煤制烯烃的研究进展

陈　洋，孙　骋

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

煤制烯烃的研究进展

陈洋，孙骋

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中723001）

介绍了目前我国煤资源的利用现状以及国内外烯烃的市场需求，综合分析了当前几种主要的煤制烯烃方法，并对其目前所存在的问题以及今后的研究发展方向进行了探讨。

煤；资源；烯烃；研究开发

烯烃作为化工合成中的一种重要有机化工原料，是化学工业的基石，有着十分广泛的应用前景。近年来，随着我国经济的快速持续发展，国际油气市场价格持续波动，油气缺口不断加大，传统的烯烃生产技术已经难以应对市场的供需矛盾。我国土地宽广，幅员辽阔，有着十分丰富的煤炭资源，随着煤制烯烃研究的深入，一直以来作为我国主要能源之一的煤炭资源显示出了巨大的潜力。本文对当前几种主要的煤制烯烃的方法进行了分析总结，旨在为煤制烯烃技术的进一步深入研究提供参考。

1　我国煤炭资源及烯烃的市场需求

我国具有十分丰富的煤炭资源，仅目前查明的煤炭资源储量就已经超过1万亿吨，位居世界第三，是世界第一产煤大国，其探明储量为7700多亿吨，相比起我国的油气储量，具有十分大的开发优势，因此，煤炭资源成为我们当下以及未来主要的能源来源之一。我国煤炭资源分布较广，目前在除上海之外的地区均发现有不同程度的煤炭资源储备，其中，内蒙古、山西、新疆和陕西四省为我国煤炭资源的主要聚集地，其储量合计占全国的77.08%。虽然我国煤炭资源丰富，但仍然存在较多的问题。首先是开采量低，由于勘探及开采技术的限制，可以被利用的煤炭资源仍然较少。其次，我国煤炭资源主要分布在华北和西北地区，而华北、西北地区经济发展滞后，能源需求量小，而东部地区经济发展快，能源需求量大，市场供不应求，但煤炭资源运输成本较高，再加上交通问题，使得煤炭资源难以得到合理化应用。除此之外，由于技术的限制，使得煤炭资源的转化利用率较低，这将导致一大批能源在生产加工过程中被浪费，使资源损失严重，不利于可持续发展［1-2］。

烯烃是化工合成中一种十分重要的有机化工原料，是合成多种产品的基础原料，是化学工业的基石。有市场研究报告称［3］，2018年全球烯烃需求量有望增至4600kt，从2013年后的未来五年，其复合年增长率将达4.2%。李汉初分析了我国煤制烯烃生产及市场现状，指出截至2018年，我国的乙烯、丙烯及其衍生物需求将持续增长，市场需求旺盛，但由于生产烯烃原料技术的多元化，存在很大的市场竞争，煤制烯烃作为一个新型产业，其发展仍然受到很大的约束。因此，煤制烯烃技术的提高，生产运输成本的控制以及产品种类的增加和环境保护，对于提高其在市场上的竞争力具有十分重要的意义［4］。

2　煤制烯烃技术

煤制烯烃即是通过煤基甲醇来制取烯烃的一项技术，它是以煤为原料先对甲醇进行制取，之后再通过甲醇来制取乙烯等烯烃。该技术主要包括煤气化、甲醇合成以及甲醇制烯烃3个主要部分。煤气化是煤与气化剂在一定外界条件下完全气化转化为煤气的过程，之后进行合成气的变换操作，使其中的CO和H2O部分地转化为CO2和H2，再对合成气进行净化，最后将合成气制成粗甲醇蒸馏即可得到制烯烃的甲醇原料。甲醇制烯烃即是在一定的温度、压力和催化剂的条件下，由甲醇发生蒸气脱水生成二甲醚，生成的二甲醚再与甲醇的平衡混合物气体脱水继续转化为低碳烯烃，回收轻烯烃，即可得到乙烯和丙烯等烯烃原料［5］。

2.1煤气化的研究

煤气化过程是以煤或煤焦为原料，和气化剂氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸气等在高温高压下在煤气发生炉或气化炉中通过化学反应使煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体，它主要包括干燥、热解、气化和燃烧4个阶段。

许华［6］等对固定床、流化床和气流床3种不同的煤气化技术进行了总结，并对鲁奇炉、德士古炉、壳牌炉以及恩德炉等几种常用的气化炉进行了对比分析，认为恩德粉煤气化技术操作简单，成本较低，对原料煤要求低，具有一定的发展前景。寇征运用煤气化技术的各种原则对世界上各种煤气化工艺技术的选择方案和原料问题、技术特性以及优缺点进行了详细分析，并指出了对于煤气化技术的选择原则［7］。低阶煤是处于低变质阶段的煤，我国煤炭55%属低阶煤，因此，低阶煤的气化成为目前的研究热点之一。陕煤化集团与北京柯斯达科技发展公司联手开发的“气化-低阶煤热解一体化技术（CGPS）”解决了传统工艺中高温热解煤气在线气固分离和废水处理的问题［8］。

