吳秀章

（中國(guó)神華煤制油化工有限公司，北京 100011）

神華包頭煤制低碳烯烴示范工程是我國(guó)實(shí)施能源安全戰(zhàn)略、化工基礎(chǔ)原料多元化戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要工程，是世界上首套以煤為原料生產(chǎn)乙烯、丙烯、丁烯為主要產(chǎn)品的工業(yè)化項(xiàng)目，其核心工藝技術(shù)——甲醇制低碳烯烴工藝和催化劑采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DMTO技術(shù)。該示范工程2007年初開(kāi)工建設(shè)、2010年5月底建成。

2010年8月8日甲醇制烯烴裝置投料試車，8月12日、13日分別生產(chǎn)出合格的聚合級(jí)丙烯、乙烯中間產(chǎn)品，8月15日、21日分別生產(chǎn)出合格的聚丙烯、聚乙烯產(chǎn)品。

2011年1月1日起，神華包頭煤制低碳烯烴示范工程正式轉(zhuǎn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，目前已經(jīng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、優(yōu)化商業(yè)化運(yùn)行了整整 3年。3年來(lái)累計(jì)加工原料煤865萬(wàn)噸、生產(chǎn)甲醇中間產(chǎn)品530萬(wàn)噸、生產(chǎn)聚合級(jí)乙烯和丙烯中間產(chǎn)品 164.5萬(wàn)噸、生產(chǎn)聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)品159萬(wàn)噸，累計(jì)實(shí)現(xiàn)銷售收入175億元，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)31.5億元。3年多來(lái)的運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果表明神華包頭煤制低碳烯烴示范工程取得了圓滿成功，不僅使中國(guó)成為世界上唯一掌握煤制烯烴工業(yè)化技術(shù)的國(guó)家，而且為中國(guó)煤制烯烴產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起到了很好的引領(lǐng)示范作用。

1 中國(guó)原油、低碳烯烴的生產(chǎn)與需求

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)的石油生產(chǎn)取得了很大進(jìn)展，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足消費(fèi)的需求，中國(guó)已經(jīng)成為僅次于美國(guó)的全球第二大石油消費(fèi)國(guó)，2012年石油消費(fèi)量達(dá)到了4.76億噸，自產(chǎn)量2.07億噸，石油對(duì)外依存度為56.5%。研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為中國(guó)2020年的原油對(duì)外依存度最高可能要達(dá)到76%[1]。

乙烯、丙烯是化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料，國(guó)外多以天然氣或輕質(zhì)石腦油餾分為原料通過(guò)蒸汽裂解工藝生產(chǎn)；由于中國(guó)輕質(zhì)烴資源匱乏，生產(chǎn)乙烯的原料大多是原油蒸餾生產(chǎn)的石腦油、輕柴油和加氫尾油等。近20年來(lái)，蠟油或重油餾分的催化裂解或催化熱裂解已經(jīng)成為生產(chǎn)低碳烯烴的重要補(bǔ)充。蒸汽裂解生產(chǎn)乙烯的同時(shí)，還副產(chǎn)丙烯、丁二烯、芳烴等重要的有機(jī)化工原料。由于乙烯在石油化工基礎(chǔ)原料生產(chǎn)中的地位，常將乙烯產(chǎn)能作為衡量一個(gè)國(guó)家石油化工生產(chǎn)水平的標(biāo)志。最近20年中國(guó)乙烯工業(yè)飛速發(fā)展，2007年乙烯生產(chǎn)能力達(dá)到了 998萬(wàn)噸/年、產(chǎn)量達(dá)1047.7萬(wàn)噸/年，首次突破千萬(wàn)噸大關(guān)[2]。到2010年底中國(guó)的乙烯生產(chǎn)能力達(dá)到了1494.9萬(wàn)噸/年、產(chǎn)量為1418.8萬(wàn)噸/年，成為僅次于美國(guó)的（2755.4萬(wàn)噸/年）第二大乙烯生產(chǎn)大國(guó)；2012年中國(guó)乙烯產(chǎn)量為1514萬(wàn)噸，當(dāng)年當(dāng)量乙烯消費(fèi)量為3190萬(wàn)噸，對(duì)外依存度為52.5%。預(yù)計(jì)2015年、2020年的乙烯當(dāng)量消費(fèi)將分別達(dá)到 4003萬(wàn)噸和4936萬(wàn)噸，乙烯當(dāng)量的缺口將一直維持在 44%左右[3]。近10年來(lái)世界乙烯原料繼續(xù)向輕質(zhì)化方向發(fā)展，乙烷占原料的比例從 2000年的 28%提高到35%、石腦油從2000年的55%降低到了2010年的47%；美國(guó)近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的大量頁(yè)巖氣，將對(duì)美國(guó)乙烯原料輕質(zhì)化產(chǎn)生重要影響。中國(guó)的乙烯生產(chǎn)原料主要是石腦油，據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)2015年、2020年對(duì)乙烯裂解原料的需求將分別達(dá)到6484萬(wàn)噸和8466萬(wàn)噸[3]。陳俊武等[4]研究指出到2020年中國(guó)乙烯的生產(chǎn)能力將達(dá)到2300萬(wàn)噸，能夠滿足國(guó)內(nèi)乙烯當(dāng)量需求量的60%左右，但乙烯原料仍缺口達(dá)1400萬(wàn)噸/年。

