13.什么是煤化工？

煤化工是指以煤为原料，经化学加工使煤转化为气体、液体和固体燃料以及化学品的过程。煤的气化、液化、焦化，煤的合成气化工、焦油化工和电石乙炔化工等，都属于煤化工的范畴。煤化工技术路线如图2-5。

全球煤化工开始于18世纪后半叶，19世纪形成了完整的煤化工体系。在煤化工可利用的生产技术中，炼焦是应用最早的工艺，并且至今仍然是化学工业的重要组成部分。煤的气化在煤化工中占有重要地位，用于生产各种气体燃料，是洁净的能源，有利于提高人民生活水平和环境保护；煤气化生产的合成气是合成液体燃料、化工原料等多种产品的原料。煤直接液化即煤高压加氢液化，可以生产人造石油和化学产品。

（1）煤干馏技术

煤干馏是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。此过程按加热最终温度的不同，可分为3种干馏方式：温度为900～1100℃称为高温干馏，即焦化；温度为700～900℃称为中温干馏；温度为500～600℃称为低温干馏，干馏技术是煤化工的重要过程之一。

煤干馏主要过程如下：当煤料的温度高于100℃时，煤中的水分开始蒸发；温度升高至200℃以上时，煤中结合水释放出来；温度在350℃以上时，黏结性煤开始软化，并进一步形成黏稠的胶质体（泥煤、褐煤等不发生此现象）；至400～500℃大部分煤气和焦油析出，称一次热分解产物；在450～550℃，热分解继续进行，残留物逐渐变稠并固化形成半焦；高于550℃，半焦继续分解，析出余下的挥发物（主要成分是氢气），半焦失重同时进行收缩，形成裂纹；温度高于800℃，半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。

煤干馏的产物是焦炭、煤焦油和煤气。煤干馏产物的产率和组成取决于原料煤质、炉结构和加工条件（主要是温度和时间）。随着干馏终温的不同，煤干馏产品也不同。低温干馏固体产物为结构疏松的黑色半焦；中温干馏的主要产品是城市煤气；高温干馏产物一般为焦炭、焦油、粗苯和煤气等。

（2）煤炭液化技术

煤炭液化是把固体煤炭通过化学加工过程，使其转化成为液体燃料、化工原料和产品的先进洁净煤技术。根据不同的加工路线，煤炭液化可分为直接液化和间接液化两大类。

煤炭的直接液化是指将煤（尤其是烟煤）磨碎成细粉后，和溶剂油制成煤浆，然后在高温（400℃以上）、高压（10MPa以上）和催化剂存在的条件下使煤的分子进行裂解加氢，使煤直接转化成汽油、柴油等液体燃料，又称加氢液化。

煤炭直接液化技术是由德国化学家弗里德里希·柏吉斯（Friedrich Bergius）于1913年发明的，因其在化学高压领域的贡献，1931年获得诺贝尔化学奖。德国在二战期间实现了工业化生产，先后有12套煤炭直接液化装置建成投产，到1944年，德国煤炭直接液化工厂的油品生产能力已达到423万吨/年。二战后，中东地区大量廉价石油的开发，煤炭直接液化工厂失去竞争力并关闭。

20世纪70年代初期，由于世界范围内的石油危机，煤炭液化技术又开始活跃起来。日本、德国、美国等工业发达国家，在原有基础上相继研究开发出一批煤炭直接液化新工艺，其中的大部分研究工作重点是降低反应条件的苛刻度，从而达到降低煤液化油生产成本的目的。

从2003年起，世界对煤制油的热情，因为油价的上升而重新燃起。目前，在全球范围内，主要有十多个国家正在展开煤液化的商业化研究。主要国家有美国、中国、印度、德国、澳大利亚、印尼、日本、南非。目前在进行煤制油规模化生产尝试的国家还有马来西亚、巴西等国家，但没有一个国家能超过百万吨的生产能力。

2008年12月30日，目前世界最大的煤制油项目（建设总规模为500万吨/年）—神华集团鄂尔多斯煤炭直接液化示范工程（图2-6），在内蒙古鄂尔多斯投煤试车成功。该项目的成功建成，标志着我国已成为世界上首个建成大规模工业化煤炭直接制油项目的国家，验证了我国自主开发的煤炭直接液化技术在世界上处于领先地位。

煤炭间接液化技术是以煤炭为原料，先气化制成合成气（一氧化碳和氢气的混合物），然后以煤基合成气为原料，在一定温度和压力下，通过催化剂作用将合成气转化成烃类燃料、醇类燃料和化学品的过程。又称一氧化碳加氢法。

煤炭间接液化工艺流程主要包括煤气化、粗煤气净化、合成及产品分离与改质等部分，如图2-7。

煤炭间接液化可分为高温合成与低温合成两类工艺。高温合成得到的主要产品有石脑油、丙烯、α-烯烃和C₁₄～C₁₈烷烃等，这些产品可以用作生产石化替代产品的原料，如石脑油馏分制取乙烯、α-烯烃制取高级洗涤剂等，也可以加工成汽油、柴油等优质发动机燃料。低温合成的主要产品是柴油、航空煤油、蜡和液化石油气（LPG）等。煤炭间接液化制得的柴油十六烷值可高达70，是优质的柴油调兑产品。

