煤化工技術的發展與新型煤化工技術研究

于文靜

（山東能源集團兗礦魯南化工有限公司，山東滕州 277599）

就目前來看，各國都將煤化工能源技術作為經濟發展戰略，通過大力發展能源技術，不僅能夠有效解決能源危機，還可以推動社會可持續發展進程。煤炭在我國儲備量巨大，但隨社會經濟快速發展，現有煤炭資源更加緊缺，需要在傳統的煤化工生產技術上進行不斷優化與完善，加強煤化工生產管控力度，促進煤化工生產節能減排化發展[1]。

1 煤化工技術常見種類

1.1 煤干餾

煤干餾技術就是將與空氣隔絕的煤加熱分解，是一種煤焦化形式。煤化工生產主要分為一次化工加工、二次化工加工以及深度化學加工。現有大部分煤化工產品如焦化產品、氣化產品、液化產品、電石乙炔產品無法被石油化工產品取代。

1.2 煤氣化

煤氣化技術主要就是對煤原料進行反復加熱處理，通過使用化學藥劑發生化學反應，使固體煤炭能夠轉化為氣體混合物。氣化劑主要包括水蒸氣、空氣、二氧化碳等，這些材料均可以與煤炭發生反應。不僅如此，煤炭通過熱分解后會生成二氧化碳、水蒸氣與烴類物質，這些物質也可以與熱煤發生均相反應。

結合氣化方法、氣化外在條件以及原料煤根本性質，氣化中的氣體組成差距也較大。結合煤氣爐內氣體生成特征，可以將每一層由上至下劃分為干燥層、干餾層以及氫化層等。在煤炭干燥與干流帶中，煤可以返到高溫加熱釋放出水分并蒸發。其他剩下的物質為焦炭，可以在還原帶中發生氧化反應，經過氣化后的煤性質不同，水分也存在較大差距。經過氣化反應后的煤還需要通過凈化加工生成化學品。

1.3 煤液化

煤液化反應主要就是將各類有機物轉化為流質液態，產生出能夠被應用在實際生產生活中的碳氫化合物，有效取代石油制品。煤液化具有巨大的發展前景與應用市場，通過發展煤液化技術，對推動我國煤化工行業高質高效發展意義重大。現階段煤化工技術可以分為直接液化技術、間接液化技術、溶劑精制煤工藝、供氫溶劑技術、氫煤氣技術多種方式。

直接液化技術主要就是在高溫及溶劑的催化劑作用下，確保煤炭能夠與氣態氫發生化學反應，從而增加煤炭中的氫含量，確保煤炭能夠轉化為液態。直接液化技術在20世紀初發明，后續科學家將硫化銅與硫化鎢作為催化劑，使煤炭液化又被細化分為了兩個階段，從根本上提升了生產效率，為推動煤化工行業發展奠定了堅實技術基礎。

間接液化技術主要就是將煤炭作為原材料，借助化學氫化反應生成二氧化碳以及氫氣混合物，然后將氣體借助催化劑的作用生成液態烴類產品。

溶劑精制煤工藝由20世紀60年代研發，是一種煤直接加氫液化工藝。在最初發展過程中，溶劑精制煤工藝主要用于開發以重質燃料油為主的煤液化轉化技術，節省催化劑，實際反應條件較為溫和。利用煤的黃鐵礦可以將煤轉化為低灰低硫常溫下的固體物質。后續通過對溶劑精制煤工藝進行不斷優化，增加了殘渣循環方法，通過減壓蒸餾方式推進煤炭固液分離，獲得常溫下的液體重質燃油[2]。

供氫溶劑技術在應用過程中，液化反應期間也不必加入催化劑，從而降低了煤礦物質對催化劑的毒害作用，有效延長了高性能活性催化劑使用壽命。相較于其他生產技術而言，供氫溶劑技術能夠從根本上提高溶劑的供氧能力。

氫煤化技術需要使用高活性催化劑，借助沸騰床反應裝置，從根本上提升液化轉化率，保障液相粗油質量，降低了雜原子含量[3]。

2 新型煤化工技術

2.1 甲醇生產技術

在早期甲醇生產環節，根本上提高生產期間的經濟效益，控制實際生產成本，主要將天然氣作為原材料。隨著天然氣儲量不斷減少，天然氣開采難度進一步提升，采用傳統生產技術的生產成本更高。甲醇生產原料從原有天然氣轉化為煤炭，開發出了煤制甲醇技術。

在甲醇生產過程中需要經過煤料氣化、水煤氣轉變、合成氣凈化、甲醇合成以及甲醇精餾等環節。相較于傳統天然氣制煤技術而言，煤制甲醇技術反應效率高，實際生產成本能夠得到根本上控制[4]。

