煤制油技术现状及发展

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摘 要：本文主要介绍了我国现阶段煤制油技术及煤制油的主要工艺：直接液化和间接液化。并介绍了我国煤制油技术的发展及在二十一世纪煤制油的研究成果和前景预测。也对我国煤制油现状及现阶段所要解决的技术和设备难题做了简单介绍。

关键词：煤制油 直接液化 间接液化 现状 发展

前言

近年来，媒体上出现了很多关于替代燃料的各种有关替代燃料的说法，例如“煤制油”、“煤代油”、“合成油”、“煤制柴油”、“直接液化”、“间接液化”、“甲醇汽油”、“乙醇汽油”、“生物柴油”等。区别这些不同概念，我们首先找到它们相同的特点，就是生产油品。区别在于其中有一部分是为了生产柴油，而另一部分是为了生产汽油。此外，还有一部分是作为替代用品而出现的。而且，就算是同一种产品，它的质量不同、成分不同，用途也就不同。

煤炭是由有机物、无机矿物质和吸附水三部分组成。煤炭的主要成分是有机物，是古代植物经过长时间转化而来的。植物中的很多脂类、生物碱类物质和其他物质在地下一定温度和压力的条件下，经过脱羟基和脱羧基等反应，互相之间的缩聚，经过漫长的物理和化学反应过程，形成了化学结构非常复杂、分子量很大的高聚物。石油则是由烷烃、环烷烃和芳烃等有机物组成的混合物，分子量相对比较小。总之煤炭和石油都是碳氢化合物，所含化学元素基本上是相同的。

从我们自己的石油资源、消费量、战略需要上看，我国发展煤制油是必须的。然而，煤制油技术只能作为一种补充技术而不是取代石油，在我国建设煤制油上亿吨的生产线并不合适。大家都知道，中国是一个石油资源贫乏的国家，自己的原油不够，而且向外国购买原油也比较困难。正是基于石油的需求和消费的数量比其他同类化工合成产品高出太多，因此石油的发展肯定会影响到煤制油工业的发展，所以人们会特别关注煤制油产业的发展。所以，我国现在需要把煤制油作为一种补充的技术。用煤制油工业适当地补充在石油方面的缺口，而且我国煤资源比石油资源丰富，可以利用这个客观条件适当的以煤来替代石油。同时可以将煤制油先确定在以合成油技术建设的几个煤制油工厂中，既符合国家目前的能源战略，也可以大大补充我国的石油缺口，解决一部分地区出现的用油荒。

1. 煤制油工业化的条件

现代煤制油的主要合成技术是费托合成。由于催化剂的不同和反应温度的不同，费托合成的产品可以是柴油，也可以是汽油。但在目前国内，不推荐费托合成制汽油，原因是国内柴油不够用，汽油反而过剩。用费托合成去生产汽油没有必要。现在又很多办法能够合成汽油，像乙醇汽油、甲醇汽油、天然气、液化石油气合成汽油等。因此，费托合成在我国不适合从事汽油合成。

煤炭结构式维斯模型见下图

1.1. 丰富、廉价的煤炭资源

煤化工需要的条件，一是煤炭资源比较丰富；二是煤炭价格便宜。有很多地方，煤炭资源多但是不好，煤炭资源分布广但是分散，小矿多，大矿少。这会是煤炭供应数量不稳定；成分也不稳定。化工生产是需要长期稳定运行的，要是原料数量和质量不能稳定，化工生产就无法正常进行下去。一般来说，一个规模以上的煤化工企业，一年要消耗几百万吨的煤，要保证煤化工企业稳定运行几十年，没有几十亿吨的稳定煤是难以满足煤化工要求的。如果当地煤炭资源储量不大且成分不稳定，或者粉灰太高，热值也不高，那么，就没必要去搞煤化工，还是把这些煤用作燃料的好。煤炭价格也是发展煤化工的另一个重要因素。煤价过高，就使得煤化工产品价格就高，没有竞争力。和石油化工和天然气化工相比，煤化工单位产品投资非常大，财务费用也高。煤价如果过高的话，单位产品成本就必然过高，煤化工就没有优势可言。

1.2 充足的水源

煤化工还有一大特点是耗水量大。我国的北方和沿海大部分地区煤资源丰富，水资源却很短缺。有许多煤化工企业受缺水的困扰，常常出现煤化工企业与农业或其他工业争水现象。要保持煤化工企业正常稳定的运行，起码要保证每小时上千吨新鲜水的供应。真正上规模以上的煤化工企业，2000—3000吨/小时的用水量都很正常。

