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煤化工发展方向——煤制烯烃

作者:张殿奎来源:《化学工业》 日期:2009年5月1日 09:24

 

烯烃作为重要的化工原料,作为石油化工核心产品,被称为“石化工业之母”。乙烯产量已成为衡量一个国家石油化工发展水平的标志,其生产能力被看作是一个国家经济实力的体现。美国、西欧、日本等发达国家地区和一些发展中国家。在经济起飞阶段,无不把石油化工作为支柱产业,加以发展。
    乙烯产品直接繁衍和带动发展塑料深加工、橡胶制品、纺织、石蜡深加工、助剂加工、包装材料、建设材料、化工机械制造、工程建筑、运输、餐饮服务等产业。大到航空航天,小到吃饭穿衣,它与国民经济、人民生活息息相关。一个年产量百万吨级乙烯项目,除本身直接提供数目庞大的就业岗位外,还通过发展配套产品和深加工产品,建立起覆盖性的新兴加工产业。初步测算可增加就业岗位5万余个。
    据权威机构预测,到2009年,全球乙烯需求量年均增长500万t:我国乙烯当量消费2010年将达到2500万t,2015年达3000万t以上。
    20世纪60年代初,美国乙烯年产量就达200多万t,到20世纪70年代后期更是激增到了2000万t,而当时我国大陆的乙烯年生产能力仅为6万t/a,1983年我国3O万t/a大乙烯工程在大庆石化、齐鲁石化、扬子石化、上海石化建成投产后,我国乙烯工业迈上新台阶。传统的烯烃产品,如乙烯、丙烯的制取路线,主要是通过石脑油裂解生产的,其缺点是过分依赖石油。自从1993年我国成为石油净进口国之后,进口石油的比重不断加大。2007年达到了16317万t,石油对外依存度达到47.2%。我国石油缺口逐年增大,对能源的安全供应、国民经济的平稳运行以及社会的可持续发展构成了严重威胁因此,从煤化工中获得乙烯、丙烯显得非常重要。另一方面。在原油价格高位运行的背景下,煤制烯烃的工艺路线显现出竞争力,其成本优势明显,经济上有竞争力。
    面对全球石油资源日益紧缺的形势,国外已开发出甲醇制烯烃和甲醇制丙烯的技术,但尚未实现工业化,我国也完成了甲醇生产乙烯和丙烯的相关技术,并进入工业化试验阶段。
1国外煤化工烯烃发展情况
1.1甲醇制乙烯(MTO)
    最早提出MTO工艺的是美孚石油公司(Mobil),随后巴斯夫(BASF)、??松凸?Exxon)、环球石油公司(UOP)及海德鲁公司(Hyrdro)等相继投入开发,在很大程度上推进了MTO的工业化。美国UOP公司和挪威Hydro公司于1995年合作开发成功MTO工艺。该工艺以甲醇为原料,通过甲醇裂解制得以乙烯和丙烯为主的烯烃产品,按甲醇原料的不同,可以有天然气和煤两种路线。1998年,采用UOP/Hydro工艺的20万t/a乙烯工业装置开始建设,目前已实现5O万t/a乙烯装置的工业设计,并表示可对设计的50万t/a大型乙烯装置做出承诺和保证。2008年1月新加坡Eurochem技术公司旗下的Viva公司将在尼日利亚的Lekki建设330万t/a甲醇装置.下游配套建设MTO装置。
    采用UOP/Hydro的MTO技术和UOP烯烃裂解工艺技术(OCP),组成MTO—OCP加工技术方案,计划2012年建成投产。UOP烯烃裂解工艺技术可将联产的低价值C~C。重质烯烃转化为丙烯和部分乙烯。
1.2甲醇制丙烯(MTP)
