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          煤炭企業發展煤化工若干問題的探討
          作者: 來源: 日期:2010-01-25 00:00:00.0 瀏覽量:3139

          杜銘華 徐振剛

          (煤炭科學研究總院北京煤化工研究分院,北京市朝陽區,100013)

            摘 要 〖HTK〗認為煤基汽油、柴油、航空煤油和石油化工替代產品具有較大的市場需求,甲醇、二甲醚也有一定的市場空間,焦炭市場正處于旺盛時期;大型煤液化示范工程應注重各種風險的克服和規避;發展煤化工聯產技術有利于提高項目的整體經濟性和抗風險能力。

            關鍵詞 煤化工 技術 經濟 問題探討 煤炭企業

            策劃人語:發展煤化工是促進煤炭企業可持續發展的重要途徑。目前煤制油項目,煤制甲醇、二甲醚等項目在煤炭企業已蓬勃開展。為讓讀者更多地了解煤化工項目在煤炭企業的發展現狀、產品前景及其需注意的主要問題,借鑒成功發展煤化工企業的經驗,我們組織了這期專題,旨在推進煤化工產業的健康發展。

            目前煤炭企業發展煤化工的技術路線和產品方向主要有:以生產發動機燃料油和其它化工品為主的煤直接液化和間接液化,以生產含氧燃料為主的煤氣化合成甲醇與二甲醚,以生產焦炭為主的煤焦化等。在煤化工項目策劃、前期研究以及工程實施過程中,產品取向與市場定位、技術選擇與資金籌措、企業經濟效益與工程配套條件等均是普遍受到關注的問題,有的問題對項目可行性具有重要影響。

            1 關于煤液化技術路線與工程項目進展

            1.1 煤直接液化

            煤直接液化技術和工藝研究已列入國家“863”高科技發展計劃。在直接液化催化劑方面,煤科總院北京煤化工研究分院建成了高分散催化劑的連續制備試驗線,成功獲得納米級催化劑產品,并于100kg/d直接液化連續試驗裝置上進行了煤直接液化試驗。結果表明:與普通超細粉碎天然礦物催化劑相比,該催化劑加入量僅約3/4,液化油收率就能提高約4%(干煤基)。在液化工藝方面,結合神華集團100萬t煤直接液化示范工程的技術路線優化試驗研究,基本形成“神華煤直接液化新工藝”,正在建設的每天處理6t煤的PDU試驗裝置將對該工藝作進一步開發驗證,并作為國內第1條煤直接液化工業示范生產線的技術基礎。

            神華集團于2003年成立煤制油公司,完成了對示范工程基礎設計的審查和論證,對煤直接液化百萬噸級示范工程進度進行了調整,目前正在加緊進行工程技術基礎的進一步優化研究、設計和工程前期準備工作,預計到2007年完成第1條示范生產線的建設并投入試運行。第1條生產線的建設和投產將對神華集團乃至我國煤直接液化的產業化發展起到至關重要的示范和促進作用。

            1.2 煤間接液化

            煤間接液化技術與工藝開發也得到了國家“863”高科技發展計劃的支持。中科院山西煤化所于2001年建成每年生產1000t產品的漿態床合成油試驗裝置和配套的催化劑制備裝置,2002~2003年進行了多次連續運行試驗,并得到合格的合成產品,在工藝開發、催化劑研制、運行條件優化及自動控制等多方面取得了一些重要成果。

            兗礦集團在實驗室開發研究的基礎上,于2003年下半年開始建設每年生產萬t級合成油的開發裝置和配套催化劑制備裝置,預計2004年建成并投入試驗運行。

            神華集團、寧夏煤業集團分別在建設每年生產320萬t產品的間接液化商業化工廠的工程前期研究方面取得進展,2個項目均擬以引進國外成熟的大型合成油技術為主,主要產品為發動機燃料油和石油化工替代產品。目前,2個項目均在進行工程前期的技術與商務談判準備工作,預計于2008~2010年前完成項目建設。

            2 煤化工產品取向及其市場前景

            2.1 發動機燃料油   發動機燃料油主要指汽油、柴油和航空煤油。2002年我國進口石油中,原油約占87%,汽油和柴油為凈出口,航空煤油和燃料油為凈進口,2003年我國油品凈進口超過1億t。

            交通運輸是石油的主要消耗部門,國內2000年公路運輸消費汽油4410萬t、柴油1970萬t,鐵路柴油消費499萬t,民航油耗494萬t。今后20年,交通運輸的能源消費將快速增長,且主要以汽油、柴油、航空煤油為主(預計到2020年占交通能耗的95%以上)。預計到2020年,汽油、柴油、航空煤油需求量達到2.1~2.9億t,約為2000年的2.4~3.4倍,占到石油總消費量的50%以上,其中民航的航空煤油需求量將是2000年的8~12倍(達4000~6000萬t)。汽油、柴油、航空煤油等發動機用油將成為石油短缺的主要因素,國內市場發展的需求量巨大。

