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煤油化一体化发展趋势分析
近年来，随着国民经济的平稳较快发展，我国石油消费和乙烯消费相应保持了较高的增长态势，2011年我国消费石油4.65亿吨，乙烯当量消费2680万吨，对外依存度分别达到57％和38％，国内石油资源紧缺的矛盾日益突出。我国化石能源资源基本呈“多煤、缺油、少气”的特征。对煤资源进行再认识，转变煤炭资源单一燃烧发热的简单利用方式，实现煤资源与石油资源的有机综合利用，构建石油化工与煤化工深度一体化发展模式，既是石化产业实现可持续发展的有效措施，也是提高资源利用效率、促进资源安全的重要选择。 1 世界煤化工产业发展简述 煤化工是指以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程，主要包括煤的气化、液化、干馏，以及焦油加工和电石乙炔化工等。煤化工开端于18世纪后半叶，19世纪形成了完整的煤化学工业体系。第二次世界大战以后，石油化工发展迅速，很多化学品的生产从以煤为原料转移到以石油和天然气为基础，从而削弱了煤化工在化学工业中的地位。 20世纪70年代石油价格大幅上涨，煤化工曾一度有所发展，此后受资源、技术、环境、投资、油价及经济性等因素影响，发展较为缓慢。德国、南非、美国、日本等为较早进行煤化工研究开发的国家。德国于1923年和1931年研发出了一氧化碳加氢合成液体燃料的费托（F-T）合成法和煤直接液化制取液体燃料技术；南非于1955年在萨索尔堡兴建了全球第一座煤液化制油（CTL）工厂，先后有3套煤制油装置投入运行。 1973年的世界石油危机，使煤直接液化工艺的研究开发重新得到重视，相继开发出了多种第二代煤直接液化工艺，如美国的氢-煤法（H-Coal）、溶剂精炼煤法（SRC-Ⅰ、SRC-Ⅱ）、供氢溶剂法（EDS）等，这些工艺已完成大型中试，技术上具备建厂条件，但由于建设投资大，煤液化制油生产成本高，因此尚未工业化。目前，真正实现工业化的只有南非萨索尔公司的煤间接液化工厂和美国大平原煤制天然气工厂。 2 我国煤化工发展概述 我国煤化工的发展始于20世纪40年代，在南京、大连建成了两个以煤为原料的化工基地，生产合成氨、化肥、焦炭、苯、萘、沥青、炸药等产品。50年代建成了吉林、兰州、太原三大煤化工基地，生产合成氨、甲醇、化肥、电石、染料、酒精、合成橡胶等产品。60-70年代，随着化肥工业的发展，在全国各地建成了一批以煤为原料的中型氮肥厂，在生产化肥的同时还生产多种化工产品，初步形成了我国煤化工生产基础。70年代以后，随着我国石油产量的大幅增长，以石油为原料的石油化学工业得到快速发展，化学工业形成了以石油化工为主的结构，并成为我国支柱性产业。进入21世纪后，随着我国石油对外依存度不断增长，石油价格的不断攀升，以煤代油为主的煤化工业开始兴起，并在我国掀起了新一轮煤化工热潮。除了煤制焦和煤制化肥外，煤制油、煤制甲醇、煤制烯烃等煤化工技术取得重大突破，我国煤化工产业已逐步由以焦炭、电石、煤制化肥为主的传统煤化工产业向以石油替代产品为主的现代煤化工产业转变。目前，我国拥有煤制油产能168万吨/年，煤制烯烃产能158万吨/年，煤制天然气产能161亿立方米/年，煤制乙二醇产能20万吨/年。 3 我国煤化工发展趋势 我国煤化工产业发展迅速，多项创新成果创造了世界第一，煤制烯烃、煤制油和煤制乙二醇等技术已处于世界领先地位。在甲醇合成大型化、煤直接和间接液化、煤制乙二醇、甲醇制烯烃、二甲醚，褐煤热熔催化法综合利用等领域都取得了突破性进展。 3.1 煤气化装置日趋大型化、长周期、清洁化 煤气化技术作为煤化工的核心技术，煤气化装置作为煤化工产业链中的龙头装置，是整个产业链的关键。煤气化是全系统装置能否长周期安全稳定运行、决定产品成本和企业效益的关键。 近年来，新型煤气化技术得到了广泛应用。与传统的固定床煤气化技术相比，粉煤加压气化技术和新型水煤浆气化技术，在节能环保、煤种适应性等方面具有十分突出的优势。