中国现代煤化工复盘 前瞻
教授级高工，曾任中国石化集团兰州设计院副总工程师、中国石化集团宁波工程有限公司副总工程师、中科合成油工程有限公司技术顾问
1我国现代煤化工的发展处于十字路口
如何我国现代煤化工，是目前大家讨论比较多得问题，现在的形势有几个特征：
逢煤必化，投资几千亿的煤化工项目在没有批准的情况下同时开展。未来部分产品的产量将会严重过剩。自2013年开始至今年初,据统计,包括中石化等诸多能源大佬的煤化工项目总投资约达5000亿元,共计22个煤化工项目,获得国家发改委准许开展前期工作的“路条”。而各地上报发改委欲获得“路条“的煤化工项目达104个,总投资额估计在2万亿元左右。
一部分现代煤化工项目运行不佳，只有极少数项目能够达到设计产能。有的亏损严重。
不少煤化工项目污染严重，媒体曝光后人民群众对此不满。
众多能源集团纷纷自愿撤离,包括以大唐为代表的电力集团,还有以中海油为代表的石油石化集团等,更让人关注的是,还有很多项目因缺水而被迫停工。
最近国家发改委发布的“西部地区鼓励类产业目录”中没有煤化工项目，这给煤化工的发展泼了一盆冷水。因此，我国现代煤化工的发展处于十字路口。
图1 煤化工处于十字路口
2我国现代煤化工的发展曾经辉煌
(1)总体发展曾经辉煌
经过几十年的艰苦努力，在'十一五’和'十二五’期间，我国化学工业从以焦炭、合成氨等传统煤化工向以煤为原料的现代煤化工转变，取得了巨大的成绩。
这些成绩主要表现在多种煤气化、低温甲醇洗净化、费托合成单元(F-T)、甲醇制低碳烯烃 (MTO) 、煤直接加氢等单元技术方面等关键技术方面实现了重大突破，取得了一批具有重大意义自主知识产权的成果；设备制造实现四化(国产化、大型化、现场化、成套化)等关键技术方面实现了重大突破；从而导致了煤制油、煤制烯烃、煤制天然气、煤制甲醇、煤制乙二醇等五大成套工艺装置大批建立，部分成套工艺技术已经成熟、示范厂达到设计能力；甲醇制汽油、煤制低碳醇、煤制芳烃、甲醇经醋酸制乙醇等工业化示范试验有良好进展，现代煤化工的技术水平总体上处于国际领先地位。
(2)什么叫技术成熟？
投资者需要了解：判断技术成熟的标志是什么？
化学工业的技术必须做到“安全、稳定、长周期、满负荷”地运行。
安全：包括生产安全、环境安全。
稳定：生产自动化控制，没有大的起伏，不能开开停停。
长周期：每年8000小时运行，可以有备用设备。
满负荷：小时产能为设计值的100%左右，并达到年度的设计能力。
是否优化？不一定。我们要对现在的工艺不断进行技术改造、不断进行技术进步，在能效、产品成本、投资、环境治理方面不断提高。因此，优化是无止境的，在没有做到“安全、稳定、长周期、满负荷”地运行之前，一开始就要求优化是不合理的。
(3)现代煤化工的分项成就，成套工艺技术方面：
(a)煤制油
煤制油分直接液化和间接液化工艺，直接液化是煤加氢变成液化油，然后分离出柴油、石脑油和液化气。间接液化是煤经过气化成合成气，在经过费托合成过程得到油品，然后分离出柴油、石脑油和液化气。他们的区别在于产品的性能有一定的区别。
已经有3个间接液化煤制油装置投产，其中伊泰年产16万吨煤制油装置是截止2013年底唯一的达到设计能力的现代煤化工装置，2013年产量为18.16万吨油品，并且有盈利。这个厂已经达到“安全、稳定、长周期、满负荷”地运行，工艺过程'五脏俱全’，标志着我国间接液化煤制油技术已经成熟。