            2.2 乙烯、丙烯類產品

            目前我國石油化工產品的進口量占需求量的60%以上,乙烯、丙烯是生產聚乙烯和聚丙烯或其它聚合物的化工原料。近年來,國內聚乙烯、聚丙烯消費的增長速度大于產量增長的速度,進口量呈不斷增長趨勢。2003年乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、氯乙烯、苯乙烯等凈進口量合計達1071.5萬t,丙烯、聚丙烯凈進口量合計294.8萬t,總計達1366.3萬t。

            預計到2005年,我國乙烯當量消費量將達到1760萬t/a,同期乙烯生產能力將達到830萬t/a;2010年乙烯當量消費量將達到2400~2500萬t/a,乙烯當量石化產品仍然短缺;到2020年,我國石化產品需求的年增長率仍至少達7.2%。專家認為,我國未來對乙烯的需求量巨大,受原材料短缺制約,開發新技術和通過發展煤化工增加乙烯產量十分重要。“九五”期間丙烯的消費量年均增長率高達18.2%。預計今后10年仍維持這種增長勢頭。聚丙烯是丙烯最重要的下游產品,消費增長速度大于產量增長速度,自給率基本在50%~60%之間。預測2005年我國聚丙烯需求量為580萬t,2010年為785萬t,屆時仍將出現供不應求的局面。

            通過煤直接液化和間接液化得到的石腦油是制取乙烯的優質原料,間接液化產品中還可直接和間接得到占合成產品一定比例的丙烯,該類產品的未來市場需求量都很大。通過煤液化獲得乙烯、丙烯或制取乙烯、丙烯的原料,不僅與獲得發動機燃料油同樣具有替代石油及石化產品的重要意義,而且具有較好的經濟效益。

            2.3 甲醇、二甲醚產品

            表1為近年來我國甲醇的供需狀況??梢?,甲醇的產量、消費量及進口量均增長較快,2002年進口量達到180萬t。2003年我國甲醇進口量為140萬t。預計到2010年,國內甲醇需求量分別為:基本有機化工原料方面200萬t/a以上,精細化工和高分子化工原料方面約80萬t/a,發動機燃料方面達200萬t以上,生產甲醇蛋白100萬t/a??紤]到甲醇作為替代燃料的應用和基本化工合成的發展,預計需求量將達800~1000萬t/a。到2020年,甲醇需求量預計達5000萬t左右。

            表1 我國甲醇供需情況(略)

            目前,國內二甲醚的生產能力約為3萬t/a。近年來考慮二甲醚代用LPG和發動機燃料使用,正在開發一步法合成二甲醚技術,有的企業正在建設和規劃建設二甲醚生產線,總能力估計在200萬t/a以上。二甲醚作為替代能源使用的前景受到關注,如替代LPG作為罐裝民用燃料,用作燃氣輪機燃料,分布式供電、供熱燃料,替代柴油,其它化工原料等,有的利用方向尚在進一步研究之中。

            表2 我國LPG產量、貿易及消費狀況(略)

            表2是近年來我國LPG的生產、貿易及消費狀況。

            可見,LPG產量逐年有較大幅度增長,凈進口量大約在200~600萬t/a之間波動,但總趨勢是上升,預計今后我國LPG需求量還將進一步增長。二甲醚作為LPG的替代品將有較大的市場空間。

            2.4 焦炭產品

            我國焦炭產量于1997年達到1.39億t,1998~2000年在每年1.2~1.3億t徘徊,2002年產量回升,2003年市場出現貨源緊張、價格上升的形勢,估計產量超過1.4億t。同時,2003年有大量新建機械化焦化廠開工建設或投入生產。國內焦炭市場需求與鋼鐵工業發展緊密相關,預計在2006年以前,市場需求將會維持在較高水平。

            我國焦炭出口近十幾年一直呈上升趨勢,是國際焦炭貿易中最主要的供應國。2003年國內需求增加價格上升對焦炭出口起到抑制作用。預計今后出口量還會逐步增加,主要市場在北美、歐洲及日本。

            3 煤制油技術及其產品質量

            3.1 煤直接液化

            從20世紀70~90年代中期,國外開發并建設了100~600t/d級較大規模工業試驗裝置的代表性工藝是:德國IGOR工藝、美國H-Coal工藝和日本NEDOL工藝,有的還完成了建設商業化工廠的可行性研究和基礎設計。近年來,由于世界石油資源、市場供應基本相對穩定,同時考慮經濟性等問題,國外研究開發工作逐步放緩或停止,部分相對成熟的技術處于封存和儲備狀態。

