1  引言

2022年兩會期間，習總書記參加內(nèi)蒙古代表團審議時強調(diào)，富煤貧油少氣是我國的國情，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以根本改變。“十四五”時期是碳達峰的關(guān)鍵期、窗口期，要立足以煤為主的基本國情，抓好煤炭清潔高效利用。煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化作為我國能源轉(zhuǎn)型的重要支撐，為我國低碳經(jīng)濟的發(fā)展提供了關(guān)鍵要素。合理的煤炭轉(zhuǎn)化路徑對于提高能效，增加供給具有十分重要的意義。

近年來，由于石油價格的刺激，煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)發(fā)展十分迅猛。除原有的煤焦化技術(shù)外，又開發(fā)了煤制烯烴、煤直接液化、煤間接液化。這些技術(shù)在巨大的市場需求與高油價雙重推動之下，取得了顯著的應(yīng)用業(yè)績。但近期隨著油價下跌和部分產(chǎn)品市場供求關(guān)系的改變，新技術(shù)與石油、天然氣工藝相比，均缺乏明顯的競爭優(yōu)勢。從本質(zhì)上分析，目前煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)缺乏競爭優(yōu)勢的根本原因有兩點，一是加工工藝不合理，投資巨大造成單位成本劇增，對比以石油、天然氣為原料的同類產(chǎn)品沒有優(yōu)勢，二是以煤生產(chǎn)燃料油，目標產(chǎn)品選擇不合理，對比石油來說沒有經(jīng)濟性。以問題為導(dǎo)向，人們開始理性思考煤炭轉(zhuǎn)化方向，并探索新的符合煤本身屬性要求的經(jīng)濟性的轉(zhuǎn)化利用新技術(shù)。

2  煤炭轉(zhuǎn)化新技術(shù)

目前對于煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的路徑主要有：1）煤氣化——合成氣——燃料油、化學品及天然氣；2）煤熱解——焦油——燃料油、芳烴及化學品兩種工藝路線。

煤氣化的路徑是煤在＞1000℃的高溫環(huán)境下，煤中的有機質(zhì)與氣化劑發(fā)生一系列化學反應(yīng)，將固體煤轉(zhuǎn)化為含有CO、H2、CH4等可燃氣體和CO2、N2等非可燃氣體的合成氣，然后合成氣經(jīng)過一系列反應(yīng)生成燃料油、芳烴和其他化學品的工藝過程，煤的間接液化、煤制烯烴（甲醇路線）是煤氣化路徑的主要代表。而煤熱解是煤中的有機分子在中低溫條件下（400～600℃）斷裂分解為小分子多環(huán)芳烴，多環(huán)芳烴經(jīng)過簡單的加氫生成燃料油、芳烴和其他化學品的工藝過程。

從物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)上看，煤熱解工藝過程是充分利用煤有機質(zhì)分子中多芳烴這一特性，通過合理的分子分割生成了芳烴等目標產(chǎn)品；而煤氣化則是罔顧煤的特性，把多碳的煤在高溫下通通轉(zhuǎn)化為碳一，然后再組合成相應(yīng)的目標產(chǎn)品。根據(jù)國家煤制燃料示范導(dǎo)則及有關(guān)文獻數(shù)據(jù)對比，煤熱解制油工藝明顯優(yōu)于煤氣化制油的工藝。

圖2-1

圖2-2

表2-1 煤氣化與煤熱解工藝轉(zhuǎn)化效率對比表

注：噸油煤耗數(shù)據(jù)為“理論數(shù)據(jù)/調(diào)研實際數(shù)據(jù)”。

煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的主要目標產(chǎn)品有天然氣、燃料油、烯烴、芳烴等，這些產(chǎn)品都是碳氫化合物，只是其氫碳比不一樣。

從目標產(chǎn)品的氫碳比看，芳烴氫碳比與煤最為接近，而汽油、甲烷的氫碳比都相對較高。氫碳比是工藝過程中氫耗大小的重要表征，工程學上通常氫耗大，工藝過程的能耗就大，同時項目的投資也會相應(yīng)增大。因此，按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中氫、碳元素比值變化趨勢的分析可見，煤熱解加氫制芳烴將是能耗最低，投資較少的煤轉(zhuǎn)化工藝。

