料，中国的煤炭消费占世界的43%。按目前煤炭消费加快的速度估算，煤炭仍够用122年。同时指出，目前世界已探明的石油储量约12580×108桶，按2008年的产量或年均消费石油量计算够用43年；天然气够用60年；天然气需求增长最快的国家是中国，中国天然气消费增长了15.8%。
　　煤的贮量可以满足下一世纪对煤炭增加的需要，潜力很大。我国已探明煤炭贮量达上万亿吨。2008年我国煤炭产量达28×108t，煤炭在能源结构中比例占70%以上。所以，从长远来看，煤是最可靠的能源基础和化工原料。从煤中可以制取几乎所有必要的有机化学产品及人造石油和合成气，是石油最好的代用燃料。加强煤转化技术研究，开发煤炭有效利用途径，势在必行。
　　二、现代煤化学的立足点应该放在煤的气化和液化上
　　1.煤的气化
　　煤炭通过气化炉装置，将其加热到1000℃左右，产生煤气的过程称之煤的气化。从能源利用的观点出发，用气化与联合循环发电相结合的连续液态排渣气化法（改进的鲁奇工艺）和美国德士古公司开发的GE水煤浆加压气化德士古法是最有前途的方法之一。连续液态排渣法的优点是能扩大生产能力，可以在固定床上用低灰熔点的煤气化，降低蒸汽耗能，提高燃气轮机的效率。还可以把煤气中的酚和焦油一起气化防止污染环境。
　　以EM+PC模式，采用GE水煤浆加压气化技术及Linde低温甲醇洗净化技术于2007年4月建成煤化工联合装置一期工程已投入商业运营，其设计能力为：合成气8.7万m3/h的煤气化装置、30万t/d一氧化碳深冷分离装置、30万t/d甲醇（CH3OH）合成精馏装置、1.5万t/a硫磺回收装置，日处理煤1500t/d。二期工程以EPC模式总承包已建成竣工，并于2009年9月8日投料开车成功，CO纯度99.1%，年产能增加了30万t/d一氧化碳、21000Nm3/h氢气以及11000Nm3/h合成气。
　　鄂尔多斯市某公司建设煤化工联合装置,总体规模180万t/d甲醇（CH3OH）。一期工程40万t/d甲醇（CH3OH）和30万t/d乙二醇装置，于2009年5月26日开工奠基，计划2011年9月建成投产。工程以EPC模式总承包建设。
　　采用GE水煤浆加压气化技术及Linde低温甲醇洗净化技术装置，产生的三废得以充分利用，灰渣的处理采用最新技术从中提取氧化铝和二氧化硅；装置产生的少量驰放气回收送至备用炉用作燃料；生产过程中产生的黑水全部回用制浆，极少量的废水则送至污水处理装置，达到排放标准。这不仅使煤资源得以深度充分合理利用，同时也对环境极度友好，危害降到最低。
　　羰基合成法——由合成气和烯烃（由乙烯到丁二烯）相互作用制造醛类，然后再氢化成醇——可以得到从丙醇到十三碳以及更高级的醇类。
　　费-托合成法——制造合成燃料，目前此法已被扩大用于生产各种化学品——乙烯、丙烯、丁二烯、芳烃以及含氧化合物。
　　煤的气化技术按其发展阶段可分为三代，在1990年前各国生产的气化炉型均属于第一代气化技术。第二代气化技术较成熟的方法有煤粉加压气化及GE水煤浆加压气化德士古法，鲁奇炉液态排渣气化法和溶灰团聚气化法。第三代气化技术大部分处于试验中试阶段，以流化床，气流床气化较多，还有与核电站高温气冷堆相结合的加氢气化和水蒸气转化法，固定床基本淘汰。总之，煤气化新技术的开发为经济有效地利用广泛煤种，获得清洁燃气，开拓了广阔前景，从而满足燃料气、化工合成气、冶金还原气及液化氢源的需要。
　　2.煤的液化：
　　煤的液化分直接液化（煤变油）和间接液化两种方法；
　　2.1煤的直接液化
　　煤的直接液化（煤变油）法,就是以煤为原料,在高温高压条件下,通过催化加氢直接液化成烃类化合物，再通过精馏制取汽油、柴油、其他燃料油等成品油。目前，世界各国对煤转化成液体燃料及化工原料的方法研究进展很快。技术比较成熟的直接液化法有美国氢-煤（H-COAL）法及HTI法、德国IGOR法、日本NEDOL法、供氢溶剂法（EDS）法、溶剂精炼法（SRC）、ADL法等。目前，世界尚无国家达到煤直接液化工业生产阶段，只有中试生产在运行。而我国煤直接液化工业化大型PSU装置于2004年8月25日开工兴建，于2008年9月投产运行，生产出合格液体燃料，开创了煤直接液化工业化生产先河。
