燃料化工

以煤、石油、天然气、油页岩等化石燃料(矿物燃料)为原料的化学加工工业,加工过程(包括热加工、催化加工)中化石燃料发生物理和化学变化,获得的产品主要有两大类:一为油品类,包括汽油、喷气燃料、柴油、燃料油、润滑油等,为交通运输和机械动力部门提供各类液体燃料和润滑剂;一为化学品类,包括乙烯、丙烯、丁烯、苯、甲苯、二甲苯乙炔、萘、煤气、合成气等各种产品,为基本有机化工、高分子化工、精细化工以及合成氨工业等提供原料,也包括用于冶金工业的大量焦炭。燃料化工主要包括石油炼制工业、石油化工、煤化工、天然气化工、页岩油工业等几个方面。

沿革

燃料化工萌芽于18世纪,到19世纪有了初步基础;20世纪有了较大的变迁和发展。

燃料化工的形成

人类利用煤、天然气和石油等作为热源和其他用途已有较长的历史,但化石燃料的加工形成工业则始于产业革命时期,燃料化学工业的形成和发展包含着能源和化学品生产两个方面。18世纪蒸汽机的发明,使人类从依靠人力、畜力和以木柴为主要能源,逐步转向以煤为主要能源,燃煤产生蒸汽作为交通运输、机械加工的主要动力,而后又以蒸汽发电,促进了各类工业的发展。至19世纪末,世界进入了“煤炭时代”,随着冶金工业的形成和发展,需要大量的焦炭用于炼铁,在欧洲产生了炼焦工业,随后并从副产煤焦油中制取染料。欧美还先后建立起煤干馏的工厂,生产煤气用于城市和家庭照明,世界有机化学工业原先以木材、粮食、农副产品为基本原料,至19世纪末,这些原料大部分为煤的热加工产物所代替,从而形成了以煤的焦化、干馏、气化为主的煤化学工业。19世纪上半叶,欧洲建立起若干油页岩干馏制取页岩油的工厂,生产照明用煤油和石蜡。在此期间,俄国和美国先后从原油生产照明用煤油,而后将重油用作锅炉燃料,并开始生产润滑油,这成为石油炼制工业的开端(见石油炼制工业发展史)。

燃料化工的变迁

第一次世界大战期间,钢铁工业需要大量焦碳、火炸药工业需要大量的氨、甲苯等作为原料,促使煤的炼焦化学工业的发展。第二次世界大战前,德国开发了煤低温干馏、煤直接液化和煤间接液化等技术(见煤化工发展史),建设了自煤制取人造石油的工厂,大战期间年产汽油等轻质油品数百万吨。由于自煤生产液体燃料的技术复杂,投资和成本都较高,在经济上不能与廉价的石油产品相竞争,所以德国战败后,人造石油的生产趋于停顿。在此期间,苏联和美国则大量开采廉价的石油,并采用热裂化和催化裂化等炼油工艺。特别是40年代,流态化技术用于催化裂化,人们可从原油中提炼出更多的、质量更高的汽油等轻质油品。另一方面,随着石油炼制工业的大规模发展,美国利用裂化工艺副产的气态烯烃制取有机化工产品。例如20年代由丙烯合成异丙醇,是第一个石油化学品(见石油化工发展史)。40年代,开发了催化重整技术,自石油轻质馏分生产甲苯作为三硝基甲苯炸药的原料,以满足战争的需要。与此同时,美国发展了自天然气生产合成氨等技术,从而建立起天然气为原料的化学工业(见天然气化工发展史)。

第二次世界大战以后,特别是在50~60年代期间,世界发达国家进入了“动力革命”阶段,内燃机广泛用于交通运输及国民经济各部门,甚至很多电站锅炉和工业锅炉,也以油代煤作为燃料,石油和油品较煤炭运输方便、可燃性好,单位热值高,越来越多地成为工农业、交通运输业的能源,其消费量增长速度远远超过其他能源,而以中东为代表的亚非拉产油国家的崛起,使世界石油的探明储量和原油产量大幅度提高,从而满足了世界石油消费量的巨大增长。当时,国际石油市场价格很低,甚至比煤便宜,这就更加速了以油代煤的进程,至1965年石油在世界能源消费结构中的比例超过了煤而居第一位,世界进入了“石油时代”。在此期间,石油已不仅是主要能源,而且逐步代替煤成为各类化学工业的重要原料来源,特别是自从以石油中的轻质馏分油(石脑油等)和天然气中的乙烷、丙烷等为原料,采用管式炉裂解工艺,生产出大量的乙烯、丙烯、丁烯以及苯、甲苯、二甲苯等轻质芳烃,使得石油化工不再依附于石油炼制工业而形成了大规模的独立体系。甚至建立了石油化工联合企业,从石油化工和天然气化工所提供的产品,生产大量的有机化学品(见基本有机化工),以及合成氨、合成纤维、塑料和合成橡胶等。石油化工和天然气化工的兴起,使煤化工的发展受到很大的影响,只有煤的焦化工业仍然在世界范围占有一定的位置。

