高温煤焦油加工行业问题分析及对策研究

张振勇 , 丁明洁 , 陈 湘 , 殷甲楠 , 李银峰 , 宋成建

(河南城建学院 材料与化工学院 ,河南省煤盐资源高效清洁利用工程技术研究中心 , 河南 平顶山 467036)

中国高温炼焦每年产生近2 000万t的高温煤焦油(本文中煤焦油指高温煤焦油),资源十分丰富[1]。煤焦油的主要组分是多环芳香族化合物,是当前工业生产中多环芳香族化合物的主要来源。煤焦油中主要是2～4环的组分,在其蒸馏加工中转移到轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油等轻质馏分中,其中含量相对较高的组分有萘、吲哚、蒽、咔唑、菲、芴、荧蒽、氧芴、芘、酚类、苯胺、喹啉、吡啶等。这些组分都是现代化工和先进材料制造业的重要原料和中间体,是合成塑料、合成纤维、农药、染料、医药、涂料、助剂等精细化工产品的基础原料。

本文综述了国内外煤焦油行业生产与技术现状,分析了我国煤焦油行业存在的问题,并提出了相应的对策和建议,以期能够为促进我国煤焦油行业发展和技术进步提供参考。

1 国外煤焦油行业现状

在18世纪西欧冶金工业兴起之初,冶金焦炭生产过程就伴随着大量的煤焦油和焦炉煤气产生,焦炉气被应用于城市照明,而煤焦油却未找到利用途径。直到19世纪初,人们才从煤焦油中提炼出苯、萘、甲苯、二甲苯、苯酚以及苯胺等,为以后合成染料的研究与工业化奠定了原料基础。1856年英国的铂金合成了第一个合成染料苯胺紫,并向英国政府申请了专利。随后,英国和德国相继开发了从煤焦油中的芳烃制备合成染料的工艺,之后苯胺系、蒽醌系、萘酚系、靛蓝系、咔唑系等系列丰富多彩的染料相继问世,由此奠定了现代有机化学工业的基础[2-3]。

当前,煤焦油深加工的主流工艺是从蒸馏开始的,包括蒸馏前的预处理、脱盐及脱水、初步蒸馏等,获得轻油、酚油、萘油、洗油、蒽油等轻质馏分和沥青,对轻质馏分进一步分离和加工转化获得芳香族化学品;重组分的沥青则用来生产木材防腐剂、建装防水剂、筑路沥青、针状焦、碳纤维及各种改质沥青等[4-5]。

国际煤焦油加工先进技术以德国和日本为代表,美国、俄罗斯、英国和法国在技术上也较为先进。另外,印度在煤焦油加工方面也有较快的发展。

1.1 德国煤焦油加工行业

德国是最早开发煤焦油产品附加值的国家,世界闻名的一些工艺流程几乎都是它们设计的。迄今德国煤焦油加工技术仍然是世界煤焦油加工行业最先进技术的代表。20世纪 20年代,德国煤焦油的集中加工向规模化和专业化转换,于20世纪 60年代形成煤焦油加工的专业公司-吕格特公司,成为目前世界煤焦油行业的代表。目前吕特格公司 (Rutgers Werke AG)的焦油加工能力为 150万 t/a,煤焦油的化工利用率接近 60%,其加工技术水平、产品种类、质量等级均处于世界领先地位。

吕特格公司对煤焦油进行全方位加工,对焦油组分进行提纯、转化和配制,生产多种规格和等级的产品,较大程度地利用了煤焦油的轻组分。目前该公司可从煤焦油中分离出400余种化合物,其中200多种化合物的分离已经实现产业化,可以根据市场要求,在同一装置上,改变操作参数,生产不同级别的产品,萘有4个级别,树脂有5个级别,蒽有7个级别,沥青黏结剂及浸渍料有20个级别。

1.2 日本煤焦油加工行业概述

日本的煤焦油化工工业起步晚于西欧国家,但发展较快,现有煤焦油加工能力已达 180万t/a,形成了集中化、大型化和现代化的产业体系,主要工艺大多是考伯斯二次气化工艺的改良型,拥有日本住金化学、日本新日铁化学、日本神户制钢和日本川崎制铁等多家公司,其中以住金化学和新日铁化学为代表,分别对轻组分和重组分进行加工,专业化程度很高。

