高溫煤焦油加工行業問題分析及對策研究

張振勇 , 丁明潔 , 陳 湘 , 殷甲楠 , 李銀峰 , 宋成建

(河南城建學院 材料與化工學院 ,河南省煤鹽資源高效清潔利用工程技術研究中心 , 河南 平頂山 467036)

中國高溫煉焦每年產生近2 000萬t的高溫煤焦油(本文中煤焦油指高溫煤焦油),資源十分豐富[1]。煤焦油的主要組分是多環芳香族化合物,是當前工業生產中多環芳香族化合物的主要來源。煤焦油中主要是2～4環的組分,在其蒸餾加工中轉移到輕油、酚油、萘油、洗油、蒽油等輕質餾分中,其中含量相對較高的組分有萘、吲哚、蒽、咔唑、菲、芴、熒蒽、氧芴、芘、酚類、苯胺、喹啉、吡啶等。這些組分都是現代化工和先進材料制造業的重要原料和中間體,是合成塑料、合成纖維、農藥、染料、醫藥、涂料、助劑等精細化工產品的基礎原料。

本文綜述了國內外煤焦油行業生產與技術現狀,分析了我國煤焦油行業存在的問題,并提出了相應的對策和建議,以期能夠為促進我國煤焦油行業發展和技術進步提供參考。

1 國外煤焦油行業現狀

在18世紀西歐冶金工業興起之初,冶金焦炭生產過程就伴隨著大量的煤焦油和焦爐煤氣產生,焦爐氣被應用于城市照明,而煤焦油卻未找到利用途徑。直到19世紀初,人們才從煤焦油中提煉出苯、萘、甲苯、二甲苯、苯酚以及苯胺等,為以后合成染料的研究與工業化奠定了原料基礎。1856年英國的鉑金合成了第一個合成染料苯胺紫,并向英國政府申請了專利。隨后,英國和德國相繼開發了從煤焦油中的芳烴制備合成染料的工藝,之后苯胺系、蒽醌系、萘酚系、靛藍系、咔唑系等系列豐富多彩的染料相繼問世,由此奠定了現代有機化學工業的基礎[2-3]。

當前,煤焦油深加工的主流工藝是從蒸餾開始的,包括蒸餾前的預處理、脫鹽及脫水、初步蒸餾等,獲得輕油、酚油、萘油、洗油、蒽油等輕質餾分和瀝青,對輕質餾分進一步分離和加工轉化獲得芳香族化學品;重組分的瀝青則用來生產木材防腐劑、建裝防水劑、筑路瀝青、針狀焦、碳纖維及各種改質瀝青等[4-5]。

國際煤焦油加工先進技術以德國和日本為代表,美國、俄羅斯、英國和法國在技術上也較為先進。另外,印度在煤焦油加工方面也有較快的發展。

1.1 德國煤焦油加工行業

德國是最早開發煤焦油產品附加值的國家,世界聞名的一些工藝流程幾乎都是它們設計的。迄今德國煤焦油加工技術仍然是世界煤焦油加工行業最先進技術的代表。20世紀 20年代,德國煤焦油的集中加工向規?；蛯I化轉換,于20世紀 60年代形成煤焦油加工的專業公司-呂格特公司,成為目前世界煤焦油行業的代表。目前呂特格公司 (Rutgers Werke AG)的焦油加工能力為 150萬 t/a,煤焦油的化工利用率接近 60%,其加工技術水平、產品種類、質量等級均處于世界領先地位。

呂特格公司對煤焦油進行全方位加工,對焦油組分進行提純、轉化和配制,生產多種規格和等級的產品,較大程度地利用了煤焦油的輕組分。目前該公司可從煤焦油中分離出400余種化合物,其中200多種化合物的分離已經實現產業化,可以根據市場要求,在同一裝置上,改變操作參數,生產不同級別的產品,萘有4個級別,樹脂有5個級別,蒽有7個級別,瀝青黏結劑及浸漬料有20個級別。

1.2 日本煤焦油加工行業概述

日本的煤焦油化工工業起步晚于西歐國家,但發展較快,現有煤焦油加工能力已達 180萬t/a,形成了集中化、大型化和現代化的產業體系,主要工藝大多是考伯斯二次氣化工藝的改良型,擁有日本住金化學、日本新日鐵化學、日本神戶制鋼和日本川崎制鐵等多家公司,其中以住金化學和新日鐵化學為代表,分別對輕組分和重組分進行加工,專業化程度很高。

