新技术论文
煤炭化学工业的现状及发展
班 级： 煤 化 09-4 姓 名： * * * 学 号： *********** 专 业： 化学工程与工艺 学 院： 化学工程学院
2013.3.12
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煤炭化学工业的现状及发展
The present situation and development of coal
chemical industry 摘要：
本文以世界能源发展的现状为背景，结合我国油、气短缺，煤炭相对丰富的国情和我国能源生产和消费的特点，分析了有关煤化工产业政策，从节约能源、保护环境、提高煤炭质量和煤炭利用效率,最大限度的减少煤炭开发利用中污染物排放从而合理利用煤炭资源的角度，引出了“洁净煤技术”这一概念，综述了煤的转化利用技术业在工业生产过程中主要应用：煤焦化、煤气化、煤液化等煤化工领域的技术进展及产业现状，并对其中几种具体的前沿技术进行了简要的剖析。
This paper is based on the present situation of the world energy development as the bacbkground, combined with China\'s shortage of oil, gas, coal is relatively rich in national conditions and the characteristics of energy production and consumption in China, analyzed about the coal chemical industrial policy, from the energy conservation environmental protection to improve coal quality and coal utilization efficiency and minimize pollutant emiion during coal exploitation and utilization to the perspective of rational utilization of coal resources, raises the concept of clean coal technology, and summarizes the transformation of coal utilization technology is mainly used in industrial production proce: coal coking,coal gasification, coal liquefaction and coal chemical industry in the field of technical progre and industry status,and the several specific frontier technology has carried on the brief analysis
关键词: 能源energy sources、煤炭coal、洁净煤技术Clean Coal Technology，CCT、
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煤焦化coal carbonization cokin、煤气化Coal gasification、煤液化 Coal liquefaction
一、煤炭化学工业（又称：煤炭深加工、洁净煤技术）的含义
煤化工是以煤为原料，经过化学加工，使煤转化为气体、液体、固体燃料以及化学品，并生产出各种化工产品的工业。煤化工包括煤的一次化学加工、二次化学加工和深度化学加工，煤的焦化、气化、液化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等等。根据生产工艺与产品的不同主要分为煤焦化、煤电石、煤气化和煤液化4条主要生产链。其中，煤焦化、煤电石、煤气化中的合成氨等属于传统煤化工，而煤气化制醇醚燃料，煤液化、煤气化制烯烃等则属于现代新型煤化工1领域。