丙烯也是一種非常重要的基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，中國(guó)主要用于聚丙烯、丙烯腈和丁辛醇的生產(chǎn)。世界大約57%的丙烯來(lái)自于乙烯生產(chǎn)的副產(chǎn)品、35%來(lái)自煉油廠的副產(chǎn)品。2005年中國(guó)的丙烯產(chǎn)量為803萬(wàn)噸、2010年達(dá)到了1329萬(wàn)噸，2005—2010年均增長(zhǎng)率為 10.6%；盡管丙烯產(chǎn)能迅速增長(zhǎng)，但還是滿足不了日益增長(zhǎng)的需求，2010年中國(guó)丙烯的當(dāng)量需求為2150萬(wàn)噸，對(duì)外依存度為38%左右。近年來(lái)，市場(chǎng)對(duì)丙烯的需求增速高于乙烯，2012年前中國(guó)丙烯需求年均增速在 6%左右，2013—2015年均增速5%～7%，預(yù)計(jì)2015年中國(guó)丙烯表觀消費(fèi)量為2100萬(wàn)噸、當(dāng)量消費(fèi)接近2600萬(wàn)噸。預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)的丙烯產(chǎn)能將達(dá)到2600萬(wàn)噸，但丙烯當(dāng)量需求將高達(dá)3300萬(wàn)噸。

與石油類似，中國(guó)乙烯工業(yè)在快速發(fā)展的同時(shí)也面臨著原料資源短缺的矛盾，以煤為原料生產(chǎn)甲醇、經(jīng)甲醇制低碳烯烴是緩解乙烯原料短缺的重要措施。

2 煤制低碳烯烴示范工程工藝總流程

以煤為原料制低碳烯烴的主要工藝包括：空氣分離裝置生產(chǎn)煤氣化裝置所需的氧氣和全廠各裝置需要的氮?dú)?；煤氣化裝置將原料煤和氧氣在氣化爐中發(fā)生部分氧化反應(yīng)，生成以 H2、CO、CO2為主要組分的粗合成氣，并將煤中的灰以渣的形式排出；CO變換單元是將部分粗合成氣通過(guò)CO變換反應(yīng)器將CO與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)，以便使合成氣的H2/CO分子比調(diào)整為2左右，滿足甲醇合成對(duì)原料氣的組成要求；合成氣凈化單元一般采用低溫甲醇洗工藝技術(shù)，將合成氣中的H2S和絕大部分CO2脫除，以便使合成氣的雜質(zhì)含量滿足甲醇合成的要求，富含H2S的酸性氣送到硫回收裝置生產(chǎn)硫黃；甲醇合成裝置是將凈化合成氣催化轉(zhuǎn)化為甲醇目標(biāo)產(chǎn)物，因甲醇制烯烴裝置要求甲醇進(jìn)料含有 5%左右的水，因此甲醇合成裝置可以不設(shè)置甲醇精餾單元；甲醇合成裝置的弛放氣通過(guò)膜分離和變壓吸附（PSA）單元生產(chǎn)高純度的H2，供烯烴分離裝置炔烴加氫飽和、聚乙烯和聚丙烯調(diào)節(jié)分子量等使用；甲醇制烯烴裝置是在SAPO-34分子篩催化劑的催化作用下，將甲醇轉(zhuǎn)化為以乙烯、丙烯、丁烯等為主要產(chǎn)物的混合反應(yīng)氣體，并回收反應(yīng)放熱和催化劑再生的放熱；烯烴分離單元就是將甲醇制烯烴單元生產(chǎn)的混合反應(yīng)氣體進(jìn)行增壓、精餾等工序進(jìn)行分離，生產(chǎn)聚合級(jí)乙烯、聚合級(jí)丙烯、混合C4和混合C5等產(chǎn)品；聚乙烯裝置以烯烴分離單元生產(chǎn)的聚合級(jí)乙烯及1-丁烯為原料，生產(chǎn)聚乙烯塑料顆粒產(chǎn)品；聚丙烯裝置以烯烴分離單元生產(chǎn)的聚合級(jí)丙烯及乙烯為原料，生產(chǎn)聚丙烯塑料顆粒產(chǎn)品。以神華包頭煤制烯烴示范工程為例，主要方塊工藝流程如圖1所示。