　　2.2 煤间接液化
　　煤间接液化法，就是将煤通过气化炉生成的气化气转化成合成气，并以合成气为基础原料，采用合成工艺路线费-托（F-T）法转化为烃类化合物，并通过精馏生产出液体燃料和各种化学品，也称C1化学产品。间接液化法有两种，一种是南非萨索尔（SA-SOL）法，此法是改进的费-托（F-T）合成法；另一种是美国的莫比尔（Mobil）法，此法是由煤转化成合成气再转化成甲醇，再由甲醇脱水后，通过一种选择性很强的沸石催化剂（ZSM-5）进一步直接制取高辛烷值汽油和一些轻质油。该法工艺条件缓和，产品质量好，汽油产率达80%以上。甲醇直接混入汽油掺烧称甲醇燃料，亦称间接液化，甲醇燃料已成为近几年世界上重要研究课题，其意义在于可以立即解决汽油供应不足问题，掺入后可以提高汽油质量，提高汽油的抗爆性及提高汽油辛烷值，也无须再加入四乙基铅。采用Linde低温低压合成法制取甲醇洗净技术已在国外大批建厂。
　　近几年，以煤为原料的气化气转化成合成气生产甲醇已发展到一个新阶段，世界上许多国家十分关注以煤为原料采用鲁奇炉和K-T炉、焦炉等生产气化气转化生产甲醇。我国2004年12月在云南已成功实现了以焦炉煤气为原料生产甲醇，目前中国已有5套装置投产。南非萨索尔（SA-SOL）公司是世界唯一利用煤为原料采用鲁奇炉煤炭液化技术，大规模生产石油制品的企业，SA-SOL公司有成熟的煤液化技术经验。我国及印度、巴基斯坦、印度尼西亚、美国等都在与SASOL公司洽谈煤液化技术转让和合作。
　　南非SASOL公司从1955年起就以煤为原料制造合成气，通过改进的费-托合成工艺，生产以汽油为主的液体燃料和化工原料。SASOL-2厂1980年底建成投产，SASOL-3厂1982年投产，规模在不断扩大。SASOL-2厂有36台鲁奇炉在运转，日处理煤4×104t/d，年生产以汽油为主的液体燃料和化学品超过260×204t/a合成液体燃料油的生产能力，年产值达40×108美元/a，实现利润12×108美元/a。
　　综上所述，以煤为原料采用焦化工艺，以焦炉煤气转化成合成气制取甲醇及采用煤液化技术生产汽油、柴油等液体燃料及以天然气为原料生产甲醇、煤的气化技术生产甲醇等多元化的能源生产工艺，已成为今后的发展方向。
　　3.开发研究C1化学：
　　以合成气为基础的化工合成称之为一碳化学（C1化学）；C1化学，就是以含有碳原子数为1的化合物（如CO、CO2、CH3OH）为基本原料的化工合成。通常以煤气化气为C1化学原料生产液体燃料和化学品。我国及全球工业发达国家在钢铁生产过程中产生大量含CO、CO2的废气是C1化学的基础原料，应研究开发加以利用。
　　在煤的气化中生产的合成气是宝贵的化工原料，可用于氨和甲醇的生产。目前世界已形成开发一碳化学热潮。研究的方向是费-托合成工艺，羰基合成工艺。如美国一家公司开发成功的甲醇羰基化制醋酸技术，质量好，投资少，成本低，被认为是近代化工生产技术上一项重大突破，各国正在竞相采用。用该法生产醋酸的生产能力占世界绝对优势。甲醇除合成醋酸和传统用途外，还可以制取甲基叔丁基醚、醋酸乙烯、乙二醇、乙醇、低级烯烃、二甲酯等有机原料。
　　总之，合成气和甲醇化学的迅速发展使煤化工增添了新的生机。
　　
　　结语：煤炭是本世纪未来年代和进入下一世纪的储量丰富、成本低廉的矿物燃料。据能源长远预测分析，21世纪中叶，人类需要的能源将主要依靠煤和核燃料。尽管目前从煤得到的产品与油、气相比价格昂贵，但石油输出国越来越限制油资源开采，以便提高油价和延长资源寿命。所以从长远看，能源消费国必然要考虑节约能源并采用以煤为基础的代用品，而煤转化工艺则正是这种代用品最有希望的来源。
　　我国煤炭资源丰富、贮藏量多，开采量大，价格便宜，在可燃矿物资源可开采储量中，煤炭占96%以上，应利用我国有利条件，开发研究应用煤转化工艺技术和合成气化学（一碳化学）。