日本的住金化學以煤焦油輕組分的精細化加工為目標,在煤焦油蒸餾產品的基礎上進行進一步分離,對所得純化合物進行提純或延伸,向下游的精細化工、染料、醫藥方面延伸,試制和生產的深加工產品有180種左右,其中酚類衍生物有21種,喹啉及衍生物有32種,萘衍生物有60種。日本的三菱株式會社則重點加工瀝青類產品,對煤焦油蒸餾的輕質餾分均不進行加工,以混合油的形式出售,僅對蒸餾產生的瀝青進行加工,生產針狀焦、碳纖維以及各種改質瀝青、中間相瀝青、延遲焦等,日本的煤系針狀焦和碳纖維無論是技術上還是產品質量上都處于世界領先水平。

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1.3 其他國家煤焦油加工行業

美國、俄羅斯等的煤焦油加工業也具有相當高的水平。前蘇聯的焦油加工單套裝置年處理煤焦油的能力達 60萬t/a,精制獲得的焦油產品約有190種,其煤焦油分離效率僅次于德國[2]。美國Rilly公司、澳大利亞Koppers 公司的煤瀝青加工技術也屬于國際先進水平。法國和英國煤焦油加工開展較早,但發展不快。印度煤焦油加工水平也較高,在萘、苯、甲苯及二甲苯和酚的生產工藝方面取得了突出成就,在甲苯、萘和蒽的催化氧化方面也做了大量的研究和開發工作。

2 國內煤焦油行業現狀及問題分析

近年來我國高溫煤焦油主要利用途徑有3種：①用于深加工制取工業萘、洗油、蒽油和煤瀝青等產品;②將粗煤焦油作為替代重油的燃料,用于玻璃、陶瓷等熱能行業以及作為生產炭黑的原料;③高溫煤焦油加氫。從消費結構來看,國內高溫煤焦油主要用于深加工行業,占比約72%,另外約26%用于碳黑行業的生產,剩余2%用于加氫及出口等其他用途[6]。

相比德、日等發達國家,我國煤焦油的加工起步較晚,主要是基于前蘇聯的一塔式或二塔式的蒸餾工藝,將煤焦油分離為輕油、洗油、酚油、萘油、蒽油等輕質餾分,以及占煤焦油質量分數 55% 左右的瀝青產品[5,7]。

近年來,促使我國煤焦油加工行業規?？焖侔l展有兩個因素：①鋼鐵工業轉型發展對高功率石墨電極,繼而對針狀焦及相關石墨電極生產所需的碳素原材料需求旺盛,刺激了對煤瀝青的需求;②國內在煤瀝青基針狀焦及相關電極材料方面經歷了近20年的技術引進、吸收轉化和大力研發的積淀,技術上日趨成熟,產品質量接近國際先進水平,具備了工業化生產的條件。這兩大因素的疊加使各地紛紛上馬煤焦油加工項目,目前我國煤焦油加工能力為1 200～1 400萬t/a,而且還在增長中。存在的主要問題如下：

2.1 行業集中度低,規?；蛯I化程度低

中國煤焦油加工在我國屬于傳統的煤化工行業,早期以生產焦炭為主要目的,煤焦油的加工多是煉焦企業的附屬部分,依托煉焦企業的形式為主,遍地開花。20世紀末開始進行煤焦油集中加工,但由于中國煤焦行業既有的分布格局及缺少焦油加工行業的整體規劃等,阻礙了規?；蛯I化的進程。近年來,新建企業以30萬t/a的規模為主,目前國內各類高溫煤焦油加工企業有60家左右,其中30萬t/a以上規模的高溫煤焦油加工企業占1/3左右,存在著重復性建設嚴重,基礎產能過剩,進階加工技術缺乏,高端產品依賴進口,行業內卷嚴重等問題[8]。

2.2 煤焦油輕組分利用技術仍然嚴重滯后

近年來,我國煤焦油加工從總量上得到了快速發展,主要原因是鋼鐵工業轉型發展對石墨電極生產相關碳材料的需求旺盛,這促進了煤焦油重組分即煤瀝青的利用。國內煤基延遲焦、針狀焦、中間相瀝青、浸漬劑瀝青等與高功率石墨電極制備相關的碳材料技術,經過多年來的研發、引進和消化吸收,生產工藝技術已漸趨成熟,已進行工業化推廣,國產煤瀝青基針狀焦在普通高功率石墨電極方面已可以替代進口,但在超高功率和大尺寸石墨電極制備所需碳材料方面與德國和日本的煤基針狀焦相比,還存在一定差距,高端產品還需進口。