圖1 神華包頭煤制烯烴工程方塊工藝流程圖

2.1 煤氣化

煤氣化是所有煤制油、煤化工的龍頭和基礎(chǔ)，煤炭氣化過(guò)程屬熱化學(xué)加工過(guò)程，它是以煤炭為原料、以氧氣為主要?dú)饣瘎⒄羝鳛檩o助氣化劑，在氣化爐內(nèi)在高溫、高壓下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將煤炭轉(zhuǎn)化為氣體的過(guò)程。煤炭的氣化一般包括煤的干燥、熱解、氣化和燃燒4個(gè)階段，生成以CO、H2、CO2、H2S、CH4為主的粗合成氣，同時(shí)煤炭中的灰分以渣或灰渣的形式排出。

根據(jù)煤氣化系統(tǒng)的備煤和氣化爐進(jìn)料方式的不同，煤氣化有干法進(jìn)料和濕法進(jìn)料兩種形式。屬于干法進(jìn)料氣流床氣化的爐型有 Shell粉煤氣化爐、GSP氣化爐等，具有代表性的濕法進(jìn)料氣流床氣化的爐型為GE水煤漿氣化爐、華東理工大學(xué)的四噴嘴氣化爐。水煤漿加壓氣化技術(shù)是當(dāng)前世界上已工業(yè)化最成熟可靠的氣化技術(shù)之一。水煤漿氣化工藝對(duì)煤種的適應(yīng)范圍比較寬；氣化爐操作彈性大，單臺(tái)氣化爐生產(chǎn)能力較大；煤氣中有效氣成分（CO+H2）含量高，是生產(chǎn)甲醇合成氣的理想原料氣。結(jié)合原料煤的性質(zhì)，神華包頭煤制低碳烯烴示范工程采用了水煤漿加壓氣化工藝技術(shù)，采用7臺(tái)氣化爐（5開(kāi)2備），每臺(tái)氣化爐處理干煤量為1500 t/d；氣化爐操作壓力為6.5 MPa（G）。

2.2 合成氣變換與凈化

甲醇合成對(duì)合成氣組成的要求是H2/CO的摩爾比在2左右，水煤漿氣化生產(chǎn)的粗合成氣的H2/CO摩爾比約為0.75（CO干基含量為47%、H2干基含量為 35%）、干煤粉氣化生產(chǎn)的粗合成氣的 H2/CO摩爾比約為0.33（CO干基含量為69%、H2干基含量為23%），因此均需要將粗合成氣進(jìn)行CO變換將合成氣的H2/CO比調(diào)整為2左右。CO水蒸氣變換的化學(xué)反應(yīng)為：CO + H2O —→CO2+ H2。CO變換反應(yīng)的特點(diǎn)是反應(yīng)放熱、可逆，反應(yīng)速度比較慢，因此需要催化劑來(lái)加快反應(yīng)速度。目前使用的催化劑主要有鐵鉻系和鈷鉬系兩大類，鐵鉻系催化劑機(jī)械強(qiáng)度好、耐熱性能好、壽命長(zhǎng)、成本低，但耐硫性能較差；鈷鉬系催化劑具有良好的耐硫性能，目前應(yīng)用較多[5]。變換工藝主要分為常規(guī)變換和耐硫變換兩種，常規(guī)變換即原料氣先脫硫再變換，耐硫變換即含硫原料氣不經(jīng)脫硫而直接進(jìn)行變換。采用耐硫變換時(shí)，水煤漿氣化粗水煤氣經(jīng)洗滌后含塵量1～2 mg/m3，溫度230～245 ℃，并被水蒸氣飽和，水氣比約為 1.3～1.5，直接經(jīng)過(guò)加熱升溫后即可進(jìn)入變換爐，不需再補(bǔ)加蒸汽。由于流程短，能耗低，故水煤漿氣化配耐硫變換是最佳選擇。根據(jù)粗水煤氣量，神華包頭煤制烯烴示范工程采用部分變換（耐硫變換+配氣）流程，總量約 55%的粗煤氣經(jīng)過(guò)耐硫變換將其大部分 CO變換，再與配氣流程中約45%的未變換粗煤氣混合，形成氫碳比為2的變換氣送至下游的低溫甲醇洗單元。按照變換進(jìn)氣量核算，CO變換設(shè)置了兩個(gè)系列；為了降低壓力損失以及減少變換爐設(shè)備尺寸，示范工程變換采用了徑向變換爐。

