|
走近煤化工产业
徐卫初 酒钢集团公司战略规划委员会
酒钢在嘉峪关本部建设煤化工项目的前期工作已经开展了一段时间，有关项目的实施方案及实施步骤正处于研究论证阶段。本期《走近煤化工产业》，将对化工、煤化工以及我们可能建设的煤化工项目作简单介绍，以飨读者。
煤化工与钢铁企业的发展始终相伴而行，不过，钢铁企业的职工对煤化工的关注度不高，所以说，身在钢铁企业的职工对于煤化工的概念既熟悉又陌生。说熟悉，是因为所有长流程的钢铁联合企业都有焦化厂，炼焦本身就是传统煤化工的一个重要组成部分；说陌生，是因为煤化工还有许许多多完全不同于炼焦生产的工艺，且工艺复杂程度远大于炼焦。
一个大型企业集团的多元化发展方向选择是至关重要的。当环境对发展某种产业的各种利好条件聚集到一定程度的时候，开展煤化工产业将是一种重要的选择。
一、走近化工
化工企业的生产过程，用最通俗的语言可以这样概括：化工原料经过一个个特定的化学反应过程，最终获得人们所期待的目标产品。所有化学反应过程，或吸收大量的外部能量、或释放大量的化学能量，以期完成我们所期待的化学反应过程。关于化工的分类方式有很多，以碳为界的分类可分为无机化工和有机化工两大类。一般而言，无机化工为无碳化工和只含一个碳的化工总称；有机化工产品的主要构成为碳和氢，也可以说碳氢化合物化工或碳水化合物化工。一个碳的化工跨无机化工和有机化工两界同时研究。
无机化工是无机化学工业的简称。无机化工以天然资源和工业副产物为原料，生产硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等无机酸，以及纯碱、烧碱、合成氨、化肥、无机盐等化工产品。广义上也包括无机非金属材料和精细无机化学品，如陶瓷、无机颜料等生产。概括起来描述无机化工，一般泛指“三酸两碱”。无机化工主要产品多为用途广泛的基本化工原料。除无机盐品种繁多外，其他无机化工产品品种不多。
有机化工是有机化学工业的简称，又称有机合成工业，是以石油、天然气、煤等为基础原料，主要生产各种有机原料的工业。基本有机化工产品的用途可概括为三个主要方面：
1.生产合成橡胶、合成纤维、塑料和其他高分子化工产品的原料，即聚合反应的单体；
2.其他有机化学工业，包括精细化工产品的原料；
3.按产品所具性质用于某些直接消费，例如用作溶剂、冷冻剂、防冻剂、载热体、气体吸收剂，以及直接用于医药的麻醉剂、消毒剂等。
化工厂的生产过程与我们熟悉的冶金行业相比，特点鲜明。
化学工程靠仪表说话。在化工厂，车间之间依靠衡器计量的地方很少，反应釜、废热锅炉以及各种塔器之间都是由管道连接，固相物流很少，如果有，一般只有入厂固体原料或出厂的固体产品。因此，化工仪表的运行完好状态及仪表的精准度与企业的经济效益密切相关。
化学工程“三只眼”，紧盯温度、压力和流量。温度、压力和流量是化工厂生产操作过程的三大控制要素。在化工生产过程中的所有能量转换都是靠着三要素来实现控制的。所有技术规程的形成都是围绕有效调节温度、压力和流量来实现预期目标。
化工厂的着色。在化工厂，纵横交错的管道是化工厂架在管廊上的一道风景，工艺过程的复杂程度决定管线的多少，管廊上的管线少则几条，多达几十条，层层叠叠，即便你是化工厂的技术人员，也很难分清管线里的物料走向，于是行业就规范了着色标准，一般来说：黄色管线走的是压缩空气、绿色管线走的是冷却水、黑色管线走的是原料液、红色管线走的是不同等级的蒸汽。这几种着色在化工行业是通用的。
跑冒滴漏有说法。在化工厂，跑冒滴漏说的是一种约定俗成的特指：跑料、冒气（汽）、滴水、漏油。跑料是指原料管线发生泄漏，冒气表明气体管线存在漏点，滴水是指走水的管线出现了漏点、漏油是指润滑系统出现的一个问题。因此，对于化工厂而言，治理跑冒滴漏是一项长期的工作，无论哪种情况的存在，都必将导致工厂的经济效益损失。
