煤與生物質(zhì)共液化
——探索能源開發(fā)與環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展的新思維

唐慶杰，楊曉民，楊素萍，吳文榮

(河北北方學院，河北 張家口 075000)

城市群的可持續(xù)發(fā)展是城市發(fā)展研究的重要內(nèi)容，是一個國家實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。在出現(xiàn)了各種非可持續(xù)發(fā)展模式和行為的情況下，中國政府加大了對城市群可持續(xù)發(fā)展的支持力度，提出了建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會，即兩型社會建設(shè)的設(shè)想。兩型社會構(gòu)想的提出，對中國城市群的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。我國是一個富煤少油缺氣的國家，大部分能源來自煤炭，而大部分煤炭又用于直接燃燒，給環(huán)境帶來巨大的污染，因此建設(shè)環(huán)境友好型社會必須解決煤炭利用給環(huán)境帶來的影響。同時，我國又是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來大量的秸稈，而目前秸稈的處理方式主要是燃燒，秸稈燃燒一方面帶來資源的浪費，同時也給環(huán)境帶來巨大的污染。因此在我國尤其是北方地區(qū)，煤炭利用及秸稈處理給城市群可持續(xù)發(fā)展帶來巨大的挑戰(zhàn)。煤與生物質(zhì)共液化技術(shù)的提出，既做到了資源節(jié)約，又做到了環(huán)境友好，對中國尤其是北方地區(qū)兩型社會的建設(shè)具有重要的意義。

1 煤炭液化技術(shù)

(1)煤炭液化技術(shù)及其分類

煤炭液化通過化學手段將煤轉(zhuǎn)化成液體燃料、化學品及化工原料，是一種先進的潔凈煤技術(shù)。通過這種技術(shù)達到了煤的潔凈利用，同時也對我國的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要的意義。目前煤炭液化技術(shù)存在直接液化和間接液化兩種不同的技術(shù)路線。直接液化將固體煤在高溫高壓下直接加氫，將其降解進而轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)品，可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)汽油、柴油和航空煤油。間接液化則先將煤氣化轉(zhuǎn)變成合成氣，合成氣再在催化劑作用下轉(zhuǎn)化成液體燃料和化學品。

(2)煤炭液化的利與弊

發(fā)展煤炭液化可以解決煤炭燃燒引起的環(huán)境污染，這既充分利用了我國豐富的煤炭資源優(yōu)勢，保證煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且還可以生產(chǎn)出經(jīng)濟適用的各種燃料油，有效地解決我國石油供應(yīng)不足和石油供應(yīng)安全問題，在目前國際形勢下經(jīng)濟投入和運行成本也低于石油進口，有利于我國清潔能源的發(fā)展和燃油安全供應(yīng)。

然而煤炭液化也存在著一些問題，直接液化必須在高溫高壓下進行，對設(shè)備的質(zhì)量要求比較高，設(shè)備資金投入大，而且對煤種的要求也比較苛刻，并不是每種煤都適合進行直接液化。間接液化雖然對煤質(zhì)的要求比較低，但在煤氣化之前必須進行洗選，要耗費大量的水資源，而且洗煤后的溶液對土壤資源也會造成嚴重的污染。在水資源同樣日益短缺的今天，間接液化同樣給社會的可持續(xù)發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)。

2 生物質(zhì)液化技術(shù)

生物質(zhì)液化通過化學方法將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成液體產(chǎn)品。生物質(zhì)液化技術(shù)是生物質(zhì)能利用的重要研究方向之一。主要有高壓液化和常壓快速液化兩種典型的液化工藝。

生物質(zhì)高壓液化技術(shù)有匹茲堡能源中心的PERC法、美國能源部與加利福尼亞大學聯(lián)合研究開發(fā)而成的LBL法及其它高壓液化技術(shù)。生物質(zhì)高壓液化需要液化設(shè)備承受高壓，同時超臨界溶劑具有較強的腐蝕性，因此對液化工藝及液化設(shè)備具有一定的挑戰(zhàn)性。

生物質(zhì)常壓快速液化是生物質(zhì)在常壓條件下在液化劑中轉(zhuǎn)化為分子量分布廣泛的液態(tài)混合物的過程。影響生物質(zhì)常壓快速液化最重要的兩個因素是液化劑和催化劑的選擇。生物質(zhì)在不同的液化劑中采用不同催化劑液化時情況不同。

