探討煤制油的工藝技術

巴承才(國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤制油分公司，寧夏 靈武 750400)

0 引言

眾所周知，我國煤炭資源儲量十分豐富，但石油氣資源相對匱乏。我國煤炭資源儲量約占全世界煤炭資源總量的10%，我國的煤田面積超過50萬平方公里，位居世界煤田面積的前幾位。石油被喻為工業生產的血液，應用十分廣泛，能源、化工、新材料等各個領域都離不開石油資源，因此它也成為各個國家競相爭奪的戰略資源。我國石油資源相對匱乏，但同時又是能源消耗大國。而石油資源的進口情況和每個石油出口國的國家政治、戰爭、運輸路線等密不可分，一旦這些因素出現問題，我國的石油進口情況就會收到干擾。因此，為了減少對進口石油的依賴，我們亟需開發出新的能源用以代替石油資源。研究表明，通過煤制油工藝，可以實現煤炭資源向石油化工資源的轉變，緩解我國石油緊張的局面，從而滿足我國經濟社會發展所需要的石油資源。

1 煤制油工藝技術概述

煤制油工藝是指通過化學方式，將煤炭資源轉化為石油資源或者化工產品的技術。煤制油工藝技術可根據加氫工藝的不同，分為煤直接液化工藝技術和煤間接液化工藝技術，使其轉化為烴類液體燃料或者是甲醇。

1.1 煤直接液化制油工藝

煤直接液化制油工藝在煤制油工藝中處于主導地位，目前全球煤直接液化制油的工藝技術主要集中在發達國家之中的德國和美國，在美國和德國煤直接液化制油工藝被廣泛應用。煤直接液化制油工藝技術指的是在高溫高壓的條件下，把氫氣直接加入煤炭中，通過發生化學反應，使煤炭直接液化成為液態的烴類燃料的一種工藝技術。之后對這種液態的烴類燃料還需再經過一系列的化學工藝處理，主要有脫硫、脫氮、脫氧等，使其最終轉變為汽油等石油化工產品。主要的工藝技術程序是首先采用物理碾壓方式使煤炭轉變為細粉，其次對煤炭細粉進行加溫加壓處理，同時注入氫氣和催化劑使煤炭發生反應，從而使其轉變為油類產品。此種煤直接液化的工藝要求比較高，不僅需要品種優質和質量高的煤炭，還需要嚴格控制處理工藝的反應條件和操作條件；而處理后的尾氣中芳烴、硫化物和氮雜質含量比較高，在發動機上無法直接點燃[1]。但是，煤直接液化工藝之所以被石油化工企業廣泛應用，主要是因為這種工藝生產效率高，一噸優質原煤可轉化出產量大于0.5 t的成品油。我國通過建立煤直接液化和油品改質實驗室，經過多次對比試驗同時結合實際情況得出，長焰炭、褐炭等15種煤炭比較適合煤的直接液化；而且還研發出了能促進煤液化的高效率的催化劑，使液化效率超過了50%。目前我國廣泛使用的煤直接液化工藝技術既滿足了半數以上的原油生產需求，同時又實現了煤炭殘渣的可循環利用。

1.2 煤間接液化制油工藝

煤間接液化工藝比煤直接液化工藝多了一道工藝的轉化工序，原料仍然是煤炭，但是需要對煤炭先進行氣化處理，然后再使氣體轉化為液體。南非國家是最早采用煤間接液化工藝技術的國家，后來傳入國內，國內至今國內仍在使用。煤間接液化的主要工藝特征是：首先通過物理手段將煤炭轉變為一氧化碳氣體；其次使用氫氣對一氧化碳進行一些列化學手段的處理,如脫硫、脫氧、脫氮等；最后使用氫氣和催化劑發生Fischer-Tropsch催化反應，生成液化燃料，整個轉化過程要求在高溫高壓條件下進行[2]。此工藝流程復雜，且生產成本高，但對煤炭種類要求低，目前國內很多類別的煤炭都適用于這種工藝。另外，此工藝過程反應比較溫和，可節省大量能源。同時，過程中產生附加物價值比較高且不含污染大氣的物質。因此，使用過程中能減少空氣污染，達到環保要求。

2 煤制油工藝技術的對比分析

煤炭直接液化制油和煤炭間接液化制油工藝技術不同，得到的成品油的性質也不一樣。現對這兩種工藝技術從工藝特點、工藝條件和經濟效益方面進行對比分析。

2.1 工藝特點的對比

直接液化工藝技術和間接液化工藝技術相比有如下特點：首先，直接液化技術對煤炭的種類和煤炭的質量要求高，需要高質量的原煤，通常只有比較年輕的煤質例如長焰煤和褐煤才能滿足相應的需要，同時在生產過程中還需要氫氣溶劑作為催化劑；而間接液化技術對煤炭的種類和煤炭的質量要求比較低，一般煤種即可滿足需要。其次，直接液化工藝技術簡單，直接將原煤進行加氫液化即可得到成品油，但反應條件要求比較嚴格，溫度和壓力都有嚴格的限制；而間接液化技術，要把煤先進行氣化處理，然后再進行加氫液化處理，將費托合成技術和分子篩合技術結合在一起，采用固定床合成工藝，最終得到合格的石油或化工產品，但是總體對溫度和壓力的限制較低，技術條件容易滿足。最后，直接液化技術出液化反應器的產物很復雜、分離困難、氫的消耗量大，約在6%～10%之間[3]，但其擺脫了對煤的氣化的依賴；而煤間接液化工藝技術難度系數較低，故在材料和制作要求上都比較低、設備便于維護和操作，且液化后的輕質油品不僅可以直接使用于柴油汽車，因此產生的汽車尾氣排放量還可以達到國家環保標準，但總體而言耗煤量大，且對煤的氣化有較高的依賴性，同時由于合成的副產物較多導致目標產品的選擇性低。