甲醇合成的原料是CO和H2，而經(jīng)過(guò)CO變換后的粗合成氣中含有大量的CO2，而且還含有對(duì)甲醇合成銅催化劑有毒害作用的硫化物，因此需要將粗合成氣進(jìn)行凈化處理，以脫除其中的酸性氣（H2S、COS、CO2），特別是要將其中的硫化物脫除到0.1 mg/m3以下。脫除酸性氣的方法分為物理吸附法和化學(xué)吸附法，通常當(dāng)酸性氣組分的分壓較低、氣體量較小時(shí)采用化學(xué)吸附法的效果較好、也經(jīng)濟(jì)；而酸性氣組分的分壓較高，且氣體量比較大的時(shí)候，則宜采用物理吸附法。物理吸附法又分為熱法和冷法兩種，熱法包括了UOP公司的Selexol工藝和南化研究院的 NHD工藝，冷法即低溫甲醇洗工藝[6]。低溫甲醇洗法（Rectisol法）采用甲醇為吸附劑，在加壓、低溫下操作，原料氣中的酸性氣在甲醇中的溶解度大、較易脫除，溶劑甲醇的損失量也很小。甲醇溶劑具有如下特點(diǎn)：①對(duì)H2S、COS、CO2的溶解度大，溶劑的循環(huán)量低；②H2S和COS比CO2的選擇性高，可以得到富H2S的物流，有利于硫黃回收；③對(duì)H2、CO和CH4的溶解度低，有效氣體損失??；④溶劑易回收，溶劑損失率低；⑤對(duì)水的溶解度高，可以脫除原料氣中的水；⑥低溫下黏度小，適宜于低溫操作；⑦具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；⑧對(duì)設(shè)備不產(chǎn)生腐蝕；⑨易得且價(jià)格低廉。神華包頭煤制烯烴示范工程的粗合成氣凈化采用了兩系列低溫甲醇洗工藝技術(shù)；由于工廠自產(chǎn)丙烯，低溫甲醇洗采用了丙烯制冷獲得冷量。

2.3 甲醇合成

甲醇是煤制低碳烯烴工藝過(guò)程中的重要中間產(chǎn)品，低廉而穩(wěn)定的甲醇是實(shí)現(xiàn)煤制低碳烯烴的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)中間產(chǎn)品甲醇的低成本，一是要生產(chǎn)出低成本的合成氣（通過(guò)低煤價(jià)、煤氣化及粗合成氣凈化技術(shù)先進(jìn)及大型化等實(shí)現(xiàn)）；二是要實(shí)現(xiàn)甲醇合成的大型化。文獻(xiàn)[7]指出同等條件下生產(chǎn)能力是 5000 t/d的甲醇項(xiàng)目的甲醇生產(chǎn)成本是2500 t/d裝置生產(chǎn)成本的73%；另外，合成氣壓力高也是“大甲醇”概念中的重要組成部分。張明輝[8]指出甲醇裝置的生產(chǎn)能力由30萬(wàn)噸/年提高到150萬(wàn)噸/年之后，單位產(chǎn)品的投資可降低28%、產(chǎn)品生產(chǎn)成本可降低24%；如果生產(chǎn)能力進(jìn)一步提高到300萬(wàn)噸/年，單位產(chǎn)品的投資可降低32%、產(chǎn)品生產(chǎn)成本可降低27%。

神華包頭煤制烯烴示范工程的 180萬(wàn)噸/年甲醇合成裝置采用了串/并聯(lián)工藝雙反應(yīng)器流程[9]，甲醇合成回路由兩個(gè)串聯(lián)在一起的低壓蒸汽上升反應(yīng)器組成，該流程比傳統(tǒng)流程在催化劑與設(shè)備投資上更為經(jīng)濟(jì)。甲醇反應(yīng)器采用了徑向流反應(yīng)器，該反應(yīng)器的特點(diǎn)是：催化劑裝填在管外、進(jìn)入合成反應(yīng)器內(nèi)的原料氣徑向流動(dòng)、列管不對(duì)稱排列、采用帶膨脹圈的浮頭式結(jié)構(gòu)。在該流程中，絕大部分的新鮮原料氣與第二粗甲醇分離器頂部來(lái)的循環(huán)氣混合后進(jìn)入第一反應(yīng)器；反應(yīng)后的混合氣體經(jīng)回收熱量后進(jìn)入第一粗甲醇分離器實(shí)現(xiàn)氣液分離，循環(huán)氣與少量新鮮原料氣混合，壓縮后進(jìn)入第二甲醇反應(yīng)器；反應(yīng)后的氣體經(jīng)熱量回收后，進(jìn)入第二粗甲醇分離器實(shí)現(xiàn)氣液分離，循環(huán)氣再與新鮮原料氣混合進(jìn)入第一甲醇反應(yīng)器。第一粗甲醇分離器與第二粗甲醇分離器的粗甲醇通過(guò)閃蒸罐減壓后進(jìn)入甲醇穩(wěn)定塔，除去粗甲醇中殘留的溶解氣體及少量低沸物，獲得含水5%的MTO級(jí)甲醇。由于甲醇制烯烴的甲醇原料中含有一定量的水可以提高低碳烯烴的選擇性，因此為甲醇制低碳烯烴配套的甲醇合成裝置可以不用設(shè)置甲醇精餾裝置。