            我國從70年代末開始煤直接液化技術研究,已對上百個煤種進行了煤直接液化研究,對數十個煤種進行了0.1t/d連續裝置的直接液化運轉試驗,開發出了納米級高分散煤直接液化專用催化劑,并在實驗室成功地將煤液化粗油加工成合格的汽油、柴油和航空煤油。目前,具有自主知識產權的中國煤直接液化技術已完成基礎研究,正在工程化開發之中。

            煤直接液化粗油中石腦油餾分約占15%~30%,且芳烴含量較高,加氫后的石腦油餾分經過較緩和的重整即可得到高辛烷值汽油和豐富的芳烴原料,汽油產品的辛烷值、芳烴含量等主要指標均符合相關標準(GB17930-1999),硫含量大大低于標準值(≤0.08%),是合格的優質潔凈燃料。中油約占全部直接液化油的50%~60%,芳烴含量高達70%以上,經深度加氫后可獲得合格柴油。重油餾分一般占液化粗油的10%~20%,有的工藝該餾分很少,由于雜原子、瀝青烯含量較高,加工較困難,可以作為爐窯燃料油使用。煤液化中油和重油混合經加氫裂化可以制取汽油,并在加氫裂化前進行深度加氫以除去其中的雜原子及金屬鹽。

            日本在50桶/d規模中試裝置上進行液化粗油的提質加工運轉結果表明:經過二次加氫的柴油十六烷值可達42,催化重整后汽油的辛烷值可達90(ROM)以上。德國有關研究機構對云南先鋒煤試驗研究的結果是:油收率可達53%,液化油中S、N含量很低,石腦油餾分可以直接作為重整原料用于生產高辛烷值汽油,柴油餾分的十六烷值達到48.8,滿足柴油標準要求。

            國內對依蘭煤液化粗油在2L加氫反應器裝置上進行了柴油以上餾分加氫裂化,得到的柴油十六烷值可達50,汽油辛烷值為70。神華煤液化油中的石腦油餾分的硫含量小于0.5ppm、氮含量小于0.7ppm,可脫除部分芳烴后加工成合格汽油,也可以作為乙烯原料出售;柴油餾分中硫含量1~2ppm 、氮含量0.4~11ppm,加工后可獲得十六烷值達到45的合格柴油。

            3.2 煤間接液化

           

            我國在20世紀50~60年代初曾在錦州運行了規模達到5萬t/a的煤基合成油廠,80年代開始恢復煤間接液化技術的研發,于90年代完成了2000t/a規模的煤基合成汽油工業實驗。 近年來,中科院山西煤化所針對新型漿態床合成反應器、共沉淀鐵系催化劑制備等進行了放大開發試驗,于2002年建成1000t/a中試裝置,并進行了多次運行實驗,取得初步研究成果。

            在技術開發的同時,國內有關煤炭企業針對引進成熟技術、建設煤間接液化工廠做了大量的工程前期工作 。寧夏煤業集團、神華集團就建設煤間接液化商業化示范工廠進行了煤種評價試驗和建廠預可行性研究,并就引進技術、投融資、立項等做了大量前期工作。

            煤間接液化分為高溫合成與低溫合成2類工藝。高溫合成得到的主要產品有石腦油、丙烯、α-烯烴和C14~C18烷烴等,這些產品可以用作生產石化替代產品的原料,如石腦油餾分制取乙烯、α-烯烴制取高級洗滌劑等,也可以加工成汽油、柴油等優質發動機燃料。低溫合成〖JP2〗的主要產品是柴油、航空煤油、蠟和LPG等。煤間接液化制得的柴油十六烷值可高達70,是優質的柴油調兌產品。表3為我國西北地區某間接液化工程項目擬考慮的產品方案。

            4 關于技術成熟度及其經濟性

            4.1 煤直接液化

            總體上講煤直接液化技術是成熟的。神華集團首次進行世界上煤直接液化新工藝商業化示范生產線建設,其風險主要集中在大規模工程化開發中,如主工藝與輔助工藝的集成配套性,關鍵工藝(如油煤漿預熱、催化加氫反應等)的科學、合理設計,關鍵設備(煤漿泵、減壓閥等)的連續穩定運行等工程問題。這些問題的解決需要在工程基礎設計、工程設計、關鍵設備性能及備用配置、安全滿負荷運行和特殊操作等全過程中逐步進行深入研究和技術攻關,才能規避風險,取得工程經驗。這些問題的解決與任何一個大型天然氣化工、石油化工的工程開發一樣,需要在基礎工作、工程設計、設備選型、開車運行等全過程的探索中逐步進行深入研究和技術攻關。

