雙碳背景下的新型煤化工技術(shù)分析

牛志軍

（山西金象煤化工有限責(zé)任公司，山西 晉城 048100）

0 引言

在雙碳背景下，推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排成為當(dāng)前工業(yè)發(fā)展的主要方向。距離2030 年碳達(dá)峰目標(biāo)已經(jīng)十分接近，深入分析新型煤化工技術(shù)，優(yōu)化煤炭的使用路徑，提升煤炭的使用效率，是當(dāng)前我國煤化工應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注的問題。為了進(jìn)一步提升煤炭的使用效率，技術(shù)人員需要對現(xiàn)有新型煤化工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性分析，從而在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)目標(biāo)上，推進(jìn)我國煤化工產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1 雙碳背景下新型煤化工技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

新型煤化工技術(shù)本身屬于傳統(tǒng)煤化工技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，不僅保留了傳統(tǒng)煤化工技術(shù)的要點(diǎn)，同時做出了更新，進(jìn)一步提升了煤化工技術(shù)的清潔程度、融合程度和靈活程度。

1）關(guān)于清潔程度。新型煤化工的技術(shù)以清潔能源為主，比如石油氣、汽油、電力、熱力等，都在新型煤化工技術(shù)的使用范圍之內(nèi)，切實提升了清潔程度。

2）關(guān)于融合程度。煤化工技術(shù)本身屬于工業(yè)領(lǐng)域中必不可缺的一部分，而新型煤化工技術(shù)則具備發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)的作用，能夠在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對現(xiàn)有能源進(jìn)行開發(fā)，充分發(fā)揮煤炭資源的作用。

3）關(guān)于靈活程度。目前，煤炭資源的種類十分豐富，技術(shù)人員在利用煤炭資源的過程中，可以合理選擇自己需要的煤炭資源進(jìn)行使用。同時，在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員還能夠通過煤化工技術(shù)的集成以及煤化工技術(shù)自身具備的優(yōu)化作用，對煤炭資源的利用效率進(jìn)一步開發(fā)，確保在滿足生產(chǎn)的基礎(chǔ)上減少煤炭資源的消耗，有效降低成本，提升經(jīng)濟(jì)收益。

2 雙碳背景下新型煤化工技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 煤化工技術(shù)

2.1.1 煤焦化技術(shù)

在煤化工發(fā)展過程中，煤焦化產(chǎn)品十分重要，無論是焦?fàn)t煤氣、煤焦油亦或者焦炭，都屬于化工領(lǐng)域中的重要原料。其中焦炭是汽化和電石生產(chǎn)的重要原料之一，主要在鋼鐵冶煉和金屬鑄造中發(fā)揮自身作用。在對煤進(jìn)行干餾工作時，需要將煤做空氣隔絕處理，隨后對煤進(jìn)行加熱，使煤分解。干餾工作結(jié)束后，生成的黑灰色固體物質(zhì)就是焦炭，而產(chǎn)出的氣體則包含氫氣、乙烯、一氧化碳、甲烷等。同時還會產(chǎn)生黑褐色且粘稠的油狀物，即煤焦油。

煤焦化過程，大致可分為三個階段。第一個階段，即0～300 ℃之間，該階段中煤通常不會出現(xiàn)變化，但是能對煤做脫水工作以及脫氣工作。等到溫度升至300～600 ℃之間時，酶會發(fā)生分解反應(yīng)和解聚，并黏結(jié)成半焦。該階段中煤會產(chǎn)出焦油，以及部分氣體[1]。第3 個階段也就是600～1 000 ℃之間，半焦會逐漸向焦炭的形態(tài)轉(zhuǎn)變，這也是煤炭焦化技術(shù)的最終階段。具體見圖1。

2.1.2 煤液化技術(shù)

煤液化技術(shù)，主要是將煤炭的原料從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的過程，在該技術(shù)下，可以劃分為直接液化以及間接液化兩個過程。

一方面，關(guān)于直接液化。直接液化的典型工藝，主要包含煤的破碎和干燥、制備煤漿、加氫液化、固液分離、氣體凈化、產(chǎn)品分餾、產(chǎn)品精制等步驟。煤的直接液化工藝流程圖見圖2。

圖2 煤的直接液化工藝流程圖

另一方面，關(guān)于煤的間接液化。間接液化技術(shù)首先需要利用一氧化碳和氫制備出合成氣，隨后利用合成器，在保證一定溫度以及壓力的前提下，對烴類燃料油和化工原料進(jìn)行催化，從而得到液化煤。間接液化的典型工藝是F-T 合成法。即對現(xiàn)有反應(yīng)條件加以控制，并調(diào)整氫和一氧化碳的比值，隨后選擇性能較高的催化劑，生出烷經(jīng)和烯經(jīng)。