2.4 甲醇制烯烴（MTO）

MTO是煤制烯烴工程中最為核心的工藝過(guò)程。甲醇制烯烴工藝的實(shí)現(xiàn)得益于 SAPO-34分子篩催化劑的開(kāi)發(fā)成功[10-13]。磷酸硅鋁（SAPO）系列分子篩是美國(guó)聯(lián)碳公司于1984年新開(kāi)發(fā)的分子篩，其中SAPO-34分子篩具有8元環(huán)構(gòu)成的橢球形籠和三維孔道結(jié)構(gòu)，孔口直徑為0.43～0.50 nm，該分子篩具有小孔結(jié)構(gòu)、中等酸性、良好的水熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)。以SAPO-34催化MTO反應(yīng)，低碳烯烴的選擇性高于90%，乙烯選擇性可以達(dá)到50%以上，充分顯示出 SAPO-34分子篩催化 MTO反應(yīng)的優(yōu)越性[14]。

國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)石油化工集團(tuán)公司、神華集團(tuán)等，國(guó)外的 UOP、ExxonMobil等公司均對(duì)SAPO-34分子篩進(jìn)行了很多研究。

MTO的反應(yīng)機(jī)理是甲醇先脫水生產(chǎn)二甲醚（DME），然后二甲醚與甲醇的平衡混合物脫水繼續(xù)轉(zhuǎn)化為以乙烯、丙烯為主的低碳烯烴，少量C2=～C5=進(jìn)一步環(huán)化、脫氫、氫轉(zhuǎn)移、縮合、烷基化等反應(yīng)生產(chǎn)分子量不同的飽和烴、芳烴、C6+烯烴及焦炭等。甲醇制烯烴反應(yīng)包括如下3個(gè)反應(yīng)步驟[15]：①在分子篩表面形成甲氧基；②生成第一個(gè)C—C鍵；③生成C3、C4。

2005年底陜西新興煤化工科技發(fā)展有限公司與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)石化洛陽(yáng)石化工程公司合作，于2005年底在陜西省建設(shè)了年加工甲醇1.67萬(wàn)噸的試驗(yàn)裝置，該裝置于2006年2月一次投料成功，并平穩(wěn)運(yùn)行了1150 h，試驗(yàn)期間甲醇轉(zhuǎn)化率近 100%，低碳烯烴（乙烯、丙烯、丁烯）選擇性達(dá)90%以上[16]。大連化學(xué)物理研究所與UOP公司的MTO中試評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示[17]。

神華包頭煤制烯烴工業(yè)示范項(xiàng)目甲醇制烯烴裝置加工甲醇180萬(wàn)噸/年，設(shè)計(jì)生產(chǎn)乙烯30萬(wàn)噸/年、丙烯30萬(wàn)噸/年，采用了中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開(kāi)發(fā)的DMTO技術(shù)。與其在陜西建設(shè)并運(yùn)行的 1.67萬(wàn)噸/年試驗(yàn)裝置相比，神華包頭甲醇制烯烴裝置放大了108倍，該裝置于2010年8月8日一次投料試車成功。

表1 大連化學(xué)物理研究所與UOP公司的中試裝置評(píng)價(jià)結(jié)果比較

2.5 烯烴分離

烯烴分離（或稱為輕烯烴回收）是將甲醇制烯烴單元生產(chǎn)的混合產(chǎn)物中的乙烯、丙烯等低碳烯烴以經(jīng)濟(jì)、低能耗、最大回收率的方式生產(chǎn)能夠滿足下游加工裝置產(chǎn)品規(guī)格的烯烴產(chǎn)品，最普通的就是生產(chǎn)聚合級(jí)乙烯和聚合級(jí)丙烯。甲醇制烯烴反應(yīng)得到的反應(yīng)產(chǎn)物的組成有其特有的特點(diǎn)。MTO反應(yīng)產(chǎn)物組成與石腦油蒸汽裂解產(chǎn)物組成對(duì)比如表 2所示[17]。表2中數(shù)據(jù)表明MTO反應(yīng)產(chǎn)物的組成有如下特點(diǎn)：①氫氣和甲烷少，有利于乙烯分離；②乙烯、丙烯含量明顯高于石腦油裂解氣；③重組分（C5+）少；④炔烴含量少；⑤不含H2S；⑥產(chǎn)物中含有含氧化合物（甲醇、二甲醚等）。MTO烯烴分離工藝的目標(biāo)主要是：有效脫除雜質(zhì)（未反應(yīng)的甲醇、二甲醚、CO2、CO、NOx、N2、O2等）、簡(jiǎn)化分離流程、盡可能不采用深冷分離和冷箱設(shè)計(jì)。

神華煤制烯烴示范工程烯烴分離針對(duì) MTO反應(yīng)產(chǎn)物中含有微量NOx以及含有過(guò)氧化物的特點(diǎn)，在烯烴分離流程設(shè)計(jì)時(shí)在 3個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)考慮：①控制關(guān)鍵點(diǎn)的操作溫度，盡量減少結(jié)垢的形成；②在一些關(guān)鍵部位注入阻聚劑，降低結(jié)垢的形成速率；③關(guān)鍵的換熱器采用折流板換熱器。另外，烯烴分離與反應(yīng)區(qū)進(jìn)行熱量利用的整合，利用反應(yīng)區(qū)的低品位廢熱作為回收工段的熱源[18]。

