費托合成技術的發展前景

王曉亮

(陽煤化工集團公司，山西 太原 030006)

石油、煤炭、天然氣作為國家重要能源，如何合理地運用上述三大不可再生資源，提高能源的利用效率，不論是在確保能源安全方面，還是環境保護方面均具有重要的意義。特別是在當前石油供不應求的情況下，費托合成技術受到很多國家的高度重視，應用費托合成技術，能夠成功地將天然氣和煤炭液化，生成汽油、液化氣、柴油等，從而提高了資源的利用率。

1 費托合成技術概述

1.1 費托合成反應含義

費托合成反應主要指的是在高溫、高壓以及加堿的鐵屑作為催化劑的條件下，CO和H2進行化學反應，最終獲得直鏈烴類產物的過程[1]。該化學反應過程非常復雜，生產的產物種類繁多，因此，費托合成反應是一個復雜的反應體系。在該化學反應過程中，需要抑制CH4等副產物的生成，有目的性地合成目標烴類，如，液體燃料中的烯烴或者重質烴等，因此，選擇活性高、穩定性好、選擇性高的催化劑很有必要。

1.2 費托合成技術反應機理

費托合成反應技術的反應機理可以簡單概括為，利用CO和H2作為原料，在催化劑的作用下發生化學反應，最終得到H2O、CO2及烴類產物。因此，合成反應主要包含兩大步驟，第一步是將合成氣轉化成液態烴，第二步為加氫裂化或者異構化獲得最終產物。需要強調的是，在第一步中，溫度不同獲得的產物也不同，如，在高溫下反應，產物主要為烯烴和輕質合成油，在低溫下反應，產物為石蠟和重質合成油。

2 費托合成技術工藝路線

2.1 費托合成技術總工藝路線

費托合成技術所需的原料主要為煤氣化工藝的凈合成氣和費托合成技術尾氣被處理后得到的H2。上述原料在漿態床費托合成反應器內被轉化成輕質油、重質油、重質蠟，并產生大量的水和尾氣。輕質油、重質油、重質蠟被送至下游的產品加工裝置，而產生的尾氣則在費托合成工藝中被處理生成低碳烴和H2，產生的水則經費托合成工藝的合成水處理單元將醇類物質脫除后，再進行廢水處理。

2.2 前、后脫CH4工藝路線分析

煤氣化單元的裝置如果選擇BGL爐或者KBR爐，那么氣化單元形成的合成氣中就會有部分CH4，如果要想獲得大量的H2和CO，必須利用CH4轉化工藝將合成氣中的CH4轉化成合成氣，如此便涉及到脫除CH4是在費托合成工藝前還是費托合成工藝后的問題，即前脫CH4和后脫CH4工藝路線。針對前者，工藝裝置主要有凈化合成氣深冷分離單元、CH4轉化單元、費托合成單元、苯菲爾脫碳單元、低溫油洗單元、PSA制氫及合成水處理單元；而后者涉及的工藝裝置主要包含凈化合成器費托合成單元、苯菲爾脫碳單元、低溫油洗單元、CH4轉化單元、變換單元、低溫甲醇洗單元、PSA制氫單元、合成水處理單元[2]。

3 費托合成技術國內外工藝對照

3.1 國外費托合成技術

現階段，國外實現工業化的技術包括南非SASOL的F-T合成技術、荷蘭Shell研發的SMDS技術以及美國通訊公司所研發的MTG甲醇生產汽油合成技術。另外，國外近年來還出現了很多更加先進但目前還沒有實現商業化的合成技術，例如，丹麥Topsoe公司研發的Tigas技術以及美國通訊公司的STG技術。現階段，南非的SASOL公司已經成為全球最大的間接液化技術開發商以及合成油生產企業，其研發重點方向為高溫鐵系催化劑固定流化床費托合成技術以及低溫鈷系催化劑漿態床費托合成技術。

同時，殼牌石油公司也經歷了幾十年的研發時間，始終致力于煤或天然氣基合成制取發動機燃料技術的研發，特別是對一氧化碳與氫氣反應的Schulz-Flory聚合動力學的規律展開了更加全面和深入的研究。并于1985年殼牌石油公司正式宣布成功研發出F-T合成兩段法新技術SMDS，其利用中試設備實現長期運轉。

