芳烃是石化和化学工业发展的核心平台化合物。受下游发展机遇推动，开发煤制芳烃技术，利用煤制芳烃代替传统石油制芳烃，成为煤化工行业“十三五”时期的重要任务。这是记者从10月底召开的2016（淮北）煤基新材料及化学品发展论坛上了解到的。
多一种原料来源
芳烃是大宗基础有机化工原料，目前我国年消费量超过2000万吨，是化纤、工程塑料及高性能塑料等的关键原料。中国石油和化学工业联合会副会长周竹叶认为，我国煤制芳烃技术填补了国际空白，是现代煤化工科技领域的重大突破，对推进石油和化工原料多元化进程具有重要意义。
目前，我国芳烃生产97%以上来源依赖石油原料，但由于我国石油资源短缺，炼油厂中存在油品与化学品争夺原料的现象。以PX为例，2015年国内PX表观消费量达到2004.9万吨，产量852万吨，对外依赖度达57%。华电集团教授级高工王彤表示，发展煤基甲醇制芳烃，实现芳烃原料多元化，提高芳烃对下游产业的保障程度，已成为芳烃产业发展的战略需求。
王彤强调，芳烃产品组成丰富，包括苯、甲苯、二甲苯等，这些都是石化和化学工业发展的核心平台化合物，能够连接下游的聚酯、精细化工、新材料、制药等高附加值产业，其下游相关合成化学品达到800余种，如橡胶、树脂、塑料、燃料等，涉及国计民生的各个领域。“从长期来看，煤化工企业需要考虑开发煤制芳烃技术，多产芳烃，以便形成合理的产品结构，进而实现原料多元化，提高产业安全性。”王彤说。
代表技术是FMTA
煤制芳烃过程具有反应复杂、工艺和催化剂强耦合的特点，开发难度大，国外研究偏重反应机理研究，未工业化。而在国内，已经有多家单位开展工作，其中华电煤业和清华大学共同开发的流化床煤制芳烃技术（FMTA）走在了前沿。
据记者了解，经过10余年技术攻关，清华大学率先在国际上开发成功甲醇制芳烃的催化剂和便于大型化工业生产的FMTA连续反应再生技术。为加快产业化应用，清华大学与华电煤业产学研相结合，共同开发成套工业技术。2012年，全球首套万吨级甲醇制芳烃工业试验装置在华电煤业陕西榆林煤化工基地建成。2013年3月，该技术通过中国石化联合会组织的科技成果鉴定：总体处于国际领先水平。
彤表示，FMTA技术采用领先的反应器设计概念，保证了系统操作稳定性和产品收率；大量采用复合冷却等先进节水技术，循环水消耗仅为相似装置的1/5；通过低温再生、设置精密过滤器等，实现了工艺过程本质环保性。不仅如此，FMTA混合芳烃还是良好的芳烃联合原料。“FMTA混合芳烃具有非芳含量低、一苯含量低、二甲苯含量高的特点，使后续芳烃联合单元中抽提、甲苯三甲苯歧化和二甲苯异构化的装置规模大幅下降，在同等规模PX产能的情况下，投资和能耗都降低。”王彤如是说。
应用前景在新材料
芳烃在化工新材料领域应用前景广阔。工信部发布的《石化和化学工业发展规划（2016-2020）》中提到，要对高性能工程塑料、高性能纤维等化工新材料进行创新发展。提升聚芳醚酮/腈、PCT/PBT树脂、聚苯硫醚、工程尼龙等生产技术，加快开发长碳链尼龙、耐高温尼龙、非结晶性共聚酯（PETG）等改性产品，重点开发对位芳纶、聚苯硫醚纤维、聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维等高端产品，这些新材料的原料都涉及芳烃。
石油和化学工业规划院石化处处长郑宝山认为，煤化工应注重与工程塑料、聚氨酯等新材料领域的结合。利用煤生产芳烃等大宗基础化工原料，可以改变新材料行业原料来源单一的局面。
王彤还表示，当前煤制芳烃成为我国全面突破现代煤化工技术的最后一大壁垒，如果成功实现产业化，有望使我国实现以煤为原料，生产全产业链石油化工产品。更有价值的是，在现代煤化工产业链上，我国将拥有全部核心技术和自主知识产权。
（煤制芳烃创新动力来自下游）
