煤炭間接液化生產噴氣燃料的發展現狀與展望*

段永亮，王慧琴，張 靜，張安貴，安良成

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤炭化學工業技術研究院，寧夏 銀川 750411）

隨著航空業的快速發展，航空噴氣燃料的需求不斷增加，國內的噴氣燃料消費以每年13%左右的速率快速增長，遠高于國際水平[1]。而在煉油過程中，噴氣燃料餾分僅占原油總量的4%～8%，即使加氫裂化后航空煤油餾分也僅占20%左右[2]；石油的短缺必將造成噴氣燃料的供應不足，燃料的高消費帶來的環境問題引起了社會的廣泛關注，開發替代噴氣燃料已提到日程上，尋求替代噴氣燃料成為研究熱點。從目前替代噴氣燃料的發展來看，未來20年內，傳統石油基噴氣燃料仍占據主導地位，所以替代噴氣燃料必須與傳統石油基噴氣燃料性質相近，能夠相容，可以任何比例混合及共同運輸。

費托合成是以煤或天然氣為原料，轉化為合成氣(H2+CO)后生成液體烴類燃料的技術，費托合成作為煤間接液化技術的核心，是一種生產清潔替代燃料的技術。煤炭間接液化是將煤炭轉化為汽油、柴油、煤油、燃料油、液化石油氣和其他化學品等液體產品的過程，主要包括煤炭氣化、合成氣變換/凈化、費托合成及費托合成油加工等工藝過程，煤間接液化合成噴氣燃料是指將費托合成油經過加氫精制、加氫裂化、加氫異構化及分餾等工藝過程轉化為噴氣燃料油的過程。

1 煤炭間接液化液化

費托合成油是煤炭間接液化核心技術費托合成的主要產物，是生產煤基燃料和提煉化工產品的重要原料，可生產汽油、柴油、航空煤油等油品以及多種高附加值的化工產品。因費托合成油與石油相差較大，其加工過程也有所不同，但石油加工過程中的基礎工藝如加氫精制、加氫裂化、異構化等同樣適用于費托合成油加工，費托合成油加工工藝取決于原料組成特性，而原料的組成由費托合成催化劑和工藝條件決定，低溫費托合成油加工工藝與高溫費托合成油加工工藝有較大不同。

1.1 低溫費托合成油加工工藝

低溫費托合成反應溫度為200～250 ℃，反應壓力為2.0～5.0 MPa，采用固定床管式反應器或漿態床反應器，可采用鐵基或鈷基催化劑，主要產品為柴油、石腦油及LPG[3]。低溫費托合成工藝最早的是德國鈷基低溫費托合成油加工工藝，并于1935年建成世界首套工業化費托合成裝置，該工藝將費托合成反應生成的低碳烯烴通過齊聚轉化為液體烴類產品，同時還生成直餾石腦油(C5～180℃)、合成油Ⅰ(180～230 ℃)、合成油Ⅱ(230～320 ℃)中蠟、硬蠟、氧化蠟等產品。Sasol-Chevron共同開發的低溫費托合成油加工工藝采用沉淀鐵催化劑，并于1993年實現工業化，該工藝催化劑可實現在線添加和卸出，保證了反應器中催化劑的活性比較穩定，使費托合成油保持了連續穩定的的選擇性[4]。Shell公司的SMDS鈷基低溫費托合成油加工工藝流程比較簡單，僅有加氫精制和加氫裂化兩個單元，加氫精制用來生產烷烴油和石蠟等化學品，而加氫裂化用于生產煤油和柴油產品[5]。產品組成見表1。

表1 Shell SMDS 低溫費托合成油組成Table 1 Shell SMDS low temperature Fischer-Tropsch synthetic oil composition

國內低溫費托合成油加工工藝主要是上海兗礦鐵基漿態床低溫費托合成油加工工藝和中科院山西煤化所的低溫費托合成油加工工藝。上海兗礦鐵基漿態床低溫費托合成油加工工藝采用全餾分費托合成油進行穩定加氫處理，處理后的重質餾分油全循環進行異構加氫裂化，生產石腦油、低凝柴油及少量液化氣；該工藝已在榆林100萬噸/年間接液化工業示范項目上應用。中科院山西煤化所的低溫費托合成油加工工藝產出的高溫油氣經過逐步冷凝成重質石蠟、輕質餾分油和重質餾分油，經過加氫精制、加氫裂化、低溫油洗等處理單元，產出柴油、石腦油、液化石油氣等產品[6]。

