煤液化柴油及其在發(fā)動機上的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

趙 亮 高 章 劉衛(wèi)林 趙 凱 高海洋 馮玉艷

（1-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300 2-中國神華煤制油化工有限公司上海研究院）

引言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程將不斷推進，人口規(guī)模持續(xù)擴張，未來能源需求將持續(xù)增長。清潔能源是未來能源產(chǎn)業(yè)中重要的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的煤炭、石油和天然氣仍然在目前的能源結(jié)構(gòu)中扮演著重要角色。我國的現(xiàn)階段能源結(jié)構(gòu)正處在以煤炭為主體逐漸向石油、天然氣優(yōu)化升級的調(diào)整階段，但煤炭依然在我國能源消費中占有極其重要的地位，未來更要通過技術(shù)和產(chǎn)業(yè)升級把煤炭作為清潔能源納入到我國能源消費結(jié)構(gòu)中去[1]。所以，發(fā)展先進的煤制油技術(shù)是我國能源結(jié)構(gòu)升級的一個重要方向。

1 我國煤制油產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國是煤制油技術(shù)的研究和開發(fā)較早的國家，早在上世紀(jì)30 年代就發(fā)展出了早期的煤制油提煉技術(shù)，但是一直沒有取得成果，從上世紀(jì)80 年代開始才逐步形成產(chǎn)能。神華煤制油項目2001 年3 月經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)進行可行性研究。神華煤制油示范工程先期第一條生產(chǎn)線已于2008 年底建成并成功進行了試運行，采用煤直接液化工藝，主要產(chǎn)品為柴油和石腦油。2010 年，下半年實現(xiàn)穩(wěn)定運行。2011 年，正式投入商業(yè)化運行，2013 年全年運行315 d（設(shè)計年運行310 d），負荷率達到78.5%。2014 年神華煤制油項目投煤運行302 d，產(chǎn)油90×104t。按照規(guī)劃該項目建設(shè)規(guī)模為400×104t，目前投入運行的只是第一條生產(chǎn)線，后續(xù)隨著工藝流程在實踐中不斷優(yōu)化，將為煤制油技術(shù)的推廣奠定更堅實的基礎(chǔ)。2017 年2月國家能源局印發(fā)《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》的目標(biāo)，預(yù)計2020 年，煤制油產(chǎn)能為1 300×104t/y[2]。

2 煤制油技術(shù)工藝特點

2.1 煤直接液化工藝

根據(jù)工藝路線不同，煤液化油分為煤直接液化和煤間接液化。煤直接液化過程，就是將煤炭在高溫、高壓、臨氫環(huán)境下由固體大分子轉(zhuǎn)化為液態(tài)小分子的過程。煤直接液化工藝是將煤磨成粉末后，在高溫高壓下加入催化劑和氫后發(fā)生熱解，最終將煤轉(zhuǎn)化成液體的過程[3-4]。

圖1 為煤直接液化工藝流程簡圖，如圖所示煤直接液化工藝由三個主要部分組成：

1）煤漿制備：將煤破碎成顆粒與催化劑和溶劑一起制成煤漿；

2）加氫液化：在高溫高壓下的反應(yīng)器內(nèi)進行加氫形成液體，反應(yīng)后將油渣和產(chǎn)出的液化油分離；

圖1 煤直接液化工藝流程

3）加氫改質(zhì)：對反應(yīng)生成的液化油進一步加氫精制、裂化，生產(chǎn)出柴油、石腦油、液化氣等產(chǎn)品[5]。

煤直接液化燃油具有收油率高、煤消耗量小、設(shè)備體積小運行成本低，產(chǎn)品選擇性相對較高等優(yōu)點。其缺點是反應(yīng)條件相對苛刻，煤種適應(yīng)范圍窄，液化生成物比較復(fù)雜，耗氫量比較大，工藝不夠成熟等[6]。

2.2 煤間接液化工藝

煤間接液化是以煤經(jīng)氣化反應(yīng)產(chǎn)生以一氧化碳和氫氣為主的合成氣為原料，合成氣經(jīng)一些裝置脫硫、氮和氧凈化后，然后在一定壓力、溫度、催化劑條件下轉(zhuǎn)化為烴類燃料和其他附屬產(chǎn)品。