    目前世界上从事MTP技术开发的公司主要是鲁奇公司。2002年1月,鲁奇公司在挪威建设了1套MTP中试装置,到2003年9月已连续运行了80ooh。该中试装置采用了德国Sud—ChemieAG公司的MTP催化剂。该催化剂具有低结焦性、丙烷生成量极低的特点,并已实现工业化生产。目前,MTP技术已经完成了工业化装置的工艺设计。鲁奇公司MTP反应器有两种形式,即固定床反应器(只生产丙烯)和流化床反应器(可联产乙烯/丙烯)。
2我国煤制烯烃发展情况
2.1自主研究开发的技术
2.1.1大连化物所SDTO工艺及其催化剂
    甲醇转化制烯烃的核心技术之一是催化剂,其性质和性能决定着MT0新工艺技术的发展方向。前期的固定床MTO技术基于改性ZSM一5催化剂,虽然证明是成功的,但是乙烯的选择性、乙烯+丙烯选择性偏低。根据分子筛催化的形状选择性原理,以中孔ZSM一5分子筛的改性发展催化剂,对于进一步大幅度提高低碳烯烃,尤其是乙烯的选择性是非常困难的探索和应用。新型小孔分子筛催化剂是实现MTO技术总体上再突破的关键,也是MTO技术开发过程中长期探索的方向。
    大连化学物理研究所从20世纪80年代初便率先开展了甲醇制取低碳烯烃的新工艺过程的研究,先后开发了两代甲醇制取低碳烯烃技术。
    “六五”期间,甲醇制烯烃催化剂研制曾列为中科院重大课题,完成了实验室小试,1985年通过了中国科学院组织的技术鉴定。在此基础上,MTO技术中试项目被列为国家重大科技攻关项目和中科院“重中之重”项目(1987--1993),进行催化剂中试放大和固定床反应工艺中试放大。为此,在大连化学物理研究所建成了甲醇中试试验楼和甲醇处理量300t/a的MTO中试装置。经过艰苦的努力,最终于1993年全面完成了固定床工艺的中试工作。为了使合成气制烯烃过程技术上更合理和高效,20世纪90年代初大连化学物理研究所又在国际上首创了合成气经由二甲醚制取低碳烯烃新工艺方法(简称SDTO工艺),被列为国家“八五”重点科技攻关课题。该新工艺是由两段反应构成。第一段反应是合成气H:+CO在所发展的金属沸石双功能催化剂上高选择性地转化为二甲醚;第二段反应是二甲醚在SAPO一34分子筛催化剂上高选择性地转化为乙、丙烯低碳烯烃,并由所开发的以水为溶剂分离和提浓二甲醚步骤,将两段反应串接成完整的工艺过程。
    SDTO新工艺经“八五”期间连续攻关,取得了重大进展,1995年在上海青浦化工厂最终取得了中试规模放大成功。于1995年底在北京通过了国家计委的验收和由中科院主持的专家鉴定,确认在总体上达到了国际领先水平。所发展的适合两段反应的催化剂及流化反应工艺达到国际先进水平,并于1996年获得中国科学院科技进步奖特等奖和国家三部委联合颁发的“八五”重大科技成果奖。
    SDTO新工艺具有如下特点:(1)由合成气制二甲醚打破了合成气制甲醇体系的热力学限制,CO转化率高者可达90%以上,与合成气经甲醇制低碳烯烃相比可节省投资5%~8%,节省操作费用约5%;(2)采用小孔磷硅铝(SAPO一34)分子筛催化剂,乙烯的选择性大大提高(50%~60%);(3)在SAPO一34分子筛合成与催化剂廉价方面有大的突破,催化剂成本的降低对于流化床反应工艺具有特别重要的意义;(4)第二段反应采用流化反应器??捎行У氐汲龇从θ?,实现反应——再生连续操作,能耗大大降低;(5)SDTO新工艺具有灵活性,它包含的两段反应工艺既可以联合成为合成气制烯烃工艺的整体,又可以单独应用;特别要指出的是,所发展的SAPO一34分子筛催化剂可直接用作甲醇制烯烃过程。“八五”期间,大连化学物理所研制出了具有我国特色和廉价的新一代微球小孔磷硅铝分子筛型催化剂(DO123型)。该催化剂及其活性组分SAPO一34分子筛,均已成功地进行了接近工业规模的放大制备试验。