2.2 工藝條件的對比

從工藝條件方面對比分析可以看出，直接液化技術的工藝條件更為苛刻：首先， 溫度上直接液化技術要求430左右，如美國HIT工藝，液化壓力要17～30 MPa，且產出物較復雜，液化過程中能源消耗量大；而間接液化工藝反應條件較溫和，溫度要求范圍廣，小于350 ℃即可，反應壓力2.3～3.0 MPa[4]，在一定程度上節省了能源。其次，直接液化技術采油率高，但裝置體積大、投資高、運行成本高，原油實際轉換率較高；而間接液化工藝設備簡單易操作，最終處理完得到的產品中不含有害物質，故使用過程中安全環保。

2.3 經濟效益的對比

從經濟效益方面對比分析得出，煤直接液化工藝技術液化效率高、成本低，1 t液化油的生產大約消耗2.4 t的洗精煤。且生產過程中工藝簡單，煤漿是進料，要求的運行成本低、投資少、收油率高，國內神華采用煤直接液化技術，設備能達到63%～68%的收油率。但是由于煤直接液化工藝過程中對設備的要求比較高，所用到的設備多數來自于國外進口，因此維修成本較高。煤間接液化工藝相對復雜，需對原煤進行碾壓、氣化、凈化、水煤氣反應以及催化反應等才能得到化工油品或者可燃性燃料。而且間接液化技術投資和運行成本都比較高，且1 t成品油的耗煤量大約是3.3 t洗精煤，但是煤間接液化工藝因對操作條件和工藝環境要求比較低，產出的油品成分較單一，副產品的附加值高。從經濟效益整體分析得出，直接液化工藝技術經濟效益要高，但由于受到產業政策和產品結構價格等因素的制約，故無法簡單確定兩種工藝經濟效益的高低。

3 目前我國煤制油技術的發展現狀與產業的發展方向

3.1 直接液化技術的發展現狀

煤直接液化工藝技術的發展已歷經百年，國內外很多國家都獨自開發出了擁有自主知識產權的加氫液化技術。在國內，2000年左右，神華集團經過工藝開發創新，形成了具有自主知識產權的品牌液化工藝技術。2008年神華單系列處理干煤量為6 000 t/天的百萬噸級煤直接液化示范裝置產出合格的柴油和石腦油，使我國成為世界上唯一實現百萬噸級煤直接液化關鍵技術工業化的國家[5]。但由于直接液化工藝反應條件苛刻，且受到技術條件的限制等，目前此技術還存在很多問題，還需要科研人員不斷研究，以提高煤直接液化工藝技術的核心競爭力。

3.2 間接液化技術的發展現狀

我國最早在20世紀60年代曾運行過煤間接液化工廠，后來因種種原因中斷了研究；直至80年代，由于油品需求的快速增加，中科院山西煤化所對此工藝技術又重新展開了系統的研究。2002年山西煤化所千噸級漿態床合成油中試裝置工藝流程的順利打通和運行，使我國煤制油工藝取得了階段性成果。2008年山西潞安集團年產16萬噸煤基合成油示范項目的正式出油，標志著我國煤制油產業化試驗取得了重大突破。我國工業上目前應用較為廣泛的間接液化工藝一般有高溫間接液化和低溫間接液化兩種。其未來的發展方向一種是在技術上研制出高效的催化劑，同時設計和控制適合高溫運行的反應器，另外一種是高效利用高活性催化劑和優化反應器的設計等。

3.3 我國煤制油技術產業化的現狀

我國從20世紀80年代開始對煤制油工藝進行系統的研究，并于2008年建成0.02 t/天、0.1 t/天和0.12 t/天的新型煤炭直接利用液化燃料試驗裝置3套，生產研制出各種合格的汽油、柴油等石油化工產品。1996年我國開始和美國、日本、德國等公司進行技術合作，分別開展了國產神華焦煤、黑龍江依蘭煤等大型液化油氣試驗。目前我國煤制油工藝技術已形成良好的規模化產業，2009年山西潞安集團、內蒙古伊泰集團以及神華集團三大集團建成了3套大于16萬噸/天的工業示范裝置。2016年神華寧煤、內蒙古伊泰、山西潞安等三家集團日產百萬噸以上的煤間接液化工業示范裝置建成投產，工藝技術達到國際領先水平。我國科研人員目前對新型催化劑的開發和新型溶劑的研制與應用正在深入研究，為進一步推動我國煤液化產業發展奠定技術基礎。

4 結語

綜上所述，我國煤炭資源十分豐富，但石油氣資源相對匱乏，大力發展煤制油工藝，減少對石油進口的依賴，同時也能滿足我國經濟社會發展所需要的石油資源。但我國的煤制油工藝在生產過程中，還存在很多問題，還需要科研人員進一步加強對煤制油工藝技術的研究，進一步優化和提升煤制油工藝技術，從而大幅度提高氣化效率和生產效率。