煤與生物質共液化
——探索能源開發與環境保護協調發展的新思維

唐慶杰，楊曉民，楊素萍，吳文榮

(河北北方學院，河北 張家口 075000)

城市群的可持續發展是城市發展研究的重要內容，是一個國家實現可持續發展的重要組成部分。在出現了各種非可持續發展模式和行為的情況下，中國政府加大了對城市群可持續發展的支持力度，提出了建立資源節約型和環境友好型社會，即兩型社會建設的設想。兩型社會構想的提出，對中國城市群的可持續發展具有重要的戰略意義。我國是一個富煤少油缺氣的國家，大部分能源來自煤炭，而大部分煤炭又用于直接燃燒，給環境帶來巨大的污染，因此建設環境友好型社會必須解決煤炭利用給環境帶來的影響。同時，我國又是一個農業大國，農業生產帶來大量的秸稈，而目前秸稈的處理方式主要是燃燒，秸稈燃燒一方面帶來資源的浪費，同時也給環境帶來巨大的污染。因此在我國尤其是北方地區，煤炭利用及秸稈處理給城市群可持續發展帶來巨大的挑戰。煤與生物質共液化技術的提出，既做到了資源節約，又做到了環境友好，對中國尤其是北方地區兩型社會的建設具有重要的意義。

1 煤炭液化技術

(1)煤炭液化技術及其分類

煤炭液化通過化學手段將煤轉化成液體燃料、化學品及化工原料，是一種先進的潔凈煤技術。通過這種技術達到了煤的潔凈利用，同時也對我國的能源結構調整具有重要的意義。目前煤炭液化技術存在直接液化和間接液化兩種不同的技術路線。直接液化將固體煤在高溫高壓下直接加氫，將其降解進而轉化為液體產品，可生產優質汽油、柴油和航空煤油。間接液化則先將煤氣化轉變成合成氣，合成氣再在催化劑作用下轉化成液體燃料和化學品。

(2)煤炭液化的利與弊

發展煤炭液化可以解決煤炭燃燒引起的環境污染，這既充分利用了我國豐富的煤炭資源優勢，保證煤炭工業的可持續發展，而且還可以生產出經濟適用的各種燃料油，有效地解決我國石油供應不足和石油供應安全問題，在目前國際形勢下經濟投入和運行成本也低于石油進口，有利于我國清潔能源的發展和燃油安全供應。

然而煤炭液化也存在著一些問題，直接液化必須在高溫高壓下進行，對設備的質量要求比較高，設備資金投入大，而且對煤種的要求也比較苛刻，并不是每種煤都適合進行直接液化。間接液化雖然對煤質的要求比較低，但在煤氣化之前必須進行洗選，要耗費大量的水資源，而且洗煤后的溶液對土壤資源也會造成嚴重的污染。在水資源同樣日益短缺的今天，間接液化同樣給社會的可持續發展帶來了新的挑戰。

2 生物質液化技術

生物質液化通過化學方法將生物質轉換成液體產品。生物質液化技術是生物質能利用的重要研究方向之一。主要有高壓液化和常壓快速液化兩種典型的液化工藝。

生物質高壓液化技術有匹茲堡能源中心的PERC法、美國能源部與加利福尼亞大學聯合研究開發而成的LBL法及其它高壓液化技術。生物質高壓液化需要液化設備承受高壓，同時超臨界溶劑具有較強的腐蝕性，因此對液化工藝及液化設備具有一定的挑戰性。

生物質常壓快速液化是生物質在常壓條件下在液化劑中轉化為分子量分布廣泛的液態混合物的過程。影響生物質常壓快速液化最重要的兩個因素是液化劑和催化劑的選擇。生物質在不同的液化劑中采用不同催化劑液化時情況不同。

3 煤與生物質共液化技術

煤與木質素共液化的方法有氫/供氫溶劑/催化劑和CO/H20 /堿金屬催化劑兩種途徑。大部分木質素和煤共液化采用H2/供氫溶劑/催化劑體系，少數研究者采用CO/H20/堿金屬催化劑進行木質素和煤共液化研究。

Sivakumar等對煤與木質纖維廢棄物及高聚物廢棄物在一氧化碳、水、堿體系中的共液化進行了研究，結果表明：在一氧化碳、水、堿性體系中木質纖維與高聚物廢棄物能發生有效的液化，但木質纖維與煤在該體系中的液化與各成分單獨液化并沒有太大的差別。