不仅可以形成联合循环工艺，以洁净方式替代煤直燃锅炉发电，还可以向下游发展，生产醇、醚、烃类产品及内燃机燃料，有效替代石油产品，为我国的能源安全提供了一种切实可行的选择。煤炭气化技术作为洁净、高效利用煤炭的先进技术之一，是我国能源领域的重点发展对象。 近年来，我国引进煤气化技术种类众多，在消化吸收国外气化技术的基础上，已经开发出多种拥有自主知识产权的煤气化技术，包括四喷嘴气化技术、非熔渣-熔渣分级气化技术、两段式干粉气化技术、多元料浆气化技术、单喷嘴粉煤气化技术及灰熔聚煤气化技术等。其中，四喷嘴气化技术已成功应用于工业化装置中。未来的发展趋势，一是提高对多煤种的适应性，能气化任意煤种，从而降低成本；二是大型化，提高气化能力和气化效率；三是采用加压气化工艺，提高气化强度，减少带出物损失，降低综合能耗；四是与先进脱硫、除尘技术相结合，实现环境友好；五是简化工艺和气化炉结构，延长运行周期，降低投资和操作费用。 3.2 煤直接制油工业化装置实现成功运营 煤直接制油（直接液化）是把煤在高温、高压、催化条件下与氢气反应直接转化成油品（见图1）。我国的煤直接液化技术最早由中国煤炭科学研究总院和中国石化洛阳工程公司合作，在消化吸收国外技术的基础上自主开发成功的。中国神华集团在内蒙古鄂尔多斯市的伊金霍洛旗，分两期建设总规模为500万吨/年的煤直接液化工程。2008年12月30日，一期工程的先期工程100万吨/年煤直接液化合成油装置一次投料试车成功，生产出合格油品和化工品。2011年，神华集团公司生产油品79.3万吨。该项目的建成投产标志着我国成为世界上唯一掌握百万吨级煤直接液化关键技术的国家。 3.3 煤间接液化示范工程建成投产 煤间接液化是先把煤制成合成气，然后再将合成气进一步制成液体油品。国内从事煤炭间接液化技术研发的单位主要有中科院山西煤炭化学研究所（简称山西煤化所）和兖矿集团。20世纪80年代以来，山西煤化所在消化吸收国外工艺的基础上，自主开发成功了煤间接液化技术。目前，山西煤化所研发的煤间接液化工艺已经应用到山西潞安集团、内蒙古伊泰集团和神华集团的16万吨/年示范项目中，标志着我国已经掌握了煤间接制油技术。
3.4 甲醇制烯烃技术取得重大突破 甲 醇 制 取低 碳 烯 烃 包 括 主产 混 合 烯 烃（MTO）技术和主产丙烯（MTP）技术，是煤制烯烃技术路线的关键所在。目前，甲醇制烯烃技术取得重大突破，煤经甲醇制烯烃将对石脑油蒸汽裂解路线形成有效竞争。煤经甲醇制烯烃流程示意见图2.
甲醇制烯烃（MTO/MTP）类似于催化裂化（FCC）的反应再生及催化剂技术，产物分离可借鉴石化产品分离流程。MTO以乙烯和丙烯为主要目的产物，可在0.75~1.5的范围内调乙烯丙烯比；MTP则以丙烯为主要目的产物。 国内拥有煤制烯烃技术的研究机构主要有中国科学院大连化学物理研究所（简称大连化物所）和中国石化集团公司。早在“八五”时期，大连化物所开发的甲醇制低碳烯烃技术（DMTO）完成了中试。2005年，大连化物所与陕西新兴煤化工科技发展有限责任公司以及中国石化洛阳石化工程公司合作，在陕西建设了规模为1.5万吨/年（以原料甲醇计）的工业试验装置。2006年2月，装置投料试车，同年8月通过了国家级鉴定。这项技术实现了99.18%的甲醇转化率，双烯（乙烯+丙烯）碳基选择性达78.71%。2010年8月，神华集团包头煤化工有限公司采用该技术的60万吨/年煤制烯烃项目投产成功，标志着我国在煤制烯烃工业化生产领域已进入国际先进行列。中国石化上海石化研究院也成功开发了具有自主知识产权的甲醇制烯烃（SMTO）技术。目前，中原石化20万吨/年甲醇制烯烃项目顺利投产达标。 3.5 煤制乙二醇率先实现全套技术路线和工业化应用 国内开发的煤制乙二醇工艺技术，是由一氧化碳气相氧化偶联得到草酸二甲酯，草酸二甲酯再加氢制乙二醇（见图3）。20世纪80-90年代起，我国就开展了一氧化碳氧化偶联技术研究。