2.6 烯烴聚合生產(chǎn)聚乙烯、聚丙烯

神華煤制烯烴示范工程采用氣相法聚乙烯工藝和氣相法聚丙烯工藝生產(chǎn)聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)品。本裝置主要由原料精制單元、聚合反應(yīng)單元、樹(shù)脂脫氣和排放氣回收單元、樹(shù)脂和添加劑處理單元、擠壓造粒單元、產(chǎn)品摻混風(fēng)送單元等組成。

表2 MTO工藝與石腦油裂解工藝產(chǎn)品氣組成對(duì)比

聚乙烯工藝采用冷凝態(tài)操作技術(shù)，來(lái)自界區(qū)的乙烯加熱后經(jīng)過(guò)精制與干燥，除去微量的O2、CO、CO2等雜質(zhì)，然后與其他精制的原料（1-丁烯或 1-己烯和氫氣）及催化劑連續(xù)被送進(jìn)入流化床反應(yīng)器發(fā)生聚合反應(yīng)，通過(guò)循環(huán)氣在反應(yīng)器外部冷卻循環(huán)，使反應(yīng)床流化，同時(shí)除去反應(yīng)熱。樹(shù)脂間歇地從反應(yīng)器排入產(chǎn)品出料系統(tǒng)（PDS）。在產(chǎn)品排料過(guò)程中，一些夾帶的反應(yīng)氣被送到另一個(gè)出料系統(tǒng)，出料系統(tǒng)臨時(shí)貯存的反應(yīng)氣，在下一個(gè)排料周期直接返回到反應(yīng)器。聚乙烯樹(shù)脂被送往產(chǎn)品脫氣倉(cāng)，同時(shí)輸送氣進(jìn)入排放氣回收系統(tǒng)。根據(jù)產(chǎn)品牌號(hào)的不同，采用多種不同的催化劑，特別是茂金屬催化劑的工業(yè)化生產(chǎn)，極大地拓寬了共聚型聚乙烯產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

聚丙烯工藝應(yīng)用第一反應(yīng)器能夠生產(chǎn)均聚和無(wú)規(guī)共聚產(chǎn)品，串連第二反應(yīng)器可生產(chǎn)抗沖共聚產(chǎn)品，其抗沖共聚產(chǎn)品的乙烯含量可高達(dá)17%（橡膠含量大于 30%）。該工藝的另一顯著特點(diǎn)是采用超冷凝態(tài)操作，由于液體含量多少是流化床穩(wěn)定、形成聚合物結(jié)塊的基本因素，因此該技術(shù)關(guān)鍵的操作變量是膨脹床的密度及膨脹松密度與沉降松密度的比例。由于超冷凝態(tài)操作能夠最有效地移走反應(yīng)熱，它能使反應(yīng)器在體積不增加的情況下生產(chǎn)能力大幅提高，節(jié)省了投資。

3 神華包頭煤制低碳烯烴成套工業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)

立足煤制低碳烯烴示范工程的建設(shè)與運(yùn)轉(zhuǎn)，神華煤制油化工公司聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)石化洛陽(yáng)石化工程公司、新興能源科技有限公司等單位開(kāi)展了大量的技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，在工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程放大、工程施工、生產(chǎn)運(yùn)行等多個(gè)方面取得了一系列重大成果，形成了煤制低碳烯烴成套工業(yè)化技術(shù)。

3.1 制定并驗(yàn)證了世界首套煤制烯烴生產(chǎn)線的總體工藝路線

包頭煤制低碳烯烴為世界首次煤制烯烴技術(shù)的工業(yè)化。總體工藝技術(shù)路線的確定、單元技術(shù)的選擇及互相匹配、總體公用工程技術(shù)及環(huán)境保護(hù)技術(shù)等將決定煤制烯烴首次工程化的成敗。但本項(xiàng)目實(shí)施之前，這些方面基本無(wú)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

該項(xiàng)目技術(shù)人員經(jīng)過(guò)多次認(rèn)真論證，確定了大型化煤制甲醇、甲醇制烯烴、烯烴分離后聚合的總體工藝技術(shù)路線，核心技術(shù)確定采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DMTO技術(shù)，并論證提出了各單元銜接的技術(shù)和工程化實(shí)施方案。提出了兼顧各單元裝置又兼顧總體的公用工程方案，提出了全廠統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的熱量利用方案、污水處理和環(huán)境保護(hù)方案。在充分評(píng)估技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、工程風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的前提下，確定了本項(xiàng)目6大系統(tǒng)共46個(gè)裝置（單元）的具體技術(shù)方案。