2016年12月28日，全球单套规模最大的煤制油项目神华宁煤集团400万吨／年煤炭间接液化示范项目（图2-8）正式投产。该项目承担着国家37项重大技术、装备及材料的国产化任务，打破了国外对煤制油化工核心技术的长期垄断，探索出了科技含量高、附加值高、产业链长的煤炭深加工产业发展模式。

（3）煤炭气化技术

煤炭的气化是指将煤与气化剂反应，使煤中的有机部分完全转化为煤气的过程。煤炭气化技术是一种将煤转换成可燃气体的化工技术，是国家新型能源战略攻关技术，是国家提倡的洁净煤技术。

煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H₂、CH₄等可燃气体和CO₂、N₂等非可燃气体的工艺过程。进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉，气化时所得的可燃气体称为煤气，可做化工原料用的合成气。

煤炭气化包含一系列物理、化学变化。一般包括干燥、燃烧、热解和气化4个阶段。气化反应包括很多的化学反应，主要是碳、水、氧、氢、一氧化碳、二氧化碳相互间的反应，其中碳与氧的反应又称燃烧反应，提供气化过程的热量。主要反应如下。

① 水蒸气转化反应

C+H₂OCO+H₂–131kJ/mol

② 水煤气变换反应

CO+H₂OCO₂+H₂+42kJ/mol

③ 部分氧化反应

C+0.5O₂CO+111kJ/mol

④ 完全氧化（燃烧）反应

C+O₂CO₂+394kJ/mol

⑤ 甲烷化反应

CO+3H₂CH₄+H₂O+74kJ/mol

⑥ 鲍多尔德反应（Boudouard反应）

C+CO₂2CO–172kJ/mol

煤炭气化技术广泛应用于下列领域。

① 作为工业燃气　一般热值为4605～5651kJ的煤气，采用常压固定床气化炉、流化床气化炉均可制得。主要用于钢铁、机械、卫生、建材、轻纺、食品等部门，用以加热各种炉、窑，或直接加热产品或半成品。

② 作为民用煤气　与直接燃煤相比，民用煤气不仅可以明显提高用煤效率和减轻环境污染，而且能够极大地方便人民生活，具有良好的社会效益与环境效益。

③ 作为化工合成和燃料油合成原料气　早在第二次世界大战时，德国等就采用费托工艺（Fischer-Tropsch）合成航空燃料油。随着合成气化工和碳一化学技术的发展，以煤气化制取合成气，进而直接合成各种化学品的路线已经成为现代煤化工的基础，主要包括合成氨、合成甲烷、合成甲醇、醋酐、二甲醚以及合成液体燃料等。

④ 作为冶金还原气　煤气中的CO和H₂具有很强的还原作用。在冶金工业中，利用还原气可直接将铁矿石还原成海棉铁；在有色金属工业中，镍、铜、钨、镁等金属氧化物也可用还原气来冶炼。

⑤ 作为联合循环发电燃气　整体煤气化联合循环发电（简称IGCC）是指煤在加压下气化，产生的煤气经净化后燃烧，高温烟气驱动燃气轮机发电，再利用烟气余热产生高压过热蒸汽驱动蒸汽轮机发电。

⑥ 做煤炭气化燃料电池　燃料电池是由H₂、天然气或煤气等燃料（化学能）通过电化学反应直接转化为电的化学发电技术。目前主要有磷酸盐型（PAFC）、熔融碳酸盐型（MCFC）、固体氧化物型（SOFC）等。它们与高效煤气化结合的发电技术就是IG-MCFC和IG-SOFC，其发电效率可达53%。

⑦ 煤炭气化制氢　氢气广泛地用于电子、冶金、玻璃生产、化工合成、航空航天、煤炭直接液化及氢能电池等领域，目前世界上96%的氢气来源于化石燃料转化。而煤炭气化制氢起着很重要的作用，一般是将煤炭转化成CO和H₂，然后通过变换反应将CO转换成H₂和H₂O，将富氢气体经过低温分离或变压吸附及膜分离技术，即可获得氢气。

⑧ 煤炭液化的气源　不论煤炭直接液化还是间接液化，都离不开煤炭气化。煤炭液化需要煤炭气化制氢，而可选的煤炭气化工艺同样包括固定床加压Lurgi气化、加压流化床气化和加压气流床气化工艺。

总之，煤的气化在煤化工中占有重要地位，不仅可用于生产各种气体燃料，是洁净的能源，有利于提高人民生活水平和环境保护；煤气化生产的合成气又是合成液体燃料、化工原料等多种产品的原料。

煤化工包括传统煤化工和新型煤化工。传统的涉及煤焦化、煤电石、煤合成氨（化肥）等领域。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工的产品为主，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）等，它与能源、化工技术结合，可形成煤炭-能源化工一体化的新兴产业。我国煤炭资源丰富，煤种齐全，发展新型煤化工可以部分代替石化产品，对于保障国家能源安全具有重要的战略意义。