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煤基甲醇制芳烃技术进展及经济分析
芳烃中，具有重要化学合成意义的有：苯（Ben zene）、甲苯（Toluene）和二甲苯（Xylene），简称BTX。其全球产量和规模仅次于乙烯和丙烯，其衍生物也被广泛应用于工程塑料和纤维的合成。例如，生产聚苯二甲酸乙二醇酯（PET）的重要原料——对二甲苯，占BTX消费总量的近一半。近年来，随着石油化工和纺织工业的不断发展，世界各国对芳烃的需求也将高速增长。
工业上，石油是生产芳烃的主要原料，仅有少量来自煤焦油加工。石油生产芳烃技术主要包括3个方面，即石脑油加氢重整技术，碳四、碳五芳构化技术和乙烯裂解汽油加氢抽提技术。2013年初，中石油报告预计当年原油依存度将逼近60%，石油需求也将增长至5.14亿t，单纯依靠石油来获得芳烃，已经很难满足化工行业高速增长的需求。众所周知，我国的能源条件是“富煤缺油少气”，这就迫使我们以“煤”为突破口，走出一条具有中国特色的芳烃产业道路。
1 煤基芳烃的技术进展
以煤为原料生产芳烃技术可分为两大类：煤加氢液化油制芳烃技术和煤制合成气再制芳烃技术。其中，合成气制芳烃又分为两类，即合成气直接制芳烃和合成气制甲醇再间接制芳烃。由甲醇制芳烃又分为：甲醇芳构化技术、甲苯甲基化技术、烯烃联产芳烃的组合技术。
1.1 煤加氢液化油制芳烃技术
煤加氢液化油制芳烃技术，是指将煤加氢液化后的油品，提取82℃～182℃的馏分（C6-C8的轻石脑油）为原料，通过催化重整工艺制得芳烃的技术。该技术主要有固定床半再生式和连续式，所包含的化学反应有：芳构化反应、异构化反应和加氢裂化反应等。
由于经过催化重整工艺制得的芳烃产品仍含有其他烃类，所以须用溶剂萃取的方式将芳烃分离出来。国内早期建设的装置，大多采用溶剂为甘醇类的Udex法，此法所用溶剂已逐步改为四乙二醇醚，而近年来新建的装置，多采用溶剂为环丁砜的Sulfolane法。
近些年围绕催化重整技术的主要研究方向是催化剂，由之前的单金属铂和卤素以氧化铝为载体的催化剂，发展为双金属或多金属催化剂。这些催化剂中除铂外，还加入铼、铱或锡等金属组分作助催化剂，以改进催化剂的性能。另外，随着载体的不断改进，也使得催化剂在较低的操作压力和较高的空速下，具有良好的使用性能和寿命。
1.2 煤制合成气再制芳烃技术
1.2.1 合成气直接制芳烃技术
目前合成气直接制芳烃技术，还处于实验室研究阶段，关键技术难点主要是催化剂。国内研究的催化剂主要分为两类：一类为费托合成催化剂与芳构化催化剂复合而成，例如南开大学研发的 Fe-MnO+Zn ZSM-5 型催化剂，Fe-MnO 为费托合成催化剂，Zn ZSM-5是芳构化催化剂，二者混合后形成双功能催化剂；另一类为甲醇合成与脱水催化剂与芳构化催化剂复合而成，例如山西煤化所研发的两段复合床技术，上层床采用甲醇合成催化剂和脱水催化剂，下层床采用SAPO与NKF-5分子筛负载Zn、Ga等脱氢组分所构成的复合催化剂。而国外Mobil公司研究的内容是将Zn-Zr组分与微孔硅铝分子筛复合而形成复合催化剂，以及BP公司的含Ga2O3或In2O3与微孔硅铝分子筛复合催化剂。
1.2.2 合成气制甲醇再制芳烃技术
煤制合成气及合成气制甲醇技术目前已经完全成熟，并实现了工业化推广，而甲醇制芳烃也是技术相对成熟的生产路线，已有成功运行的中试装置。甲醇制芳烃技术主要分为芳构化技术和甲苯甲基化技术。
1.2.2.1 甲醇芳构化技术