1.2 高溫費托合成油加工工藝

高溫費托合成反應溫度為300～350 ℃，反應壓力為2.0～2.5 MPa，采用循環流化床反應器或固定流化床反應器，可采用熔融法鐵基或沉降法鐵基催化劑，主要產品為柴油、汽油、噴氣燃料、烯烴化學品、含氧有機化合物[7]。高溫費托合成油加工工藝最早于20世紀四五十年代由美國Hydrocol公司開發出來，并于1951年在德克薩斯州實現工業化，該工藝采用鐵基催化劑，主要產物是汽油餾分和氣相組分，產品組成見表2。產物中含有大量烯烴(尤其是α烯烴)鏈狀化合物。該工藝以生產汽油為目標，產物中直餾石腦油餾分超過50%，烯烴通過齊聚進一步增加汽油產量，使汽油產量達到80%以上[7]。

表2 Hydrocol高溫費托合成油組成Table 2 Composition of Hydrocol high temperature Fischer-Tropsch synthetic oil

南非SosalⅡ和SosalⅢ廠采用鐵基高溫費托合成油加工工藝，該工藝早期反應器采用循環流化床反應器，目標生產運輸燃料油，同時副產化學品，運輸燃料油主要包括汽油、柴油，SPA齊聚產物經過分離后得到煤油餾分，通過加氫處理可達到噴氣燃料油的指標。南非SosalⅡ和SosalⅢ廠改進后的工藝采用固定流化床反應器，降低了費托合成生產成本，重視化學品的生產，從反應水中回收正丙醇，增加了高溫催化裂化裝置，提高了乙烯和丙烯產量，添加了α烯烴提取單元，包括了1-戊烯、1-己烯和1-辛烯的分離提純。

1.3 高、低溫費托合成油耦合加工工藝

目前，高低溫費托合成油耦合加工工藝實現工業化的是SosalⅠ廠，SosalⅠ廠采用德國Arge鐵基低溫費托合成工藝和美國Kellogg鐵基高溫費托合成工藝，其中低溫費托合成工藝占1/3，高溫費托合成工藝占2/3，費托合成產品加工進行了部分耦合：一是將高溫和低溫費托合成水合并一起處理，二是將低溫費托合成的C3-C4產物并入高溫費托合成產物中一起處理[8]。

2 煤炭間接液化噴氣燃料發展狀況

2.1 國外煤炭間接液化噴氣燃料發展狀況

煤炭間接液化制航空煤油技術已在國外實現了大規模商業應用，如南非Sasol公司擁有半合成航空煤油(Semi-SyntheticJetFuel)與全合成航空煤油(FullySyntheticJetFuel)技術。國外也已建立相對健全的煤基半合成航空煤油標準，國際商業航空協會經過多年研究，逐步將煤氣化費托合成噴氣燃料列入標準中，英國國防部標準委員會發布的DEF～STAN91～091標準和美國材料與試驗協會發布的ASTM D7566標準，均允許安全使用由50%的經費托工藝生產的合成燃料與50%的JetA或JetA-1組成的混合燃料[9]。2007年的英國國防部標準DEFSTAN91-91第5版，允許100%使用Sasol煤間接液化全合成噴氣燃料[10]。南非SASOL公司采用費托合成技術，主要產品為汽油、柴油、噴氣燃料、蠟等多種油品，保證了全南非28%的汽油和柴油以及大部分的噴氣燃料的供給量[11]。

2.1.1 半合成噴氣燃料

1999年，南非國際航空開始使用半合成噴氣燃料，南非薩索爾公司將煤間接液化制取的合成燃料與石油基噴氣燃料以體積比1：1混合制備了半合成煤基噴氣燃料，這種半合成煤基噴氣燃料獲得了英國國防部標準和美國ASTM國際標準的認可，并且也被約翰內斯堡的國際機場使用，說明半合成燃料能夠應用于現有的航空設施及渦輪發動機的要求[12]。1993年，Shell公司在馬來西亞Bintulu設立的費托合成油廠，采用以天然氣為原料生產液體燃料(GTL)的低溫費托合成油加工工藝(SMDS)，費托合成過程采用鈷基催化劑，反應器為固定床反應器，產物主要中間餾分油，經過合成油改質流程中的重質烷烴轉化(HPC)工藝，可以選擇性地將鈷基固定床費托合成油轉化為石腦油、中間餾分油、煤油和石蠟。HPC工藝流程相對簡單，采用Shell公司專有的雙功能催化劑，反應過程主要包括烯烴加氫、加氫脫氧、加氫裂化和加氫異構化反應。生產方案分為煤油模式和蠟油模式。煤油模式下石腦油、煤油和蠟油收率分別為25%、50%和25%。SMDS 工藝所得煤油產品的性質見表3[13]。