中国科学院福建物质结构研究所、江苏丹化集团合作完成了试产300吨/年乙二醇及1万吨/年的工业化试验装置，并于2009年3月通过鉴定。2010年，国内首套煤制乙二醇示范工程——内蒙古通辽金煤化工有限公司采用该技术的20万吨/年煤制乙二醇项目建成投产。中国石化上海石油化工研究院开发成功的煤制乙二醇技术也通过了鉴定，将应用在湖北化肥厂煤制乙二醇项目。 3.6 热熔催化法褐煤综合利用取得进展 热熔催化法褐煤综合利用主要以褐煤为原料，煤、溶剂与催化剂充分接触，在温和的条件下（6~8MPa）进行高效分级转化。据介绍，该成果的系统总能源效率达71.63%。制成的液体燃料占三分之一，固体与气体约60%。目前已经完成了120千克/日的实验室研究和6.6吨/日的中试。 4 新型煤化工发展对炼油及化工产业的影响 4.1 有利于实现石油化工的原料、燃料结构多元化 发展煤化工，不仅可以生产化工原料和油品，还可以生产乙烯、丙烯等石化产品，炼油、石化企业采用煤制氢将有利于降低生产成本，提高竞争能力，合成的天然气还可以作为炼厂或石化厂的重要燃料，为实现炼油与石化工业的原料燃料多元化提供了有效途径。 以IGCC为核心形成的炼厂公用工程岛已经越来越多地在国外大型炼厂中使用。采用IGCC联产化工产品的方式，不仅能够清洁、高效地为石化企业供热、供电、供蒸汽，还能够联产化工产品，提供氧气、氮气和氢气。同时也有利于减少二氧化硫的排放量，未来还可以通过二氧化碳捕集与封存技术的采用，降低二氧化碳排放量。 4.2 有利于降低产品成本，丰富产品品种 在高油价下，与石油基产品相比，煤基产品显示出较高的经济性。由于煤合成气中含氧较多，适合生产醋酸、乙二醇等含氧化合物。发展煤化工生产含氧化合物，对弥补石油化工产品在含氧化合物领域的不足，实现产品多元化和多样化，提供了有效的手段。 4.3 有利于促进石化产业结构优化 煤化工产业与石油化工产业的有机结合，将有利于我国石化产业的结构优化，提高石化产业综合竞争力。随着煤化工技术的不断进步，尤其是在高油价下，煤化工生产的石化产品将凭借其具有的成本优势，成为石化产业的有益补充。 5 煤油化一体化发展趋势 煤化工与石油炼制和石油化工项目联合，实施煤油化一体化发展可实现原料互补、产品结构优化。实现煤炭—石油—清洁燃料—化工产品的协调发展，对于促进我国煤炭资源合理利用，提高资源利用效率具有现实意义。 5.1 煤制氢与炼油组合 随着成品油清洁化和原油劣质化，原油加工的用氢量将进一步提高，目前氢气用量已占原油加工量的0.8%~2.7%。炼厂的氢气主要来源于制氢装置和重整装置。制氢的原料主要为石脑油、天然气或自产干气，氢气成本逐年上升。随着近年来煤气化技术的不断进步，以煤为原料的制氢技术已较为成熟，可作为炼厂供氢的主要来源。特别是随着石油价格的高企和天然气价格的上涨，煤制氢的成本优势越来越强。煤制氢与炼油组合的模式如图4所示。目前，成功的范例有中国石化的金陵分公司和南化公司的水煤浆制氢装置。
5.2 油煤共炼 煤直接制油（直接液化）是把煤在高温、高压、催化条件下与氢气反应直接转化成油品。油煤共炼是先将煤与渣油混合成油煤浆，然后再炼制成液体燃料的技术路线（见图5）。
油煤共炼的工艺流程与煤直接液化基本相同，但其具有明显的特点：①装置处理能力提高。加工能力可提高1倍以上，油产量可增加2～3倍。②煤和渣油具有协同效应。在反应过程中，渣油起供氢溶剂的作用，煤及煤中的矿物质具有促进渣油转化、防止渣油结焦和吸附渣油中的镍、钒等重金属的作用。由于这种协同作用，共炼时比煤或渣油单独加工时的油收率要高，可以用来处理劣质油，工艺过程比煤液化工艺相对简单。③氢的利用率高。共炼时，由于渣油中含有煤转化过程所需的部分氢，从而可以相对降低制氢成本。共炼时馏分油比重较低，易于精炼提质。同时共炼对煤的性质要求放宽。④成本可以降低。但油煤共炼技术与煤直接液化同样存在原料适应性、装置稳定性、技术经济性等问题。 近年来，油煤共炼技术已引起国内外科技界的广泛关注。国外比较突出的是美国烃类研究公司（HRI）的催化两段法。国内取得进展的是中国石化抚顺石油化工研究院。其在2009年申请了专利，油煤共炼原料与供氢溶剂混合，在压力为15~40 MPa、温度500℃下处理0.2~0.5小时，处理产物分离出固体杂质后进行分馏处理。目前，延长石油集团在建的油煤共炼试验示范项目，采用美国KBR公司悬浮床加氢裂化（VCC）技术，总规模45万吨/年，可加工无水基煤22.5万吨/年、渣油22.5万吨/年。 5.3 煤制油与炼油组合 煤制油与炼油组合是将煤制油的初级产品输送到附近现有的炼厂中，作为炼厂的二次加工原料，或者与炼厂的产品进行调合（见图6）。煤制油和炼厂的结合点主要包括产品调合、产品进一