1923 年德國化學(xué)家F.FIcher 和H.Tropsch 首先提出了煤間接液化法，又稱Fischer-Tropsch coalliquefaction process，即費托合成（簡稱為F-T）。F-T 合成技術(shù)屬于間接液化柴油的一種認知度較高的技術(shù)路線，并且因為F-T 合成油對原料寬泛的適應(yīng)性而受到廣泛關(guān)注，F(xiàn)-T 柴油的合成工藝為原煤料與水及空氣反應(yīng)生成煤氣，合成氣凈化后，在催化劑的作用下通過F-T 合成反應(yīng)，即可獲得F-T 柴油[7]。F-T合成技術(shù)的工藝流程如圖2 所示。

圖2 煤間接液化工藝流程

F-T 柴油合成的優(yōu)點為：合成條件溫和、轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)品清潔無污染，工藝成熟等。其缺點有：收油率低、投資大且運行費用高，合成副產(chǎn)物較多等。

3 我國煤制油在車輛上應(yīng)用的試驗研究現(xiàn)狀

3.1 煤直接液化柴油（DDCL）的試驗研究

與石油基柴油相比，DDCL 具有密度高、凝點及冷濾點低的性質(zhì)，經(jīng)過深度加氫后幾乎不含硫、氮化合物，是理想的清潔柴油，但由于雜原子和芳烴含量較低也會出現(xiàn)油品潤滑性較差的問題。同時DDCL環(huán)烷烴、鏈烷烴、十六烷值含量較低，為了改善其燃燒性能通常會添加十六烷值改進劑。

神華集團的胡云劍等人在一臺PHASER180Ti柴油機上分別測定了DDCL 和石油基柴油的動力性、燃油經(jīng)濟性，結(jié)果表明DDCL 能夠提高發(fā)動機的動力性，功率提高2.4%～4.1%；燃油經(jīng)濟性方面較石油基柴油略微降低；在常規(guī)排放方面，NOx和PM 排放較低，THC 排放稍高，添加十六烷值改進劑后有所改善，煙度排放在非低速工況較好，CO 排放總體差異不明顯[8]。

上海交通大學(xué)的王真等人在一臺四缸高壓共軌柴油機上研究了DDCL、石化柴油及二者混合燃料的燃燒和排放特性。結(jié)果表明：燃用DDCL 可以達到原機的功率水平，在低負荷時的燃油消耗率略高；由于DDCL的十六烷值較低，低負荷工況比燃用石化柴油時的燃燒始點晚、預(yù)混放熱率大，但大負荷工況二者基本一致；DDCL 與石化柴油的摻混比較高時，柴油機在低負荷時會使PM 降低，NOx、CO 和HC 排放升高，但在中高負荷時NOx、PM、CO 和HC 排放均變化不大[9]。

另外，煤直接液化油排放法規(guī)要求外的有害排放物（比如苯類）也與石化柴油相當(dāng)，其SO2排放顯著降低。

3.2 間接液化柴油（F-T 柴油）的試驗研究

F-T 柴油具有十六烷值高、硫和芳烴含量極低的優(yōu)良特性，在餾程溫度方面相對于柴油較低，因此F-T 柴油的燃燒特性較為柔和。在排放方面，極低的硫含量和芳香烴不僅可以有效降低PM 排放，還對降低NOx非常有利，并且能讓排氣后處理裝置和EGR 系統(tǒng)有非常好的工作效果。在燃燒特性方面，F(xiàn)T 柴油的高十六烷值可以使得燃燒過程中的滯燃期縮短約14%～30%，預(yù)混燃燒放熱峰值較低,燃燒持續(xù)期稍長或相當(dāng),最高燃燒壓力相比普通柴油略低,排氣溫度與普通柴油相比有所下降，燃燒較柔和。

國內(nèi)對F-T 柴油在各類柴油發(fā)動機上的燃燒與排放進行了研究，天津大學(xué)的管文軍分別在SCR 和DOC+POC 2 種技術(shù)路線的國四車用柴油機上進行了多種F-T 柴油的對比測試，研究發(fā)現(xiàn)燃用F-T 柴油后，SCR 催化器對、NOx和PM 排放量的改善效果更為明顯；DOC+POC 后處理系統(tǒng)對CO 和PM 排放量的改善效果較為明顯[10]。

天津大學(xué)的杜宏飛在一臺高壓共軌車用柴油機上燃用F-T 柴油混合燃料后的柴油機性能、常規(guī)排放、非常規(guī)排放特性進行了研究。結(jié)果表明：發(fā)動機的功率隨F-T 柴油摻燒比例的增加而降低，燃油消耗率逐漸下降，熱效率提高，發(fā)動機燃用F-T 柴油時，PM、CO、HC、NOx的排放得到了改善，在負荷特性上PM、CO、HC、NOx的排放隨著F-T 柴油的添加量的增加而降低[11]。