由表3可知，SMDS工藝所得煤油的密度、芳涇含量等主要性質不符合噴氣燃料的要求，特別是芳烴含量幾乎為零，遠低于8%～25%的要求。

表3 SMDS 工藝所得煤油產品性質Table 3 Properties of kerosene products obtained from SMDS process

很明顯，對于采用簡單加工流程所得的煤油，無論哪種生產模式都無法直接滿足噴氣燃料的要求，只能用作調合組分，但半合成型噴氣燃料加工方案具有流程簡單、成本較低的優勢。將費托合成廠與石油基煉油廠相結合，與石油基噴氣燃料調和，可生產出滿足標準的噴氣燃料產品。低溫費托合成產品半合成噴氣燃料工藝路線如圖1所示。

圖1 低溫費托合成產品半合成噴氣燃料工藝路線Fig.1 Low-temperature Fischer-Tropsch synthesis product semi-synthetic jet fuel process route

美國Rentech公司從事煤制液體燃料和天然氣制液體燃料的技術開發，其費托合成采用的是低溫鐵系催化劑漿態床費托合成技術，并拓展以廢煤和生物垃圾為原料經費托合成生產液體燃料的工藝技術。美國空軍從Rentech公司購買費托合成噴氣燃料用于試驗，作為其替代能源計劃的組成部分，計劃將美國豐富儲量的煤變成清潔的航空燃油。為此研究了費托異構烷烴煤油(IPK)與石油基煤油混合的可能性，研究表明混合費托(IPK)與JP-8滿足大量生產要求，同時可以與任何傳統煤油混合。

2.1.2 全合成噴氣燃料

因生產半合成噴氣燃料易受到石油基噴氣燃料生產能力的干擾，為保證燃料供應，Sasol公司制備了高溫費托合成產品全合成噴氣燃料。這種全合成噴氣燃料可以滿足國際上對于噴氣燃料所有的性能要求，包括儲存、操作和飛行安全等。Sasol公司生產煤基全合成噴氣燃料的技術路線如圖2所示。煤基全合成噴氣燃料合成的第一步是將原煤氣化為合成氣(H2和CO)。合成氣經過費托合成工藝由鐵基催化劑催化轉化為寬沸程的液化粗油。液化粗油分為烯涇餾分、石腦油餾分和柴油餾分。3種餾分油分別經過不同的加工處理過程制取出異構鏈烷涇航空煤油、重石腦油1號和輕餾分油1號。原煤氣化過程中，除了產生合成氣，還會有副產品煤焦油。煤焦油可分為石腦油餾分和柴油餾分。將這2種餾分油通過不同加工工藝制備出重石腦油2號和輕餾分油2號。最后，將制取的5種油按照不同比例混合制備煤基全合成噴氣燃料[14]。高溫費托合成產品全合成噴氣燃料與2008年生產成功并獲得國際商用航空認證，全合成噴氣燃料由SPA催化劑的齊聚產物及芳烴的烷基化產物調和而成。

圖2 Sasol高溫費托合成產品全合成噴氣燃料工藝路線Fig.2 Sasol high-temperature Fischer-Tropsch synthesis product fully synthetic jet fuel process route

煤基全合成噴氣燃料的理化性能、熱穩定性、燃燒性能見表4。理化性能測試結果表明，與傳統石油基噴氣燃料JetA-1相比，煤間接液化全合成噴氣燃料在餾程、熱值、閃點、低溫流動性等方面的性質與傳統石油基噴氣燃料基本相近甚至更優。此外，熱安定性試驗表明，煤間接液化全合成噴氣燃料不但在260℃標準試驗條件下具有優異的熱安定性，在300℃高溫下也表現出比JetA-1更好的熱穩定性。潤滑性測試表明，煤間接液化全合成噴氣燃料的潤滑性與JetA-1相近。材料相容性分別測試了容積變化、硬度和抗張強度，煤間接液化全合成噴氣燃料在這3項上與JetA-1一致。在發動機耐久性、低溫霧化、寒冷天氣點火和高海拔點火、廢氣排放和貧油熄火等試驗中，煤間接液化全合成噴氣燃料表現出的性能與JetA-1相似，甚至更優[14]。