化工的产业链。化工的产业链或长或短，与钢铁行业比较，钢铁的产业链相对固定，短流程的电炉炼钢可以只有炼钢和轧钢，长流程需要走完“采、选、烧、铁、钢、材”几个环节，产业链延伸空间十分有限。而化工行业的产业链也是可长可短，短的可以很短，一个环节便可完成，长的则可以很长。钢铁行业的主要产品一般是固相物理形态，粗分类为“板、管、型、丝”四大类。化工行业的产品气、液、固相都有，产品分类也更为复杂。
化学合成与聚合。合成化学是以得到一种或多种产物为目的而进行的一系列化学反应。聚合是有机化学和高分子化学的重要术语，指单体小分子通过相互连接成为链状大分子，甚至非常大的分子，一般分子量达到5000以上，甚至可以达到几千万。就化工厂而言，合成的技术门槛较聚合相对要低，一些先进的聚合技术为少数工厂所掌握。
催化剂。在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率（既能提高也能降低），而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质叫催化剂（也叫触媒）。催化剂自身的组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化，一种催化剂并非对所有的化学反应都有催化作用。催化剂参与化学反应过程，但不构成产品实体，催化剂的反应机理很复杂，而我们更关心的是原料的初始状态和产品的最终状态，因此作为化工厂来说，催化剂经历了什么样的反应过程则不必关心。一般来说，催化剂都可以再生、也都有寿命周期，因此催化剂的选择就显得十分重要。
化工讲求连续运行。生产线的连续运行时间对于化工企业来说尤为重要。有一个极端的说法：所有化工厂只要没有足够的连续运行时间，就一定亏损；反之，只要连续运行时间足够长，想不赚钱都难。因为，化工装置只要达到一定的生产规模，全部都是双回路的一类负荷。一些像合成氨的合成塔，由于开停工费用很高，还需要配置第三路安全负荷——停工发电机组，这是在双回路同时出现故障不能供电的时候自动起机的发电装置，供出的电力可以满足安全停产的电力需要，否则，强行停产的后果是主设备报废，恢复生产的过程接近于新建。
二、认识煤化工产业
煤化工。顾名思义，以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体产品的过程。主要包括煤的气化、液化、干馏，以及焦油加工和电石乙炔化工等。
在认识煤化工之前，有必要首先认识煤。煤炭种类有很多，分类口径不同就有不同的分类方式。在中国，从低变质程度的褐煤到高变质程度的无烟煤都有储量。按中国的煤种分类，中国的地质资源中，炼焦煤类约占27．65%，非炼焦煤类约占72．35%。前者包括气煤、肥煤、主焦煤、瘦煤、其他为未分牌号的煤（占0．55%）；后者包括无烟煤、贫煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤、褐煤、天然焦、未分牌号煤和牌号不清的煤（占1．06%）。
煤化工到底能做什么？这是人们最为关心的一个问题。就当前的技术水平，一个碳或两个碳的所有产品煤化工都能做。但是，发展煤化工是需要具备许多外部条件的。按照技术诞生的先后，煤化工产业可分为传统煤化工和新型煤化工（也有现代煤化工的说法）。
传统煤化工
传统煤化工主要有三条路径：
1.煤—电石—聚氯乙烯（PVC）
2.煤—焦炭—化工产品（主要指苯、煤焦油及其精制产品）
3.煤—合成氨—尿素
以上三条路线甚至可以理解为是传统煤化工的全部内容。
煤—电石—聚氯乙烯（PVC）的基本工艺