随着近年来煤气化工艺研究的不断深入，其技术也不断趋于成熟。我国是一个煤炭大国，煤炭资源数量丰富，煤品种齐全，从褐煤、低变质烟煤到无烟煤、高变质的烟煤等均有分布［9］，但不同的气化工艺对于不同的煤原料具有一定的选择性，因此，对于企业来说，合理地针对原料问题、成本问题以及产品要求，对气化工艺以及气化设备进行选择，具有十分重要的意义。当然，对于气化工艺过程中存在的问题的解决，新的气化工艺的开发以及对现有气化工艺的进一步优化，将是其今后的主要研究方向。

2.2甲醇合成技术

目前，工业上普遍应用的甲醇合成工艺是气相合成法，即在一定的温度、压力和催化剂的条件下，使CO、CO2和H2反应生成甲醇和水的过程，其工艺的关键在于合理地针对不同的生产要求，对温度、压力、生产设备以及催化剂等进行选择，当然，这也是目前该领域的主要研究内容。

催化剂是甲醇合成工艺中十分关键的一个条件。杜安平等［10］对XNC-98甲醇合成催化剂的性能和使用情况进行了总结与分析，通过其在长庆油田公司甲醇厂的使用情况来看，该催化剂活性好、日产量高、转化率高，有利于节能降耗，而且具有较好的选择性，得到的粗醇中杂质含量少，利于后期加工分离，具有较好的使用效果。林俊杰详细地介绍了国内外甲醇合成工艺的发展情况，并对超临界相甲醇工艺、膜反应器等当前热点研究内容进行了评述，总结出了固定床反应器、浆态床反应器的优缺点，并对目前处于研究阶段的各项工艺进行了展望［11］。

除此之外，甲醇合成工艺中反应物如氧气的喷射角度等对甲醇转化同样具有很大的影响。李曙阳，伍永福利用ANSYS和Fluent软件构建了煤制甲醇转化炉模型，对氧气喷射角度对煤制甲醇转化炉内速度场的影响进行了研究。结果表明，氧气的喷射角度大，会使得转化炉内中高速区域占比增大，其范围的扩大和径向延伸可能导致转化炉中的燃烧淬灭和转化终止的现象，得出氧气的喷射角度为0°较适合［12］。甲醇合成技术是煤制烯烃中十分关键的一个步骤，虽然甲醇合成新技术的研究是一个热点问题，各项新技术也不断推出，但能真正走出实验阶段而达到工业化生产的少之又少。对于甲醇合成技术方面的工艺改进研究是目前以及未来的主要研究方向，催化剂、工艺设备和工艺条件的优化将对甲醇合成的工业生产具有十分重要的意义。

2.3甲醇制烯烃技术

世界上主要被广泛应用的甲醇制烯烃的方法有2种，即MTO技术和MTP技术。MTO技术即是合成气生成的甲醇被转化为乙烯和丙烯混合物的工艺过程，而MTP技术则是合成气生成的甲醇被转化为丙烯的工艺。目前，对于甲醇制烯烃方面的研究，主要是关于MTO/MTP技术的工艺及其催化剂等方面［13］。

李建华，孙艳萍对MTO/MTP技术以及传统的石脑油裂解制乙烯技术从成本、技术现状、经济效益以及资源现状进行了对比分析。结果表明，无论是从资源、经济效益、技术还是从能源安全方面看，煤基甲醇制乙烯都具有一定的发展优势，具有很大的社会与经济效益［14］。当前，研究较多的即是对甲醇转化制烯烃中催化剂性能的研究。张鹏飞，李玉平，张海荣等合成的具有CHA结构的SAPO-34和具有MFI结构的纳米ZSM-5分子筛催化剂在甲醇转化制乙烯的过程中具有较好的表征。研究发现，SAPO-34分子筛在MTO催化反应过程中对乙烯和丙烯具有很高的选择性，而ZSM-5表现出很高的丙烯选择性，同时催化剂寿命也较长，具有较好的应用前景［15］。

甲醇转化制烯烃是煤制烯烃中最关键的一步，相比起传统的石脑油裂解制烯烃，它无论从能源的利用，对环境的影响还是从经济效益上看都具有较明显的优势，具有很好的应用前景。然而，如何最大程度地提高转化效率是现时主要的研究任务，对于其转化条件的严格控制以及对于生产设备的改造都是提高转化效率的有效措施。目前，研究较多的即是对转化过程所需催化剂的研究。从催化剂的生产来源、催化剂的结构性能等方面入手，最大程度地提高催化剂利用率，在保证生产效率的前提下减少催化剂的使用成本，提高经济效益，对于企业来说具有重要的意义。除此之外，有研究表明，甲醇制丁烯联产丙烯CMTX技术已开发成功，该技术创新性的开发了CMTX技术流化床工艺和专用催化剂，而且实现了甲醇制烯烃产品的多样化，它可与MTO/MTP技术形成互补，对于甲醇制烯烃技术的进一步发展具有重要的意义［16］。