表2-2 煤及其產(chǎn)品氫碳比與分子式

根據(jù)上述理論分析與數(shù)據(jù)對比，煤熱解加氫制芳烴是按照煤的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)把煤進行分子分割、選擇轉(zhuǎn)化的合理的工藝，是符合自然科學基本原理的技術(shù)，是本質(zhì)上先進的煤清潔高效轉(zhuǎn)化路徑。

3  煤熱解

3.1 煤熱解過程

煤是由芳香族、脂肪族、各種官能團和微晶石墨片組成的復(fù)雜多相聚合材料。目前人們對煤受熱分解的過程機理認知仍屬于概念性范疇。按熱解最終溫度分為低溫熱解（450~650℃），以制取焦油為目的；中低溫熱解（600~900℃），以生產(chǎn)煤氣為主；中溫熱解（700~900℃），以生產(chǎn)半焦為主；高溫熱解（900~1200℃），即煉焦過程，生產(chǎn)高強度的冶金焦；超高溫熱解（＞1200℃）。

通常將煤熱解劃分為三階段。

圖3-1 煤炭熱解過程示意圖

（1）干燥脫吸階段（室溫~300℃）

從室溫到300℃，煤的基本性質(zhì)不會發(fā)生變化，煤中吸附的水分和氣體在此階段脫除。室溫~120℃是煤的脫水干燥階段；120~200℃是煤中吸附的CH4、CO2、N2等氣體的脫吸階段；200~300℃時，年輕的褐煤會發(fā)生輕微的熱解，釋放出CO2等氣體，煙煤和無煙煤則沒有明顯的變化。

（2）黏結(jié)形成半焦階段（300~550℃）

該階段以煤的分解、解聚為主，黏結(jié)性煙煤形成以液體為主的膠質(zhì)體，階段末期，膠質(zhì)體固化形成半焦。

（a）300~450℃時，煤發(fā)生激烈的分解、解聚反應(yīng)，生成了大量的相對分子質(zhì)量較小的氣相組分（主要是CH4、H2、不飽和烴等氣體和焦油蒸氣，這些氣相組分稱為熱解的一次氣體）和相對分子質(zhì)量較大的黏稠的液相組分。煤熱解產(chǎn)生的焦油主要是在該階段析出，大約450℃時焦油的析出量最大。這一階段中形成的氣（氣相組分）、液（液相組分）、固（尚未分解的煤粒）三相混合物，稱為膠質(zhì)體，膠質(zhì)體的特性將對煤的黏結(jié)、成焦性有決定性的作用。

（b）450~550℃時，膠質(zhì)體分解加速，開始縮聚，生成相對分子質(zhì)量很大的物質(zhì)，膠質(zhì)體固化成為半焦。

（3）成焦階段（550~1000℃）

該階段以縮聚反應(yīng)為主，由半焦轉(zhuǎn)化為焦炭。

（a）550~750℃，半焦分解析出大量的氣體，主要是H2和少量的CH4，成為熱解的二次氣體。半焦分解釋放出大量氣體后，體積收縮產(chǎn)生裂紋。在此階段基本上不產(chǎn)生焦油。

（b）750~1000℃，半焦進一步分解，繼續(xù)析出少量氣體，主要是H2，同時半焦發(fā)生縮聚，使芳香碳網(wǎng)不斷增大，結(jié)構(gòu)單元的排列有序化進一步增強，最后半焦轉(zhuǎn)化成為焦炭。

除去化學變化，也需要認識到熱解過程中物理性質(zhì)的變化也對熱解產(chǎn)物有著一定的影響。一般認為當煤受到加熱時，煤的粘度和孔隙結(jié)構(gòu)這兩個物理特性非常重要，因為它們決定了傳質(zhì)速率，并進一步影響著揮發(fā)物的產(chǎn)率。煤的熱塑性也影響著焦炭顆粒的尺寸和孔分布。在熱解過程中，煤顆粒存在不同程度地膨脹的現(xiàn)象，產(chǎn)生了具有不同物理結(jié)構(gòu)的固體殘渣。

3.2 煤熱解影響因素

煤的熱解過程不僅與煤本身的物理和化學性質(zhì)（內(nèi)因）有關(guān)，還與熱解發(fā)生的條件（外因）密切相關(guān)。其中，內(nèi)因包括煤化程度、煤樣粒度、巖相組成和礦物質(zhì)組成與含量等；外因包括熱解工藝、熱解溫度、熱解氣氛、熱解壓力、加熱速率、停留時間等。深入認識各種因素對熱解影響的規(guī)律對開發(fā)新工藝、確定工藝條件非常必要。