在工藝路線關(guān)鍵問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)了突破：解決了大型煤制甲醇工藝路線的確定及系統(tǒng)配置問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了MTO級(jí)甲醇獨(dú)特生產(chǎn)路線，開(kāi)發(fā)出了利用甲醇弛放氣生產(chǎn)氫氣的技術(shù)，解決了大型煤化工項(xiàng)目的全廠排放及火炬系統(tǒng)集成問(wèn)題，解決了全廠高壓氮?dú)馀渲脝?wèn)題，開(kāi)發(fā)了煤化工高氨、低硫化氫氣體的綜合處理工藝等。開(kāi)發(fā)了煤制烯烴示范工程開(kāi)停車及運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤制烯烴工廠一次投料試車成功，5個(gè)月后成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

國(guó)產(chǎn)特大型空分裝置成套設(shè)備技術(shù)工程化。開(kāi)發(fā)了國(guó)產(chǎn)特大型空分裝置成套工程化技術(shù)，建成了制氧量每小時(shí) 24萬(wàn)立方米的當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最大的空分裝置，對(duì)推進(jìn)國(guó)家能源重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)及裝備制造業(yè)的提升具有十分重要的意義。

作為全球最大、世界首套煤制烯烴示范工程，在技術(shù)開(kāi)發(fā)和工程建設(shè)過(guò)程中成功實(shí)現(xiàn)了 30多臺(tái)套關(guān)鍵設(shè)備和特大型設(shè)備的工程化。包括水煤漿氣化爐、碳洗塔、一氧化碳變換爐、產(chǎn)能最大的甲醇合成塔、甲醇制烯烴單元反再兩器和立式換熱器、烯烴分離單元丙烯精餾塔等核心關(guān)鍵設(shè)備工程化應(yīng)用。該示范工程設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到87%以上，帶動(dòng)國(guó)內(nèi)煤制烯烴項(xiàng)目裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

煤制烯烴示范工程的一次投料成功、長(zhǎng)期的商業(yè)化運(yùn)行實(shí)踐和技術(shù)指標(biāo)證明，所提出的工藝技術(shù)路線合理可行。

3.2 完成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甲醇制烯烴核心技術(shù)首次工業(yè)化

甲醇制烯烴技術(shù)為煤制烯烴的關(guān)鍵技術(shù)，是煤制烯烴項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和中國(guó)石化洛陽(yáng)石化工程公司在萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)化試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，確定并優(yōu)化了百萬(wàn)噸級(jí)甲醇制烯烴技術(shù)的工藝流程、催化劑流態(tài)化技術(shù)、反再系統(tǒng)工程化技術(shù)、減少催化劑損耗和催化劑回收技術(shù)、催化劑再生技術(shù)反應(yīng)-再生系統(tǒng)催化劑汽提技術(shù)、反應(yīng)產(chǎn)物的后處理技術(shù)、含氧化合物的回收技術(shù)、再生煙氣的余熱利用技術(shù)。甲醇制烯烴技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)與工業(yè)化應(yīng)用，有力推進(jìn)了中國(guó)技術(shù)自主創(chuàng)新和裝備制造戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也有利于促進(jìn)國(guó)內(nèi)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和大型裝備設(shè)計(jì)、制造水平。

MTO裝置采用SAPO-34分子篩催化劑，甲醇制烯烴反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高、乙烯丙烯的選擇性高，但存在著催化劑失活快的缺點(diǎn)；根據(jù)MTO反應(yīng)的特點(diǎn)，神華包頭60萬(wàn)噸/年MTO工業(yè)裝置采用了湍流流化床反應(yīng)器和再生器，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置內(nèi)取熱盤管、再生器設(shè)置外取熱器以維持兩器熱平衡。開(kāi)發(fā)出了甲醇制烯烴裝置的操作技術(shù)[19]，MTO工業(yè)裝置開(kāi)工再生器依靠輔助燃燒室升溫、而反應(yīng)器需依靠開(kāi)工加熱爐加熱開(kāi)工氮?dú)馍郎亍TO工業(yè)裝置開(kāi)工裝填催化劑時(shí)首先向反應(yīng)器裝催化劑、再向再生器加裝催化劑；建立兩器間催化劑循環(huán)時(shí)，先啟動(dòng)反應(yīng)器向再生器轉(zhuǎn)劑、然后再建立再生器向反應(yīng)器轉(zhuǎn)劑。將進(jìn)料堿金屬含量控制在 1 μg/g以下并含有5%左右的水，對(duì)保持催化劑性能和優(yōu)化產(chǎn)品分布十分關(guān)鍵；在較高的溫度下（最好在350℃左右）啟動(dòng)進(jìn)料，有利于縮短產(chǎn)品質(zhì)量調(diào)整的時(shí)間?？刂拼呋瘎⒃偕呋瘎┑奶疾顚?duì)保持催化劑的活性、選擇性和MTO反應(yīng)的順利進(jìn)行至關(guān)重要。在不發(fā)生稀相超溫的前提下，再生器采用部分燃燒模式是將再生催化劑含碳量維持在合理范圍的重要措施。