3 煤與生物質(zhì)共液化技術(shù)

煤與木質(zhì)素共液化的方法有氫/供氫溶劑/催化劑和CO/H20 /堿金屬催化劑兩種途徑。大部分木質(zhì)素和煤共液化采用H2/供氫溶劑/催化劑體系，少數(shù)研究者采用CO/H20/堿金屬催化劑進行木質(zhì)素和煤共液化研究。

Sivakumar等對煤與木質(zhì)纖維廢棄物及高聚物廢棄物在一氧化碳、水、堿體系中的共液化進行了研究，結(jié)果表明：在一氧化碳、水、堿性體系中木質(zhì)纖維與高聚物廢棄物能發(fā)生有效的液化，但木質(zhì)纖維與煤在該體系中的液化與各成分單獨液化并沒有太大的差別。

Akash等對煤與工業(yè)木質(zhì)素共液化動力學進行了研究。實驗采用伊利諾斯州煙煤與堿木素共液化，反應(yīng)以四氫萘為溶劑在初始氫壓1.1MPa、溫度375℃下進行。通過對液化產(chǎn)品進行分析發(fā)現(xiàn)，共液化產(chǎn)品含苯不溶物較少。色譜研究表明，相對于單煤和單木質(zhì)素液化而言，煤和木質(zhì)素共液化產(chǎn)品平均分子量較低。試驗數(shù)據(jù)還表明，加入木質(zhì)素使煤的轉(zhuǎn)化率提高了22%，通過分析研究獲得描述化學反應(yīng)的數(shù)學模型。初步研究結(jié)果表明，煤的總分解率隨著產(chǎn)品循環(huán)的增加而逐漸減小。

Lalvani等研究了中等壓力溫度條件下煤的液化。研究結(jié)果表明：木質(zhì)素對煤的液化可以起到增效作用，能夠顯著提高液化產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)率，同時提高了煤液化產(chǎn)物中戊烷可溶物的含量。通過NMR和SEC分析，以及實驗數(shù)據(jù)提出了木質(zhì)素促使煤解聚提高的假設(shè)，這可能是因為木質(zhì)素中的苯氧基自由基能提高煤的解聚。

Altieri等在400℃下研究了木質(zhì)素和煙煤的共液化。研究結(jié)果表明，與煤和木質(zhì)素單獨液化相比，共液化得到更多的苯可溶物。共液化使煤中大量氮到了液化產(chǎn)品中，而在單煤液化得到的液體產(chǎn)品中沒有觀測到氮。分析發(fā)現(xiàn)氣體成分中有1/2CO2，在同等條件下與單木質(zhì)素液化相比，發(fā)現(xiàn)共液化的液化產(chǎn)品有更多的木質(zhì)素C-14。

4 煤與生物質(zhì)共液化存在的問題及建議

在目前情況下，煤與生物質(zhì)共液化研究取得了一定的進展，但煤與農(nóng)業(yè)廢棄物如秸稈、煤與工業(yè)廢棄物木質(zhì)素共液化的研究在全世界，尤其是我國并不多。全方位、系統(tǒng)地研究不同質(zhì)煤與生物質(zhì)共液化的參考文獻少，因此可供研究參考的煤與生物質(zhì)共液化的普遍規(guī)律和共液化工藝試驗方法短缺，在實際應(yīng)用中還有待于進一步研究。

(1)工業(yè)木質(zhì)素主要來源于造紙制漿廢液，酸溶木質(zhì)素中含有大量的硫，如果能脫除酸溶木質(zhì)素中的硫，對改善液化環(huán)境減少液化氣體中有毒氣體的排放具有重要的影響，如何脫除酸溶木質(zhì)素中的硫有待于更深一步的研究；

(2)基礎(chǔ)研究有待于加強。煤與生物質(zhì)加氫液化技術(shù)尚處于發(fā)展階段，其液化機理和過

程控制因素還不完全清楚，研究人員還要通過大量的試驗采集更多的數(shù)據(jù)，進行理論研究，建立共液化的動力學模型，開發(fā)出更合理的工藝路線。

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