“八五”攻关任务完成后,大连化物所一方面加紧MTO的推广放大工作,同时也认识到MTO的工业化可能是一条漫长的过程,而核心技术的创新与发展将是持续性的。因此.在完善中试技术的同时,又回过头来从基础研究和新材料探索开始。着手发展新一代催化剂,也着手利用新的研究成果开展新一轮专利申请.从根本上保持MTO技术的持续领先。这期间的研究得到了中国科学院“九五”重大项目和国家“973”计划的支持。在基础研究取得突破的同时,研制出了新一代甲醇/--甲醚制低碳烯烃的催化剂。在实验室优化条件下,该催化剂反应性能指标达到转化率100%,乙烯+丙烯收率>90%。又建立了催化剂喷雾干燥中试试验装置,完善了流化反应用微球催化剂的制备工艺,提出了催化剂生产的工艺流程,并提出了工业放大催化剂的产品规格和生产控制指标。2006年在陕西工业实验取得突破性进展。
2.1.2清华大学MTP技术
    该项目开发主要包括基础研究、工业放大及工业试验三部分,项目是在清华大学小试研究工作基础上,将小试成果放大到万吨级规模,通过工业试验装置的运行,最终使该万吨级的工业试验装置技术和环境?;じ飨钪副甏锏焦谕庀冉?,为下一步百万吨级工业化装置建设提供技术依据和培训平台。中国化学工程集团公司、清华大学和安徽淮化集团有限公司正在合作开发MTP技术,在安徽淮化建设工业试验装置对我国MTP发展具有重要意义。2008年2月19日至20日,安徽省发改委已邀请省内外专家召开了“甲醇流化床制丙烯技术”开发项目初步设计审查会,该工业试验装置建设规模为年处理甲醇3万t,年产丙烯近1万t,副产液化石油气800t,总投资约1.6亿元,计划2009年3月投料试车。
2.2工业化在建煤制烯烃项目
2.2.1大唐多伦MTP
    大唐国际发电股份有限公司(简称大唐国际)计划在锡林郭勒盟多伦县建设总规模年产138万t煤基烯烃(中间产品500万t/a甲醇)煤化工项目。该项目只采用Lurgy公司MTP技术生产丙烯。
    2005年.大唐国际开始在多伦建设46万t/a煤基烯烃一期项目。该项目年需煤炭620万t(其中原料煤380万t,燃料煤240万t),年产聚丙烯46万t及副产精甲醇24万t,汽油12.95万t,液化气6.66万t。主要建设内容为空分装置、煤气化装置、甲醇合成装置、甲醇制丙烯装置(MTP)、丙烯聚合装置、硫回收装置、白备动力车间。该项目预计总投资118亿元。计划2009年投产。
2.2.2神华宁煤MTP
    神华宁煤集团在宁东能源化工基地、新型煤化工基地总投资132亿元建设年产聚丙烯52万t、副产汽油及液态燃料等其他产品22万t、年用煤量500万t的煤制烯烃项目。该项目包括三个关键工艺:煤制甲醇、甲醇制丙烯和丙烯聚合产生聚丙烯。2006年8月,神华宁煤集团与德国鲁奇工程咨询有限公司签订了煤基烯烃项目技术转让合同,神华宁煤集团煤基烯烃项目核心技术和关键设备引进最终完成。如果进展顺利,神华宁煤集团这个我国第一个MTP项目(煤制丙烯)有可能赶在伊朗之前,成为全球第一套投产的大型工业化MTP项目。在煤气化技术引进方面,2007年初神华宁煤集团又与西门子发电集团签订GSP气化技术专有设备采购合同。2007年底,该项目已经开工建设,预计到2009年10月建成投产。
2.2.3神华包头DMTO