相對于煤瀝青的加工利用,對煤焦油輕組分的利用仍然基本停留在蒸餾所得的輕油、酚油、洗油、萘油、蒽油階段,大部分初級餾分油主要是用作溶劑油或用于制備炭黑,或作為替代重油的燃料用于玻璃、陶瓷等行業的熱能,或用于加氫制取燃料油的嘗試。有少部分企業對初級餾分油進行再分離獲得酚、萘、蒽、咔唑、熒蒽等少數產品,加工分離出的組分越少,其成本就越高。煤焦油輕組分利用的高端產品供不應求,尚需從國外進口,能否建立系統化、綜合性、能夠較多地利用煤焦油中高值化輕組分的分離工藝技術體系,將是影響行業盈利與否的關鍵。多環芳香族化合物在化工、醫藥、農藥、特殊高分子材料等方面的應用在一定程度上是不可替代的,在當前日趨復雜的經濟政治環境下,依賴進口的高端產品隨時有被卡脖子的可能。

煤焦油輕組分利用和煤瀝青的加工是行業繼續前進的兩個方面,而現在輕組分的利用不能同步跟上,因此自然造成了行業的顛簸運行。

2.3 焦油加工行業創新性不足

一個行業從產生、發展到建成完整完善的工業體系需要扎實的科學基礎理論來支撐。煤焦油加工在發達國家前后經歷了170多年的發展,從科學基礎、產業體系到工藝技術,均已占領行業高地,他們在核心技術上對中國實施封鎖,這就決定了中國幾十年來靠引進技術來發展煤焦油加工行業必定會受制于人。

中國煤焦油加工雖然也有數十年的歷史,但在煤焦油的多環芳香族組分的分離與利用上至今還沒有形成系統化和完整的工業體系,究其原因,各種引進技術都是產業鏈條中的片斷,全產業鏈建設缺乏自己的、系統的科學基礎理論指導。例如,中國從20世紀80年代就開始嘗試引進日本的煤系針狀焦技術,在此基礎上經過20年的吸收轉化和自主研發,才得以在關鍵技術和生產發展方面取得了突破性進展,但在超高功率石墨電極材料方面至今還有明顯差距。因此,我們必須以煤焦油全組分精細精深加工為目標,建立屬于自己的煤焦油全產業鏈的科學基礎支撐。

3 發展對策建議

煤焦油加工是現代煤化工的重要組成部分。規?；蛯I化是提升煤焦油加工行業建設水平的必由之路,其全組分精細精深加工利用的產業產品結構是經濟效益的保障,而科學基礎的強支撐是行業生產發展的前提。因此,要著眼長遠,加強宏觀布局和自主研究,不斷強化和夯實行業發展的科學基礎,提升創新活力,在煤瀝青深加工的同時,加強輕組分利用的基礎研究和新工藝研發,實現兩條腿走路,構建完整的工業體系,不斷提高行業的規?；蛯I化。

3.1 提升煤焦油加工行業國際競爭力

煤焦油加工行業的規?；蛯I化是優化行業運營環境,提升行業國際競爭力的必由之路。集中加工是提升行業規?；倪^程,規?；瘎t是專業化的前提。①針對我國目前煤焦油加工的現狀,借鑒發達國家成功的經驗模式,構建統領行業眾多企業之間協同發展的平臺,在現有建設的基礎上進行優化重組,優化行業宏觀結構布局,避免低水平重復建設,要對已有產業結構進行延鏈補鏈和強鏈,特別是要加強煤焦油輕組分的精細精深加工利用,來補全行業的產業鏈。②通過優化重組不斷提高行業的規?；潭?以利于行業向專業化方向發展。目前我國煤焦油加工企業主體還是附屬于煉焦企業、基礎化工企業,很少有以煤焦油加工作為唯一或唯二主營業務的,這些企業本身就沒有把煤焦油加工當作非常重要的事情去做,在經營上和技術發展上的投入自然有限,因此建議加強政策調控,促進行業的規?；潭?引領行業向專業化發展。

