21世紀以煤和天然氣為原料的C1化學

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）的產量為油當量的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，是優質的民用和工業燃料，也是生產合成氣的理想原料。當天然氣價格適宜時，以天然氣為原料生產化工產品，建設投資省，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量約占世界總產量的70％；美國和前蘇聯兩大天然氣生產國以天然氣為原料的合成氨和甲醇約占其本國總產量的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，而其產量則僅為美國的約1／20，原蘇聯的約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，且煤炭產地價格便宜，如山西、內蒙、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，用于生產合成氣時建設投資高，因此在發展上也受到一定制約。眾所周知，C1化學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的合成氣含有較高的氫氣；而以煤為原料生產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化學的發展趨勢作一些闡述，并對我國C1化學的發展提一些建議。

1. 國內外發展趨勢

1.1 合成氨生產

1.1.1 以煤為原料的合成氣生產

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

綜合分析各國煤炭氣化技術的特點，其發展趨勢是：

（1）增大氣化爐的斷面，以提高其產量；

（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，以降低對煤質的要求，適應現代化采煤細煤產率較高的趨勢；

（4）研制氣化新工藝和氣化爐新結構，以減少基本建設投資和操作費用。

符合上述要求的現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鍵設備而大部分設備則立足于國內配套建設的日最大投煤量為450～800t的德士古氣化爐，已分別在山東和上海投產，運轉情況良好；前者限于老廠凈化設備，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徑10ft、氣化壓力6.4 MPa的氣化爐也已順利投產。已實現工業化生產的以干粉煤為原料的GSP爐和謝爾公司開發的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，尚缺乏長期運轉經驗，而且其煤粉輸送系統較復雜，閥門磨損問題尚待進一步解決，當前其引進費用也偏高。

上述四種爐型均適合于生產合成氣，并且處于世界領先地位，用戶可依據引進費用、煤種情況，經過經濟比較加以選擇。另外，國內正在自行開發多噴咀水煤漿氣化爐，技術及設備均立足于國內，將大大節省制造費用，其爐膛利用效率也比傳統的德士古氣化爐高，是很有發展前途的，它的開發成功，將會進一步促進我國煤氣化工業的發展。

1.1.2 以天然氣為原料的合成氣生產

目前已實現工業化的以天然氣為原料生產合成氣技術有部分氧化法和蒸汽轉化法。部分氧化法需要使用純氧為氣化劑，目前已較少采用。蒸汽轉化法又有一段蒸汽轉化法，加熱型兩段蒸汽轉化法和換熱式兩段轉化法之分。一段轉化法由于流程短，投資省，應用最廣泛。加熱型兩段轉化法第·一段用蒸汽轉化，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，節省高鎳合金鋼，故廣泛應用于制氨。換熱式兩段轉化工藝最有發展前途。其二段轉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，存在的問題是副產蒸汽量減少。但從節能的角度來看，這種方法最有競爭能力，是今后大型裝置的主要發展方向。

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

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