进入70年代,发生了中东战争以后,亚非拉等产油国提高了原先过低的国际石油价格,结束了廉价石油的时代,西方石油炼制和石油化工面临着成本的提高和原油的供应问题,主要发达国家的经济普遍进入“低增长”时期。进入80年代,尽管原油价格有了相当幅度的降低,西方石油化工仍停滞不前,开工率仅56%~65%左右。苏联和中国的石油化学工业则继续增长,一些发展中国家,特别是产油国的石油炼制和石油化工则正在崛起。在煤化工和油页岩加工方面,当前只有南非有自煤间接液化生产液体燃料的工厂,中国和苏联仍存在有页岩油工业(见页岩油工业发展史)。

在国民经济中的地位

燃料化工作为能源和化学品的生产,在世界经济中占有十分重要的地位,甚至对世界政治和军事也有很大的影响。

1984年世界化石燃料作为能源约占整个能源消费的90%左右,水电、核电等非化石燃料约10%,石油的百分比从1965年起超过了煤,至1978年达整个能源的50%,进入1984年,降为39.5%,仍高于煤(后者为30.3%)。世界天然气的比率则逐年有所增长,1984年约20%。对于中国来说,煤仍为主要能源,占70%以上,石油20%以上。化石燃料总计占95%以上,水电低于5%(1985)。在油品的消费方面,西方主要国家主要是汽油、喷气燃料和柴油等轻质油品,1984年美国轻质油品约占原油消费的77.8%,日本约58%。作为锅炉燃料的重油,比例不大,美国约10.6%,日本28.2%。中国燃料油的消费则高达原油产量的三分之一左右。为得到更多的轻质油品,更好地利用石油资源,原油深度加工(见石油炼制过程)已成为全球性炼油技术的发展方向。

燃料化工特别是石油化工,还为国民经济各部门提供大量的化工原料。世界化工产品中有85%是有机化工产品,原料绝大部分来自化石燃料,而发达国家的有机化工产品中,以石油、天然气为来源的产品占90%。按销售额计,以石油和天然气为来源的化工产品约占全部化工产品的45%以上。乙烯主要来自石油,也有相当一部分来自天然气中的乙烷和丙烷裂解;苯主要来自石油馏分的催化重整和烃类裂解,煤焦化所生产的苯,在苯的总产量中,美国和日本都只占9%左右;甲苯、二甲苯绝大部分来自石油;此外,世界甲醇产量约有70%来自天然气,其余来自石油,煤制甲醇只占不到 1%(1981)。应该指出的是,合成氨是以化石燃料为来源的产量很大的重要化工产品,1980年世界合成氨总产量约96Mt,其中以天然气为原料的占80%,以煤为原料的占10%,后者的一半生产能力在中国。总之,在当前世界上,化工产品主要来自石油和天然气,煤化工在整个化工生产中所占的地位不大,用于炼焦的比例也不大,煤主要用于发电和工业锅炉。1980年,中国的煤用于炼焦约 9.8%,用于制合成氨约5.6%,两者约15.4%,这是煤化工的主要用量。由焦化所得煤焦油中制取的萘、蒽等稠环化合物是有机化工重要原料。当前,世界上从煤焦油中分离出来的化工产品,约有200余种,主要用于制防腐剂、塑料助剂、染料、溶剂、香料及橡胶助剂等。

发展前景

各国燃料化学工业,尽管其资源储量和开采速度不成比例,石油日益减少,但据世界各种估计,今后半个世纪内,石油及天然气,特别是后者,仍将在世界能源和化工产品的生产构成中占据主要地位,然而在消费结构的比例上可能会相对地逐渐下降。因此,石油炼制将趋向深度加工,以充分利用资源。石油化工也有同样的趋势,其中重质油的催化加工(包括催化裂化和加氢裂化)和重质馏分油的裂解就是具有代表性的例子。

天然气的利用,主要仍沿着作为高质量的燃料气方向发展,以天然气为基础的化工产品也会相应地增加。

燃料化工的发展实质上是能源工业的重要组成部分。化石燃料的使用虽然会带来自然环境的污染和生态平衡的破坏,但具有长远意义的太阳能和热核聚变能仍非近期可以依靠的能源,因此人们寻找石油和天然气的替代能源时,自然会看到潜在而资源丰富的各种煤炭、油页岩和油砂,从数量上远远超过石油和天然气。

冶金工业所用的焦炭,迄今仍依赖于煤炼焦这一有悠久历史的工业,炼焦的方法有多种炉型,其原料也从焦煤扩展到其他煤种从而扩大其来源。随着炼焦工业的发展,炼焦化学品为化学工业提供上百种原料,今后仍将是石油及天然气难于代替的主要领域。

把固体燃料,包括所有各种类型的煤、含油率不等的油页岩和油砂,变成液体燃料的可能性取决于社会的经济和政治的因素。关于煤的气化,仍将是煤炭加工的一个主要方面。主要根据资源条件、煤种性质和煤气的主要用途(城市煤气、工业煤气或合成原料气)决定生产方法。