2.2 新型煤氣化技術

傳統煤氣化技術主要分為固定床氣化技術、流化床氣化技術、氣流床氣化技術等。這些技術在實際應用期間存在較大的局限性。例如，在流化床氣化技術應用過程中，煤氣中通常含有大量的帶出物，帶出物質內部碳含量較高，碳轉化效率低。因此在新研發出的煤氣化技術中，需要使用不同批次催化劑對煤料首先開展均相與非均相化學處理，從而獲得多種化學物質與混合物質。為避免煤氣化生產期間經常出現冷卻器與飛灰過濾器故障問題，還可以使用新型的混合煤氣化技術，在傳統煤氣化廢鍋技術應用基礎上，配合膜式水冷壁技術、粉煤加壓氣化輸送技術、間歇性排渣進入替換氣冷卻裝置以及飛灰過濾裝置，從根本上提升煤氣化水平。

2.3 新型氨合成技術

新型氨合成技術在實際應用過程中，主要就是利用高溫高壓環境，直接在固體原料基礎上制取的合成氣。對粗原料進行凈化處理反應，而后開展一氧化碳轉變、脫碳脫硫以及氣體精制等環節，使實際生產過程中制取的碳氫混合氣體能夠被壓縮到高壓狀態。借助催化劑生成氨，將生成的氨應用在石油煉制、橡膠工藝生產過程中。在應用新型氨合成技術期間，還需要著重關注三廢處理工作。具體來說，三廢就是實際生產環節產生出的廢氣、廢水以及固體廢棄物。在廢渣處理過程中，可以配合使用重油萃取方式，提取污水內的重油碳黑漿，將黑漿作為鍋爐燃料。

為從根本上保障實際生產期間的安全性，還需要著重關注氨合成期間的一氧化碳、氨氣以及硫化氫濃度控制工作，配合使用專項可行的隔離保護技術手段，避免在實際生產期間出現環境污染問題，對實際生產期間的經濟效益與安全效益造成不利影響[5]。

2.4 烴化產物合成

現階段國家對煤化工技術發展研究工作更加關注，烯烴產物在煤化工生產中的分量日漸增加。當前化學工業發展對低碳烯烴材料的要求日漸提高，但實際生產供求關系矛盾日漸增大。通過開展煤化工新技術的研究工作，現有烴化產物合成技術又相繼研發出了甲醇制烯烴技術。

具體來說，在丙烯生產期間，以甲醇為原材料，對甲醇進行脫水處理，生成二甲醚、水混合物，而后轉化為低碳烯烴、甲醛等物質。由于甲醇能夠使用酶原料生成，能夠有效避免實際生產期間的原料浪費問題，從根本上提升產品生產環節的轉化效率，是現階段非石油生產丙烯與乙烯的重要技術手段。但就目前來看，該技術使用過程中還存在著較多亟待改進的空間。在我國煤炭資源豐富地區，通過使用甲醇制乙烯與丙烯技術，可以使丙烯與乙烯為代表的低碳烯烴類生產原料邁向多元化發展，有效緩解我國石油資源緊張問題，進一步提升低碳烯烴工業生產綜合效益，體現我國煤炭資源優勢轉化[6]。

另一種煤化工技術主要就是將煤炭作為原材料，在高溫高壓作用下發生甲烷脫氫反應，從而生成乙烯，此種反應的轉化效率高，生產出的產品純度良好，產品的選擇性高出70%，現階段也成為煤化工技術重要發展方向。

2.5 煤化工生產技術及設備的優化

現階段我國煤化工生產技術與設備逐漸趨向于自動化、智能化發展方向轉變，煤化工生產科學性日漸提升。但就目前來看，在煤化工生產環節存在一定的污染物質，對產品安全生產要求更為嚴格。為從根本上提高煤化工技術以及煤化工生產水平，增強煤化工綜合競爭力，企業會投入大量資金應用在煤化工生產設備以及處理零排放技術的研發過程中，從根本上控制實際生產期間的能耗量，有效降低生產成本，切實保障企業生產環節的經濟效益。為從根本上保障煤化工新型設備應用及回收效果，還需要配合使用更加完善的設備開發與回收體系，推動我國煤化工行業技術發展[7]。

3 煤化工技術發展必要性及發展要點

3.1 煤化工技術發展必要性

隨著城市化建設進程日漸加快，國民經濟水平進一步提升，石油需求量大幅增長，使得我國石油進口量也不斷提升。過于依賴石油進口會一定程度影響到我國經濟發展速率，因此國家及有關部門必須結合現有經濟發展背景，大力開發新型煤化工技術研發工作，充分發揮出新型煤化工技術在推動我國經濟發展中的重要作用，從根本上提升煤化工生產水平。

