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1、河 西 学 院Hexi University煤化工工艺学学 院: 化学化工学院 专 业:_ 化学工程与工艺 学 号: 2014210027 姓 名: 王伟 煤化工现状及其发展趋势1 引言我国能源结构特点是富煤贫油少气。虽然近年来新能源技术得到发展,但无法改变缺少油气资源的状况,因此,发展煤化工技术十分重要。煤化工技术是指通过化学过程,把煤转化为燃料、化工原料和化学产品的一种技术,主要分为热加工和催化加工,根据工艺条件的不同,可以生产出固-液-气3种形态的产品。煤不仅仅用作矿物能源,还可作为制备化工产品的原料,并且冶金用的焦炭、化工原料中的萘、蒽等多环化合物主要来源于煤化工。18世纪后半叶,为生
2、产冶金用焦和煤气,煤化工开始发展。1792年,苏格兰默多克干馏烟煤产生了煤气。18501860年,法国及欧洲其他国家相继建立了炼焦厂,19世纪形成完整的煤化工体系。中国第一座焦化厂是1925年在石家庄建设的。纳粹德国为了准备第二次世界大战,大规模推广了利用煤获得液态燃料的技术。1923年,费歇尔提出费托合成法。1931年,柏吉斯提出煤直接液化技术。近代以石油和天然气作为化工基础,减轻了煤化工的作用。而20世纪70年代,因为世界范围石油涨价,煤的产出更为丰富,使煤化工得到重视,促进了欧美等国对煤化工的研究,开发了一些新技术,其中已投入实际生产的大多在中国和南非。随着经济发展带来的对能源的需求增加
3、,使得现代新型煤化工得到重视和发展。由于传统炼焦产业产能开始过剩,故煤化工产业结构需要改变,新型煤化工产品,如烯烃、二甲醚、乙二醇等在化工方面应用广泛。发展新型煤化工产业不仅能更充分利用煤炭,而且能扩展煤炭的产业链,从而实现煤炭行业更健康的发展。1 发展现状按照煤化工目标产品类型的不同,可分为传统型煤化工和新型煤化工。传统型煤化工的产物主要用于农业、钢铁冶炼等行业。新型煤化工与传统型煤化工的区别在于产物销售的对象和生产过程的条件不同,新型煤化工同时生产化工行业基础原料,如天然气、油、烯烃、甲醇等。当该产品需求量很大时,可以使用价格便宜的褐煤作为制造原料,以改善煤炭的经济效益,保障资源的供给。在
4、我国的发展建设阶段,新型煤化工技术作为一种国家的战略技术储备得到了国家政策的支持。2015年4月27日,国家能源局发布煤炭清洁高效利用行动计划(20152020年)。该计划中提出的在今后5年内需要完成的几个主要目标中就有“现代煤化工产业化示范取得阶段性成果,形成更加完整的自主技术和装备体系”。按目前,煤化工技术所得产品可分为炼焦、煤气化和煤液化技术。1.1 炼焦炼焦是对于特定煤种的,其中有机质的结构是以芳香族稠环为主体,周围连接侧链和官能团的大分子,通过高温干馏(在隔绝空气条件下加热到1 000左右)。在加热过程中大分子受热分解,支链持续裂解。按照分子量从大到小,裂解所得的物质液态向气态转变,
5、熔点高的和剩余未裂解的大分子呈固态,相互渗透组成胶质体。在温度升高的过程中气态和液态逐渐消失,固体颗粒膨胀后收缩,产生内部有气孔和裂纹的焦炭。在加热过程中,炼焦煤发生热分解和结焦反应过程中,通常会得到焦炭、煤焦油、煤气等。炼焦生产行业是煤化工产业最为成熟、最为重要的行业之一。2010年,全国炼焦精煤统计产量60 792万t。对炼焦煤来说,其主要用途是加工成焦炭提供给钢铁行业作为生产原料。由市场的供需关系可知,现在炼焦煤的需求量和价格受焦炭和钢铁市场的影响,因此,钢铁和焦炭产业链的规模和盈亏状况会对炼焦煤的生产起导向作用。随着近年国家经济增涨速度的放缓,对钢材需求的增长逐渐减少,虽不利于炼焦产业