甲醇芳构化技术研究主要集中在催化剂上，而催化剂的研究主要集中在不同结构的沸石催化剂上。目前，已经公认效果较好的催化剂是十元环的ZSM-5，其原因是十元环的孔径与BTX的分子尺寸相当，促进轻芳烃的生成同时，抑制重芳烃的生成，并且三维的孔道结构有利于反应物、产物的扩散，以及减少积碳的形成。通过添加金属或金属/非金属氧化物改性ZSM-5催化剂，使其芳构化性能在原催化剂的基础上得到显著提升。另外，催化剂性能随反应温度的升高，而呈现出先升后降的变化规律，催化剂的最佳使用温度为460℃～480℃。
目前国内甲醇芳构化技术主要如下：
清华大学的流化床技术（FMTA）。该工艺主要分为4个部分，即①连续两段流化床反应。②再生、中低温冷却及变压吸附。③轻烃回炼、液相芳烃分离。④苯和甲苯的回炼。该技术已应用在位于陕西榆林甲醇处理量3万t/a的中试装置，连续运行时间443h，芳烃总收率
74.47%，催化剂为负载氧化物的复合分子筛催化剂。
另外，FMTA技术有以下几个特点：①甲醇一次转化率高。②有效烃（碳）收率高，结碳低。③甲醇芳构化与轻烃芳构化反应器共用一个催化剂再生器。④工业试验完成了反应、再生流化床系统与全套分离系统，并取得了工业设计数据。目前，该科技成果已通过中国石油和化学工业联合会的鉴定。
山西煤化所的两段固定床技术。该工艺为两级固定床反应器串联，甲醇进入第一级固定床反应器进行芳构化反应，反应后的气体直接进入第二级固定床反应器继续进行芳构化反应。所用催化剂为添加Ga/Zn/Mo的ZSM-5复合分子筛催化剂。该技术已完成实验室小试，正在准备中试。
上海石油化工研究院技术。该工艺采用的催化剂为负载金属/非金属氧化物的复合分子筛催化剂，目前正在对催化剂的结构的进行设计，并确定了适宜的工艺条件。
国外针对甲醇芳构化技术进行研究的有：沙特基础工业公司。所用催化剂为添加稀土元素镧、铈的ZSM-5复合分子筛催化剂。
1.2.2.2 甲苯甲基化技术
甲苯甲基化技术是将甲苯、甲醇通过烷基化反应合成对二甲苯的工艺路线。20世纪70年代以来，国内外相继开展以Y分子筛和ZSM-5分子筛催化剂为基础的甲苯选择性烷基化合成研究，特别是对ZSM-5分子筛硅铝比、晶粒大小、Pt，Mg，Sb/碱(土)金属改性及P，Si，B等元素改性和水蒸气处理等对催化剂结构、酸性与催化性能之间的关联，进行了大量研究。
日前，国内首套甲苯甲醇甲基化工业装置，在扬子石化成功完成工业运行试验。该装置运用中石化上海石油化工研究院技术，采用负载金属/非金属氧化物的ZSM-5复合分子筛，并通过水蒸气钝化处理后的催化剂。扬子石化计划依托原有20万t/a甲苯择形歧化装置进行改造，目标产出24万t/a优质混合芳烃。
国际方面，印度石油化工公司(IPCC)和GTC公司联合报道了所开发的甲苯甲基化技术——GT-To lAlkSM技术。该工艺采用固定床反应器，高硅ZSM-5催化剂。其工艺特点是采用多段层式反应器，能实现甲醇的分股进料。同时，新进的甲醇还有激冷的作用，并且各层反应器之间可以切换。此外，在反应物料中还添加一定量的水，用以抑制催化剂的积碳，但是该技术尚未有工业化的报道。
2 煤基芳烃的技术经济分析
2.1 煤加氢液化油制芳烃技术经济分析
相比于石油和天然气，虽然同属碳氢化合物，但煤有其独特的地方：①氢-碳比。煤的氢-碳比大约为0.8左右，石油约为1.8，天然气为4；而芳烃的氢-碳比都在1左右，例如苯的氢-碳比为1，甲苯为1.1，萘为0.8。②分子结构。煤主要由不同芳环数的缩合芳烃构成的结构单元组成，结构单元之间由多种桥键联接。
通过加氢液化的方式打断桥键，使芳烃结构分离出来，进而制得芳烃化合物。煤液化产物的组成非常复杂，且因液化煤种和液化工艺条件而异。煤液化产物中的芳烃化合物大都带有烷基侧链，主要有烷基萘、烷基菲和烷基蒽等芳烃化合物。表1为神华煤直接液化项目油品组成。
煤基甲醇制芳烃技术进展及经济分析
由表1可以看出，芳烃在液化粗油的中、重馏分中，含量较多，约为30％～50％，但主要为重质芳烃，轻质芳烃则主要存在于轻馏分中，含量约占12%。