二、能源现状
能源是支持社会发展和经济增长的重要物质基础和生产要素，充足稳定的能源供应不仅为工业提供动力，为农业提供保障，推动技术进步，保障国民经济的发展，而且还促进人民生活质量的的改善，创造众多就业机会，促进人类社会的发展和进步。而世界经济的快速发展又促进了能源的开发和利用技术水平的提高，两者既相互促进，又相互制约。
(1)世界能源发展趋势及现状
目前世界各国能源结构的特点，一般取决于该国资源、经济和科技发展等因素。首先，煤炭资源丰富的发展中国家，在能源消费中往往以煤为主，煤炭消费比重较大，，其中南非为７７．１％，中国７２．９％，波兰６８．１％，印度５６．８％，澳大利亚４４．５％，美国２４．９％。其次，发达国家石油在消费结构中所占比重均在３５％以上，其中美国３９．７％，日本５１．１％，德国４０．６％，法国３７．９％，英国３５．４％，加拿大３７．９％，意大利５８．４％，澳大利亚３６．３％。第三，天然气资源丰富的国家，天然气在消费结构中所占比例均在３５％以上，其中，俄罗斯５５．５％，伊朗４３．８％，沙特４１．２％，英国３５．１％。第四，化石能源缺乏的国家根据自身特点发展核电及水电，其中日本核能在能源消费结构中所占比例为１６．８％，法国核能占４０．１％，韩国核能占１３．８％，乌克兰核能占１３．８％，加拿大水力占１３．０％，巴西水力占１９．８％。第五，世界前２０个能源消费大国中，煤炭占第一位的有５个，占第二位的有６个，占第三位的有９个。
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（2） 中国能源生产及消费情况
中国一次能源2消费结构与世界的情况大不相同，2002年中国一次能源消费结构为煤炭占70.7%、石油占17.2%、天然气占3.2%、水电占8.9%。有关机构预测，要满足2012年国民经济翻两番的需求，届时中国一次能源消费将增加一倍左右，一次能源消费结构将约为：煤炭占60%~61%、石油占26%~28%，天然气占6%~7%、水电与核电占4%~6% 我国能源的基本问题是：人均能源资源少，供需矛盾日益突出；能耗强度高，效率低，结构不良，污染严重;能源消费总量大，但人均能源消费量低;能源消费结构比较复杂；我国能源利用率低，节能空间大。2000年我国能源系统总效率只有9.9%，是国际水平的1/2；能源使用效率为31.2%，比国际先进水平低10%。 其中开采率32%、中间转换效率68.8%、终端利用率45%，开采回收率最低。
三、煤的综合利用技术现状及发展趋
我国是一个“富煤少油缺气”的国家。在世界已探明的化石能源储量中，中国的煤炭占世界总量的15％，石油占2．7％，天然气占o．9％。这种化石能源资源的禀赋特点决定了我国是世界上少有的以煤为主要能源的国家。2002年煤炭在能源消费中的比重为66．3％，工业消费在煤炭消费结构中占绝对比重，达90．9％。工业消费中，电力用煤占48％，冶金占8．5％，建材占7．2％，石油加工占6．7％，化工占5．7％。2003年，全国原煤产量达到16．67亿吨，消费总量也超过了16亿吨。2003年全国发电装备装机容量达到38450万千瓦，其中火电(燃煤发电)占到总容量的74．3％。专家预测，到2020年即使将煤炭在一次能源消费中的比例降至60％，其总量也将超过21亿吨。因此，国家中长期科学和技术发展规划战略研究报告中明确指出：“我国资源特点决定了以煤为主的能源结构在相当长时间内不会改变”。虽然，根据2003年中国国土资源部公布的数据，煤炭和石油储量都有所下降，但从已有的资源量分析，煤炭具有中长期保证是无疑的。
煤和石油、天然气一样，本身并非污染源，只是由于煤的不合理利用和煤的利用技术的落后，才使得我国这样一个以煤为主要能源的国家环境污染严重。燃煤是煤炭利用的主要方式，洗煤是煤炭燃前最主要的洁净方式，它可以脱除50％~80％的灰分和30％～40％的硫分，但2003年规模以上煤炭生产企业洗精煤产量仅为1．63亿吨，不足煤炭总产量的1／10。中国工程院2001年先进能源技术咨