PVC可通过以石油为原料的乙烯法实现，乙烯法生产PVC工艺当属传统工艺或主流工艺，工艺过程相对于电石法要短，全球约75%的生产能力采用的是乙烯法；PVC还可以通过以煤、石灰石和原盐为原料的电石法实现。煤炭经过干馏获得兰炭（也称半焦），兰炭与石灰石经过煅烧形成的生石灰反应获得电石，电石与水反应生成乙炔作为PVC的第一种原料；原盐（氯化钠）经过电解获得氯气，然后与氢气反应生成氯化氢（盐酸）作为PVC的第二种原料；主反应由乙炔和氯化氢反应生成氯乙烯，再通过聚合反应获得目标产品PVC（聚氯乙烯）。由于工艺路线较长，过程中还产生煤焦油、干馏气、电石渣、烧碱（氢氧化钠）等多种有价值副产品，因为原料条件的限制，中国的PVC产能约77%采用的是电石法。
煤—焦炭—化工产品的基本工艺
这条工艺线路是我们所熟悉的，原料主体为炼焦煤。炼焦煤在焦炉中经过高温裂化，主产品为焦炭，同时产生焦炉煤气、粗苯和煤焦油三种初级产品，如果生产规模不大或者业主没有其他投资意向，粗苯和焦油可以作为商品投放市场；如果达到一定的生产规模，粗苯可以通过进一步加工，分馏产生纯苯、甲苯、二甲苯等苯精制产品，焦油可以通过独立车间精制生产粗酚、工业萘、洗油、蒽油和沥青等。
煤—合成氨—尿素的基本工艺
合成氨的原料是洁净氢气和高纯度的氮气。煤经过汽化炉汽化后产生水煤气，经过脱硫、变换（将水煤气中的一氧化碳变为二氧化碳）、脱碳（去除二氧化碳）、甲烷化等一系列处理，获得洁净的原料氢气，和经过空分过来的氮气，在合成塔中在催化剂的作用下完成氨的合成，氨气和脱碳过来的二氧化碳反应生成最终产品尿素（氮肥的一种）。
合成氨还可以通过其他工艺生产氯化铵、碳酸氢铵（业内也称碳铵）、硫酸铵等化肥，由于尿素较其他氮肥的生产规模要大，工艺技术更先进，所以业内称尿素生产为大氮肥（也叫大化肥），以碳酸氢铵为代表的其它化肥（这里指氮肥）为小氮肥（也叫小化肥）。
新型煤化工
新型煤化工通常指煤制油、煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃、煤制乙二醇等等。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油气、乙烯原料、聚丙烯原料、甲醇、二甲醚以及煤化工独具优势的特有化工产品（芳香烃类产品）。新型煤化工产业技术复杂，资源消耗量大，三废排放多，投资强度高。为稳步推进新型煤化工产业的发展，“十二五” 期间，国家对于新型煤化工产业的布局仍以升级示范为主要内容，其升级示范内容包括关键技术的进一步优化、单元技术的优化集成、关键装备的国产化等，新的示范项目均将承担不同的示范任务，并且要求在能耗、水耗、能源转化效率以及三废减排上有一定程度进步。
新型煤化工与传统煤化工不同，新型煤化工将形成具有中国特色的煤炭—能源化工新产业，是我国煤炭工业结构调整、实现可持续发展的战略方向。新型煤化工是指以洁净能源和化学品为目标产品， 应用煤转化高新技术，建成未来新兴煤炭—能源化工产业；结合煤炭资源开发和煤炭生产建设的发展，建成若干大型产业基地或基地群。新型煤化工是煤炭工业调整产业结构，走新型工业化道路的战略方向。
新型煤化工的特点
1.以清洁能源为主要产品。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工产品为主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油气、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲醚〉、电力、热力等，以及煤化工独具优势的特有化工产品，如芳香烃类产品，产出的这些化工产品的经济效益好。
2.煤炭—能源化工一体化。新型煤化工是未来中国能源技术发展的战略方向，紧密依托于煤炭资源的开发，并与其他能源、化工技术结合，形成煤炭—能源化工一体化的新兴产业。