正在建设的的有9套间接液化的煤制油装置，总共产能为1450万吨/年，见表1，其中兖矿在榆林的装置即将开车。在建装置中大部分已经得到发改委的路条，但是尚未批准。
表1 在建间接液化装置
目前已经投产的神华煤直接液化项目，设计能力见表2。其中，煤制氢装置采用壳牌粉煤加压气化+废热锅炉技术,由2条投煤量为2000t/d、生产能力为 31.3t/ｄ的纯氢生产线组成。
表2 直接液化项目设计能力
这套装置从研发到投入生产，国内有关单位做出了巨大的努力，2009年整个项目累计运行时间仅61天生产油品6.5万吨，目前生产能力达到设计值的82％左右，见表2，基本上是成功的。
(b)煤制烯烃
已经有9个煤制烯烃装置投产，见表3，其中神华包头年产60万吨煤制油装置今年将达到设计能力装置，并且从2013年开始就有盈利。目前有几十套装置正在建设，各地建设的热情很高。
表3 已经投产的MTO-MTP项目
(c)煤制天然气
已经有4个煤制天然气装置投产或即将投产，非常遗憾的是内蒙克什克旗的装置今年开车的时候出了一点事故，影响不好。由于用鲁奇炉气化，污水处理比较困难，因此，国内对煤制天然气装置的建设产生怀疑，信心受到影响。
十二五期间计划开工的煤制天然气项目，包括已经批准建设和发改委给出路条的项目共14个，见表4。
表4 十二五期间开工的煤制天然气项目
14个项目的总投资约为5500亿元(不包括管道在内)，耗水约为4.7亿吨，耗煤约为2.7亿吨。
也许还会有其它项目开工，但这14个项目全部完成投产并能达到年产能，估计最早在2020年。届时，全国天然气总量约为3500-4000Nm3/a。煤制天然气只能是矿物天然气的补充，代价很大。
(d)煤制乙二醇
中科院福建物结所近30年的不懈努力，采用草酸酯氧化偶联法制取乙二醇，开发了偶联和加氢催化剂，并先后进行了300t级和1万吨级的合成工艺试验。
一个年产20万吨(8*2.5万吨)煤制乙二醇示范项目由福建物构所、上海金煤化工新技术有限公司等多方合作建设，该装置总投资22亿元，于2009年底建成投产，装置至今没有达标。
与此同时，国内乙二醇的科研比较活跃，有多套实验装置正在建设和开始运行，见表5。新疆天业5万吨级示范项目，去年达到近90%的开工率。
目前没有一个装置已经达到设计能力，尚不具备大规模推广的条件。但是目前在建的装置很多，总能力至少达到500万吨，2015年有大批装置投产。
表5 国内乙二醇的科研状况
(e)煤制芳烃
甲醇制芳烃起源于上世纪八十年代新西兰成功工业化的甲醇制汽油(MTG)工艺，经过催化剂的调整和反应床层形式的改变，达到产物中芳烃含量最大化和能够持续运行的目的。
目前国内有两个成果，一个是固定床转化技术，另一个是流化床技术，它们的反应产物中都可以得到75％左右的芳烃、25％的液化气和干气。基本上都是3t甲醇制取1t烃产物。
用不同的催化剂和不同的反应条件，试验得到的产物芳烃是一组复制的混合物。针对具体的催化剂，反应的产物不同，后续的分离工艺也不同。为了建立一个合理的煤制芳烃工业装置，这就需要加重工业试验的分量，需要消耗一定的时间。
煤制芳烃是现代煤化工中期望的第五种工艺，如果能够成功，将对化学工业产生较大的影响。目前正在工业化试验中，是处于大规模工业化成功的前夜。
(4)单元技术方面的成就
(a)煤气化
国内煤气化技术的开发已经进入实际应用阶段，多喷嘴水煤浆、航天炉是典型的代表，多喷嘴水煤浆已经有36台投入运行，规模最大的有3000吨/d，合同已经有103台，是国内煤气化开发成功的代表。
(b)低温甲醇洗