表4 煤基全合成噴氣燃料性質Table 4 Properties of coal-based fully synthetic jet fuel

2.2 國內煤炭間接液化噴氣燃料發展狀況

國內于1956年開始試生產航空煤油，均為石油基產品，而煤炭間接液化制航空煤油技術發展較為落后，均處于研究階段，如天津大學、石油化工科學研究院、中國民用航空局、山西潞安集團、內蒙古伊泰集團和神華寧夏煤業集團等單位均已開展了相關基礎研究工作，但文獻報道較少。借鑒國外已有標準，近幾年我國也逐漸建立了自己的煤炭間接液化制航空煤油的相關標準，如2013年中國民用航空局批準《含合成烴的民用航空噴氣燃料》(CTSO-2C701)技術標準規定和2018年7月13日發布《3號噴氣燃料》(GB 6537-2018)標準，均增加了半合成航空煤油內容[15]。

依托國家能源集團寧夏煤業公司400萬噸/年煤炭間接液化項目的有利條件，以及寧東地區豐富的煤炭資源、水資源、土地資源和優越交通運輸條件等優勢，采用國內自主知識產權的中科合成油技術有限公司的低溫漿態床F-T合成工藝技術，是國內首個大型煤炭間接液化示范項目。在該項目的基礎上，目前已經開展了由煤基F-T合成油制備噴氣燃料的新工藝、新技術，為實現煤基半合成航空煤油商業化奠定基礎。同時，該研究不僅能夠豐富產品路線，適應產品多元化的發展趨勢，而且對加快寧夏煤炭資源向經濟優勢轉化、促進民族地區經濟全面發展起到積極推動作用。此外，煤基F-T合成制噴氣燃料的開發可緩解國內噴氣燃料日益增長的需求及降低對石油基噴氣燃料的過度依賴，是煤炭清潔高效利用及保障國家能源戰略安全的重要途徑。

3 展望

煤炭直接液化油品煤油餾分富含環烷烴和芳烴的特點使得其煤油餾分具有制備高密度、高熱值、高熱安定性等噴氣燃料的優勢。煤炭直接液化國家工程實驗室對煤直接液化油生產大密度噴氣燃料進行的理化性能測定和臺架試驗證明，用煤炭直接液化原料油制備的噴氣燃料其理化性能均滿足《3號噴氣燃料》舊版國家標準(GB 6537-2006)要求。但2018年修訂的新版國家標準(GB 6537-2018)規定航煤中不得直接摻入煤直接液化油品組分[15]。從煤基燃料油品產業鏈來看，煤炭直接液化生產噴氣燃料油和煤間接液化生產噴氣燃料油在密度、低溫流動性及芳烴含量等性質存在良好的互補關系，如能實現資源互補，應該是煤制油行業生產油品的很好配置。

通過煤炭間接液化生產的煤基全合成噴氣燃料已經實現了工業化應用，而煤炭間接液化生產的煤基半合成噴氣燃料原料油與航空燃料餾分相當，其部分指標不符合航空燃料規范要求，不能直接作為航空燃料使用，但其具有不含硫、氮雜質、低芳烴、低冰點、高閃點、良好的熱安定性能等特點，可作為開發高性能航空燃料的原料油且具有良好的發展前景。因此，盡快推出中國自主知識產權的煤基半合成或全合成航空煤油服務于民用航空運輸業、服務于國家“大飛機”戰略，開發煤基半合成或全合成航空煤油有利于推進國家中長期能源發展戰略，對增強國家能源安全保障能力，保障航空運輸業的快速發展具有重要的意義。

4 結語

隨著我國航空業的快速發展，航空煤油的短缺將日益嚴重，煤間接液化制油工藝能夠直接生產優質柴油和航空噴氣燃料油組分，而且能生產特種溶劑油、石蠟、表面活性劑等高附加值產品，是煤制油大規模可持續發展的主要技術路線。通過煤炭間接液化制備航空領域燃料的研究與開發，可實現煤基半合成航空煤油的國產化，填補國內空白，推進國產煤基半合成航空燃料的應用，既能夠保障國家能源安全，也為煤炭間接液化產品多元化、產業鏈拓展提供了有益的探索。