煤基費托合成反應影響因素分析

摘 要：煤炭清潔化利用是我國重要能源發展戰略，費托合成作為煤炭間接液化的重要反應，將合成氣轉化為多種多樣的烴類和燃料，對于我國抵抗石油危機和降低石油對外依存度有重要戰略意義。本文首先對費托合成反應進行詳細介紹，同時對影響合成反應的眾多因素進行詳細分析，其中包括反應溫度、催化劑、操作壓力、合成氣混合比例、循環比以及空速等因素。結果表明，催化劑使用量小于70t左右時，替換周期為4天左右，可以在保證轉化率基礎上保證催化劑成本最優。反應溫度可以影響費托合成轉化率和產品分布，溫度為260～280℃時對轉化率影響較明顯。操作壓力和循環比對轉化率影響較小。

關鍵詞：費托合成;反應因素;分析

0 引言

能源與人類日常活動、政治、軍事等息息相關，隨著我國經濟快速發展，對能源的需求與日俱增。根據《世界能源統計年鑒2019》，我國是全球石油消費量增長的最大貢獻者。但是煤炭仍然是我國能源產業的主要支柱，在一次能源生產結構中占比達到70%，至今沒有一種能源可以取代煤炭在能源結構中地位，現階段已經勘測到我國煤炭資源總量為1.42萬億t，占據資源總量94%，價格低廉、儲量豐富、石油和天然氣對外依存度增加和短時間內新能源以及可再生能源比例大幅度增加可能性較低等因素使煤炭清潔化利用越來越受到國家重視[1]。

煤炭也是化工原料的重要來源，煤焦油提供大部分的芳香烴和雜環化合物用作化學試劑和化工原料，煤焦油更是提供了絕大多數的BTX（苯、甲苯和二甲苯）、稠環芳香烴等，并且煤直接燃燒產生大量有害物質污染環境，煤炭的清潔化高效利用迫在眉睫。

1 費托合成介紹

費托合成是由德國科學家提出來的反應概念，又稱F-T合成，用合成氣（一氧化碳和氫氣混合氣）作為反應原料，使用催化劑在適當反應條件下合成液態烴類和碳氫化合物。費托合成初衷是為煤炭資源豐富而石油資源匱乏的德國提供發動機燃料，第二次世界大戰后能源研究中心轉向石油和天然氣，因此費托合成失去了發展前景。70年代之后的石油危機使費托合成重新引起世界各國研究人員興趣[2]。作為煤炭資源豐富石油對外依存度較高的國家，已經把煤制油清潔化利用路線作為國家重大能源發展戰略。我國的中科合成油技術有限公司采用中科院山西煤炭化學研究所專利技術和眾多科研機構和能源公司真正實現了煤炭間接液化技術的商業化。

影響費托合成產品分布和轉化率因素有很多，催化劑、合成氣混合比例、反應溫度和壓力、反應空速等，對各種反應條件進行研究和優化，最大化提高合成效率是非常必要的。

2 費托合成影響因素探討

2.1 反應溫度影響

作為控制反應過程的重要參數之一，溫度對費托合成的產品分布具有重大影響，對于溫度的優化一直以來是費托合成的重點研究對象。費托合成是放熱反應，升高溫度可以增加反應速率，同時也增加了反應熱，如果不及時對反應器內熱量進行移除，會增加反應器負荷從而導致溫度進一步升高，對設備造成損害，同時危害工作人員生命安全。根據實驗結果，當溫度為260～280℃時，混合氣轉化率對溫度變化最為敏感。增加反應溫度，氣體轉化率增加。

按照反應溫度不同，費托合成工藝可以分為低溫費托合成工藝和高溫費托合成工藝。溫度低于300℃的是低溫費托合成工藝，以柴油和高品質蠟為主，反應器常采用固定床或漿太床。溫度高于300℃為高溫費托合成工藝，生產多種多樣的產品，包括柴油、汽油、含氧有機化學品和烯烴等，常采用循環流化床和固定流化床等流化床反應器。

反應溫度不同影響費托合成過程中各個反應的反應速度，從而影響產品選擇性，改變產物分布。甲烷等氣態烴類選擇性隨溫度增加而增加，C5+選擇性隨溫度升高而降低，從而降低了蠟油比例。反應溫度對催化劑影響也較明顯，過高的反應溫度會導致活性組分失去催化活性，同時影響其機械強度和穩定性，因為費托合成是基于催化劑的反應，催化劑活性降低會影響最終的合成效率。從而，根據商業需求、設備條件和催化劑種類對溫度進行適當優化是十分必要的，可以用正交實驗法對溫度進行綜合評價，選出最佳溫度區間。