日本的住金化学以煤焦油轻组分的精细化加工为目标,在煤焦油蒸馏产品的基础上进行进一步分离,对所得纯化合物进行提纯或延伸,向下游的精细化工、染料、医药方面延伸,试制和生产的深加工产品有180种左右,其中酚类衍生物有21种,喹啉及衍生物有32种,萘衍生物有60种。日本的三菱株式会社则重点加工沥青类产品,对煤焦油蒸馏的轻质馏分均不进行加工,以混合油的形式出售,仅对蒸馏产生的沥青进行加工,生产针状焦、碳纤维以及各种改质沥青、中间相沥青、延迟焦等,日本的煤系针状焦和碳纤维无论是技术上还是产品质量上都处于世界领先水平。

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1.3 其他国家煤焦油加工行业

美国、俄罗斯等的煤焦油加工业也具有相当高的水平。前苏联的焦油加工单套装置年处理煤焦油的能力达 60万t/a,精制获得的焦油产品约有190种,其煤焦油分离效率仅次于德国[2]。美国Rilly公司、澳大利亚Koppers 公司的煤沥青加工技术也属于国际先进水平。法国和英国煤焦油加工开展较早,但发展不快。印度煤焦油加工水平也较高,在萘、苯、甲苯及二甲苯和酚的生产工艺方面取得了突出成就,在甲苯、萘和蒽的催化氧化方面也做了大量的研究和开发工作。

2 国内煤焦油行业现状及问题分析

近年来我国高温煤焦油主要利用途径有3种：①用于深加工制取工业萘、洗油、蒽油和煤沥青等产品;②将粗煤焦油作为替代重油的燃料,用于玻璃、陶瓷等热能行业以及作为生产炭黑的原料;③高温煤焦油加氢。从消费结构来看,国内高温煤焦油主要用于深加工行业,占比约72%,另外约26%用于碳黑行业的生产,剩余2%用于加氢及出口等其他用途[6]。

相比德、日等发达国家,我国煤焦油的加工起步较晚,主要是基于前苏联的一塔式或二塔式的蒸馏工艺,将煤焦油分离为轻油、洗油、酚油、萘油、蒽油等轻质馏分,以及占煤焦油质量分数 55% 左右的沥青产品[5,7]。

近年来,促使我国煤焦油加工行业规模快速发展有两个因素：①钢铁工业转型发展对高功率石墨电极,继而对针状焦及相关石墨电极生产所需的碳素原材料需求旺盛,刺激了对煤沥青的需求;②国内在煤沥青基针状焦及相关电极材料方面经历了近20年的技术引进、吸收转化和大力研发的积淀,技术上日趋成熟,产品质量接近国际先进水平,具备了工业化生产的条件。这两大因素的叠加使各地纷纷上马煤焦油加工项目,目前我国煤焦油加工能力为1 200～1 400万t/a,而且还在增长中。存在的主要问题如下：

2.1 行业集中度低,规模化和专业化程度低

中国煤焦油加工在我国属于传统的煤化工行业,早期以生产焦炭为主要目的,煤焦油的加工多是炼焦企业的附属部分,依托炼焦企业的形式为主,遍地开花。20世纪末开始进行煤焦油集中加工,但由于中国煤焦行业既有的分布格局及缺少焦油加工行业的整体规划等,阻碍了规模化和专业化的进程。近年来,新建企业以30万t/a的规模为主,目前国内各类高温煤焦油加工企业有60家左右,其中30万t/a以上规模的高温煤焦油加工企业占1/3左右,存在着重复性建设严重,基础产能过剩,进阶加工技术缺乏,高端产品依赖进口,行业内卷严重等问题[8]。

2.2 煤焦油轻组分利用技术仍然严重滞后

近年来,我国煤焦油加工从总量上得到了快速发展,主要原因是钢铁工业转型发展对石墨电极生产相关碳材料的需求旺盛,这促进了煤焦油重组分即煤沥青的利用。国内煤基延迟焦、针状焦、中间相沥青、浸渍剂沥青等与高功率石墨电极制备相关的碳材料技术,经过多年来的研发、引进和消化吸收,生产工艺技术已渐趋成熟,已进行工业化推广,国产煤沥青基针状焦在普通高功率石墨电极方面已可以替代进口,但在超高功率和大尺寸石墨电极制备所需碳材料方面与德国和日本的煤基针状焦相比,还存在一定差距,高端产品还需进口。