3.2 國內費托合成技術工藝研究

中國科學院山西煤炭化學研究所在2002年已經順利建成合成油品1 000 t/a設備，隨后反復開展了多次實驗，同時在2004年已經達到了1 200 h無故障運行，獲得了具備自主知識產權的階段性成果。上海兗礦能源公司從2002年開始進行煤炭間接液化技術的研發，現階段順利建成全國中試規模最大的5 000 t/a的中試設備，這也是我國唯一的大規模中試設備。內蒙古伊泰集團所開發的煤制油項目早在2004年就已經獲得了中國科學院技術鑒定，另外，漿態床反應器、F-T催化劑以及油品精制系統都屬于我國自主研發，先后得到40多項國家專利，包含了煤間接液化的全部重要性技術。山西潞安煤基合成油示范廠屬于我國863高新技術項目，同時也是中國科學院知識創新工程項目的延續，屬于我國唯一獲得國家級項目招標認證的煤基合成油示范基地。2008年，潞安16×104t合成油廠正式進行工業側線投料并處于相對穩定的運行狀態。神華煤液化一期工程18萬t/a合成油品示范設備，屬于神華集團在直接液化技術后繼續研發的第二項煤制油技術，該項目主要是中國科學院山西煤炭化學研究所合成油品工程研究中心給予的自主研發煤基合成油品技術為依據，現階段成功通過中科院的專家鑒定以及科技部863項目驗收，同時在2009年到2010年實施了2次試驗，實現了從合成氣制成柴油的煤間接液化過程。中石化成功建設了3 000 t/a費托合成工業試驗設備，目前已順利運行5 000余h，已經基本達到國際先進水平，完成了70 t/a費托合成工藝包。2009年中石化收購了美國Syntroleum公司的漿態床費托合成技術及工業化試驗裝置，主要用于對大型液態床費托合成反應器的開發工作。

3.3 國內外費托合成技術工藝對比

借助于費托合成工藝對比我們能夠了解到，現階段，費托合成技術的發展趨勢主要是高溫鐵系催化劑固定流化床工藝、低溫鈷系催化劑固定床工藝以及低溫鐵系、鈷系催化劑漿態床工藝。而高溫工藝一般來說用于生產更高附加值的烯烴與化學品，低溫工藝主要是用于生產高品質的柴油與蠟。低溫鐵系催化劑主要利用漿態床反應器，鈷系催化劑包含了漿態床以及固定床兩類工藝，漿態床需要更高強度的催化劑，而固定床的反應器結構相對復雜，后期維護工作難度較大。現階段，低溫鐵系催化劑漿態床工藝研發集中于我國，較適用于以煤為氣頭的費托合成過程，而低溫鈷系催化劑技術更加適合以天然氣為氣頭的費托合成過程[3]。

4 費托合成技術的發展前景

眾所周知，我國是一個石油資源比較匱乏的國家，2016年，即便我國原油產量達到1.98億t，也不能滿足經濟發展的需求，據相關資料顯示，2016年，我國全年進口原油達到38 101萬t，預計到2020年，我國石油供需缺口將達到4億t，這非常不利于我國能源的安全，在這種形式下，發展我國合成油工業勢在必行。第一，通過對比直接法和間接法，間接法工藝的風險更低。當前，我國合成油的發展路徑主要有兩種，其中一種便是煤直接液化技術。通過分析神華集團擬建的500萬t/a合成油裝置方案，總耗煤量為1 500萬t，換言之，即3 t的煤炭可以生成1 t的油，第二種便是由中國科學院山西煤炭化學研究所擬建的煤間接液化技術，該項技術生產1 t油所需的煤炭為5 t。雖然直接法的效益更高，但是生產條件苛刻，并且對設備材質要求較高，不適用于大規模商業化生產。二者相比較，間接法風險更小，因此，在未來間接法應用更加廣泛。第二，煤炭和天然氣結合起來獲得合成氣有助于降低成本。煤炭和天然氣均可以作為費托合成的原料，但是結合當前我國的基本國情，選擇煤炭經濟性更高些，就合成油的原料分析，天然氣和煤均可行，但是天然氣的成本投資低些，因此，站在理論角度分析，將天然氣和煤結合起來獲得的合成氣，H2和CO的比值更加合理，在特定條件下有助于降低成本。第三，開發聯產化工產品的合成油技術。縱觀國內外費托合成技術，其目的均為生產合成油。站在替代石化原料的角度考慮，今后應該多開發多產烯烴，特別是α-烯烴的費托合成工藝。SASOL公司曾在18萬/d裝置中，采用漿床反應技術的低于1萬桶/d，剩余的均運用先進流化床，生成的產物為汽油和烯烴，烯烴主要被應用化工產品生產中。通過分析研發情況，無論是對高正構烷烴還是烯烴均具有較高的選擇性。即便借助漿床反應器依然可以生成烯烴，其中，最主要的是催化劑的選擇。但我國來看，迄今為止，α-烯烴的生產依然是空白，但是，聚乙烯共聚體的年需求量超過數十萬噸[4]。

5 結語

綜上所述，在我國石油資源日益短缺的背景下，結合我國資源現狀，選擇資源豐富的煤炭作為原料，積極研發先進的煤液技術合成柴油、氣候等石油產品和化工產品，從而提高煤炭的利用率，減少資源的浪費，減少排放至環境中CO2的含量，以費托合成技術為依托的煤間接液化技術將會是解決我國能源結構問題的一個重要途徑。本文通過對費托合成技術工藝、裝置等進行分析發現，費托合成產品在未來具有很大的市場價值，還有待在相關領域的研究中做進一步研究，推動費托合成技術的成熟和推廣。