          表3 煤間接液化的產品構成(略)

            初步研究結果表明:建設1座年產油品100萬t的煤直接液化項目,工程建設總投資約需70~100億元人民幣,全投資財務內部收益率為12%~14%,投資回收期為9~11年,成品油生產成本為1500~1800元/t,具有較好的經濟效益。如果國際原油價格在23~28美元/桶之間波動,我國建設煤直接液化商業化工廠將有一定的獲利空間。

            4.2 煤間接液化

            煤間接液化技術國外一直有大規模工業化生產廠在運行。因此,引進關鍵技術在我國建設商業化生產廠的技術風險很小。

            煤間接液化t/a產品投資約為7000~9000元人民幣,消耗煤炭約是直接液化的1.2~1.4倍,全投資財務內部收益率為11%~13%,投資回收期為10~12年;成品油與化學品的平均生產成本約為1600~2000元/t。目前,如果采用以生產石油化工替代產品為主的高溫合成工藝,工廠的經濟效益會優于低溫合成工藝。

            4.3 甲醇與二甲醚

            國內中小型甲醇合成工業化技術成熟,國外60萬t/a或以上規模的大型合成工業化技術也是成熟的,可通過引進關鍵技術與設備進行項目建設。

            二步法合成二甲醚的工業化技術是成熟的,一步法合成技術正在開發之中。寧夏擬引進一步法合成二甲醚新技術建設示范工程(一條生產線20萬t/a)的前期工作正在進行中。

            甲醇是合成多種化工品的原料,也可以作汽油摻混燃料。近年來,國內甲醇價格較高,建設煤基甲醇商業化生產廠有較大的利潤空間。

            4.4 焦炭

            2003年國內煉焦煤價格大幅度上漲,但受焦炭價格飚升的拉動,煉焦工廠仍然有良好的經濟效益。今后煉焦工廠的利潤空間將取決于煉焦原料煤和焦炭產品價格的變化。有專家認為:數年后國內優質煉焦煤短缺問題將會更加突出,價格也會維持在較高水平,而焦炭價格受市場影響,會對焦化廠的經濟效益形成一定壓力。

            5 煤炭企業發展煤化工需注意的幾個問題

            5.1 煤炭液化

            無論是引進技術還是自主開發,建設煤直接液化或間接液化工廠都需要國內有大量技術配套方面的研究和工程再開發工作。另外一次性投資較大也是共有的特點,因此,現階段國家部署在少數條件合適的企業和地區進行的工程化和商業化示范項目,可以在技術開發、工程化推進以及商業化運作等方面積累豐富的經驗,為今后大規模產業化發展奠定扎實的基礎。同時開發具有自主知識產權的煤液化技術也是當前和未來幾十年產業化持續發展的客觀需求。

            我國煤炭資源豐富,適合于煤直接液化和間接液化的煤種很多,在一些大型礦區和煤炭基地發展煤制油產業的潛力很大,有必要在適當的情況下進行項目前期研究并進行總體規劃。

           目前,國內擬建的煤液化項目多采取跨行業(如煤炭與石油、電力、化工等)、多元化聯合投資和多渠道融資的方式解決資金籌措問題,這應是今后煤液化項目建設的發展方向。

            5.2 甲醇和二甲醚合成

            目前,國內已經建設或擬建設的甲醇生產項目很多,據不完全統計,新上項目的總生產能力不低于1000萬t/a。國外的研究認為:甲醇和二甲醚作為代用發動機燃料(不是少量摻燒),到達用戶的全成本大于煤基合成油(煤間接液化),同時二甲醚代替柴油也有相關技術問題需要進一步研究。因此今后新建甲醇、二甲醚工程項目應充分重視市場需求和供求變化。

            5.3 煤炭焦化

            新建煤炭焦化工程項目應立足煤炭企業原料煤特點,采用大型焦爐和能夠提高焦炭質量的先進技術以及必要的環保技術,以應對未來優質煉焦煤不足、焦炭市場變化和日益嚴格的環保政策帶來的更加激烈的競爭。

            5.4 煤化工多聯產

            煤液化,煤基甲醇、二甲醚,煤炭焦化等煤化工技術在單元工藝(如煤氣化和氣體凈化)、中間產物(如合成氣、氫氣)、目標產品等方面具有很大的互補性。研究表明:將不同的工藝(包括產品再加工,如甲醇制取醋酸等)進行優化組合實現多聯產,并與尾氣發電、廢渣利用等形成綜合聯產,有利于降低工程項目的建設投資及目標產品的平均生產成本,提高整體項目的經濟性和抗風險能力。因此,多聯產是煤炭企業今后發展大型煤化工-能源綜合產業的技術方向。

          (本文第一作者為煤科總院煤化工分院院長,博士研究員)

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