為積極響應國家可持續發展號召，配合生態環境保護工作，新型煤化工技術也應逐漸趨向于綠色環保化方向發展。具體來說，在煤化工生產環節，原料可以由干法處理向濕法處理轉變，最大限度控制原料處理期間的污染程度，降低生產環節的粉塵污染。傳統生產所用鍋爐可以由多噴嘴水煤漿氣化爐代替，從根本上提升碳轉化效率，控制有毒物質排放量，確保獲得的產品更為清潔，簡化廢渣處理流程。

當前我國煤化工產業就如何提高新型的化工技術進行了細致研究，對產品生產價值與附加值進一步優化，有效降低生產期間的污染物排放量，對促進煤炭行業健康、穩定與可持續發展意義重大。

在現階段新型煤化工技術發展過程中，需要注意我國天然氣與石油資源儲存量逐漸降低，應當在生產期間進一步提高各類資源利用率。甲醇是重要的化學原材料，需要著重優化甲醇生產，切實保障化工產品生產質量與效率。在甲醇生產期間可以提取出甲酸及草酸等，增強經濟效益。

加強各類技術的有機融合，配合使用化工聯產技術手段，確保各類煤化工技術能夠有機融合在一起，從根本上提升煤炭生產效果。在煤炭實際生產環節，使用提升多元化技術以及煤化工聯合生成技術，確保在化工生產能夠就設備運行故障以及突發性危險事件作出快速正確的應急反應，推動生產流程轉型，增強產品附加值。

著重研發水煤漿技術手段，水煤漿是新型燃料，具有良好的穩定性特征。在傳統燃煤運輸環節極容易出現粉塵污染、煤料燃燒過程中的燃燒不充分，產生出的能量難以滿足實際生產要求，更容易生成一氧化碳、二氧化碳等有害氣體。通過開展水煤漿運輸及儲存技術的研究，能夠有效提升煤料釋放能量，保障原料碳轉化效率，控制煤化工生產期間的環境污染程度，確保煤化工生產技術能夠更加符合現階段社會發展期間的綠色環保要求。

3.2 煤化工先進管控技術應用

當前我國煤化工行業處于快速發展階段，通過在投資前期與國內外知名公司及大學進行合作，開發出了更多先進控制技術，使煤化工各生產流程均得到了全面管控。

（1）先進控制技術在煤化工加熱爐中的應用。在煤化工行業中，加熱爐運行水平可直接影響到實際生產水平，需要在加熱爐管控中配合使用先進控制手段。如對加熱爐植入平衡進行現代化管控，確保加熱爐的熱效應及基礎原料不變，對加熱爐管道流量進行靈活調控，使加熱爐溫度數值處于合理狀態下。在溫度控制過程中，還應當有效規避管道溫度升溫情況，最大限度延長加熱爐運行壽命。對加熱爐的爐口溫度進行前饋控制，避免加熱爐在運行時被各類因素干擾。

對加熱爐的提降量進行控制，在爐內流量數據出現變化的情況下，應當配合使用先進控制技術手段，使加熱爐的流量處于恒定狀態，確保加熱爐始終處于最佳溫度。

（2）先進控制技術在煤化工分餾塔中的應用。分餾塔回流取熱環節使用先進控制技術，能夠更好實現分流塔取熱目標。借助預測控制手段，對協調層設計方案進行切實優化。掌握分餾塔各運行時間段的最熱化及最高取熱數值。在最高數值保持恒定的同時，使取熱必維持在標準區域內，對回流取熱進行全程管控，從根本上提升煤化工產品生產水平。

（3）先進控制技術在粗汽油干點與輕柴油傾點質量卡邊控制中的應用。在煤化工生產期間，粗汽油干點與輕汽油傾點卡邊質量控制工作主要采用神經元網絡控制技術。由于粗汽油干點與輕柴油傾點之間存在非線性關系，在二者對應溫度較高的情況下，質量點的具體數值也會較高。在對應油氣壓較高時，質量點的數值會相對下降。

（4）先進控制技術在原蒸餾塔優化及建模中的應用。原煤化工蒸餾塔模型采用平衡級模型構建手段，此種建模方式存在一定的特殊性。為從根本上保障原蒸餾塔優化及建模技術手段，還需要配合使用先進控制方式，對平衡級模型進行規范化處理。靈活使用不同方程組求解手段，控制不同求解方式的偏差情況[8]。

4 結束語

為有效解決傳統煤化工生產期間存在的各類問題，從根本上提升煤化工生產期間的經濟效益與生態效益，在現階段煤化工新型技術發展過程中，還需著重分析存在于傳統煤化工生產期間的各種問題，積極引進先進管理理念及控制手段，融合多類煤炭資源轉化技術形式，從根本上提升我國煤化工生產水平，加快煤化工產業發展進程。