此處不做詳細介紹，可自行翻閱《低階煤中低溫熱解》（尚建選等著）。

1.3   典型熱解工藝

表3-1 典型煤熱解技術(shù)匯總

4  煤焦油制芳烴

芳烴是化學工業(yè)中重要的基礎(chǔ)原料，含苯環(huán)結(jié)構(gòu)的烴化合物的總稱。根據(jù)分子中苯環(huán)數(shù)目的不同可分為單環(huán)芳烴和多環(huán)芳烴，其中最重要的是單環(huán)芳烴中的苯，甲苯和二甲苯，統(tǒng)稱BTX。二甲苯包括對二甲苯（PX）、鄰二甲苯（OX）和間二甲苯（MX）。

芳烴（苯、甲苯、二甲苯）在燃料領(lǐng)域可以作為高辛烷值汽油調(diào)和組分，同時也是非常重要的基礎(chǔ)有機原料，廣泛應(yīng)用于合成樹脂、合成纖維、合成橡膠以及醫(yī)藥、農(nóng)藥、建材、涂料等領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，市場上30%以上的有機化工品均由芳烴制取。2022年我國PX表觀消費量3384.2萬噸，全年進口量1058萬噸，對外依存度31.3%。PX主要用于生產(chǎn)PTA或DMT，隨著聚酯行業(yè)的發(fā)展，PTA消費量大幅增長，PX需求量將會不斷加大。此外，高端石化產(chǎn)品、工程塑料（芳綸、PPT、光伏用PET膜等）也多以芳烴為基礎(chǔ)原料，未來需求量會不斷增長。我國每年芳烴需求量已經(jīng)遠遠超過兩千余萬噸，對外依存度較高，并且目前國內(nèi)芳烴生產(chǎn)技術(shù)有93%以上是以石油為原料。

煤焦油的突出特點是芳烴和環(huán)烷烴含量高，在一定溫度、壓力和催化劑的作用下，采用合適的加氫工藝，煤焦油加氫得到石腦油，其芳烴潛含量一般都在70%~80%，硫含量低并且雜質(zhì)含量低，是催化重整制芳烴的優(yōu)質(zhì)優(yōu)良原料。而原油的特質(zhì)決定了石腦油的芳潛值，一般集中于40%～50%，高的也不會超過55%，用石腦油生產(chǎn)PX收率相對不高且被鎖定了收率極限。

煤焦油深加工制芳烴技術(shù)主要包括煤焦油加氫制芳烴原料（即高芳潛煤基石腦油和輕烴）、芳烴制取、芳烴轉(zhuǎn)化和芳烴分離四類技術(shù)。芳烴制取是將非芳烴轉(zhuǎn)化為芳烴的技術(shù)，分別包括以石腦油和輕烴為原料的轉(zhuǎn)化。芳烴轉(zhuǎn)化是不同芳烴間的轉(zhuǎn)化技術(shù)，可將市場需求低的芳烴轉(zhuǎn)化為目標芳烴，以最大量生產(chǎn)目標芳烴。芳烴分離是從混合原料中分離制取相應(yīng)的芳烴純產(chǎn)品技術(shù)。芳烴制取、芳烴轉(zhuǎn)化和芳烴分離技術(shù)在石油基石腦油制取芳烴過程中已得到廣泛成熟應(yīng)用，可供借鑒使用。

以煤熱解生產(chǎn)的產(chǎn)品焦油為原料，通過煤焦油加氫、芳烴制取、芳烴轉(zhuǎn)化和芳烴分離等裝置或單元生產(chǎn)PX，同時副產(chǎn)少量的苯和液化氣，典型工藝流程如圖4-1。