3.3 實(shí)現(xiàn)了烯烴分離工藝流程開(kāi)發(fā)并首次成功應(yīng)用

成功完成烯烴分離工藝流程開(kāi)發(fā)與工程化。通過(guò)對(duì)氮氧化物去除的工程方案措施、低溫?zé)峄厥盏墓こ踢\(yùn)用、脫甲烷塔頂吸收劑的選擇、含氧化合物回收的工程設(shè)置、酸性氣脫除技術(shù)工程化、原料的凈化分離、換熱流程選擇優(yōu)化等方面工程化的研究，開(kāi)發(fā)了世界首套煤基甲醇制低碳烯烴反應(yīng)產(chǎn)物分離技術(shù)，并首次成功應(yīng)用。

3.4 開(kāi)發(fā)了C4綜合利用深加工技術(shù)

甲醇制烯烴技術(shù)副產(chǎn)品 C4富含混合丁烯組分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞90%），是很好的化工基礎(chǔ)原料，根據(jù)實(shí)際投料運(yùn)行組分分析數(shù)據(jù)，研究開(kāi)發(fā)了C4綜合利用深加工技術(shù)路線，綜合利用C4副產(chǎn)品，用于生產(chǎn)MTBE、1-丁烯、二丙基庚醇（2-PH）等產(chǎn)品，既能為下游聚乙烯裝置解決共聚單體的問(wèn)題，同時(shí)又能生產(chǎn)出高附加值的2-PH產(chǎn)品，使C4資源得到充分的應(yīng)用[20-21]。

3.5 開(kāi)發(fā)出了污水處理和回用技術(shù)

針對(duì)神華煤制烯烴示范工程生產(chǎn)廢水中的CODcr、BOD5、SS、氨-氮均較高的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究、論證，污水處理場(chǎng)采用前置反硝化（A/O）工藝+曝氣生物濾池的二級(jí)生化處理工藝，A/O由兩部分組成：缺氧池和好氧池，總水停留時(shí)間為80 h。原設(shè)計(jì)處理規(guī)模為400 m3/h，2012年新增一座300 m3/h的備用生化系統(tǒng)，改造后污水處理裝置規(guī)模為700 m3/h，以適應(yīng)生產(chǎn)廢水水質(zhì)、水量變化較大的特點(diǎn)；增設(shè)曝氣生物濾池，對(duì)一級(jí)生化處理后的污水進(jìn)行深度處理，進(jìn)一步降低 CODcr 和氨-氮含量，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)（CODcr≤100 mg/L和氨-氮≤15 mg/L），達(dá)到回用水裝置預(yù)處理要求后與清凈下水混合后進(jìn)入回用水裝置進(jìn)行深度脫鹽處理，回用水裝置規(guī)模為1400 m3/h；回用水做為循環(huán)水裝置補(bǔ)充水回用，最大回用水量為900 m3/h，濃鹽水作為廢水外排，最大廢水排放量為460 m3/h。

4 神華煤制低碳烯烴示范工程運(yùn)轉(zhuǎn)情況

神華包頭煤制低碳烯烴示范工程從 2011年 1月1日轉(zhuǎn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)后，近3年的運(yùn)行情況如表3所示；表3數(shù)據(jù)表明該示范工程商業(yè)化運(yùn)營(yíng)以來(lái)，實(shí)現(xiàn)了良好的運(yùn)營(yíng)，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 神華煤制低碳烯烴商業(yè)化運(yùn)行情況

神華包頭煤制低碳烯烴示范工程一次開(kāi)車成功并穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，激勵(lì)了中國(guó)煤制烯烴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前我國(guó)已經(jīng)投產(chǎn)和在建的煤制低碳烯烴項(xiàng)目（含甲醇制烯烴）約為20個(gè)，項(xiàng)目分部在內(nèi)蒙古、陜西、寧夏、浙江、河南、江蘇、新疆、安徽等省區(qū)。這些項(xiàng)目建成投產(chǎn)后，以煤（或甲醇）為原料生產(chǎn)的乙烯約為556萬(wàn)噸，約占2015年我國(guó)乙烯總消費(fèi)當(dāng)量的14%；以煤（或甲醇）為原料生產(chǎn)的丙烯約為590萬(wàn)噸，約占2015年我國(guó)丙烯總消費(fèi)當(dāng)量的23%。

5 結(jié) 語(yǔ)

神華包頭煤制低碳烯烴示范工程的成功標(biāo)志著中國(guó)率先掌握了煤基烯烴工業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了石油替代的新途徑，奠定了我國(guó)在世界煤基烯烴工業(yè)化產(chǎn)業(yè)中的國(guó)際領(lǐng)先地位，對(duì)于中國(guó)推進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，減輕和緩解石油高度對(duì)外依存的壓力，保障國(guó)家能源戰(zhàn)略安全具有重要意義。該示范工程的成功必將使中國(guó)煤制聚烯烴產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速有序發(fā)展階段。

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