煤變油，讓“丑煤”變“靚麗”

蘇更林

能源是人類社會的命脈，是一種極其珍貴的戰(zhàn)略資源。我國的能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主，并具有“富煤少油”的鮮明特征。一方面，我國已成為全球最大的原油進(jìn)口國，將近三分之二的石油需要依賴進(jìn)口；另一方面，大規(guī)模地開發(fā)利用煤炭資源，使得大氣污染和溫室氣體排放等問題變得日益突出。那么，能不能把煤炭變成石油呢？

化石能源—割不斷的“基因”聯(lián)系

說起煤變油，也許有人會覺得不可思議。一個(gè)是固態(tài)燃料，一個(gè)是液態(tài)燃料，更何況煤和油具有不同的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，怎么能說變就變呢？

我們知道，煤炭和石油都屬于化石燃料，都是復(fù)雜的混合物，主要成分為有機(jī)化合物，并分別被譽(yù)為“工業(yè)的糧食”和“工業(yè)的血液”。既然它們同屬于一個(gè)大家族，那么它們必然會存在一定的“基因”聯(lián)系。這里所說的“基因”，就是指的它們在化學(xué)組成上的相似性。

煤炭主要是由古代植物長期埋藏在地下經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化而逐步形成的固體可燃物，而石油是由水中堆積的浮游生物殘骸在水底沉積演化而成的液態(tài)可燃物。煤與石油都是由以碳、氫、氧等元素為主組成的天然有機(jī)礦物燃料，這就是它們的“基因”聯(lián)系。正是這種聯(lián)系才奠定了煤變油的物質(zhì)基礎(chǔ)。

殊途同歸—煤變油的不同路徑

但是，煤炭和石油畢竟是兩類不同的物質(zhì)。比如，它們在外觀上差別很大，一個(gè)是固態(tài)，一個(gè)是液態(tài)。在化學(xué)組成上也具有明顯的差別，我們在此主要分析碳、氫、氧三種元素的差別。

對于煤炭來說，碳、氫、氧三種元素大約占到了95%以上。碳是煤炭中有機(jī)質(zhì)的主要組成元素，其含量是隨著煤化程度的不斷加深而逐漸增加的。如泥炭中碳的含量為50%～60%，褐煤中為60%～77%，煙煤中為74%～92%，而無煙煤中則為90%～98%。氫在煤炭中的含量很低，一般在5%左右。氧在煤炭中的含量差別很大，在無煙煤中的含量僅為3%左右，而在褐煤中的含量高達(dá)20%左右。

對于石油來說，其主要組成成分為由碳和氫化合而成的烴類物質(zhì)，按其結(jié)構(gòu)可分為烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴。組成石油的化學(xué)元素主要是碳（83%～87%）、氫（11%～14%），氧的含量很低，大約為0.08%～1.82%。

通過上述的分析不難發(fā)現(xiàn)，煤炭和石油具有不同的氫碳比。如典型煙煤的氫碳比為0.8左右，而原油的氫碳比為1.76左右，汽柴油的氫碳比為2左右。

現(xiàn)在來看，煤變油的基本思路應(yīng)當(dāng)是先把煤的大分子裂解為較小的分子，然后通過增加氫原子或減少碳原子的方法來提高氫碳比，使其達(dá)到石油的氫碳比水平，從而把固態(tài)的煤轉(zhuǎn)化為液態(tài)的油。

這個(gè)思路在理論上是沒有問題的，然而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程并不是一件容易的事情。我們把煤變油的過程叫作煤的液化，其實(shí)質(zhì)就是在適當(dāng)?shù)臏囟取毫Α⑷軇┖痛呋瘎l件下，提高其氫碳比水平，并通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)將煤所含的碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換成油品碳?xì)浠衔铮绮裼汀⑵偷取?p>