1.3 交通便利

煤化工企业产品和原料运输量大，因此交通运输显得十分重要，最好是靠近铁路或水运方便的地方。和汽运比较起来，铁路一是和水运在数量上可以满足要求，数量太大，汽运组织很麻烦。二是对于运输价格来说铁路和水运大大低于汽车运输。

1.4 有一定的环境容量

煤化工企业污染是不可避免的，而且非常严重，即使经处理达到排放标准，总还是要排放三废的。这个问题是不可回避的。我国南方煤质含硫量高，很多地方环境因为其他化工产业已经超标，尤其是山区较多的地方废气不易扩散，导致很多地方酸雨过多，再发展煤化工已经没有环境余量，环保部门是不会审批的。

2. 煤制油的基本原理

煤制油的基本合成是费托合成（Fischer Tropsch Synthesis，FTS）。费托合成是将含炭原料（如煤、天然气、生物质等）气化为合成气，然后通过催化剂转化为柴油，石脑油和其他烃类产品的聚合过程。

费托合成催化剂尤其重要，所需催化剂的活性金属主要是第Ⅷ族过渡金属元素，由于价格和催化性能等原因，目前以用在工业化的催化剂主要以Fe系催化剂和Co系催化剂为主。金属铁储量丰富、价格低廉，有利于生成低碳烯烃，但Fe催化剂对水煤气变换反应具有高活性，链增长能力较差，反应温度高时催化剂易积炭中毒。金属Co加氢活性与Fe相似，具有较高的F-T链增长能力，反应过程中稳定且不易积炭和中毒，产物中含氧化合物极少，水煤气变换反应不敏感等特点，但金属Co价格相对高，对温度要求较高，必须在低温下操作，使反应速率下降，导致时空产率较低，且产品中烯烃含量较低。两种或多种金属催化剂是近十年研究的新方向，目的是利用双金属间的协同效应，制备高活性、高选择性、高稳定性的催化剂。

3. 煤化工工艺的技术路线

煤制油是以煤炭为原料生产液体燃料和化工原料的煤化工技术的简称。通常有两种技术路线：直接液化和间接液化。煤炭和石油都是碳氢化合物，典型烟煤的氢碳比为0.8，汽油、柴油的氢碳比为2（摩尔比），因此，无论采用何种技术路线，煤制油的关键都是增加氢碳比。

3.1 直接液化

直接液化是在粉煤浆中加入气态氢，通过催化剂作用，提高氢碳比，生产液体燃料和化工原料。加氢的作用一是合成液化粗油（可简单表示为CH1.6），二是减少原料煤中的氧、硫和氮，把它们变成H2O、H2S和NH3的形式除去。除去氧可以生成烃油，去除氮和硫化物以免下游精炼用的裂化催化剂中毒。

3.1.1 煤直接液化工艺

具有代表性的煤直接液化工艺技术有德国的IGOR工艺，美国的HTI工艺，日本的化NEDOL工艺。

3.1.2 初步评价

IGOR技术生产柴油、汽油工艺流程简单，装置少。由于液化压力高，与HTI，NEDOL工艺投资要增加些，但压力从17MPa增加到30MPa，投资增加有限。然而液化强度（空速）IGOR比HTI大一倍，生产同样的油，液化反应设备可缩小一倍，所以同样规模条件下IGOR工艺液化反应部分的投资只可能比HTI低。从提质加H2产出合格油品来评价，IGOR由于在线提质加H2，工艺过程大大简化，省去了加H2稳定，加H2裂化等装置，因此单位液体产品可降低投资5%～10%左右。

IGOR工艺选用赤泥为催化剂、价廉，但增加了原料入反应器灰分，这些灰排出时，由于没有溶剂脱灰装置，油损失大，降低了工厂的经济效益。

HTI工艺外循环全返混悬浮床反应器克服了催化剂沉淀的难题，为使用高活性催化剂，防止催化剂沉淀，反应器大型化提供了条件。由于IGOR、HTI反应器已很大，再扩大将受到大件运输等限制，对于中国远离海岸江河的产煤山区，这个优点并不突出。溶剂脱灰增加了油回收率，这是HTI的一大优点，特别对含灰稍大，催化剂选用赤泥的工艺尤其重要。

