21世紀以煤和天然氣為原料的C1化學(xué)

最近世界原油價格急速上漲，己達20美元／桶。影響原油價格的因素很復(fù)雜。對今后原油價格的走向，各國看法也不盡相同。但從能源后備資源分析，煤及天然氣均較石油豐富，世界油氣儲量比已從70年代的2.55:1降至目前的1:1。而天然氣（包括油田氣）的產(chǎn)量為油當(dāng)量的1／2。因此，未來一段時間，天然氣將成為世界能源的重要支柱之一。天然氣是清凈能源，熱值高，易燃燒，污染少，是優(yōu)質(zhì)的民用和工業(yè)燃料，也是生產(chǎn)合成氣的理想原料。當(dāng)天然氣價格適宜時，以天然氣為原料生產(chǎn)化工產(chǎn)品，建設(shè)投資省，具有很強的競爭能力。以合成氨為例，使用天然氣為原料的氨產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的70％；美國和前蘇聯(lián)兩大天然氣生產(chǎn)國以天然氣為原料的合成氨和甲醇約占其本國總產(chǎn)量的90％以上。我國與世界情況略有不同，天然氣價格高，比中東高出4至8倍，約為美國的1.2至1.5倍，而其產(chǎn)量則僅為美國的約1／20，原蘇聯(lián)的約1/30，因此在利用和開采上都受到一定限制。我國煤炭資源較豐富，且煤炭產(chǎn)地價格便宜，如山西、內(nèi)蒙、陜西幾大煤炭基地，同等熱值的煤價僅為世界煤價的1／3。因此，在一次能源中，煤炭一直占70％以上。但煤炭直接燃燒污染嚴重，用于生產(chǎn)合成氣時建設(shè)投資高，因此在發(fā)展上也受到一定制約。眾所周知，C1化學(xué)的起始原料為富含一氧化碳和氫氣的合成氣。以天然氣和煤為原料都能生產(chǎn)富含一氧化碳和氫氣的合成氣。所不同的是，以天然氣為原料生產(chǎn)的合成氣含有較高的氫氣；而以煤為原料生產(chǎn)的合成氣則含有較高的碳。

下面，筆者擬就21世紀世界以煤和天然氣為原料的C1化學(xué)的發(fā)展趨勢作一些闡述，并對我國C1化學(xué)的發(fā)展提一些建議。

1. 國內(nèi)外發(fā)展趨勢

1.1 合成氨生產(chǎn)

1.1.1 以煤為原料的合成氣生產(chǎn)

煤炭氣化已有150多年的歷史，氣化方法達70～80種。開發(fā)新一代煤炭氣化技術(shù)，不僅是經(jīng)濟、合理、有效地利用煤炭資源的重要途徑，也是今后發(fā)展煤化工的基礎(chǔ)。

綜合分析各國煤炭氣化技術(shù)的特點，其發(fā)展趨勢是：

（1）增大氣化爐的斷面，以提高其產(chǎn)量；

（2）提高氣化爐的氣化溫度和壓力，以增加空時收率，降低合成壓縮費用。

（3）采用粉煤氣化，以降低對煤質(zhì)的要求，適應(yīng)現(xiàn)代化采煤細煤產(chǎn)率較高的趨勢；

（4）研制氣化新工藝和氣化爐新結(jié)構(gòu)，以減少基本建設(shè)投資和操作費用。

符合上述要求的現(xiàn)代氣化爐主要有以粉煤添加催比劑的水煤漿為原料的德士古氣化爐和兩段陶氏氣化爐；其最大單爐日投煤量已達3000～4000t。我國引進軟件包和關(guān)鍵設(shè)備而大部分設(shè)備則立足于國內(nèi)配套建設(shè)的日最大投煤量為450～800t的德士古氣化爐，已分別在山東和上海投產(chǎn)，運轉(zhuǎn)情況良好；前者限于老廠凈化設(shè)備，氣化壓力約為2.0 MPa，后者操作壓力為4. 0MPa。另外，在陜西渭河化肥廠全套引進的內(nèi)徑10ft、氣化壓力6.4 MPa的氣化爐也已順利投產(chǎn)。已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的以干粉煤為原料的GSP爐和謝爾公司開發(fā)的SCGP爐制成的粗合成氣有效成份高（CO+H2超過95％），冷氣效率高，不需要特殊耐火材料。但與以水煤漿為原料的氣化爐相比，尚缺乏長期運轉(zhuǎn)經(jīng)驗，而且其煤粉輸送系統(tǒng)較復(fù)雜，閥門磨損問題尚待進一步解決，當(dāng)前其引進費用也偏高。

上述四種爐型均適合于生產(chǎn)合成氣，并且處于世界領(lǐng)先地位，用戶可依據(jù)引進費用、煤種情況，經(jīng)過經(jīng)濟比較加以選擇。另外，國內(nèi)正在自行開發(fā)多噴咀水煤漿氣化爐，技術(shù)及設(shè)備均立足于國內(nèi)，將大大節(jié)省制造費用，其爐膛利用效率也比傳統(tǒng)的德士古氣化爐高，是很有發(fā)展前途的，它的開發(fā)成功，將會進一步促進我國煤氣化工業(yè)的發(fā)展。

1.1.2 以天然氣為原料的合成氣生產(chǎn)

目前已實現(xiàn)工業(yè)化的以天然氣為原料生產(chǎn)合成氣技術(shù)有部分氧化法和蒸汽轉(zhuǎn)化法。部分氧化法需要使用純氧為氣化劑，目前已較少采用。蒸汽轉(zhuǎn)化法又有一段蒸汽轉(zhuǎn)化法，加熱型兩段蒸汽轉(zhuǎn)化法和換熱式兩段轉(zhuǎn)化法之分。一段轉(zhuǎn)化法由于流程短，投資省，應(yīng)用最廣泛。加熱型兩段轉(zhuǎn)化法第·一段用蒸汽轉(zhuǎn)化，第二段用純氧或富氧作氣化劑，但用于制氨時可用空氣替代純氧作氣化劑，同時又可減少一段爐的負荷，節(jié)省高鎳合金鋼，故廣泛應(yīng)用于制氨。換熱式兩段轉(zhuǎn)化工藝最有發(fā)展前途。其二段轉(zhuǎn)化爐出口高溫氣體熱量供一段爐所需的熱量，故可大幅度減少燃料天然氣的熱用量，存在的問題是副產(chǎn)蒸汽量減少。但從節(jié)能的角度來看，這種方法最有競爭能力，是今后大型裝置的主要發(fā)展方向。

用天然氣兩段轉(zhuǎn)化制合成氣，含氫量高但碳量不足，因此一段轉(zhuǎn)化爐采用副產(chǎn)的二氧化碳作為氣化劑來

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