圖4-1 煤焦油深加工制芳烴工藝流程

根據(jù)上述流程圖可知，煤焦油經(jīng)加氫得到輕烴、輕石腦油和石腦油，輕烴、輕石腦油進入輕烴芳構(gòu)化單元生產(chǎn)芳構(gòu)化油，石腦油經(jīng)催化重整制得重整汽油；芳構(gòu)化油和重整汽油進入芳烴抽提裝置，經(jīng)分離得到苯、甲苯、二甲苯和重芳烴。甲苯進入甲苯甲基化裝置，與另一原料甲醇反應(yīng)生成二甲苯；重芳烴進入重芳烴輕質(zhì)化單元，得到苯、甲苯和二甲苯，所得甲苯可用于甲苯甲基化裝置的原料；芳烴制取和芳烴轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生的二甲苯進入PX分離單元，獲得高純度的PX，剩余芳烴經(jīng)二甲苯異構(gòu)化裝置制取混合二甲苯，再循環(huán)回PX分離單元做PX制取的原料。

對比分析不同芳烴的制取路徑，中低溫煤焦油加氫制芳烴工藝與煤經(jīng)甲醇路線制芳烴工藝相比，焦油加氫具有投資小、消耗少、產(chǎn)出比高及碳排低的優(yōu)勢；與石腦油制芳烴相比，石腦油制芳烴存在原料獲取存在難度，而中低溫煤焦油相對較容易。

5  煤焦油制特種燃料

煤基特種燃料是一種新型燃料。他以煤為原料，經(jīng)過一系列化學反應(yīng)制成。煤基特種燃料具有高能量密度、低污染、易儲運等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域。

煤基特種燃料主要包括煤基特種國防用航空燃料、煤基航天燃料和煤基國防用柴油等。

5.1 特種燃料

特種燃料是指具有特殊物理和化學性能，在使用過程中能夠安全可靠工作，常用于火箭、飛機汽車等特種動力裝置的燃料，主要包括國防用特種噴氣燃料、航天燃料和柴油等。

特種燃料通常具有以下特點：

1）高能量密度

能量密度是衡量燃料質(zhì)量和儲能儲力的重要指標。特別在航空天領(lǐng)域燃料的能量密度對于提高裝備性能和降低機動性能的要求至關(guān)重要。

2）低溫燃燒性

低溫燃燒是航空燃料的一個重要需求?？紤]到海拔與氣溫呈反比例關(guān)系，所以航空燃料必須具有較低的燃燒溫度，以確保燃燒的可靠性。

3）低毒害性

燃料在燃燒的過程中會產(chǎn)生大量的有毒物質(zhì)，會對人體和環(huán)境造成危害。為了降低毒害的潛在威脅，特種燃料必須具有低毒害性質(zhì)。

5.2 煤基特種燃料技術(shù)進展

1）煤直接液化法

煤炭直接液化是將煤粉、供氫溶劑與催化劑按比例混配成油煤漿，在高溫、高壓條件下，油煤漿經(jīng)過加氫裂解和精制，將固體煤加氫解聚轉(zhuǎn)化成液體燃料，所得液體產(chǎn)品含有大量環(huán)烷烴及芳香烴，油品宏觀性能呈現(xiàn)出密度大、體積熱值高等特點。2008年，全球首套百萬噸級煤直接液化項目打通全流程并產(chǎn)出合格產(chǎn)品，主要生產(chǎn)煤基柴油、石腦油、瀝青、粗酚等產(chǎn)品。

國家能源集團依托煤直接液化工業(yè)化裝置，開展了航空航天、軍用燃料等領(lǐng)域的研究，將煤直接液化油品進一步加氫提質(zhì)，生產(chǎn)高環(huán)烷烴含量的輕質(zhì)燃料，其具有能量密度高、熱安定性高、體積熱容高、凝點低、硫氮含量低等特點。

2）煤間接液化法（F-T法）

煤間接液化（F-T法）是以煤為原料，氣化產(chǎn)生的合成氣在一定條件下，催化合成為烴類燃料及化工原料的工藝，其核心技術(shù)費托合成。煤間接液化先后經(jīng)歷了“固－氣－液”三相的轉(zhuǎn)換，傳統(tǒng)油品中大量存在的O、N、S、金屬等雜質(zhì)可以比較容易地在轉(zhuǎn)換過程中進行脫除，F(xiàn)-T反應(yīng)生成的主要是以鏈烷烴為主，因此其產(chǎn)品具有低硫、低芳烴、高十六烷值、高質(zhì)量熱值等諸多優(yōu)點，但同時也存在潤滑性差、低溫性能不佳等顯著缺點。煤間接液化產(chǎn)品還需經(jīng)加氫裂化、加氫異構(gòu)等途徑才能補齊短板，實現(xiàn)航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