相对于煤沥青的加工利用,对煤焦油轻组分的利用仍然基本停留在蒸馏所得的轻油、酚油、洗油、萘油、蒽油阶段,大部分初级馏分油主要是用作溶剂油或用于制备炭黑,或作为替代重油的燃料用于玻璃、陶瓷等行业的热能,或用于加氢制取燃料油的尝试。有少部分企业对初级馏分油进行再分离获得酚、萘、蒽、咔唑、荧蒽等少数产品,加工分离出的组分越少,其成本就越高。煤焦油轻组分利用的高端产品供不应求,尚需从国外进口,能否建立系统化、综合性、能够较多地利用煤焦油中高值化轻组分的分离工艺技术体系,将是影响行业盈利与否的关键。多环芳香族化合物在化工、医药、农药、特殊高分子材料等方面的应用在一定程度上是不可替代的,在当前日趋复杂的经济政治环境下,依赖进口的高端产品随时有被卡脖子的可能。

煤焦油轻组分利用和煤沥青的加工是行业继续前进的两个方面,而现在轻组分的利用不能同步跟上,因此自然造成了行业的颠簸运行。

2.3 焦油加工行业创新性不足

一个行业从产生、发展到建成完整完善的工业体系需要扎实的科学基础理论来支撑。煤焦油加工在发达国家前后经历了170多年的发展,从科学基础、产业体系到工艺技术,均已占领行业高地,他们在核心技术上对中国实施封锁,这就决定了中国几十年来靠引进技术来发展煤焦油加工行业必定会受制于人。

中国煤焦油加工虽然也有数十年的历史,但在煤焦油的多环芳香族组分的分离与利用上至今还没有形成系统化和完整的工业体系,究其原因,各种引进技术都是产业链条中的片断,全产业链建设缺乏自己的、系统的科学基础理论指导。例如,中国从20世纪80年代就开始尝试引进日本的煤系针状焦技术,在此基础上经过20年的吸收转化和自主研发,才得以在关键技术和生产发展方面取得了突破性进展,但在超高功率石墨电极材料方面至今还有明显差距。因此,我们必须以煤焦油全组分精细精深加工为目标,建立属于自己的煤焦油全产业链的科学基础支撑。

3 发展对策建议

煤焦油加工是现代煤化工的重要组成部分。规模化和专业化是提升煤焦油加工行业建设水平的必由之路,其全组分精细精深加工利用的产业产品结构是经济效益的保障,而科学基础的强支撑是行业生产发展的前提。因此,要着眼长远,加强宏观布局和自主研究,不断强化和夯实行业发展的科学基础,提升创新活力,在煤沥青深加工的同时,加强轻组分利用的基础研究和新工艺研发,实现两条腿走路,构建完整的工业体系,不断提高行业的规模化和专业化。

3.1 提升煤焦油加工行业国际竞争力

煤焦油加工行业的规模化和专业化是优化行业运营环境,提升行业国际竞争力的必由之路。集中加工是提升行业规模化的过程,规模化则是专业化的前提。①针对我国目前煤焦油加工的现状,借鉴发达国家成功的经验模式,构建统领行业众多企业之间协同发展的平台,在现有建设的基础上进行优化重组,优化行业宏观结构布局,避免低水平重复建设,要对已有产业结构进行延链补链和强链,特别是要加强煤焦油轻组分的精细精深加工利用,来补全行业的产业链。②通过优化重组不断提高行业的规模化程度,以利于行业向专业化方向发展。目前我国煤焦油加工企业主体还是附属于炼焦企业、基础化工企业,很少有以煤焦油加工作为唯一或唯二主营业务的,这些企业本身就没有把煤焦油加工当作非常重要的事情去做,在经营上和技术发展上的投入自然有限,因此建议加强政策调控,促进行业的规模化程度,引领行业向专业化发展。