    内蒙古神华包头煤化工项目继2006年按权限完成180万t/a甲醇的核准手续后,6O万t/a煤制烯烃项目在2006年底正式获得国家发展和改革委员会核准。神华包头煤化工项目位于包头市规划的新型工业基地内,总体工程包括180万t/a甲醇装置、60万t/a甲醇制烯烃(MTO)装置、3O万t/a聚乙烯装置、30万t/a聚丙烯装置、24万m3/h标准状态的氧气的空分装置。并配套建设3台410t/h高压蒸汽锅炉和100MW抽汽凝汽式汽轮发电机组及其它辅助设置。主体项目总投资121.8亿元。神华包头煤制烯烃项目自2005年底一期工程奠基以来,各项外围建设已经陆续展开。铁路专用线、工业供水备用管线等工程正在紧张施工,大规模建设于2008年初期全面展开。该项目已经选择了陶氏Unipol聚丙烯技术,建设一座全新的30万t/a聚丙烯装置,使用的流化床反应器和高性能催化剂系统,使厂家能够灵活生产各类均聚物、无规共聚物和抗冲共聚物等聚丙烯塑料产品。该装置预计2010年投产。
3我国煤制烯烃的进展情况
3.1加快研究开发煤炭清洁能源自有技术
    目前已经获得批准、在建和将要建设的甲醇能力超过500万t/a,处于规划中的接近3000万t/a。
    我国甲醇生产能力增长迅速,再过几年甲醇产能有可能出现过剩。发展甲醇制烯烃,可以延伸甲醇下游深加工,提高产品竞争力和持续发展能力,有利于消化我国扩张迅速的甲醇产能,为甲醇产业的健康发展作出贡献。
    煤制烯烃产业也面临着风险和挑战。煤制烯烃产业属于技术、资金和人才密集型产业,对企业的综合实力要求较高。核心技术甲醇制烯烃工艺尚无商业化实例,在项目建设和运行管理上没有现成经验可借鉴,在煤矿坑口发展煤制烯烃项目在水资源、城市依托等方面受到较大限制,煤制烯烃项目远离主要消费市场,产品运输成本较高。总的来说.我国发展煤制烯烃产业既有国家政策支持、原油价格高、下游需求良好、技术工艺成熟、经济优势明显等有利条件,也有投资规模巨大、煤炭产地水资源匮乏、产品远离消费市场等不利因素,但煤制烯烃项目的进展,将给其它有志于发展煤制烯烃产业的企业提供宝贵的经验,煤制烯烃也将成我国烯烃来源重要补充。
    煤炭的清洁转化已成为我国能源战略的重要内容,我国政府1994年就已经将煤炭的清洁转化和高效利用列入《中国2l世纪议程》,近年来又明确提出要稳步推进煤炭液化和煤制烯烃示范工程建设。据不完全统计,目前国内获准在建煤化工项目有30多项,这些项目将新增甲醇生产能力近1000万t/a、二甲醚340万t/a、烯烃110万t/a、煤制油248万t/a。我国以煤制油、煤化工、煤制氢和煤气化联合循环(IGCC)发电为代表的新型煤炭清洁转化产业正在形成。
3.2研制高效新型催化剂
甲醇制烯烃工艺开发主要集中在两个方面:
(1)改性SAPO一34分子筛催化剂的开发。重点开发选择性高、耐磨损、长期水热稳定的适用于流化床的MTO催化剂;
(2)甲醇制烯烃流化床工艺装置的开发。目前大连化物所制备的DO一123催化剂已经接近国际先进水平,只要在耐磨损强度等方面进行必要的完善,相信可以达到流化床反应器对催化剂的苛刻要求。
4煤制烯烃是在高油价下取代石油化工的方式
   煤制烯烃和石脑油裂解制烯烃技术路线相比较,在经济上的竞争力取决于甲醇的成本。如果在煤炭产地附近建设工厂,以廉价的煤炭为原料。通过大规模装置生产低成本的甲醇,再将甲醇转化成烯烃,经济上将具有很强的竞争能力。
    据某公司煤制烯烃项目可行性研究结果表明,当原料煤价格在100元/t左右,煤制甲醇的规模达到100万t/a以上时,可以将甲醇的完全生产成本控制在100美元/t以下。通过对以煤为原料(采用MTO工艺)与以石脑油为原料制取的聚乙烯、聚丙烯成本进行测算和比较表明,煤路线制取的聚烯烃成本比石脑油路线大约低400元/t左右。此外,煤路线制烯烃的成本中原料煤所占的比例小于20%,煤价的波动对经济性影响较小。