吉林大學(xué)的孫萬臣對一臺增壓中冷高壓共軌柴油發(fā)動機燃用F-T 柴油時的燃燒、排放特性和微粒粒度分布特征進行試驗研究。結(jié)果表明：燃用F-T 柴油時，其較高的十六烷值能改善燃料揮發(fā)性，使油氣混合充分，同時能夠提高著火性。燃用費托合成柴油發(fā)動機的比排放顯著降低（如表1 所示），煙度顯著降低，同時經(jīng)濟性略有改善，動力略有下降，滯燃期明顯縮短，燃燒時缸內(nèi)溫度降低，有利于降低NOx排放[12]。

表1 F-T 柴油與國Ⅴ柴油十三工況加權(quán)比排放對比

3.3 直接與間接煤制油混合使用的試驗研究

直接煤制油具有高密度、低凝點和冷濾點的特性。通過深度加氫降低了硫、氮及芳烴的含量，但其十六烷值偏低，由于較低的鏈烷烴和硫、氮含量導(dǎo)致其潤滑性較差；間接煤制油的密度低、凝點和冷濾點相對高，含鏈烷烴和十六烷值高，幾乎不含硫、氮和芳烴，潤滑性差。二者的密度、凝點和冷濾點、十六烷值可以通過調(diào)和實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

中國神華煤制油化工有限公司上海研究院的李永倫等人在2 種不同后處理形式的發(fā)動機上，使用由煤直接液化柴油和煤間接液化柴油調(diào)和而成煤制油樣進行了排放測試，發(fā)現(xiàn)調(diào)和油在NOx和PM 方面較石化柴油具有一定優(yōu)勢[13]。

天津大學(xué)的張建業(yè)等人在一臺重型六缸柴油機改造成的單缸機上研究了由煤直接液化柴油和間接液化煤制油的混合煤制油，結(jié)果表明在負荷特性上，與歐Ⅳ柴油相比，混合煤制油燃油消耗量略低，平均降低1.4%；指示熱效率平均提高了1.6%；常規(guī)污染物排放、尤其是碳煙排放明顯優(yōu)于石化柴油[14]。3 種煤液化柴油的特點與石化柴油的對比見表2。

表2 煤間接液化柴油、煤直接液化柴油及其混合品特點及與石化柴油的對比

據(jù)悉，以直接液化和間接液化調(diào)和而成的煤制油正在中國汽車技術(shù)研究中心進行發(fā)動機耐久試驗，相關(guān)試驗研究尚未全部完成。

4 煤制油作為代用燃料的發(fā)展前景展望

汽車工業(yè)的井噴式發(fā)展正使我國面臨能源需求以及環(huán)境保護的雙重嚴峻壓力。根據(jù)自然資源部編制發(fā)布的《中國礦產(chǎn)資源報告2018》顯示，2017 年我國煤炭資源查明儲量達到16 666.73×108t，若按照每年50×108t 的使用量計算，煤炭儲量足夠使用300 y，煤炭作為我國主體能源的地位短期內(nèi)不會改變。據(jù)中石油最新公布的《2018 年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》顯示，2018 年中國的原油產(chǎn)量預(yù)計為1.89×108t，同比下降1.3%；2018 年1～12 月中國原油進口量達4.62×108t，同比增長10.1%；中國原油對外依存度為70.9%，同比上漲2.5%，呈逐年上漲趨勢，能源缺口巨大。從上述兩組數(shù)據(jù)來看，我國能源結(jié)構(gòu)最為明顯的特征是富煤少油，利用我國豐富的煤炭資源通過直接或間接液化的方法合成液體燃料也是解決我國對燃油需求的一條重要的途徑。

另一方面，在用車排放的尾氣已經(jīng)成為城市污染物的主要來源，如何降低這些污染物的排放已經(jīng)成為時下的研究熱點。而總體來說，煤液化油在發(fā)動機上的污染物排放略微比石化柴油低一些，故對環(huán)保來說是有利的。

從直接液化油、間接液化油各自的特點來看，兩者混合后使用，會做到優(yōu)勢互補，綜合來看是最好的利用途徑。

隨著科學(xué)技術(shù)進步和科研力度加大，煤液化工藝將不斷得到改善，降低反應(yīng)壓力和溫度，進一步優(yōu)化催化工藝，提高出油率是其主要發(fā)展方向。雖然煤制油技術(shù)還存在原料以及投資成本還較高、需要消耗大量水的缺點，但由于我國煤炭資源儲量相對比較豐富，且煤制油生產(chǎn)工藝的不斷改善，煤制油必將會成為一種良好發(fā)展前景的高效清潔燃料[15]。