3.高新技术及优化集成。新型煤化工根据煤种、煤质特点及目标产品不同，采用不同煤转化高新技术，并在能源梯级利用、产品结构方面对不同工艺优化集成，提高整体经济效益，如煤焦化—煤直接液化联产、煤焦化—化工合成联产、煤气化合成—电力联产、煤层气开发与化工利用、煤化工与矿物加工联产等。同时，新型煤化工产业的综合利用效果好，可推动现代煤化工技术在高起点上迅速发展多元化产业。
4.建设大型企业和产业基地。新型煤化工发展将以建设大型企业为主，包括采用大型反应器和建设大型现代化单元工厂，如百万吨级以上的煤直接液化、煤间接液化工厂以及大型联产系统等。
在建设大型企业的基础上，形成新型煤化工产业基地及基地群。每个产业基地包括若干不同的大型工厂，相近的几个基地组成基地群，成为国内新的重要能源产业。
5.有效利用煤炭资源。新型煤化工注重煤的洁净、高效利用，如高硫煤或高活性低变质煤作化工原料煤，在一个工厂用不同的技术加工不同煤种并使各种技术得到集成和互补，使各种煤炭达到物尽其用，充分发挥煤种、煤质特点，实现不同质量煤炭资源的合理、有效利用。新型煤化工强化对副产煤气、合成尾气、煤气化及燃烧灰渣等废物和余能的利用。
6.经济效益最大化。通过建设大型工厂，应用高新技术，发挥资源与价格优势，资源优化配置，技术优化集成，资源、能源的高效合理利用等措施，减少工程建设的资金投入，降低生产成本，提高综合经济效益。
7.环境友好。通过资源的充分利用及污染的集中治理，达到减少污染物排放，实现环境友好。
8.人力资源得到发挥。通过新型煤化工产业建设，带动煤炭开采业及其加工业、运输业、建筑业、装备制造业、服务业等发展，扩大就业，充分发挥我国人力资源丰富的优势。
建设新型煤化工基地需要具备的必要条件
大自然给予人类的资源分布一般规律是：煤炭资源丰富的地区缺水，水资源丰富的地区缺煤。倘或真的有某个地方多煤富水，那么这个地方就一定是建设新型煤化工基地的世外桃源。而新型煤化工基地耗水量大的客观因素存在，决定了必须选择水资源相对丰富的地区建厂；从经济性出发，建设新型煤化工基地最好选择距离煤炭资源最近的地方，因为运输成本的高低直接决定着工厂生存能力。所以，新型煤化工基地建设的最重要的外部条件是：水多、煤近。
煤化工产业与人力资源
煤化工产业的对人力资源的需求和我们所熟悉的钢铁企业一样，对员工的基本素质有较高要求，主要工艺技术人员为化工工艺的专业技术人员，同时需要很多如机械、电器、仪表及自动化、化检验、计算机控制、给排水等相关专业技术人员。对岗位操作人员及其他辅助岗位员工没有特殊要求。只要专业技术人员和管理人员到位，具有基本从业条件的人员，经过必要的岗位培训，都可以胜任工作。在煤化工的工厂内部，由于固体物流转移很少，绝大多数操作人员是面对仪表工作的，在早期，操作人员直接对阀门进行控制较为频繁，在计算机工业化应用十分广泛的今天，工人对阀门直接操作的使命更多地为计算机控制系统所取代。
三、关于煤化工的产业选择
分析各种条件因素，嘉峪关有多年的工业基础；嘉峪关水资源的基本条件具备建设千万吨级新型煤化工基地的需求；嘉峪关作为疆煤东进的枢纽地位独特；更为重要的是，临近哈密的煤炭开采产业崛起为酒钢在嘉峪关地区建设新型煤化工基地创造了很好条件。因此酒钢开始步入煤化工产业作为一种战略选择，在主业板块成长空间受限的时候，也许是历史的必然。
煤炭分质利用及焦油加氢精制技术，和酒钢现有产业的融合度高：煤气可以得到有效利用，提质煤可以作为电厂、烧结、高炉喷吹以及铁合金燃料，除主要油品投放市场外沥青可以作为碳素原料、尾油虽然量少依然有作为炭黑原料的可能。原料进来以后，约95%的产出都可以不出城就地消化。
工艺技术
1.干馏
煤干馏是煤化工的重要过程之一。指煤在隔绝空气条件下加热、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程。按加热终温的不同，可分为三种：900—1100℃为高温干馏，即焦化；700—900℃为中温干馏；500—600℃为低温干馏（见煤低温干馏）。煤经过高温干馏获得的固相产品为焦炭，中低温干馏获得的固相产品为兰炭（也称半焦），焦炭和兰炭的主要区别在于焦炭中基本不含有挥发分，而兰炭则含有10%左右的挥发分。不同的干馏温度所产生的气相及液相产品也存在差异。煤的干馏属于化学变化