采用与石油石脑油催化重整相同的工艺技术，对煤液化石脑油进行催化重整，所得结果见表2。
煤基甲醇制芳烃技术进展及经济分析
由表2可以看出，由于两种石脑油组成不同，导致产品产率差异很大。若采用相同规模的催化重整装置，对煤液化石脑油和石油石脑油进行催化重整，煤液化石脑油经催化重整后，获得BTX产率约为62%，远远高于石油石脑油催化重整的产率37%。由于采用相同规模的催化重整装置，建设投资大致相同，外购煤液化石脑油、石油石脑油作为原料，原料价格大致也相同，而煤液化石脑油制芳烃的产率，较石油石脑油制芳烃的产率提高了近25个百分点。假设以年重整催化石脑油50万t为例，煤液化石脑油制芳烃的产量，较石油石脑油制芳烃的产量提高12.5万t，销售收入增加近10亿元。
但是，若从全生命周期考虑，以煤为原料生产芳烃较以石油为原料的成本大幅度提高。以神华煤直接液化项目，与同时期产品结构相似的炼油项目做对比，以产品数量为基准测算的比较数据见表3。
煤基甲醇制芳烃技术进展及经济分析
由表3可看出，神华煤直接液化项目的建设投资巨大，为正常炼油项目的10.6倍，使与固定资产有关的成本费用，如折旧费用、修理费用和保险费用都较大，造成了固定成本较大，为一般新建炼油项目的4.5倍，而可变成本只是一般炼油项目的39％。这就造成了煤液化石脑油的生产成本，比石油石脑油要高。所以，不难得出，以原油为原料生产芳烃的技术经济性更好。
2.2 煤基甲醇制芳烃技术经济分析
煤基甲醇制芳烃技术即由煤经气化、变换、净化、合成甲醇，再由甲醇制芳烃的技术。煤制甲醇技术现已成熟可靠，甲醇制芳烃技术经济分析，以清华大学FMTA技术为例，该工艺反应系统主要由再生器，甲醇转芳烃反应器、轻烃转芳烃反应器构成，可最大限度地将甲醇转化为芳烃。
依据目前收集到的信息，以项目建设地在西部地区为例，采用GE水煤浆气化技术、林德低温甲醇洗技术、DAVY甲醇合成技术及FMTA技术，以年产芳烃30万t为目标，产品结构以苯、二甲苯、重芳烃为主。
所需甲醇约100万t/a，该甲醇品质与满足MTO要求的甲醇一致即可，相关反应的催化剂采用国内相对成熟的催化剂。经测算，项目总投资约55亿元，年销售收入约25亿元，税前销售利润约8亿元/a，税前投资回收期6.63年，总投资收益率12.71%。
仍以神华煤直接液化项目为例，项目总投资约540亿元，年销售收入约210亿元，税前销售利润70亿，税前投资回收期7.42年，总投资收益率11.06%。产品结构以柴油、汽油、航煤、聚丙烯、芳烃为主，总量近320万t，其中芳烃产量为30万t/a，以苯、二甲苯、重芳烃为主。由此可以看出，煤液化油制芳烃的技术经济指标，略低于煤基甲醇制芳烃的技术路线。
据有关机构测算，当原油价格为100美元/桶时，东部沿海地区石油制芳烃本利和约为7500元/t，对应西部地区煤基甲醇制芳烃项目的煤炭价格约为530元/t，即当原油价格高于100美元/桶，煤炭价格低于530元/t时，煤基甲醇制芳烃较石油芳烃更有市场竞争力。（以目前煤炭、原油价格，竞争性如何？）
3 总 结
由于我国石油资源贫乏，芳烃生产一直备受影响。煤基芳烃技术开辟了芳烃原料多元化的道路，随着煤基芳烃技术的不断发展，必将有效地缓解这一矛盾。若仅以煤液化石脑油为原料制芳烃，其技术经济评价优于石油石脑油制芳烃，但是若从全生命周期考虑，煤液化油制芳烃的技术经济评价劣于石油制芳烃。同时，也不如煤基甲醇制芳烃的技术经济性。因此，如果国际原油价格持续走高，煤基甲醇制芳烃技术将具有更大的优势。
来源：能源情报 作者：神华煤制油化工有限公司北京工程分公司 韩科 吴勇 王立志
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