煤液化

煤液化

煤液化是指经过一定的加工工艺，将固体煤炭转化为液体燃料或液体化工原料的过程。按化学加工方法的不同煤的液化可分为两类:①煤在较高温度和压力下加氢直接转化为液体产品。煤的间接液化是指煤经气化产生合成气（CO + H2），再催化合成液体产品。

煤的液化是具有战略意义的一种煤转化技术，可将煤转化为替代石油的液体燃料和化工原料，有利于缓解石油资源的紧张局面。从全世界能源消耗组成看，可燃矿物（煤、石油、天然气）占92%左右，其中石油44%，煤30%，天然气18%。每个国家由于自身能源禀赋和工业发达程度的不同，各种能源所占的比重也不同。目前全世界已探明的石油可采储量远不如煤炭，不能满足能源、石油化工生产的需求。因此可以将储量相对较丰富的煤炭，通过煤炭液化转化为石油替代用品。尤其由于我国相对“富煤、贫油、少气”的能源格局，煤炭液化技术对于保障国家能源战略安全和经济可持续发展具有重要的意义[1]。

煤的直接液化已经走过了漫长的历程。1913年德国科学家F.Bergius发明了煤炭直接液化技术，为煤的加氢液化奠定了基础。此后，德国IG公司在第二次世界大战期间实现了工业化，战后由于中东地区廉价石油的开发，煤炭液化失去了竞争力。20世纪70年代由于石油危机煤炭液化又活跃起来。日本、德国、美国等工业发达国家相继开发出一批煤炭液化工艺。这些国家集中在如何降低反应条件的苛刻度，从而达到降低煤炭液化成本。目前，世界上煤炭直接液化有代表性的是德国的IGOR工艺、日本的NEDOL工艺和美国的HTI工艺。这些新工艺的特点是：反应条件与老液化工艺相比大大缓和，压力从40MPa降低到17-30MPa。并且产油率和油的质量都有很大提高，具备了大规模建设液化厂的技术能力。目前，国外没有实现工业化生产的主要原因是：由于原煤价格和液化设备造价以及人工费用偏高，导致液化成本相对于石油偏高，难以与石油竞争。

我国从20世纪70年代末开始进行煤炭直接液化技术的研究和攻关，其目的是用煤生产汽油、柴油等运输燃料和芳香烃等化工原料。煤炭科学研究总院先后从日本、德国、美国引进直接液化试验装置。经过近20年的试验研究，找出了14种适于直接液化的中国煤种；选出了5种活性较高的、具有世界先进水平的催化剂；完成了4种煤的工艺条件试验。为开发适于中国煤种的煤直接液化工艺奠定了基础，成功地将煤液化后的粗油加工成合格的汽油、柴油和航空煤油等。目前，从煤一直到合格产品的全流程已经打通，煤炭直接液化技术在中国已完成基础性研究，为进一步工艺放大和建设工业化生产厂打下了坚实的基础。

1923年，德国出现了煤炭间接液化技术。第二次世界大战时期，建造了9个煤炭间接液化工厂。战后，同样由于廉价的石油开发，导致这项技术停滞不前。之后，由于铁系催化剂的研制成功，新型反应器的开发和利用，煤炭液化技术得到了发展。但是，由于煤炭间接液化工艺复杂，初期投资大，成本高，除了南非外，其他国家对间接液化的兴趣相对于直接液化来说逐渐淡弱。

间接液化的技术主要3种，南非的费一托合成法、美国的莫比尔法和正在开发的直接合成法。目前间接液化技术在世界上已实现商业化生产。全世界共有3家商业生产厂正在运行，其中有南非的萨索尔公司和新西兰、马来西亚的煤炭间接液化厂。新西兰采用莫比尔法液化工艺，但是只进行间接液化的第一部反应，即利用天然气或者煤气化合成气生产甲醇。马来西亚煤炭间接液化厂采用的工艺和南非的类似，但不同的是以天然气为原料来生产优质柴油和煤油。因此，从严格意义上来说，南非的萨索尔公司是世界上唯一的煤炭间接液化商业化生产企业。该公司生产的汽油和柴油可满足南非28%的需求量，其煤炭间接液化技术处于世界领先地位。