相对于高温干馏而言，煤的中低温干馏技术历史较短，最早的内热式直立炉技术财富点为兰炭，起源于陕北榆林地区，最早的外热式直立炉技术财富点为煤气，大同城市煤气公司最早建设（已经弃用），后来还有许多其他煤干馏技术陆续出现，大部分都是以油品为财富点，我们最关注的是西安三瑞公司的回转窑技术，这些技术投入工业化生产的很少，在建的较多，大有成为趋势的迹象。此外，国内外还有一些其他类似技术，如DG固体热载体技术、LCC(LFC)技术、柯林斯达带式炉技术、北京神雾旋转床技术等。
2.制氢
制氢技术很成熟，当前制氢技术都是有制氢设备制造厂家直接提供。
干馏煤气含有20—30%的H2，焦炉煤气H2含量更是高达55—60%，通常采用变压吸附技术制氢（PSA），相对于水电解制氢，PAS工艺技术成熟可靠、工艺简单、运行成本低、操作弹性范围大、投资小和维修方便，H2纯度高（99.9%以上），是国内煤气制氢的主导工艺。由于干馏煤气中还含有CH4、CO等组分，还可以采用水蒸气转化或氧气部分氧化技术将CH4、CO变换为H2，提高制氢的产率。变压吸附制氢技术原理：利用吸附剂对气体混合物中不同组分具有不同的吸附特性，通过改变操作条件完成组分的吸附和解吸，从而实现煤气中H2组分的分离和提纯。酒钢目前有两套PAS焦炉煤气制氢装置，生产运行稳定。
3.焦油加氢
焦油加氢技术的历史有半个多世纪，在计划经济行业壁垒森严的年代，广泛应用于石油行业，十多年前才在黑龙江的哈气化厂第一次经过移植应用于煤焦油（高温煤焦油）加氢，生产规模为年处理煤焦油5万吨。
目前国内投产的焦油加氢装置共计五套，其中高温焦油加氢一套，低温焦油加氢四套。分别为黑龙江七台河宝泰龙公司10万吨高温焦油加氢装置，哈尔滨气化厂5万吨高温煤焦油加氢装置，陕西神木天元50万吨低温煤焦油加氢装置，陕西神木富油12万吨低温煤焦油加氢装置，庆华公司10万吨低温煤焦油加氢装置。其中以神木天元和神木富油工艺最有代表性，庆华公司工艺与神木天元基本一致。
神木天元煤焦油加氢工艺，先对煤焦油进行预处理，将煤焦油按馏程分为轻质组分（干点小于460℃）和重质组分（460℃以后部分），轻质组分占煤焦油的80%左右，这部分作为加氢制燃料油的原料，重质组分占煤焦油的20%左右，这部分采用延迟焦化工艺生产延迟焦，也可以作为产品直接销售。轻质组分经加氢处理后生产轻质化1号油（柴油添加剂）和轻质化2号油（汽油添加剂）。神木天元煤焦油加氢工艺，处理量基本达到设计负荷，生产稳定，产品质量满足要求，运行成本低，是目前国内工艺技术最成熟的低温煤焦油加氢工艺。
神木富油煤焦油加氢设计能力为12万吨/年，采用全馏分加氢处理方式，即原料煤焦油不经过预处理全部作为加氢原料，号称燃料油回收率高达98.3%。神木富油的全馏分焦油加氢装置，一是产能小，只有12万吨/年，不能满足大型化生产要求；二是全馏份加氢，煤焦油中的沥青质、胶质体对催化剂影响较大，生产不能稳定运行，开停工频繁；三是生产成本较高，特别是煤焦油中的重质组分加氢，H2消耗量成倍增加。2013年，神木富油2×60万吨固体热载体兰炭生产装置没有生产，外购煤焦油和煤气，基本上做到盈亏持平，其经济效益远低于神木天元。因此该工艺技术上还不太成熟，国内设计单位相对更认同神木天元工艺。
煤化工是一个专业的概念，同时也是一个有着许多工艺发展方向的宽泛概念。当我们逐步认识煤化工产业、走近煤化工产业的时候，我们首先要做的是对将要选择的工艺技术路线所需的各种外部条件进行认真研究，占据着资源供给能力成长天时、资源及环境地利的时候，成功将等着我们去为之奋斗。
|
