煤制油液化化工工藝的探討

徐宏賓

（黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100）

煤制油液化化工工藝的探討

徐宏賓

（黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100）

煤制油是一種是石油替代技術(shù)，在我國(guó)"富煤、少油"的具體國(guó)情下，煤制油工藝對(duì)推進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有著重要的意義.本文概述了煤制油工藝技術(shù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)煤制油直接液化技術(shù)和間接液化技術(shù)進(jìn)行了分析和探討，從工藝要求和經(jīng)濟(jì)量?jī)煞矫姹容^了兩種煤制油液化工藝.

煤制油；液化；工藝

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)步與人們生產(chǎn)生活的重要支撐和基礎(chǔ)，我國(guó)總的能源特征是“富煤、少油、有氣”，煤炭資源較為豐富，可持續(xù)開采百年以上，但石油資源匱乏，據(jù)有關(guān)資料顯示，截止2009年底我國(guó)已探明石油剩余可采量?jī)H為27.9億噸.而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)原油的需求量還在迅猛增加，石油進(jìn)口量大，目前已成為原油進(jìn)口大國(guó)，因此，充分利用我國(guó)豐富的煤炭資源，開發(fā)“煤制油”技術(shù)，對(duì)緩解我國(guó)石油短缺問題，保障能源安全有著重要的戰(zhàn)略意義.

1 煤制油工藝技術(shù)概述

煤制油（CTL）也稱為煤液化，是一項(xiàng)以煤為原料，通過化學(xué)加工過程生產(chǎn)液體燃料和化工原料的煤化工技術(shù).煤制油技術(shù)始于20世紀(jì)初，1913年德國(guó)科學(xué)家Bergius首先完成了煤在高溫高壓下加氫生產(chǎn)液體燃料的研究，獲得世界上第一個(gè)煤炭直接液化專利，為煤液化技術(shù)奠定了基礎(chǔ).20世紀(jì)20年代末德國(guó)成立第一個(gè)煤炭直接液化廠，大力開展煤制液體燃料的研究，到1944年德國(guó)利用煤原料一年生產(chǎn)油品420多萬(wàn)噸.50年代由于中東大面積油田被發(fā)現(xiàn)，世界掀起采油浪潮，煤制油技術(shù)一度被擱置.到70年代，全球石油經(jīng)濟(jì)危機(jī)爆發(fā)，煤制油技術(shù)的研究開發(fā)重新得到世界各國(guó)的重視，一些新的煤制油工藝被開發(fā)出來(lái).

2 煤制油液化化工工藝

目前的煤制油工藝主要可分為直接液化工藝和間接液化工藝兩種，直接液化從直觀上來(lái)看，是利用特定的工藝技術(shù)將固體燃料直接轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的形式，間接液化是先將煤氣制成合成氣，再以合成氣為原料使用催化劑合成油品和化學(xué)品.

2.1 煤直接液化技術(shù)

直接液化技術(shù)也稱為加氫液化技術(shù)，是將粉狀煤加壓加溫到適當(dāng)?shù)膲毫蜅l件后，直接催化加氫理化，使其將降解并加氫轉(zhuǎn)化為液體油品，該技術(shù)最早源于德國(guó)，目前世界上較為典型的工藝有德國(guó)IGOR工藝、美國(guó)HTI工藝、SCR溶劑精煉法、EDS工藝、日本NEDOL工藝和俄羅斯TTI工藝，國(guó)內(nèi)較為典型的有神華煤直接液化工藝.

2.1.1 工藝原理

煤炭加熱超過300℃時(shí)，其中大分子結(jié)構(gòu)較弱的橋鍵開始斷裂，煤分子結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生大量的自由基或以結(jié)構(gòu)單元為基體的自由基碎片，這些受熱形成的自由基相對(duì)分子質(zhì)量在數(shù)百范圍，在高壓條件下加氫溶劑，以自由基形式構(gòu)成的煤就會(huì)轉(zhuǎn)化為油分子、瀝青烯，繼續(xù)加氫可促使油分子、瀝青烯進(jìn)一步裂化為更小的分子，最終合成液態(tài)烴類燃料并脫除硫、氮、氧等原子.