国内大连理工大学提供工艺，由原化工部各设计院设计，已经建成几十套低温甲醇洗装置，上海国际化建公司开发了半贫液流程，均已经工业化成功并正常运转。
(c)费托合成单元(F-T)
国内开发的费托合成也有30多年的历史，山西煤化所采用铁基催化剂，已经建成3个年产16万吨的装置，伊泰合成油厂2013年产量为18.16万吨，达到设计能力。兖矿研究所采用钴基催化剂，即将在陕西榆林投产1个年产100万吨的装置。
(d)甲醇制低碳烯烃 (MTO)
中科院大连化物所研究甲醇制烯烃也有30多年的历史，采用SAPO-34催化剂，神华集团在包头建成1个年产60万吨烯烃装置，采用洛阳工程公司的设计，2010年投产，该厂2013年产量为54.5万吨，预计2014年达到设计产能。
(5)设备制造四化
(a)国产化
起始于上世纪80年代的化工装备国产化，经过20多年的努力已经实现，目前，现代煤化工的主要非标设备，几乎完全国内自己制造，国外引进技术的关键设备，也已经基本上实现国产化。
(b)大型化
单台设备重量在千吨以上，已经能够制造并且运行良好，例如神华直接液化的煤直接加氢反应器，单重2250吨，已经运行6年。目前设计的费托合成50万吨/a反应器，重量约为2000-3000吨左右，即将运行。
(c)现场化
单台超大型设备在现场加工制造，已经成为现代煤化工设备制造的主要手段，不用为公路、桥梁的承载能力而发愁。
(d)成套化
从煤到产品的全套装置，包括大型空分等单元装置，也已经能够成套地在国内建造。
这就是我们几代煤化工人所取得的成就。
3煤化工的发展遇到什么问题
(1)环境问题-污水处理和CO2排放
理论上，工厂的设计中已经把三废处理得天衣无缝，实际上并不完善。其中最主要的是废气的排放和处理不尽的污水排放，是造成影响环境的主要罪魁祸首。
以煤制天然气为例，废气的处理量很大，例如，一个年产40亿m3/的煤制天然气项目，排放废气的量很大，见表6。
表6 年产40亿m3/a 的煤制天然气项目排放量
用另外一个数据来描述，即在该装置中消耗掉的(原料+燃料+电)中，每年排放到空气中的的CO2 (100%)量约达到600亿Nm3左右。目前除了发展森林外，没有更好的实用办法消除它们。
污水的处理难度比较大，目前的工艺中采用鲁奇炉，煤中的轻质组分在气化过程中转化为焦油、酚、氨、烷烃类、芳香烃类、杂环类、氨氮和氰、砒啶、烷基吡啶等物质与煤气同时产生。在随后的煤气洗涤、冷却、净化过程中，上述物质中的绝大部分进入煤气水中。经过酚氨回收后的煤气冷凝水需采用物化+多级生化处理的工艺进行处理。考虑到循环系统日积月累，其杂质或盐份将逐渐增高，因此仍需要排出一部分污水送多效蒸发浓缩处理。但实际上，鉴于经多效蒸发浓缩处理后的浓液采用焚烧方式处理，将消耗大量能源，从节能减排角度考虑，将其送蒸发塘，见图3。
图3 鲁奇炉煤气化污水处理图
工业废弃物约有600吨/a，见表7，都要填埋处理。
表7 鲁奇炉煤制气工业废弃物
显然，煤制天然气的污染是客观存在的，其中废气和污水问题是最严重的。
(2)优先发展问题-能源和化工谁优先？
在煤化工优先发展什么产品问题上，国内学者有不同主张，主要是：一部分人主张发展化工产品，例如甲醇、烯烃、芳烃，二甲醚，DMM3-8等，另一部分人主张发展能源产品，例如煤制油、煤制气等。这个问题的争论已经影响到国家的决策。14亿人口的大国，究竟最需要什么，最难解决什么？这个问题真是难以搞清吗？
实际执行的结果是，化工得到了优先，2013年基本化工产品过剩，而能源大量缺口，见表8、表9。