步深加工以及公用工程联合。煤直接制油与炼厂结合主要以生产成品油为主，煤间接制油与炼厂结合主要以生产高质量、高附加值的润滑油等为主，用以调合现有产品，提高质量。 5.4 煤油化一体化模式 煤油化一体化是以煤和石油为原料，生产油品和化学品，实现资源利用最佳化的综合利用模式。以原油生产成品油，以煤气化制合成气制氢气和甲醇，甲醇生产烯烃、甲醛、聚甲醛、醋酸、二甲醚，再与石脑油裂解制乙烯、丙烯及副产物的衍生物生产一体化，实现从碳一产业链到裂解焦油的全组分利用（见图7）。
高油价下，在可获得价格低廉煤炭资源或廉价甲醇资源的地区，可对现有乙烯装置进行原料路线改造，由石脑油路线改造为煤基甲醇路线；或是建设煤基甲醇制乙烯装置发展低碳烯烃下游产品。以煤为原料发展羰基合成化合物是煤油化一体化发展的另一个重要方面。目前以煤为原料生产甲醛、醋酸、丁辛醇已实现工业化应用。煤基一步法生产二甲醚的开发研究取得快速发展。 国内大连化物所、西南化工研究院等单位现已基本完成了实验室研究工作，正在筹备开展中小型放大试验。合成气直接制乙二醇虽已获得较大进展，但还不足以实现工业化。 煤制甲醇再制烯烃技术的开发是基于我国的资源和产业现状，以现实的需求为出发点而作出的选择。甲醇制烯烃（MTO）工业化示范项目取得成功，为发展乙烯工业减少对石油基原料的依赖，实现乙烯原料多样化创造了条件。 6 煤油化一体化发展中应注意的几个问题 现代煤化工是资金和技术高度集中的产业，且受煤炭资源、水资源、资金、技术、环保法规等诸多因素制约。如何提高资源利用率、降低能耗和污染排放、提高产品附加值、扩大规模效应，是值得关注的问题。 6.1 产品选择 煤油化一体化发展中需要考虑的一个重要方面是产品选择，应考虑如下原则。 1）高效利用煤和石油中碳的骨架作用原则
统筹煤路线和石油路线、煤化工和石油化工，实现能量和物质损失损耗最低化，宜化则化，宜油则油。煤炭和石油的碳结构对比见图8。 2）产品选择的分子利用最佳化原则 优先发展合成气为原料的碳一化学工业（技术成熟、市场需求、对地方带动作用大），最大限度地利用氢资源；深入开展油煤共炼技术研究，提高煤制液体交通燃料的资源利用率；适度发展费托合成间接制油生产高附加值的石油化学产品。发展煤基含氧化学品，有利于实现以碳为骨架的有机化学品的分子最佳利用，含氧化学品充分利用了合成气中氧的有效成分，二氧化碳排放强度降低。由于煤合成气中含氧较多，适合生产醋酸和丁辛醇等羰基合成产品，弥补石油化工的不足。 6.2 水资源和二氧化碳排放问题 煤化工生产用水量较大，处理1吨煤需要耗水3~5吨。在缺水地区不宜发展煤化工产业。因原料和市场等原因，炼油化工企业一般建设在水量相对丰沛的地区，二者在经济合理的条件下结合，可实现煤油化一体化。碳排放是煤油化一体化发展必须考虑的最大风险要素，面临着一定的承担减排义务成本增大的风险。建设低碳型煤化工必须同时考虑二氧化碳的捕获、利用和封存（CCS）。 6.3 经济性 煤制油及煤化工的经济性与原油、煤炭等能源价格密切相关。石油和石化产品的市场已完全国际化，价格变动频繁，石油、煤炭、天然气的市场价格之间关联紧密。石油价格升高，煤制油及煤化工的经济性改善，但石油价格升高会带动煤价升高，煤制油及煤化工的经济性又会受不利影响。综合来看，实施煤油化一体化可实现资源互补和经济性互补。 （来源：《能源情报》 作者：中国石化集团公司经济技术研究院 李希宏 高敏惠）
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