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询研究报告的数据表明，我国SO
2、CO2排放量的85％，烟尘的70％和NO2的60％均来自燃煤。2003年中国的SO2排放量已高达2120力吨，成为世界第一，远远超过了1620万吨的环境自净能力；CO2以9亿吨以上的碳排放量也跃居为世界第二；2000万吨以上的NO2。排放量超过环境自净能力约120万吨。煤烟型的大气污染使全国监测的340座城市中，空气质量达二级标准以上者仅占41．5％，而劣三级城市就有91座，占26．7％。国外专家的研究结果表明，大气污染造成的经济损失占GDP的3％~7％。不仅大气，水环境污染也十分严重，七大水系中符合《地面水环境质量标准》
一、二类的仅占32．2％，目前，78％的城市河段不适宜作引用水源，50％的城市地下水受到污染。
因此，煤炭一方面是能源的主要提供者，经济和社会发展离不开；一方面又是环境的主要污染源，不利于可持续发展，解决这一矛盾的根本途径是合理、洁净、高效地利用煤炭，大力研发和应用洁净煤技术。
四、洁净煤技术和煤炭利用技术
（一）洁净煤技术
洁净煤技术(Clean Coal Technology，CCT)最早由美国学者于1985年提出，主要是为了解决美国和加拿大边境的酸雨问题。洁净煤技术是指在煤炭开发和利用过程中，旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等一系列新技术的总称，是使煤作为一种能源应达到最大限度潜能的利用而释放的污染控制在最低水平，实现煤的高效、洁净利用目的的技术。按照美国能源部化石能源办公室的定义：洁净煤技术属于技术创新家族，比现今使用的技术更具环保性。为使洁净煤技术的应用具有可操作性，根据国内外多数同行的共识我们可以将洁净煤技术进行了分类，主要包括：煤的洁净开采技术(地质灾害防治、矿区和周边环境保护等)、煤的利用前的预处理技术(选煤、型煤和水煤浆等)、煤炭利用的环境控制技术(脱硫、脱氮、除尘等)、先进的煤炭发电技术(1GCC、PFBC等)、提高煤炭利用效率技术(先进燃烧方式、能源新材料等)、煤炭转化技术(先进的热解、气化技术，直接和间接液化技术，燃料电池等)、煤系废弃物处理和利用技术(煤矸石、煤泥、煤粉、炉渣等)。此外，煤层气的开发及利用与CO2固定和利用技术也可归入洁净煤技术。最近，中国工程院陈清如院士根据中国的煤炭利用现状和多年的实践经验提出了“中国洁净煤战略”，主张在煤炭燃烧和利用前，采用煤炭加工与转化技术对可能排放的所有污染物进行最大程度的控制，最为经济有
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效地实现煤的洁净化利用。与已有的国内外洁净煤技术相比，
“中国洁净煤”集中在煤的燃前处理环节，使煤炭成为洁净煤燃料和原料2。
(二) 煤转化利用技术
煤的转化利用技术业已在工业生产过程中应用的主要有：煤焦化、煤气化、煤液化，下面作如下简单介绍。
1．煤焦化
(1)发展简史及其主要技术
将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，也称做煤的干馏。煤焦化产品主要有焦炭、煤焦油（苯、甲苯等）、焦炉气（氢气，甲烷、乙烯、一氧化碳等）精氨水等。这些产品已广泛应用于化工、医药、染料、农药和炭素等行业。有些甚至是石油化学工业无法替代的，如吡啶喹啉类化合物和许多稠环化合物等。焦化是煤转化利用的主要途径之一，受钢铁工业快速增长的拉动，从2002年开始中国焦化工业呈现高速增长的态势。2004年焦炭总产量突破20亿吨，比2003年增加约４亿吨，出口焦炭约1.5亿吨，约占世界焦炭贸易总量的60％。
据估算，2004年中国炼焦消耗原料精煤约29亿吨，洗选加工原煤约45亿吨，约占当年煤炭消费总量的25％，炼焦已成为涉及原料煤加工和转化数量最大的煤化工产业。1991年我国焦炭产量达到7350万吨，开始跃居世界第一。目前，我国焦炭生产量、焦炭消费量和焦炭出口量均居世界第一位，分别为1．78亿吨、1．63亿吨和1472万吨。2003年我国主要工业应用焦化技术是大型机焦工艺。当前主要采用大型炭化室、捣固和干熄焦等技术。