表8 2013年基本化工产品过剩
表9 2013年我国天然气和原油产量和进口量
(3)布局问题-逢煤必化
部分地方政府为发展地方经济，积极推动煤炭就地转化利用，在对煤炭资源、市场和环境考虑不充分的情况下，积极规划和强制要求必须在开发煤炭的同时，配套建设大型煤化工项目，这就是逢煤必化现象。
逢煤必化是当前煤化工的过热发展的根源，是一种不健康的发展模式，如果任其发展，就会引起行业产能过剩。
(4)示范厂的推广工作无序
煤化工在一种没有长远目标规划的情况下，无序推广。表现在：
有一些技术在成功后很难推广，阻力很大，如煤制油；
有一些技术在基本成功后飞速推广而没有总量控制，如煤制烯烃；
有一些技术在示范没有成功的情况下，提前推广，如乙二醇；
有一些技术在没有示范的情况下，高速推广，如煤制气；
有一些技术有国际成功先例的情况下，在国内被不正常的商业活动排斥而无法推广，如甲醇制汽油。
显然，这是一种急功近利的行为。
(5)规模问题-史无前例的单厂大规模装置
有关方面制定现代煤化工的规模必须达到：煤制油100万吨/a，煤制烯烃60万吨/a，煤制天然气40亿标米/a。这样的决定是史无前例的单厂大规模装置，是顺从化学工业发展规律的？
建设多大规模的装置最合适？以煤制油为例：
煤制油装置规模多大才合适问题，曾经引起业界的争论。现在16万t/a的示范厂，相当于43万t/a的合成氨厂，规模已经不小了。但是在炼油行业专家建议、煤代油思维和视南非Sadol合成油厂为榜样的影响下，有关部门曾经决策规定新建煤制油装置的规模要在300万t/a以上，后又改为100万t/a以上，这种做法对煤制油的发展起了不利的影响。
煤制油是化工厂不是炼油厂，它不能像炼油工业一样一步到位建设年产几千万吨的大厂。煤制油几百万吨级的厂，对炼油来说是小厂，对化工来说是超级大厂，一个540万t/a煤制油的超级大厂，相当于1450万t/a的合成氨厂，煤气化的规模浩大，污染治理很困难，在建设中困难极大，运行系统也很复杂，没有一二十年难以达到设计能力。
煤制乙二醇厂20万吨就可以建设，它相当于9万吨的煤制油厂，为什么这样小的装置就可以建了？如果我们在条件(原料、水资源、交通、环境容量等)合适的地方，建设16-50万t/a的装置，规模不算小、经济上合算、解决地方用油问题，却不可以，这显然不合理。
(6)水资源不能满足要求
我国的煤炭资源与水资源呈逆向分布，煤炭资源丰富的地区，往往是资源匮乏。
我国昆仑山—秦岭—大别山一线以北地区的煤炭资源占全国的90.13%，以南地区只占9.7%；而我国水资源分布也以昆仑山—秦岭—大别山一线为界，以南水资源丰富，占78.6%，以北水资源短缺，只占21.4%。其中，晋陕蒙宁四个地区的煤炭资源占有量为已查明的资源储量的67%，甘青新川渝黔占20%，其他地区仅占13%，晋陕蒙宁四个地区的水资源仅占全国水资源的3.85%。
规划中的黄河中下游煤化工基地就位于陕蒙宁交界处，这里显然属于严重缺水地区，在这里发展煤化工必然会挤占农业、生态用水、恶化生态环境，危及环境安全。
曾经一个几百万吨的煤制油项目欲落户榆林市的一个县,但因为用水指标达不到这么大规模,最终县政府将所有煤化工用水指标全给了该项目,才最终成行。
现代煤化工遇到的问题十分严重，这给我们敲响了警钟，要科学发展，要可持续发展！
4我国现代煤化工可以适度辉煌
(1)高度关注环境影响
