煤間接液化及產品加工成套技術開發研究進展

蔡討紅

摘要：本文結合寧夏煤制油公司的生產實踐以及技術研究現狀，從高性能鈷基費托合成催化劑、高性能鐵基費托合成催化劑、新型費托合成反應器與催化劑活化技術、低碳含氧有機物的提取及水資源化四方面入手，闡述了煤間接液化及產品加工成套技術的研發進展。

關鍵詞：煤間接液化;催化劑;費托合成

引言：根據我國一次能源的現實結構來看，我國的煤炭資源更多，但是石油資源、天然氣資源相對較少。在社會、經濟不斷發展的背景下，人們的生產與生活對石油資源的依賴程度增大，因此我國面對著嚴峻的能源安全考驗。而煤間接液化及產品加工成套技術的開發與形成，就能夠促使煤炭資源實現清潔性轉化并可以投入實際應用，緩解對進口石油資源的依賴性，值得重點探究。

1.煤間接液化及產品加工成套技術研發項目的概述

煤間接液化及產品加工成套技術開發項目主要針對制約煤間接液化技術發展的瓶頸問題，從催化劑性能提升、反應過程強化優化、產物高質化以及廢水資源化利用等方面入手，突破共性關鍵技術，并完成中試驗證或工業示范，對保障我國能源安全意義重大。寧夏煤制油公司聯合高校、石油化工企業共同展開了相關課題研究，依托對膜分離、隔壁塔精餾、耐酸生物轉化等工藝技術的研發，實現費托合成廢水中有機物和水資源的同步回收利用。

在煤間接液化及產品加工成套技術的開發中，通過對高選擇性鈷基/鐵基費托合成工藝、催化劑及產品深加工技術、新型反應器及過程強化技術、合成水中的低碳含氧有機物高效提取關鍵技術的開發，實現新型費托合成催化劑的規模化制備及工業應用;開發低烯烴、低芳烴的清潔汽油和高熱值清潔柴油技術，形成生產國六汽-柴油的先進煤間接液化及產品加工成套技術，并完成可應用于百萬噸級煤制油示范工程的汽-柴油聯產技術集成方案，其實施將提升我國先進煤間接液化技術發展能力和水平，為能源安全提供重要技術保障[1]。

2.煤間接液化及產品加工成套技術的研發進展探究

2.1高性能鈷基費托合成催化劑的規模化制備技術

在目前的研究中，難點在于鈷基費托合成催化劑目標產物的穩定性與選擇性并不理想，導致相應催化劑的大規模制備與工業應用受到限制。基于此，需要展開高性能鈷基費托合成催化劑的研究，促使一氧化碳的轉化率增高，并進一步延長相應催化劑的使用年限，最終達到能夠大規模制備的效果。

由于鈷基費托合成催化劑屬于負載型催化劑，因此載體在該催化劑的使用中發揮出重要作用。當前，鈷基費托合成催化劑的常見載體包括氧化鋁、活性炭以及氧化硅。研究中，主要對這些載體的孔結構進行調整，以此達到降低放大效應發生概率與產生程度的效果。實踐結果表明，在優化處理后，氧化硅載體的孔結構尺寸、分布均有所變化，中孔區寬分布可以實現對內擴散的控制，鈷/二氧化硅催化劑油收率提高20%。對比孔分布存在差異性的多種氧化鋁催化劑載體，優化金屬鈷晶粒的分布，改進后催化劑進行了公斤級放大與長周期穩定性測試。結果表明，放大后的催化劑在1800小時的長周期測試中總體表現呈現出高度穩定的狀態。

2.2高性能鐵基費托合成催化劑的規模化制備技術

高性能鐵基費托合成催化劑的開發目標在于提升汽油、柴油等煤間接液化產品的產量，降低二氧化碳等副產物的選擇性，并實現規模化制備。對于鐵基催化劑來說，其在費托反應中普遍會發生失活問題，催化穩定性以及催化劑的使用壽命下降。依托XRD、XPS、TPH-MS等方法對催化劑活性相進行了表征，結合關聯表征和反應數據，初步獲得了催化劑表面積炭對催化劑性能的影響規律[2]。研究結果顯示，鐵基催化劑出現失活問題的主要原因在于非活性碳物種的沉淀。

實踐中，可以依托調整活化條件以此達到降低催化物積碳以及失活的現象發生。對產物選擇性以及催化劑的一氧化碳轉化率進行綜合對比，結果表明，在溫度為 533 ℃的條件下，氫氣/一氧化碳物質的量比為20，證實這樣的活化處理條件能夠有效降低鐵基催化劑在反應過程中的非活性碳物種沉積，長時間保持良好活性。