目前正在开发并已具有阶段性成果的焦化新技术有：a．美国Antaeus连续焦化工艺，它是以炼焦煤为原料的一种特殊连续型焦化工艺，整个生产过程在完全密闭的系统中进行，具有高度的灵活性，该工艺较复杂，成本偏高，但具有环保和资源利用等优势；b．美国Calderon连续焦化工艺，它基于1994年Calderon开发的套筒式炭化室焦化装置，进行了重大改进后，实现了连续封闭，取消了燃烧室结构，炭化室在压力下运行，但投资较高，操作难度大；C、乌克兰立式连续层状炼焦工艺，1996年建成工业性试验装置，该工艺可改善入炉煤密度，拓宽炼焦用煤的范围，与传统工艺相比，可节约70％肥煤和焦煤；系统密闭连续，环境污染小，自动化程度高，但用于工业化生产，在保持炉体结构稳定、装煤操作、顺利排焦和装置大型化等方面尚有一定的难度；d． 日本21世纪高产环保优化
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焦炉(SCOPE21)工艺，1994年开始研发的SCOPE21工艺通过快速加热煤到接近热分解温度时成型，可提高煤的黏结性，并可使装炉煤堆密度提高到850kg／m3，以改善焦炭质量；e．中国连续三段焦化集成技术，太原理工大学等单位联合开发的连续三段焦化装置将煤预热、连续高温炭化和循环煤气熄焦回收高温焦炭显热技术有机集成，并可实现连续生产；这种新工艺的最大优点在于从源头上根治了装煤、出焦和熄焦等过程中烟气和粉尘的污染，可望实现废水的零排放、同时将高温焦炭显热用于蒸汽—电生产，投资低、充分利用资源和高效节能、成本低。
（2）我国焦化技术的发展及制约因素
针对开发何种焦化技术的问题存在的不同技术观点，国家尚未建立一个统一的国家经济技术标准，并以这一标准来决定我国焦化技术的发展。中国工程院士谢克昌教授认为，我国焦化工业应首选的焦化技术是连续分段封闭式洁净焦化技术，并建立洁净焦化和能源资源综合利用的工业园。
优质炼焦煤不足是国内提高焦炭质量的主要障碍，通过对低灰、低硫、弱粘结煤或不粘结煤的改质或科学、优化配煤技术，可以扩大和改善原料煤资源，实现在常规工艺条件下提高焦炭质量。
注重煤焦油化学品集中深加工和焦炉煤气的有效利用，是焦化工业综合发展、提升竞争能力的重要方向。对布局较为集中的大型炼焦企业，应在焦油深加工、剩余煤气的利用方面统筹规划，以实现规模化生产和高效、经济生产。
污染控制仍然是当前焦化工业发展的迫切问题，在严格取消土法炼焦，改造落后、污染严重的中小型焦炉的同时，推动大型和新建焦炉采用先进的污染治理技术，切实搞好环境保护。
2．煤气化
(1)定义及发展简史
煤在高温条件下借助气化剂的化学作用将固体碳转化为可燃气体（气体混合物）的热化过程。用空气、水蒸气、二氧化碳作为气化剂。它们与煤中的碳发生非均相反应。此外，煤热分解出的气态产物如CO
2、H2O及烃类等也能与赤热的碳发生均相反应。依气化法、气化条件及煤的性质不同，气化气的组成也不同。根据煤气发生炉内所进行的气体过程特点，可以将煤层自上而下地分为干燥带、干馏带、还原带、氢化带和灰层，在干燥带和干馏带中，煤受到高温炉气的加热而放出水分并挥发。剩下的焦炭在还原带和氧化带中进行氧化反应。煤经过气化
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后得到的是粗煤气，再经过净化和加工后，可以得到各种化学品。常用于煤气化的方式有：固定床常压气化气，鲁奇加压气化气、考伯斯—托茨气流床气化气（K—T）、德士古流床气化气（Texaco）、改良型温克勒流化床气化气等。
（2)主要应用技术
煤气化技术历经百余年发展，目前世界主要煤气化工业化装置从固定床、流化床到气流装置一般均采用加压气流床技术Texaco和Shell。我国每年化工原料用煤约9250万吨，其中甲醇生产450万吨，炼油厂制氢800万吨，合成氨和合成液体燃料各4000万吨。目前我国共有气化炉8000余台，其中采用的主要气化技术有常压水煤气发生炉(90％，中小型企业)，引进的固定床Lurgi炉、湿法进料气流床Texaco炉和干法进料气流床Shell炉。