目前，煤化工对环境影响问题被大家关注，就煤气化而言，有的技术污染大，如固定床，有的技术污染小，如气流床特别是水煤浆，要优先采用对环境影响小的技术。解决污水问题，应该采用尽量少产生污水或不产生污水的技术，其次才是采用怎样处理污水的技术。
(2)突破技术瓶颈-科技创新
①加大科学研究投入
《2012年全国科技经费投入统计公报》显示，2012年，我国研究与试验发展经费投入首次突破万亿元大关。中国科研费用规模排在世界第三，见表10，与美国和日本比尚有不足，提高科研的投入是绝对必须和正确的。
表10 全国科技经费投入统计
②科研要开启开创性的课题
我们的科研要摆脱传统的思维，尽量不要重复别人的课题，开创出一条新的道路来。这里，笔者提出3个课题来抛砖引玉。
(a)褐煤制浆
我国的褐煤资源比较丰富，约占全国煤炭储量的13%，其中含水约占30—40%，挥发成分大于40%。利用褐煤作为煤化工的原料，始终是一个比较麻烦的问题。目前推荐的办法是采用鲁奇炉，这在煤制天然气的项目中被认定采用，原因是鲁奇炉出口的气体中甲烷的含量达到8—10%。可以减少甲烷合成的负荷。但是，这个技术同时带来了许多麻烦，主要是煤气化炉出口气体中有机副产品如酚、焦油等的处理比较困难，在后续工艺中造成污水数量大和难以处理。
我们需要转变一个观念，就是不要追求煤气化出口的高甲烷含量。在后续工艺中，甲烷合成负荷大一些是成熟的工艺，能够回收热量，损失有限，而污水处理的难度远大于甲烷合成的难度，投资也是污水处理远大于甲烷合成。因此，如果我们能够将褐煤制成水煤浆，用水煤浆气化的办法来生成合成气，不仅技术成熟，而且污染可以明显降低，不出现有机副产品如酚、焦油等，使煤制气的工艺简单化，不仅可以降低投资，只是稍微提高甲烷的成本，但比进口的天然气便宜多了。因此，褐煤制浆是一个重大课题。
目前褐煤制浆的问题在于成浆浓度低，大约在50%左右，不同的褐煤情况也不一样，国内正在进行的研究有深度研磨、改善添加剂、添加油品等办法，这方面的研究是有发展前途的。
(b)鲁奇炉的改进
笔者主张改进鲁奇炉。BGL是改进鲁奇炉的一个办法，但是效果并不很理想，污水是减少了，但是没有消灭，整体技术还没有成熟。
如果在鲁奇炉后面加一个二段炉，进一步部分氧化，将焦油、酚、甲烷烧掉，变成合成气、在后续工艺中再合成甲烷，污染严重的问题也就解决了。总的投资可以明显下降，能耗不会增加很多。气化技术采用两段的情况不是独创，天然气转化就是这样。国内有这个专利，为什么不可以建研究装置？
(c)半焦制浆
分质利用是煤化工科学家百年来的梦想，将煤中的气、水、焦油和半焦分离出来，分别利用。从技术上来说，分质利用有三大难题，半焦气化是其中之一。
有人认为在实验室中将半焦磨成浆，将水焦浆投入气化炉就大功告成。其实，难点就在后一步。你能做到这个气化炉“安全、稳定、长周期、满负荷”吗？这个问题也许不这么简单、需要数据、需要研究。这是一个很好的课题。
③保护知识产权是极其重要的问题
部分企业不理解知识产权，想不出钱得到技术；侵犯知识产权是打击科研，也是打击国家的发展；不交流，重复的低级科研，是严重的浪费；企业需要的是发展，不是专利；
总之，现在不是什么项目能投资、什么项目不能投资的问题，而是要在技术创新方面作出新的布局，推行以'洁净煤气化’为先导的现代煤化工，在环境优先的前提下，开创新的发展之路，煤化工热潮或将在几年之内适度辉煌。
希望企业家们积极投资、鼓励科学家承担高难新课题，从而鼓舞我国广大科研人员的创造性；也希望煤化工科学家们要投身到技术创新中去，做别人没有做的课题，开创新的天地！