已有的行業布局很難推倒重來,但至少可以在煤焦油輕餾分油的進深加工方面進行規劃布局和集中加工,最終達成這一部分鏈段的規?；蛯I化。煤焦油組分眾多,各組分含量低,分離技術是關鍵。在已有的初級蒸餾加工之后,煤瀝青向碳材料方向的規?；庸ひ鸦境墒?輕餾分油如能集中加工,形成規?；瘍瀯?繼而通過技術引進和自主研發實現專業化發展。

3.2 提高煤焦油輕質高值組分的精細化利用

煤焦油輕組分精細加工利用與其重組分瀝青的高附加值利用是煤焦油行業的兩個基本面,是煤焦油資源充分利用的基本要求,也是行業持續穩定發展的需要。因此,煤焦油高值輕組分的精細化利用是煤焦油加工技術進一步發展的核心所在。

當前我國煤焦油加工的主要產品是炭黑和瀝青。近年來,國內煤焦油的價格是2 200元/t左右,高位時約3 600元/t,炭黑約7 000元/t,煤瀝青約2 200元/t。以全部加工瀝青和炭黑計,每噸煤焦油產瀝青0.55 t、炭黑0.24 t,市場價合計2 890元,這樣的加工附加值維持正常的生產運營是很困難的。雖然近年來煤瀝青基碳材料方面已得到了發展,但輕餾分油不能得到高附加值的利用,就攤薄了行業生產整體的利潤。另外,由于我國炭黑大量出口,國內主要用于汽車輪胎的生產、所產輪胎出口量也達40%左右。近年,國內外汽車行業普遍下行,炭黑與輪胎出口減少,我國炭黑及煤焦油企業開工率普遍不高。多環芳香族化合物是液晶材料、特異功能材料、高強度、高韌度的主鏈型芳香族聚合物等的前驅體,價值極高,是依賴進口的高端產品,也隨時可能遇到卡脖子的問題。在當前煤瀝青行業形勢持續向好的情況下,煤瀝青再進行延遲焦、針狀焦、碳纖維、改質瀝青等加工利用,煤焦油輕組分的精細精深加工將使得煤焦油加工行業能夠協調發展,行業就有了可期待的經濟效益。

3.3 提高科學基礎支撐

迄今為止我們在煤焦油化學和工程技術等的積累依然很薄弱,無法支撐行業發展的需要,堅實的科學基礎支撐是行業創新發展的驅動力,以高值組分為主要目標,強化科技創新,引入新的技術元素,研發其綜合性的和精細化利用的新技術,自主研發和優化煤焦油加工全產業鏈各環節的工藝技術,開發高端產品,促進煤焦油加工行業的轉型升級和高質量發展。

近年來,國內在煤焦油深加工技術方面自主研發的力度和范圍在不斷增加,研發隊伍不斷壯大,研發水平不斷提高,包括中科院山西煤化所、中冶焦耐院、化學工業第二設計院、太原理工大學、華東理工大學、中國礦業大學等,通過吸收消化引進技術和自主創新,開發了一系列的新工藝、新技術和新產品[2]。通過研究不斷補充和積累新成果,構建涵蓋全產業鏈的煤焦油加工利用的科學基礎,為行業發展提供充分的支撐。

4 結束語

高溫煤焦油作為多環芳香族化合物的主要來源具有不可替代性,其加工利用在現代煤化工中占據著重要地位。中國高溫煤焦油資源量約占世界總量的70%,但其加工利用行業卻遠遠落后于德日等發達國家,存在的主要問題是行業建設在前,自主研發滯后,支撐行業技術進步和生產發展的科學基礎薄弱,高值輕組分的精深精細化利用程度低,產業鏈不完整,行業的規?；?、集中度和專業化程度低等問題。因此,要著眼長遠,加強宏觀布局,以構建煤焦油全組分精深精細加工利用的完整產業鏈為目標,加強煤焦油化學及其加工技術等的理論研究,不斷強化和夯實行業發展的科學基礎,提升創新活力,在煤瀝青深加工的同時,以高值輕組分利用為重點,綜合多種分離技術和現代化工新技術元素,加強煤焦油輕組分精細精深化利用的新工藝研發,延展和補全產業產品結構,構建完整的全產業鏈工業體系,實現兩條腿走路,這是日趨復雜的國際形勢對我國煤焦油深加工行業提出的艱巨任務。