1.煤气化——甲醇及下游产品
2002年以来，中国甲醇产量及消费量持续快速增长，2004年精甲醇产量达到441万吨，比2001年增加100％以上，比2003年增加34.9％。
目前，甲醇生产能力正处于快速发展阶段，新建或拟建项目较多，规模大多在10－60万吨/年，若全部建成，合计可形成新增生产能力超过700万吨/年，如果按照2004年的增长率，2006年的产量将达到700万吨以上。甲醇生产能力和产量的快速增加已经引起关注。煤炭是国内生产甲醇的主要原料，煤基甲醇产量约占总产量的70％以上。今后甲醇消费仍然以化工需求为主，需求量稳步上升；作为汽油代用燃料，主要方式以掺烧为主，局部地区示范和发展甲醇燃料汽车，消费量均有所增加。预计几年后中国国内甲醇生产、消费量将达到平衡，国内生产企业之间、国内甲醇与进口甲醇之间的竞争将日趋激烈，降低生产成本对市场竞争显得更为重要。专家提出，发展甲醇下游产品将是未来发展方向。甲醇是重要的基础化工原料，其下游产品有：醋酸、甲酸等有机酸类，醚、酯等各种含氧化合物，乙烯、丙烯等烯烃类，二甲醚、合成汽油等燃料类。结合市场需求，发展国内市场紧缺、特别是可以替代石油化工产品的甲醇下游产品是未来大规模发展甲醇生产、提高市场竞争能力的重要方向。
近年来，中国是世界上聚烯烃生产和消费发展最快的国家，聚乙烯、聚丙烯生产量、消费量、进口量均以较快速度增长。2004年国内乙烯产能达到620万吨，产量达到627万吨（同比增加9.4％），当年当量消费量达到1730万吨，乙烯及其下游产品进口折合乙烯约1100万吨。预计到2010年，国内乙烯需求总量可能
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增长到2100万吨以上，生产能力也会有较大增长。目前，中国石化行业的乙烯生产基本为石脑油法，国内聚乙烯工业处于供不应求、继续发展的态势，发展煤基甲醇－乙烯－聚乙烯工业生产路线有多方面的作用和意义。2003年以来，国内许多企业关注到甲醇制取烯烃（乙烯、丙稀为主）的技术的发展，并于新上甲醇项目中进行联产烯烃的设计。
甲醇脱水生产二甲醚的技术是成熟的。目前，二甲醚作为汽车燃料的研究和试验正在进行，替代LPG作为城镇民用燃料被认为是更容易实现的利用途径。由于目前尚缺乏二甲醚运输、储存、燃烧等配套方法及装备的系列标准，一些企业在二甲醚生产能力建设方面持由小逐渐扩大的谨慎态度。
2.煤气化——合成氨
近年来，国内化肥市场产销两旺，2004年尿素产量达到1900万吨，同比增加约16％，其它氮肥也有较大幅度增长；磷肥产量达到约1000万吨，同比增长约26％。受化肥需求和价位增长的拉动，国内合成氨产量稳步增长，2003年达到3924万吨，2004年为4222万吨，同比增长11.4％。随着农村经济、农业生产发展和需求增长，国内化肥市场和价位持续走高，除氮肥以外，磷肥、钾肥近年来也有较大发展，直接推动了国内合成氨的较快速度发展。
目前新建或改造的合成氨生产能力以15万吨/年—30万吨/年的规模较多，原料分为煤炭、石油、天然气，受国内石油和天然气资源制约，以煤为原料生产合成氨是今后发展的方向，预计占到60％以上。
与建设大中性合成氨建设配套，煤气化技术也取得较大进步和发展。新建煤气化技术有：水煤浆、干煤粉气流床气化，用于中小型化肥厂改造的流化床煤气化，加压固定床煤气化。中小型固定床间歇煤气化技术所占比例正在逐步减少。
国内先进煤气化技术研究开发近年来也有进展，四喷嘴水煤浆气流床气化技术正在进行工业示范，预计2005年完成千吨级工业运行试验；干煤粉气流床气化技术正在进行中试开发；加压流化床气化技术正在进入工业开发。国内煤气化技术的发展将为煤基合成氨产业提供国内知识产权的技术支持，推动合成氨产业技术的全面进步。
3.煤液化
所谓煤液化，是将煤中有机质转化为流质产物，其目的就是获得和利用液态的碳氢化合物来替代石油及其制品，包括直接液化技术和间接液化技术两部分，
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产品市场潜力巨大，工艺、工程技术集中度高，是中国新型煤化工技术和产业发展的重要方向。