已有的行业布局很难推倒重来,但至少可以在煤焦油轻馏分油的进深加工方面进行规划布局和集中加工,最终达成这一部分链段的规模化和专业化。煤焦油组分众多,各组分含量低,分离技术是关键。在已有的初级蒸馏加工之后,煤沥青向碳材料方向的规模化加工已基本成熟,轻馏分油如能集中加工,形成规模化优势,继而通过技术引进和自主研发实现专业化发展。

3.2 提高煤焦油轻质高值组分的精细化利用

煤焦油轻组分精细加工利用与其重组分沥青的高附加值利用是煤焦油行业的两个基本面,是煤焦油资源充分利用的基本要求,也是行业持续稳定发展的需要。因此,煤焦油高值轻组分的精细化利用是煤焦油加工技术进一步发展的核心所在。

当前我国煤焦油加工的主要产品是炭黑和沥青。近年来,国内煤焦油的价格是2 200元/t左右,高位时约3 600元/t,炭黑约7 000元/t,煤沥青约2 200元/t。以全部加工沥青和炭黑计,每吨煤焦油产沥青0.55 t、炭黑0.24 t,市场价合计2 890元,这样的加工附加值维持正常的生产运营是很困难的。虽然近年来煤沥青基碳材料方面已得到了发展,但轻馏分油不能得到高附加值的利用,就摊薄了行业生产整体的利润。另外,由于我国炭黑大量出口,国内主要用于汽车轮胎的生产、所产轮胎出口量也达40%左右。近年,国内外汽车行业普遍下行,炭黑与轮胎出口减少,我国炭黑及煤焦油企业开工率普遍不高。多环芳香族化合物是液晶材料、特异功能材料、高强度、高韧度的主链型芳香族聚合物等的前驱体,价值极高,是依赖进口的高端产品,也随时可能遇到卡脖子的问题。在当前煤沥青行业形势持续向好的情况下,煤沥青再进行延迟焦、针状焦、碳纤维、改质沥青等加工利用,煤焦油轻组分的精细精深加工将使得煤焦油加工行业能够协调发展,行业就有了可期待的经济效益。

3.3 提高科学基础支撑

迄今为止我们在煤焦油化学和工程技术等的积累依然很薄弱,无法支撑行业发展的需要,坚实的科学基础支撑是行业创新发展的驱动力,以高值组分为主要目标,强化科技创新,引入新的技术元素,研发其综合性的和精细化利用的新技术,自主研发和优化煤焦油加工全产业链各环节的工艺技术,开发高端产品,促进煤焦油加工行业的转型升级和高质量发展。

近年来,国内在煤焦油深加工技术方面自主研发的力度和范围在不断增加,研发队伍不断壮大,研发水平不断提高,包括中科院山西煤化所、中冶焦耐院、化学工业第二设计院、太原理工大学、华东理工大学、中国矿业大学等,通过吸收消化引进技术和自主创新,开发了一系列的新工艺、新技术和新产品[2]。通过研究不断补充和积累新成果,构建涵盖全产业链的煤焦油加工利用的科学基础,为行业发展提供充分的支撑。

4 结束语

高温煤焦油作为多环芳香族化合物的主要来源具有不可替代性,其加工利用在现代煤化工中占据着重要地位。中国高温煤焦油资源量约占世界总量的70%,但其加工利用行业却远远落后于德日等发达国家,存在的主要问题是行业建设在前,自主研发滞后,支撑行业技术进步和生产发展的科学基础薄弱,高值轻组分的精深精细化利用程度低,产业链不完整,行业的规模化、集中度和专业化程度低等问题。因此,要着眼长远,加强宏观布局,以构建煤焦油全组分精深精细加工利用的完整产业链为目标,加强煤焦油化学及其加工技术等的理论研究,不断强化和夯实行业发展的科学基础,提升创新活力,在煤沥青深加工的同时,以高值轻组分利用为重点,综合多种分离技术和现代化工新技术元素,加强煤焦油轻组分精细精深化利用的新工艺研发,延展和补全产业产品结构,构建完整的全产业链工业体系,实现两条腿走路,这是日趋复杂的国际形势对我国煤焦油深加工行业提出的艰巨任务。