    可见.在目前的高油价背景下,我国一些企业采用煤制烯烃工艺路线的经济性是不言而喻的。

5发展煤制烯烃的外部条件

(1)布局。我国很多富煤地区离经济发达地区较远,而我国的特点是多煤的地方缺水、多水的地方缺煤,因此煤化工发展的规划布局一定要合理。富煤、水资源充足、交通便利,满足这三个条件的可以定为发展煤化工的首选地区。
    (2)
技术。如上所述MTO、MTP国内尚无成熟工业化技术。MTO技术专利商主要是UOP/Hydro公司。MTP专利商主要是德国的Lurgi公司。国内中科院大连化物所和北京清华大学的QMTP也在进行相关研究,并取得一定进展。我国对于自主煤化工技术的研发非常重视,过去几十年的研究积累对自主技术的研发起到了非常重要的推动作用,这些技术在国家资金以及企业投入等多方资金支持的情况下快速发展,但是同时面临着与国外先进技术的激烈竞争。
    (3)环境压力。目前,煤化工产生的传统污染物已经能够很好治理,如硫的排放控制、工业废渣的综合利用等,水资源是煤化工产业发展的重要制约因素,尽管在先进的煤化工技术中,水的循环利用率很高,然而煤化工一定会消耗水。
     在某些缺水地区大规模发展煤化工产业,会影响当地脆弱的水资源平衡。另外,作为高碳含量的化石能源,煤炭不论是作为能源直接燃烧利用或者是转化利用,二氧化碳的排放都是不可避免的。
    应引起注意值得庆幸的是,煤化工生产过程所产生的二氧化碳具有较高的纯度,这样比起从燃煤烟气中捕获二氧化碳使之浓缩再埋藏的成本要低很多。
    (4)能源利用效率。发展煤化工首先要有充足的煤炭资源做保障。我国煤炭资源总量较多。但达到一定勘查深度的储量却较少,与其他煤炭资源大国相比,有效供给不足、利用效率低。所以,有必要加大地质勘探力度,进一步提高煤炭的经济可利用资源量,同时提高能源利用效率。
    综上所述,在当前国际金融?;?,石油价格大起大落之际,我国发展煤化工最佳途径是,采取成熟的煤制烯烃技术生产丙、乙烯,减少石脑油的消耗和进口石油。从而做到无论油价如何变化,我国主要能源石油供求平衡都处于可控状态,同时也可减少外汇风险,提高国家能源安全。总之.从长远考虑.煤制烯烃是一个重要发展方向。
6对发展煤制烯烃的建议
    煤化工在短短几年内迅速升温,产业化呼声空前高涨,从中央到地方都在研究和部署今后5到l0年煤化工发展方向、战略重点和重大项目。特别是产煤地区已将发展煤炭深加工、构建煤化工基地或园区、延伸传统煤炭产业链,作为振兴地方经济的重大举措。发展或投资建设煤制烯烃及下游化工产品.应注意以下几点:
    (1)首先应编制科学合理的区域规划或企业发展战略规划,确定产业定位、发展方向、主导产业链、重点发展项目、所需外部配套条件、实施步骤和保证措施等。
    (2)根据煤资源(可否稳定持续供应)、水资源可否保证及其价格、可否获取价格尽可能低的资源、物流与运输要素对项目进行全面风险评估。
    (3)工艺技术选择应遵循成熟、可靠、煤种适应性强、能够长周期稳定运行原则,重视系统配置优化,而不是单元过程最优。鼓励采用清洁生产技术、节能节水技术和绿色化工生产技术。
    (4)由于能源重化工项目投资较大。建议采取合资合作建设模式。降低投资风险。合资各方以资源方、物流方、销售方、资金方和技术方模式为佳。
    (5)密切关注整个能源重化工产业景气周期的变化,准确选择建设时机。为降低投资风险,建议对大型能源重化工项目分期建设。

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