2.1.2 工藝流程

煤制油直接液化工藝主要包括備煤、煤漿制備、加氫液化、固液分離、氣體凈化、液體產(chǎn)品分餾和精制及液化殘?jiān)鼩饣錃鈳撞?，其工藝流程圖可見下圖1.

圖1 煤制油直接液化工藝流程圖

煤制油直接液化技術(shù)對(duì)原料品質(zhì)要求高，需要特定的煤種才能用于生產(chǎn)，因此備煤的環(huán)節(jié)十分重要，一般只有部分的褐煤和長(zhǎng)焰煤可滿足工藝的要求，原料選擇好后要搗爛煤炭并對(duì)其進(jìn)行干燥處理，使其成為能夠滿足工藝的煤粉；煤漿制備環(huán)節(jié)是對(duì)煤炭持續(xù)加熱，使其到達(dá)300℃，促使煤結(jié)構(gòu)分解，從分子狀態(tài)轉(zhuǎn)化為自由基狀態(tài)，同時(shí)加入催化劑；在高溫高壓的條件下，在煤漿中加氫或氫溶劑，使煤與氫在催化劑條件結(jié)合為初級(jí)加氫產(chǎn)物，繼續(xù)加氫裂化，生成氣、液、固三相的生成物；一般采用直接液化工藝，煤制油燃油產(chǎn)出率在70%左右，其余為固體殘?jiān)捎霉桃悍蛛x技術(shù)提取液態(tài)燃油；由于工藝采用的是加氫液化，分離后的燃油中還存在有氫氣，采用凈化技術(shù)提取氫氣；完成殘?jiān)幚砗蜌錃馓崛『?，?duì)反應(yīng)結(jié)束的粗油進(jìn)行加氫處理，將其中含有的石腦油餾和芳烴制成高辛烷值汽油和芳烴燃料；進(jìn)一步深層次加氫處理，使制備的液態(tài)油中含有的中油成為品質(zhì)合格的柴油；含有的重餾油可加工為燃料油，深度加氫去除液態(tài)油中雜原子及金屬鹽成分，中油和重油混合加氫裂化可制備汽油.

2.2 煤間接液化技術(shù)

煤間接液化是先將原料煤氣化并凈化處理后制備一氧化碳和氫氣作為原料，在一定溫度和壓力條件下，利用催化劑經(jīng)費(fèi)托合成（FT）為液體燃料，此工藝方法最早在南非實(shí)現(xiàn)，1955年南非首次利用煤炭氣化技術(shù)和費(fèi)托法合成技術(shù)生產(chǎn)汽油、柴油、煤油、氨、乙烯、丙烯等石油和化工產(chǎn)品.目前世界上典型工藝有南非Saso1廠間接液化工藝和中國(guó)山西煤化所煤液化工藝.

2.2.1 工藝原理

煤氣化后合成為CO和H2的凈煤氣，凈煤氣經(jīng)脫硫、氮和氧凈化得到合格的合成氣，合成器進(jìn)入到反應(yīng)器中，經(jīng)水煤氣反應(yīng)使CO和H2比調(diào)整到合適值，在270℃～350℃左右溫度和2.5Mpa條件下，加入催化劑，使甲醇（CH3OH）合成以石蠟烴為主的液體燃料，甲醇制烴的反應(yīng)原理如下：

2.2.2 工藝流程

煤制油間接液化工藝主要有煤氣化、合成氣精制、費(fèi)托合成反應(yīng)、產(chǎn)品分離、精制等幾步，其工藝流程如下圖2.

圖2 煤制油間接液化工藝流程圖

煤制油間接液化技術(shù)對(duì)原料煤的要求不高，普通煤種都可以用作原料，原料煤經(jīng)過氣化之后得到凈煤氣即是粗合成氣，采用凈化處理技術(shù)將粗合成氣除塵、冷卻后，經(jīng)寬溫耐硫變換和酸性氣體脫除，得到能夠滿足工藝的成分合格的合成氣，合成氣進(jìn)入到反應(yīng)器中進(jìn)行費(fèi)托合成反應(yīng).費(fèi)托合成是煤制油間接液化工藝中的核心技術(shù)，在250℃溫度、15～40個(gè)大氣壓下，經(jīng)催化劑作用后，合成氣中的CO和H2轉(zhuǎn)化為直鏈烴類、水及含氧的有機(jī)化合物，生成水相、油相和汽相生成物，分離生成物，采用常規(guī)石油煉制手段處理后得到合格的油品和中間產(chǎn)品.