Akash等對煤與工業木質素共液化動力學進行了研究。實驗采用伊利諾斯州煙煤與堿木素共液化，反應以四氫萘為溶劑在初始氫壓1.1MPa、溫度375℃下進行。通過對液化產品進行分析發現，共液化產品含苯不溶物較少。色譜研究表明，相對于單煤和單木質素液化而言，煤和木質素共液化產品平均分子量較低。試驗數據還表明，加入木質素使煤的轉化率提高了22%，通過分析研究獲得描述化學反應的數學模型。初步研究結果表明，煤的總分解率隨著產品循環的增加而逐漸減小。

Lalvani等研究了中等壓力溫度條件下煤的液化。研究結果表明：木質素對煤的液化可以起到增效作用，能夠顯著提高液化產品的質量和產率，同時提高了煤液化產物中戊烷可溶物的含量。通過NMR和SEC分析，以及實驗數據提出了木質素促使煤解聚提高的假設，這可能是因為木質素中的苯氧基自由基能提高煤的解聚。

Altieri等在400℃下研究了木質素和煙煤的共液化。研究結果表明，與煤和木質素單獨液化相比，共液化得到更多的苯可溶物。共液化使煤中大量氮到了液化產品中，而在單煤液化得到的液體產品中沒有觀測到氮。分析發現氣體成分中有1/2CO2，在同等條件下與單木質素液化相比，發現共液化的液化產品有更多的木質素C-14。

4 煤與生物質共液化存在的問題及建議

在目前情況下，煤與生物質共液化研究取得了一定的進展，但煤與農業廢棄物如秸稈、煤與工業廢棄物木質素共液化的研究在全世界，尤其是我國并不多。全方位、系統地研究不同質煤與生物質共液化的參考文獻少，因此可供研究參考的煤與生物質共液化的普遍規律和共液化工藝試驗方法短缺，在實際應用中還有待于進一步研究。

(1)工業木質素主要來源于造紙制漿廢液，酸溶木質素中含有大量的硫，如果能脫除酸溶木質素中的硫，對改善液化環境減少液化氣體中有毒氣體的排放具有重要的影響，如何脫除酸溶木質素中的硫有待于更深一步的研究；

(2)基礎研究有待于加強。煤與生物質加氫液化技術尚處于發展階段，其液化機理和過

程控制因素還不完全清楚，研究人員還要通過大量的試驗采集更多的數據，進行理論研究，建立共液化的動力學模型，開發出更合理的工藝路線。

[1] 舒歌平主編．煤炭液化技術[M]．煤炭工業出版社，2003.

[2] 袁振宏, 吳創之, 馬隆龍, 等. 生物質能利用原理與技術[M]. 北京:化學工業出版社, 2005.

[3] 劉一星. 木質廢棄物再生循環利用技術[M]. 北京：化學工業出版社,2005:109～114.

[4] 宋春財. 農作物秸稈的熱解及在水中的液化研究[D]. 大連理工大學.

[5] Heitz M,et.a1.Solvent efect on liquefaction solubilisation and profiles of tropical prototype wood,eucalyptu,inpresence of simple alcohols,ethylene glycol,water and phenols.Research in Thermochemical[J]．Biomass Conversion.1988,429-438．

[6] APELL, H R, Yu YC, FRIEDMAN S, et a1. Converting organic wastes to oil[R]．US Bureau of Mines Report of Investigation．1971,No.7560.

[7] D ,Maldas et .al.Liquefaction of biomass in the presence of phenol and H2O using alkalies and saltsas the catalyst[J].Biomass and Bioenergy.1997,12(4):273-279.

[8] Sivakumar P, Jung H, Wender I. Liquefaction of lignocellulosic and plastic wastes with coal using carbon monoxide and aqueous alkali[J]. Fuel Proc Technol, 1996, 49: 219-232.

[9] Akash B A, Muchore C B, Koropchak J A, et al. Investigation of simultaneous coal and lignin liquefaction-Kinetic studies[J]. Energy & Fuel, 1992, 6(5): 629-634.

[10] Altieri,Paul.CHARACTERIZATION OF PRODUCTS FORMED DURING COLIQUEFACTION OF LIGNIN AND BITUMINOUS COAL AT 400 degree C[J].American Chemical Society, Division of Fuel Chemistry. 1987,32(2):117-128.

[11] Stiller A H, Dadyburjor D B. Coprocessing of agricultural and biomass waste with coal[J]. Fuel Proc Technol,1996, 49: 167-175.

[12] Islam Rafiqul. Study on co-liquefaction of coal and bagasse by factorial experiment design method [J] . Fuel Processing Technology 2000,68:3-12.

[13] Ikenaga, N.Co-liquefaction of micro algae with coal using coal liquefaction catalysts[J]． Energy and Fuels，2001,15(2): 350-355.

[14] 白魯剛. 煤與生物質共液化的催化反應[J], 化工冶金,2000,21(2):198-203.