2.3新型費托合成反應器、催化劑活化技術

開發新型費托合成反應器及工藝、催化劑活化技術是解決費托合成反應器與催化劑活化研究瓶頸問題的必然選擇。就當前的情況來看，在費托合成反應過程以及漿態床活化過程中，普遍存有相互制約的問題，且反應時間相對較長。而氣固流化床鐵基費托合成催化劑活化技術的開發與應用可以解決上述問題，促使裝置開工時間縮短，并增加催化劑替換靈活性。

針對單臺反應器產能較低的現狀，依托高性能鐵基費托合成催化劑的開發與生產，形成適用于高濃度催化劑制備生產的新型氣體分布器、氣液分離裝置等等，并參考漿態床反應器模型優化工藝流程模型。通過這樣的方式，能夠單臺反應器產能30%達到65萬噸/年。

2.4低碳含氧有機物的提取及水資源化技術

2.4.1滲透氣化膜分離

由于不同組分通過致密膜的擴散與溶解速度存在差異，以此可以達到較好的分離效果。對于滲透氣化膜分離技術來說，其能夠以更低的能耗完成分離，這是傳統萃取、整流等方法難以達到的效果，因此有著極高的研究與推廣價值。以PDMS/陶瓷復合膜為例進行說明，在研究中，需要重點對多組分體系與復合膜之間的相互作用進行考查。依托相應膜的電鏡圖可以得出，PDMS/陶瓷復合膜的厚度在5微米，表面平整且不存在缺陷。對PDMS/陶瓷復合膜的分離性能展開測試，結果表明，PDMS/陶瓷復合膜可以更好完成非酸性有機物的水中分離，通量穩定在928g/（m2·h），且在連續操作200小時后，PDMS/陶瓷復合膜性能依舊有著較高的穩定性。

2.4.2有機物分離

Sasol-I廠的回收工藝是當前已經工業化的費托合成水提取主要技術，操作中，普遍應用常規精餾技術，獲取產品的提取率以及純度并不理想。為了緩解這一問題，可以在該工藝過程中引入膜分離技術，最終達到共沸物脫水的效果。在提取含氧有機物的過程中，必須完成大量的合成水處理，因此要重點考量連續操作的穩定性，更適合使用精餾操作。此時，研究的重點在于降低能耗，而隔壁塔分離工藝的開發與應用及能夠實現這一目標。實踐表明，相比于傳統精餾工藝來說，隔壁塔分離工藝的能耗降低47.8%，年度成本降低43.8%。

2.4.3高酸生物的資源化利用

結合傳統厭氧反應器以及生物選擇器，構建起“菌種選擇器-傳統厭氧反應器-厭氧沉淀池-好氧處理”的工藝流程，以此達到提升費托合成廢水處理效果的目標[3]。實踐中，相應廢水的原有pH值平均為3，經過厭氧預處理后，相應pH值轉變為5-6，此時厭氧出水的pH值穩定在7-8之間。

2.4.4污水深度處理與資源化利用

在納濾、反滲透、離子交換等分離技術的支持下，結合煤間接液化工藝中的主要用水及產水特征，能夠達到廢水近零排放與梯度利用的效果。實踐中，廢水通過A/0生化、臭氧接觸氧化、BAF濾池、外送污水深度處理裝置實現處理，該過程中形成的優質再生水可用于補給循環水以及除鹽水。該處理過程中，引入了兩級膜濃縮工藝。其中，一段膜濃的回收率為70%;二段膜濃縮的回收率為78.5%。

總結：綜上所述，在煤間接液化及產品加工成套技術研究項目中，主要完成了：高性能鈷基費托合成催化劑載體的孔分布調整，提升了鈷基催化劑的穩定性;高性能鐵基費托合成催化劑的研發，保證其可長時間保持良好活性;新型費托合成反應器及工藝、催化劑活化技術的開發;滲透氣化膜分離、精餾操作、污水處理與再利用技術的優化，實現廢水近零排放與梯度利用。

參考文獻：

[1]門卓武.“先進煤間接液化及產品加工成套技術開發”專輯特邀主編致讀者[J].煤炭學報，2020，45（04）：1209-1210.

[2]武鵬，呂元，郭中山，等.煤間接液化及產品加工成套技術開發研究進展[J].煤炭學報，2020，45（04）：1222-1243.

[3]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.