2.2 催化劑影響

催化劑是保證費托合成反應進行的必要條件，催化劑的種類和數量影響合成的效率和轉化率。催化劑使用量過高，會提高反應轉化率，但是會增加運行成本，對設備磨損程度增加，催化劑使用量過低，會降低合成反應轉化率，抑制其商業應用。據試驗證明，催化劑使用量小于70t時對轉化率影響較為明顯，高于此使用量對合成氣轉化率影響不大。

催化劑都有其使用壽命，隨著反應時間延長，催化劑活性逐漸降低，從而導致轉化率逐漸降低，催化劑的回收與再生是設計催化劑需考慮的重要因素，尤其是貴金屬催化劑基本是可以回收再生利用的，定期排出舊催化劑補充新的催化劑保證反應轉化率持續符合要求是費托合成的必要條件。

催化劑替換周期對合成反應轉化率有一定影響，隨著催化劑替換周期延長，反應轉化率不斷降低，產物分布也會發生變化，替換周期延長會增加甲烷和輕質烴類選擇性，降低重質烴類選擇性，同時含氧化合物選擇性也會增加。

2.3 反應壓力影響

由化學反應方程式可知，費托合成是體積減小的反應，因此增加壓力化學反應平衡向體積減小的方向正向移動，從而有利于轉化率的提高，增加重質烴類選擇性，降低甲烷和輕質烴類選擇性。不過經過實驗證明，操作壓力對費托合成反應影響較小，過高的操作壓力還會增加設備成本，同時會導致催化劑表面H2覆蓋率增加，CO覆蓋率減小，導致催化劑活性降低，影響催化劑使用壽命，同時增加了甲烷和輕質烴類選擇性，重質烴類生成量變少。

2.4 合成氣中H2/CO比例影響

原料氣中H2和CO比例影響產物分布，這是因為增加氫碳比會增加甲烷以及輕質烴類選擇性，降低重質烴類選擇性，降低蠟油比，減少氫碳比會產生相反的結果。氫碳比過低會影響反應轉化率，實驗證明，H2/CO小于3.0時，反應轉化率降低，當H2/CO在3.0～4.0左右時，會穩定CO轉化率，H2選擇性降低，因為合成氣中氫氣過量，提高了CO轉化率同時降低了自身轉化率。

2.5 循環比影響

循環比是為了提高反應轉化率，通過將氣體產物一部分重新循環使其與新鮮原料氣混合重新參與反應，可以提高返混程度，保證空速不變的情況下，循環比增加對費托合成反應轉化率增長貢獻較小，同時也會增加設備負荷，對設備機械強度提出了更高的要求。

2.6 空速影響

空速決定合成氣的停留時間，因此對于反應轉化率和產品分布有重要影響。空速增加，合成氣轉化率下。，因為空速增加縮短了合成氣在催化劑上的停留時間，產物中烯烴等物質隨空速增加選擇性增加。實驗證明，空速有利于輕質類產品選擇性提高。

3 結語

費托合成概念雖然由來已久，但是隨著石油危機以及天然氣短缺，儲量豐富的煤炭又成為眾多學者的重點研究對象。費托合成最為煤間接液化的重要反應，對于我國煤炭清潔化利用具有重大戰略意義。本文首先對費托合成反應進行了介紹，同時對影響反應的眾多因素如反應溫度、催化劑、操作壓力、合成氣混合比例、循環比以及空速等因素對反應轉化率和產品分布的影響進行了分析。結果表明，催化劑使用量小于70t左右時，替換周期為4天左右，可以在保證轉化率基礎上保證催化劑成本最優。反應溫度可以影響費托合成轉化率和產品分布，溫度為260～280℃時對轉化率影響較明顯。操作壓力和循環比對轉化率影響較小。

參考文獻：

[1]王學云，胡發亭，王光耀.煤間接液化合成油技術研究現狀及展望[J].潔凈煤技術，2020，26（01）：110-120.

[2]孫啟文，吳建民，張宗森.費托合成技術及其研究進展[J].煤炭加工與綜合利用，2020（02）：35-42+4.

作者簡介：

徐強（1985- ），男，籍貫：山西大同，學歷：本科，畢業于北京化工大學，現有職稱助理工程師，研究方向：煤化工。