3　结语

我国是一个富煤、少油、少气的国家，传统的石脑油制烯烃成本较高，经济效益低下，而且对外依赖程度较高，煤基甲醇制烯烃对于我国烯烃产业的发展具有十分重要的意义。虽然从去年到今年国际石油价格有了大幅度的下跌，但是，我国是一个石油进口大国，石油对外依赖性较大，不利于烯烃产业的稳定持续发展，而煤制烯烃则为我国烯烃产业开辟了一条新的通道。

虽然煤基甲醇制烯烃无论从能源问题、经济效益还是从技术安全等方面来说，具有十分好的发展前景，但就目前现状来说仍然存在着许多问题。从能源来源来说，煤基甲醇制烯烃虽然在一定程度上解决了我国烯烃产业对于石油的过分依赖，但是我国的煤炭资源主要分布在经济不发达的边远省区，如新疆、内蒙古等地，而其落后的经济及交通运输现状在很大程度上加大了开采、生产与运输的难度，导致地区能源供需不平衡，加大了生产成本。从技术方面来说，煤基甲醇制烯烃主要包括煤气化技术、甲醇合成技术以及甲醇制烯烃技术，目前，能够满足一定生产规模甲醇制烯烃的大型煤气化技术以及甲醇合成技术已基本发展成熟，但甲醇制烯烃技术仍然需要不断完善，当然，这也成为制约甲醇制烯烃技术普及发展的一大瓶颈。从环境方面来说，煤制烯烃产业属于新兴产业，相比起传统的石脑油制烯烃来说，其技术等各方面仍存在许多问题，很难保证经济效益、节能减排与环境保护共赢的局面，尤其是在原料的合理利用及废物的回收利用方面，难以达到一体化，同时也导致了一大部分能源的损失。

煤基甲醇制烯烃是目前我国烯烃产业的一大研究热点，它打破了我国烯烃生产依赖于石油的传统局面，为我国烯烃产业的发展带来了新的生机，虽然目前仍存在较多的问题，但不可否认的是，它为我国烯烃生产开启了一个新的大门，将成为烯烃生产的一大主要来源。相信随着研究的不断深入，这些问题都将迎刃而解，煤制烯烃技术将会不断完善，为我国带来可观的经济效益与社会效益。

［1］杨彩，冯丹霞.浅谈中国煤炭资源的发展战略［J］.中国外资,2008（11）：50-51.

［2］尹丽文.我国已查明煤资源分布特点与开发利用建议［J］.地质与矿产,2013（4）：38-40.

［3］PE需求推动全球烯烃市场形势走好未来产能将大增［J］.乙烯工业,2013,25（4）：28.

［4］李汉初.我国煤制烯烃生产及市场现状［J］.中国石油和化工经济分析,2014（5）：59-62.

［5］郭艳玲.浅析煤制烯烃［J］.煤，2013（11）：48-49.

［6］许华，赵德胜，于晓秋，等.煤气化技术的发展与应用［J］.辽宁化工,2012,41（2）：181-183.

［7］寇征.国内外煤气化工艺技术的选择探讨［J］.高新技术产业发展,2013（2）：38,26.

［8］国际首创低阶煤气化热解一体化技术通过鉴定［J］.中国煤炭工业,2015（08）：12.

［9］宋洪柱.中国煤炭资源分布特征与勘查开发前景研究［D］.北京：中国地质大学,2013.

［10］杜安平，贺红云.XNC-98甲醇合成催化剂应用情况分析［J］.天然气化工（C1化学与化工）,2010（5）：53-54.

［11］林俊杰.甲醇合成工艺的现状及其技术特点研究［J］.科教前沿,2011（25）：50,104.

［12］李曙阳，伍永福.氧气喷射角度对煤制甲醇转化炉内速度场的影响［J］.当代化工, 2015,44（1）：174-180.

［13］代炳新，王新生.我国煤基甲醇制烯烃技术进展［J］.河南化工,2010（7）：25-28.

［14］李建华，孙艳萍.煤制烯烃的技术进展及经济分析［J］.化工技术经济,2006,24（11）：43-46.

［15］张鹏飞，李玉平，张海荣，等.SAPO-34和纳米ZSM-5分子筛在甲醇转化制烯烃中的催化性能研究［J］.太原理工大学学报,2010,41（5）：505-507.

［16］陈继军，赵伟嘉.煤制烯烃再添技术路径，可与MTO、MTP形成互补甲醇制丁烯联产丙烯开发成功［J］.中国石油和化工,2015（10）：53.

10.13752/j.issn.1007-2217.2016.01.002

2016-01-07