6、扩张,但有利于调整产业结构,淘汰落后产能。1.2 煤气化煤气化是在一定的温度和压力下,原料煤与氧化剂(包括空气、氧气、水蒸汽等)发生化学反应,原料煤中含有的有机结构断裂转变为气态的小分子的过程。这里的煤气是一种混合的可燃性气体,包括一氧化碳、氢气、甲烷和未参与反应的气体。煤气化过程中发生了复杂的多相物理化学反应,主要原料煤中固体炭与气体中各组分之间发生相互作用。在此过程中,煤先干燥脱去水分,然后高温干馏、热解得到气体,固体炭和二氧化碳间进行还原和氧化。通过煤气化,对原料煤中所有的有机质全部加以利用,从而可得到丰富的化学工业原料。从资源利用的角度来看,煤气化是将煤中无用的固体物质去除,并将煤炭中
7、的有机质转化为气体的过程,其产物可以作为工业燃料、城市煤气和化工原料。煤气化炉是煤气化过程的主要设备,包括移动床气化炉、沸腾床气化炉、气流床气化炉及熔融床气化炉。(1)移动床气化炉。气化过程是连续进行的,燃料从气化炉顶部进入、形成的灰渣从底部排出,燃料床层以缓慢的速度向下移动。(2)沸腾床气化炉。炉内有向上的气流,加大气流速率,颗粒之间的空隙开始增大,床层膨胀,气流速率增加到一定限度时,颗粒全部处于悬浮状态,颗粒留在床层内一定范围扰动但不脱离,此时床层的状况叫固体流态化,又称流化床。(3)气流床气化炉。与沸腾床气化炉相比,气流床气化炉气流速率更大,粒度较小的颗粒会被气流带出。(4)熔融床气化炉
8、。燃料和气体一起导入炉内,固气混合物与熔融的炉渣、金属或盐接触,发生气-固-液三相反应,使固体气化,产物气体由炉顶导出,液态灰渣则和熔融物一起溢流出气化炉。处于研究阶段的煤气化技术为催化气化,又称温和气化,是一种理想的概念设计。其目的是在催化剂作用下,降低气化反应所需的温度并提高气体产物中甲烷含量。现在已经有研究人员对纸浆黑液煤浆(CBLS)和水煤浆(CWS)进行气化研究,将纸浆黑液中的无机组分用作煤气化的催化剂。该催化气化技术存在一些问题需要进一步研究,如催化剂作用原理、碱金属腐蚀、催化剂回收等。1.3 煤液化通过煤液化可以得到液体燃料或者液体化工原料。分为直接液化和间接液化,区别在于是否有
9、中间产品。煤的直接液化是指原料煤在一定的温度、压力及催化剂的作用下,有机大分子链加氢裂化成小分子的液体烃类,并生成少量气体烃的过程。在此过程中,原料煤中所含的氮、氧和硫等被除去。直接液化对煤质的要求为:中等变质程度的煤种,挥发分37%,灰分10%,碳氢比越高越好,但要求氧的含量尽可能低,芳香度80%。直接液化的催化剂分2种:廉价且一次性使用的,主要为铁系催化剂;价格高、可重复使用的,如镍、钼、钴等。间接液化是在一定的温度和压力下,固体的原料煤产生H2和CO气体,该气体在催化剂、一定温度和压力作用下生成汽油。煤间接液化的一般步骤:(1)煤的气化;(2)合成气的转变;(3)粗合成气的转变;(4)合
10、成反应;(5)合成气的加工。我国的石油储备资源少于煤炭,地区间分布不平衡,石油的需求量随着经济的发展在增长。我国的资源储藏结构,使我国的能源始终依赖于煤炭。根据预测,我国对进口石油的依赖度,2020年将达50%,2030年将达到74%。中国神华煤制油化工有限公司现在拥有比较完善的直接液化技术。2008年底,该公司煤直接液化示范工程投入试生产,产量为100万t/a。2011-2013年,直接液化产出已实现盈利。煤间接液化关注于费托合成的反应温度,通常将反应温度300的称为高温煤间接液化工艺。低温煤间接液化采用固定床或浆态床反应器,高温煤间接液化采用流化床(循环流化床、固定流化床)反应器。应根据不