我国从20世纪50年代初即开始进行煤炭间接液化技术的研究，曾在锦州进行过煤间接液化试验，后因发现大庆油田而中止。由于70年代的两次石油危机，以及“富煤少油”的能源结构带来的一系列问题，我国自80年代初又恢复对煤间接液化合成汽油技术的研究，

由中科院山西煤化所组织实施。

“七五”期间，山西煤化所的煤基合成汽油技术被列为国家重点科技攻关项目。1989年在山西省代县化肥厂完成了小型实验。“八五”期间，国家和山西省政府投资2000多万元，在晋城化肥厂建立了年产2000t汽油的工业试验装置，生产出了90号汽油。在此基础上，提出了年产10万t合成汽油装置的技术方案。目前，万吨级煤基合成汽油工艺技术软件开发和集成的研究正在进行，从20世纪90年代初开始研究的用于合成柴油的钴基催化剂技术也正处在试验阶段。经过20年的开发和研究，目前我国已经具备建设万吨级规模生产装置的技术储备，在关键技术、催化剂的研究开发方面已拥有了自主知识产权。我国自己研发的煤炭液化技术已达到世界先进水平。

1997-2000年，煤炭科学研究总院北京煤化所分别同德国、日本、美国有关部门和机构合作进行了云南先锋褐煤、神华煤和黑龙江依兰煤直接液化示范厂的（预）可行性研究。此外，云南先锋、黑龙江依兰、河南平顶山、内蒙古扎赉诺尔的煤炭直接液化项目的前期工作已基本完成，目前已进入立项阶段。此外，贵州、山东、山西、宁夏等省（区）也正在进行煤种试验和煤炭液化的前期研究工作。

2008年，神东煤田的首条煤直接液化生产线建成投产后，年用煤量345万t，可生产各种油品108万t。

在间接液化方面，2005年中科院山西煤化所与山西连顺能源有限公司就共同组建合成油达成协议，打算用3～5年时间在山西朔州建一个年产15万t合成液化油的间接液化生产厂。2004年4月，中科院和山西省政府签署了“发展山西煤间接液化合成油产业的框架协议”，拟在5-10年内，在朔州和大同几个大煤田之间建成一个以百万吨煤基合成油为核心的、多联产特大型企业集团。

此外，中国许多煤炭企业非常关注煤炭液化技术的产业化发展，对煤炭液化项目的积极性很高，其中不少企业已完成了大量前期工作，从而对我国煤炭液化产业化进程起到了推动作用。近年来，我国煤炭液化技术取得实质性进展。中国目前正在兴建和拟建设的“煤液化”项目已达1600万t，总投入约150亿美元。

依据国家规划，到2020年，我国煤液化产业要形成年产6000万t的能力，今后5～10年，我国将以陕西、山西、云南和内蒙古为基地，加快推进煤炭的液化战略，以减少对国际市场石油产品的依赖，缓解燃煤引起的日益严重的环境污染。

3.1煤直接液

3.1.1煤加氢液化机理

（1）煤与石油的比较

煤与石油、汽油在化学组成上最明显的区别是煤的氢含量低、氧含量高，H/C原子比低、O/C原子比高，见表3-1。两者分子结构不同，煤有机质是由2~4个或更多的芳香环构成、呈空间立体结构的高分子聚合物，而石油分子主要是由烷烃、芳烃和环烷烃等组成的混合物；且煤中存在大量无机矿物质。因此要将煤转化为液体产物，首先要将煤大分子裂解为较小的分子，提高H/C比，降低O/C比·，并脱除矿物质。

（2）煤加氢液化的主要反应

煤的加氢液化与热解温度有直接的关系。在煤开始热解温度以下一般不发生明显的加氢液化反应，而在热解固化温度以上加氢时结焦反应大大加剧。在煤加氢液化过程中，不是氢分子直接进攻煤分子而使其裂解。煤在加氢液化过程中首先是煤发生热解反应，生成自由基“碎片”，后者在有氢供应的情况下与氢气结合而稳定，否则就要聚合为高分子不溶物。所以煤的初级液化过程中，热解和供氢是两个十分重要的反应。

①煤的热解

煤在隔绝空气的条件下加热到一定的温度，煤的化学结构中键能较弱的桥键断裂产生自