（1）煤直接液化3技术开发及工业示范工程取得进展
煤直接液化、间接液化的产品以汽油、柴油、航煤以及石脑油、烯烃等为主，产品市场潜力巨大，工艺、工程技术集中度高，是中国新型煤化工技术和产业发展的重要方向。近年来，两种技术在研究开发和大规模工程示范方面均得到发展。 煤直接液化于50年前已实现工业生产，新工艺研发在国外已有近30年，积累了从基础工艺研究到中间试验的大量经验，中国国内研究已有20多年。 国内已完成高分散直接液化加氢液化催化剂实验室开发，该催化剂具有添加量低，催化效果好，生产成本低，显著提高油收率等优点，达到国际先进水平。在开发形成“神华煤直接液化新工艺”的基础上，建成了工艺试验装置，于2004年10~12月进行了溶剂加氢、热油连续运转和23小时投料试运转，打通了液化工艺，取得开发成果。适合中国煤种、煤质的CDCL直接液化新工艺的基础研究和工艺开发已启动进行。
（2）煤间接液化技术开发和工业化发展速度加快
到2004年底，国内分别建成了设计合成产品能力为1000吨/年、1万吨/年的低温浆态床合成油（间接液化）中试装置，并进行了长周期试验运行，完成了配套铁系催化剂的开发，完成了10万吨/年、100万吨/年级示范工厂的工艺软件包设计和工程研究。低温浆态床合成油可以获得约70％的柴油，十六烷值达到70以上，其它产品有LPG（约5％~10％）、含氧化合物等。
间接液化中试装置开发、运转是自主知识产权煤基合成油技术的标志性成果，对推动技术国产化和工业化发展有重要作用。煤间接液化大规模商业化生产在国外是成熟的，引进技术建设300万吨/年级工厂的可行性研究正在进行中。煤间接液化技术有较宽的煤种适应性，工艺条件相对缓和，可以通过改变生产工艺条件调整产品结构，或以发动机燃料为主，或以化工产品为主，因此将会成为未来煤制油产业发展的主要途径。
结论：综上所述，在我国技术经济高度发展进程中必须采取的符合全球经济一体化和可持续发展总体战略部署的重要措施，它既符合我国的资源条件，又能保证我国的安全和环境保护，从而促进社会的发展和进步。因此，未来煤化工的发展方向是在传统煤化工稳定发展的同时，加大力度发展可替代石油的洁净能源与化
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工品的新型煤化工技术，并建成技术先进、大规模、多种工艺集成的新型煤化工企业或产业基地。
注释：
1.新型煤化工发展以洁净能源和化学品为目标产品，通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃、煤制乙二醇等等。传统煤化工主要指“煤-电石-PVC”、“煤-焦炭”、“煤-合成氨-尿素”三条产业路线，涉及焦炭、电石、合成氨等领域。 2.按开发和制取方式，能源可以分为一次能源和二次能源。一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源，它包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热、生物质能和海洋温差能等等。 由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品，称为二次能源，例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。
3.煤直接液化液化(DCL)是在高温（400℃以上）、高压（10MPa以上），在催化剂和溶剂作用下使煤的分子进行裂解加氢，直接转化成液体燃料，再进一步加工精制成汽油、柴油等燃料油，又称加氢液化;煤的间接液化(ICL)技术是先将煤全部气化成合成气，然后以煤基合成气（一氧化碳和氢气）为原料，在一定温度和压力下，将其催化合成为烃类燃料油及化工原料和产品的工艺，包括煤炭气化制取合成气、气体净化与交换、催化合成烃类产品以及产品分离和改制加工等过程。
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