IGOR技术是德国在40年代生产400万吨液化油的基础上，再经过技术开发及新建的200吨/天中试装置连续运行所取得的数据放大的，建设大型煤液化工厂技术风险较小。

HTI、NEDOL技术由于没有工业性生产装置运行经验，特别是HTI全循环返混反应器仅仅是试验室成果，放大约1000倍到生产装置，其成熟可靠性需实践来证明。

3.2 间接液化

间接液化是将煤炭部分氧化成主要由CO和H2组成的合成气，然后进行催化反应，合成汽油与柴油等烃类燃料或氧化燃料。氢碳比的增加是通过水煤气变换反应（CO+H2OCO2+H2），并脱除反应过程中的CO2实现的。

当前，煤炭间接液化最重要的三个产品是：烃类燃料、甲醇（CH3OH）和二甲醚（CH3OCH3）。

3.2.1 烃类燃料

通过费托合成工艺，把气化产生的小分子聚集成大的碳氢化合物分子，从而生成烃类燃料。简单的描述如下：

nCO+2nH2OnH2O+CnH2n （烯烃）

nCO+2nH2OnH2O+CnH2n+2（烷烃）

3.2.2 甲醇

制造甲醇在商业上已经是很成熟的技术，在中国有广泛应用。主要反应包括：

CO+H2OCO2+H2 （水煤气变换）

CO+H2CH3OH （甲醇合成）

甲醇通过美孚公司的工艺，可以进一步加工成汽油，这也是一项成熟的技术，或可以直接用作燃料。

3.2.3 二甲醚

二甲醚是无毒、无致癌作用、环保的气体喷雾剂。制造方法是甲醇脱水：

2CH3OHCH3OCH3+H2O

3.2.4 间接液化工艺

煤间接液化费托工艺已工业化的有南非Sasol的浆态床、流化床、固定床工艺和Shell公司的固定床工艺。费托工艺自20世纪40年代开发至今，技术不断发展与进步，原料有煤和天然气，南非有世界上最大的费托合成油工厂，年加工煤约4000万吨（包括燃料煤）。Shell公司在马来西亚利用天然气制合成气，用费托工艺建成年产50万吨油工厂。

3.2.5 间接液化的催化剂

催化剂是影响间接液化合成油工艺经济效益是降低成本的关键之一。催化剂应尽量满足廉价高效，具有一定磨损强度，易于和产物相分离，以及环保的要求等。同时可以大规模生产，以及回收再利用。目前，研究开发费托合成油工艺的单位很多，造成了许多不同的合成催化剂体系。就目前的资料，间接液化的催化剂大致分为两类：钴系和铁系催化剂。

3.3 直接液化和间接液化的比较

直接液化和间接液化比较，形象地说，就好比苹果与橘子的比较，仁者见仁，智者见智。大多数文献都从能源转化效率或者油品收率的角度，对直接液化和间接液化进行比较。但是，与石油和天然气相比，由于煤炭是一种低成本、大储量的化石能源，因此，比较直接液化和间接液化的能源转化效率或者油品收率容易产生误导。

直接液化的合成燃料转化效率较高，间接液化的产品使用效率较高；间接液化产品比直接液化产品的环保性能更好；间接液化比直接液化的副产品多；直接液化和间接液化彼此间没有排他性，其产品具有很强的互补性。

以煤代油是中国一项非常重要的能源政策，煤炭间接液化是煤代油工作的一个重要内容。将为解决国家对洁净二次能源——燃料油的需求，提供一条科学和可靠的途径。

4.结论

合成油示范厂的运行状态表明，国内开发的新一代费托合成技术（包括反应器、催化剂等全套技术），已经受了初步的工业化考验，基本上达到“安、稳、常、满”的要求，技术日趋成熟，具备推广和适当扩大再生产的条件。

我国石油资源比较缺乏，煤炭资源较为丰富，用煤替代石油是发展方向。世界上曾有过煤制油工艺的探索，德国、南非分别做过直接液化和间接液化的探索。而我国直接液化煤制油生产线，拥有自主知识产权。但是，国内煤制油的技术还不成熟，目前煤制油示范工程正处于试生产阶段，但一些地区盲目规划现代煤化工项目，造成了部分产能过剩的现象。2009年，随着伊泰集团、潞安矿业集团、神华包头煤间接液化以及神华煤直接液化示范项目的成功投产，经过一段时间的试运行及摸索，在总结示范项目经验基础上，“十二五”期间国家应当会出台相关规划和政策，鼓励煤制油产业的发展。预计，到2015年，中国的煤制油产业的实际产能将超过每年1200万吨，2020年达到3300万吨。

但是，我国的煤制油技术和发达国家的相比还是有些差距的，我们还要继续努力，研制出更加成熟的煤化工工艺，以达到国际先进水平，从而缩小与发达国家的差距。

参考文献

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