20世紀90年代，薩索公司以煤間接液化產(chǎn)品與石油基噴氣燃料混合制備出半合成煤基噴氣燃料，并獲得了英國、美國相關(guān)標準的認可，實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。2008年，薩索公司根據(jù)煤間接液化油的組分特點，進一步成功制備了煤基全合成噴氣燃料，可滿足國際上對于噴氣燃料的儲存、操作和飛行安全等要求，并且獲得了國際商用航空認證。

國內(nèi)費托合成油加工工藝主要有鐵基漿態(tài)床低溫費托合成油加工工藝、鐵基固定流化床高溫費托合成油加工工藝、低溫漿態(tài)床費托合成油加工工藝。采用中科合成油技術(shù)的伊泰、潞安、神華，采用兗礦技術(shù)的未來能源均已有工業(yè)化示范裝置建成。國內(nèi)基于煤間接液化生產(chǎn)航空煤油技術(shù)發(fā)展相對較慢，天津大學、石科院、中國民用航空局、潞安、伊泰和神華等單位均已開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究工作，目前還均處于研究階段。潞安通過對費托合成產(chǎn)品進一步加氫異構(gòu)，生產(chǎn)出了3號噴氣燃料。在標準制定方面，中國民用航空局2013年批準的《含合成烴的民用航空噴氣燃料》（CTSO—2C701）、2018年發(fā)布的《3號噴氣燃料》（GB6537—2018）均增加了半合成航空煤油內(nèi)容。

3）煤焦油深度轉(zhuǎn)化法

煤焦油是煤熱解過程中得到的液相產(chǎn)物，常溫下為黑色粘稠液體，在我國具備十分廣泛的來源，目前我國煤焦油產(chǎn)能已達到3600萬噸以上。我國從20世紀60年代由撫順石油化工研究院負責進行煤焦油加氫方面的研究，先后出現(xiàn)了延遲焦化－加氫組合技術(shù)、全餾分固定床加氫技術(shù)、懸浮床加氫技術(shù)及沸騰床加氫技術(shù)等，目前該領(lǐng)域產(chǎn)能已達到900萬噸以上，相比于其他工藝，煤焦油全餾分固定床加氫技術(shù)具有投資少、操作簡單、液相收率高等優(yōu)點。煤焦油加氫產(chǎn)品與煤直接液化生成油性質(zhì)相似，經(jīng)加氫深度轉(zhuǎn)化可實現(xiàn)高性能的液體燃料和化工原料的制備，是促進煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用的有效途徑之一，也對制備高品質(zhì)航空航天和軍用燃料具有很高的研究價值和實際意義。

國內(nèi)利用煤焦油全餾分加氫制環(huán)烷基油技術(shù)對中低溫煤焦油進行深度轉(zhuǎn)化，在航天煤油、噴氣燃料、軍用柴油等多方面均取得了一定的進展。通過多段加氫反應(yīng)實現(xiàn)了煤焦油中不飽和組分的超深度加氫，幾乎全部脫除了油品中的有害雜質(zhì)及不安定組分，最終可以將產(chǎn)品油中的硫、氮、金屬離子、芳烴等含量均可達到國標，大量環(huán)烷烴的存在使其具有良好的體積熱值、物理熱沉及熱安定性，具有作為航空航天及軍事領(lǐng)域特種油品的潛質(zhì)。其中在航天煤油、噴氣燃料、超低凝柴油等方面的試驗數(shù)據(jù)顯示，利用煤焦油深度轉(zhuǎn)化制得的煤基特種燃料已基本具備商業(yè)化運行能力。

6  展望

習近平總書記從國家能源安全和現(xiàn)代化建設(shè)的角度，深刻揭示了我國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)律，指出了我國煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

當前石油進口量居高不下，結(jié)合我國“富煤、貧油、少氣”的基本國情。未來很長一段時間內(nèi)，低階煤分質(zhì)利用技術(shù)必將為保障我國能源安全提供重要支撐。建設(shè)大型化的以煤熱解為龍頭的大型化裝置，堅持上下游一體化，堅持技術(shù)優(yōu)化耦合、系統(tǒng)集成和產(chǎn)業(yè)協(xié)同，堅持產(chǎn)品高端、多元、低碳化，實現(xiàn)煤、氣、油、電、化、材、冶的一體化發(fā)展。