11、同煤种,采用不同气化方法,原料煤经分选后降低硫分和灰分可以获得更好的效果。2 发展趋势2.1 传统煤化工以炼焦产业为例,今后发展方向是焦炉大型化、大型联合钢铁企业中的焦化厂和以煤矿为依托的煤加工延伸产业链为标志的炼焦企业。应推广有较好节能效果,良好焦炭质量的干熄焦(CDQ)技术,淘汰严重浪费资源和污染环境的土焦(改良焦)和装备简陋的小机焦炉装备,应避免焦炉建设盲目重复扩张,而现有的批焦炭生产企业,在现在国家经济下行的状况下,将面临严峻的市场风险。优质炼焦煤资源的短缺将导致炼焦企业面临巨大的成本升高和盈利空间缩小的压力,一些焦化企业环保治理技术与装备水平仍较低,环境污染,资源浪费严重,未配套建设
12、除尘处理设施或已建成的除尘处理设施未能有效运行,小型和部分中型焦化厂煤气净化装置(主要是脱硫装置)不健全,焦炉煤气以及产生的焦化外排废水不经回收和处理直接外排,资源浪费、环境污染问题严重。巨大产量的炼焦行业曾为我们提供了数亿立方米的焦炉煤气资源,今后应充分发挥炼焦煤气具有丰富的氢资源和较高热值的优势,使炼焦煤气资源化利用成为未来焦化生产新的经济增长点,钢铁联合企业还可以实现企业煤气资源的整合,进行循环联合发电和用于高炉喷吹等,从而充分利用炼焦过程中产生的煤气。2.2 多联产把煤气化作为基础,对煤炭资源充分利用的“多联产系统”是由美国“Vision21能源系统”提出的。该系统以煤气化为基础,把氢
13、能、电力和生产得到的化工品为目标产物。生产系统是为了实现CO2的隔离近零排放的环境友好型系统,是作为21世纪新兴发展的高效、洁净煤基化工能源系统。如果该系统可以推广应用,则不但可以充分利用煤炭中所有可用的资源,而且可以实现经济收益的最大化,建设环境友好型工业体系。2.3 资源制约煤化工发展 煤化工对特定质量的煤炭需求量大,除此之外,水作为关系到民生的重要资源同样也是煤炭分选和煤化工所必须的,但我国水资源缺乏且分布不平衡。长江流域及其以南地区国土面积只占全国的36.5%,其水资源量占全国的81%;淮河流域及其以北地区的国土面积占全国的63.5%,其水资源量仅占全国水资源总量的19%。煤炭资源的地
14、理分布极不平衡,北多南少,西多东少,其中部分煤炭储量丰富的地区水资源缺乏,如果不考虑对水资源的消耗,强行在缺水富煤的地区建设煤化工装置对环境的危害是巨大的。同时有关方面制定现代煤化工的规模必须达到煤制油1 000 kt/a、煤制烯烃600 kt/a、煤制天然气40亿m/a。这样的决定是史无前例的单厂大规模装置,需要大量的质量稳定的煤炭资源,这种巨量的资源很难通过市场上几个公司来进行提供。3 结语通过煤化工工艺学的学习和对煤化工论文的设计让我了解煤化工工艺基本原理、重要工艺过程、设备的构造及工程设计基本内容，初步掌握化工工艺设计的主要程序及方法，锻炼和提高学生综合运用理论知识和技能的能力、收集和
15、查阅文献资料的能力、分析和解决工程实际问题的能力、独立工作和创新能力；培养学生能综合运用所学理论知识和所掌握的各种技能，通过独立思考和锐意创新，在规定的时间内完成指定的化工工艺的设计任务，并通过设计说明书及设计图形式正确表述。煤化工处在面临选择的重要时期,一方面技术需要发展并实际应用,另一方面煤炭行业的不景气和环境压力导致相关行业发展停滞。对现有的技术进行改进,发展以“煤气化”为基础的现代煤化工产业,在环境优先的前提下,开创新的发展之路,应优先进行示范厂区的建设,对合适的经营方式进行探索,不要片面追求大规模高产量。只有在煤炭的清洁高效转化和利用技术上有所突破,才算得上是真正的新型煤化工,才能被称为是我国工业发展的重要组成部分。参考文献1王基铭.中国煤化工发展现状及对石油化工的影响J.当代石油石化,2010(6):1-6.2倪维斗,陈贞,李政.我国能源现状及某些重要战略对策J.中国能源,2008,30(12):5-9.3祁新萍.我国煤化工发展现状及前景J.化学工程与装备,2013(1):142-143.4黄文辉,杨起,唐修义,等.中国炼焦煤资源分布特点与深部资源潜力分析J.中国煤炭地质,2010,22(5):1-6.5吴治国,煤气化原理及其技术发展方向J.石