2.2 新型煤氣化技術(shù)

在新型煤氣化技術(shù)當(dāng)中，技術(shù)人員需要合理利用催化劑，對煤炭進(jìn)行催化。使用新型煤氣化技術(shù)時，由于化學(xué)反應(yīng)不同，生出的化合物和混合物也會發(fā)生變化，通常情況下甲醇和丁醇是最常見的物質(zhì)。

以甲醇為例，煤制甲醇主要包含氣化、變換、甲醇洗、甲醇精制4 個步驟。

1）關(guān)于氣化。氣化時，原料會在高壓氧與水的共同作用之下發(fā)生反應(yīng)，生成合成氣。在合成氣當(dāng)中，一氧化碳、二氧化碳、氫氣、水蒸汽都是常見氣體[2]，具體的反應(yīng)方程式是。在此過程中，反應(yīng)會在瞬間完成。

2）關(guān)于變換。過程較為簡單，即一氧化碳和水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。反應(yīng)方程式為

3）關(guān)于低溫甲醇洗。該過程中，主要以去除二氧化碳、硫化物等雜質(zhì)為主。

4）關(guān)于甲醇精制。合成氣在經(jīng)過凈化后，需要在氣體壓縮機(jī)當(dāng)中壓縮，隨后置入甲醇反應(yīng)器當(dāng)中，生產(chǎn)粗甲醇。最后，再利用精制器對粗甲醇進(jìn)行加工，能夠得到精制甲醇產(chǎn)品。

2.3 低碳烯烴合成技術(shù)

低碳烯烴的可行技術(shù)路線較多，主要包含4 種，分別是甲醇、二甲醚、合成氣、天然氣。詳細(xì)生產(chǎn)低碳烯烴的可行技術(shù)路線，見圖3。

圖3 生產(chǎn)低碳烯烴的可行技術(shù)路線

以甲醇制低碳烯烴為例，在甲醇制低碳烯烴的過程中，催化劑的選擇十分重要，技術(shù)人員必須選擇活性高的催化劑，才能滿足制備需求。當(dāng)前甲醇制低碳烯烴的最常用催化劑是磷酸硅鋁[3]，主要反應(yīng)公式為其中，n 的取值范圍應(yīng)當(dāng)在2 到8 之間。甲醇制低碳烯烴的合成工藝流程圖見圖4。

圖4 醇制低碳烯烴的合成工藝流程圖

在此過程中工作人員需要注意，甲醇制低碳烯烴的反應(yīng)溫度通常在325～425 ℃之間，如果溫度存在誤差，則可能導(dǎo)致制備效率降低。同時，反應(yīng)壓力也需要處于適當(dāng)?shù)奈恢茫^高或者過低的壓力都會使烯烴的制備效率有所下降，最合適的壓力應(yīng)當(dāng)為0.17 MPa。

2.4 合成氨技術(shù)

當(dāng)下隨著國內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，煤化工領(lǐng)域不斷進(jìn)步，合成氨技術(shù)不再是部分企業(yè)的專利，得到了廣泛應(yīng)用。在我國無論是使用煤或天然氣作為原材料，都能夠達(dá)到合成氨的目的[4]。在生產(chǎn)初期，工作人員需要對原料氣體進(jìn)行生產(chǎn)，將煤炭和焦炭作為主要原材料，通過物理方式生產(chǎn)原料氣體。合成氨的具體生產(chǎn)流程圖見圖5。

圖5 合成氨的具體生產(chǎn)流程圖

其中，氣化爐，燃燒層當(dāng)中碳會和空氣中的水蒸氣混合物相互產(chǎn)生作用，并產(chǎn)出半水煤氣，反應(yīng)方程式為在此過程中，n（CO+H2）∶n（N2）的比值應(yīng)當(dāng)不小于3.2。

3 結(jié)論

為了推進(jìn)雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)，合理利用新型煤化工技術(shù)，是煤化工領(lǐng)域中至關(guān)重要的內(nèi)容之一。新型煤化工技術(shù)能夠有效保證國家能源安全，并推進(jìn)當(dāng)?shù)貐^(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，從而在環(huán)保理念的引領(lǐng)下，幫助國家實現(xiàn)煤炭強(qiáng)國的目標(biāo)。工作人員在研究過程中，需要對新型煤氣化技術(shù)、合成氨技術(shù)、低碳烯烴合成技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)性探究，在保障生態(tài)環(huán)境安全的前提下，進(jìn)一步提升煤炭的使用效率，從而助力國家實現(xiàn)雙碳目標(biāo)。