2.3 兩種技術(shù)比較

從工藝要求來(lái)看，直接液化工藝不僅對(duì)原料煤質(zhì)的要求高，一般只有部分褐煤、長(zhǎng)焰煤等年輕煤可滿足要求，對(duì)工藝操作的條件也有較為嚴(yán)格，對(duì)反應(yīng)條件要求苛刻，現(xiàn)代工藝如德國(guó)IGOR、美國(guó)HTI等工藝要求溫度在430℃ ～470℃，液化壓力17～30Mpa.產(chǎn)出物復(fù)雜，固液混合物的黏度高，固液分離難度大，同時(shí)工藝對(duì)氫的消耗量大.但工藝不依賴煤的氣化，制氫方法有多種選擇；間接液化工藝原料的煤的要求不高，基本上所有普通煤種都可使用，合成的條件也較為溫和，反應(yīng)溫度低于350℃，反應(yīng)壓力2.0～3.0Mpa.工藝技術(shù)難度相對(duì)較小，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，對(duì)設(shè)備的材質(zhì)、制造要求相對(duì)較低，同時(shí)設(shè)備的操作、維護(hù)相對(duì)更為簡(jiǎn)單，但依賴于煤的氣化，需要大規(guī)模的氣化作為基礎(chǔ).

從經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)看，直接液化技術(shù)對(duì)原料煤的消耗量相對(duì)較小，一般生產(chǎn)1噸液化油，不計(jì)燃料煤需要消耗原料洗精煤2.4噸左右，這其中還包括23.3%的氣化制氫氣用原料煤.進(jìn)料為煤漿，需要的設(shè)備體積相對(duì)較小、投資低、運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低.直接液化的收油率高，以我國(guó)神華煤直接液化工藝為例，其裝置的油收率可高達(dá)63～68%；間接液化的煤消耗量大，生產(chǎn)1噸費(fèi)托合成產(chǎn)品，在不計(jì)燃料煤的條件下需要消耗原料洗精煤3.3噸作用.工藝中反應(yīng)物均為氣相，設(shè)備的體積大，投資高，運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高，但轉(zhuǎn)化率高，南非Sasol工藝采用熔鐵催化劑合成氣一次通過轉(zhuǎn)化率可達(dá)60%以上，總的轉(zhuǎn)化率可到90%，若使用更為先進(jìn)的催化劑則轉(zhuǎn)化率更高.一般認(rèn)為，在經(jīng)濟(jì)性方面，若一種煤同時(shí)適合兩種液化技術(shù)，則直接液化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益比間接液化的經(jīng)濟(jì)效益高.但實(shí)際上，工藝特點(diǎn)、煤的價(jià)格、生產(chǎn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)價(jià)格、產(chǎn)業(yè)政策等都對(duì)煤制油工藝的經(jīng)濟(jì)性有著一定的影響，在經(jīng)濟(jì)性方面，兩種煤制油液化工藝的不能簡(jiǎn)單定優(yōu)劣.

3 結(jié)語(yǔ)

能源問題是當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中需要解決的重要問題之一，根據(jù)我國(guó)“富煤、少油”的國(guó)情，積極推行煤制油項(xiàng)目對(duì)解決當(dāng)前國(guó)內(nèi)石油能源短缺危機(jī)，保障我國(guó)能源安全和化工原料來(lái)源有著重要的意義.但在實(shí)踐應(yīng)用中，煤制油技術(shù)尚存在一定的問題和困難，在技術(shù)和成本方面風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，須進(jìn)一步加大技術(shù)投入，加快發(fā)展核心技術(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，提高煤制油轉(zhuǎn)化率，同時(shí)積極采取措施降低技術(shù)對(duì)環(huán)境的污染，促使煤制油工藝得到更好的發(fā)展.

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