就目前的技術(shù)手段來講，要實(shí)現(xiàn)煤變油主要有直接液化和間接液化兩種技術(shù)路徑。直接液化是將煤在氫氣和催化劑作用下通過加氫裂化轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料的過程。直接液化的優(yōu)點(diǎn)是熱效率較高、油品產(chǎn)率高，缺點(diǎn)是對煤種比較挑剔，化學(xué)反應(yīng)條件苛刻。間接液化是將煤先氣化生產(chǎn)合成氣（氫氣、一氧化碳），再經(jīng)過費(fèi)-托合成生產(chǎn)合成油的過程。間接液化的優(yōu)點(diǎn)是煤種適應(yīng)性較寬、操作條件相對溫和，缺點(diǎn)是油品產(chǎn)率低。

費(fèi)-托合成—煤化工領(lǐng)域的“圣經(jīng)”

說起煤炭的間接液化，不能不提費(fèi)-托合成，它是間接液化技術(shù)的核心，并被奉為煤化工領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。

煤炭的間接液化包括煤炭氣化、合成氣凈化、費(fèi)-托合成反應(yīng)以及油品加工等過程。那么，什么是費(fèi)-托合成呢？原來，費(fèi)-托合成是指在特定溫度和壓力條件下一氧化碳和氫氣在催化劑作用下生成烴類產(chǎn)物的反應(yīng)。

20世紀(jì)20年代初，德國科學(xué)家費(fèi)舍和托羅普歇就在研究一氧化碳和氫氣的反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)可以將煤間接液化。1925年，費(fèi)舍和托羅普歇在室溫下成功合成了烴類并申請專利。這就是著名的費(fèi)-托合成。需要說明的是，費(fèi)-托合成不能生成單一的烴。也就是說，目前煤的間接液化不能只生成汽油或者柴油。因?yàn)橘M(fèi)-托合成包含一系列的化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物有液體，也有氣體和固體。但是，科學(xué)家還是發(fā)現(xiàn)了費(fèi)-托合成的產(chǎn)物分布規(guī)律。我們可以通過催化劑的選擇，以及控制反應(yīng)工藝和條件，來得到我們所期待的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

優(yōu)勢互補(bǔ)—煤變油的中國探索

針對我國“富煤少油”的現(xiàn)實(shí)，我國科學(xué)家在很早之前就介入了煤變油的相關(guān)研究，并突破了一個(gè)又一個(gè)的技術(shù)難題。

中科合成油技術(shù)有限公司的組建是我國煤變油研究領(lǐng)域的一件大事。如今，中科合成油公司已成為煤炭間接液化領(lǐng)域的引領(lǐng)者。中國神華集團(tuán)在煤制油化工領(lǐng)域已經(jīng)形成了完整的體系，并成為了全球唯一同時(shí)掌握百萬噸級煤直接液化和煤間接液化兩種煤制油技術(shù)的公司。

2008年12月30日，神華鄂爾多斯煤炭直接液化示范項(xiàng)目正式投產(chǎn)，這是世界上第一個(gè)采用現(xiàn)代煤直接液化技術(shù)建設(shè)的百萬噸級工業(yè)化示范工程。該項(xiàng)目總建設(shè)規(guī)模為年產(chǎn)油品500萬噸，轉(zhuǎn)化率高達(dá)60%～70%。同時(shí)，直接液化生產(chǎn)出來的成品油，具有含硫、氮量低，比重大，凝點(diǎn)低等特點(diǎn)。

2016年12月28日，中科合成油技術(shù)有限公司與神華寧煤合作建設(shè)的世界上單套規(guī)模最大的400萬噸/年煤炭間接液化示范項(xiàng)目建成投產(chǎn)，使我國步入了少數(shù)掌握煤制油工業(yè)化技術(shù)的國家行列，并使我國煤制油技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。如我國研發(fā)的高效催化劑具有更高的反應(yīng)活性，使能量利用效率提升為44%～45%，產(chǎn)油能力也比國際通用技術(shù)提高了3倍以上。

針對煤制油關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)問題，開展煤制油工藝中的節(jié)水環(huán)保技術(shù)攻關(guān)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在煤制油技術(shù)領(lǐng)域，我國科學(xué)家還將進(jìn)一步探索創(chuàng)新，并致力于解決我國褐煤、煙煤等大量低階煤資源的分級液化利用問題，為推動(dòng)煤炭清潔高效利用，增強(qiáng)我國能源自主保障能力做出更大的貢獻(xiàn)。