探討煤制油的工藝技術(shù)

巴承才(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏 靈武 750400)

0 引言

眾所周知，我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量十分豐富，但石油氣資源相對(duì)匱乏。我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量約占全世界煤炭資源總量的10%，我國(guó)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(yè)生產(chǎn)的血液，應(yīng)用十分廣泛，能源、化工、新材料等各個(gè)領(lǐng)域都離不開石油資源，因此它也成為各個(gè)國(guó)家競(jìng)相爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略資源。我國(guó)石油資源相對(duì)匱乏，但同時(shí)又是能源消耗大國(guó)。而石油資源的進(jìn)口情況和每個(gè)石油出口國(guó)的國(guó)家政治、戰(zhàn)爭(zhēng)、運(yùn)輸路線等密不可分，一旦這些因素出現(xiàn)問題，我國(guó)的石油進(jìn)口情況就會(huì)收到干擾。因此，為了減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴，我們亟需開發(fā)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(shí)現(xiàn)煤炭資源向石油化工資源的轉(zhuǎn)變，緩解我國(guó)石油緊張的局面，從而滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需要的石油資源。

1 煤制油工藝技術(shù)概述

煤制油工藝是指通過化學(xué)方式，將煤炭資源轉(zhuǎn)化為石油資源或者化工產(chǎn)品的技術(shù)。煤制油工藝技術(shù)可根據(jù)加氫工藝的不同，分為煤直接液化工藝技術(shù)和煤間接液化工藝技術(shù)，使其轉(zhuǎn)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(dǎo)地位，目前全球煤直接液化制油的工藝技術(shù)主要集中在發(fā)達(dá)國(guó)家之中的德國(guó)和美國(guó)，在美國(guó)和德國(guó)煤直接液化制油工藝被廣泛應(yīng)用。煤直接液化制油工藝技術(shù)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使煤炭直接液化成為液態(tài)的烴類燃料的一種工藝技術(shù)。之后對(duì)這種液態(tài)的烴類燃料還需再經(jīng)過一系列的化學(xué)工藝處理，主要有脫硫、脫氮、脫氧等，使其最終轉(zhuǎn)變?yōu)槠偷仁突ぎa(chǎn)品。主要的工藝技術(shù)程序是首先采用物理碾壓方式使煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)粉，其次對(duì)煤炭細(xì)粉進(jìn)行加溫加壓處理，同時(shí)注入氫氣和催化劑使煤炭發(fā)生反應(yīng)，從而使其轉(zhuǎn)變?yōu)橛皖惍a(chǎn)品。此種煤直接液化的工藝要求比較高，不僅需要品種優(yōu)質(zhì)和質(zhì)量高的煤炭，還需要嚴(yán)格控制處理工藝的反應(yīng)條件和操作條件；而處理后的尾氣中芳烴、硫化物和氮雜質(zhì)含量比較高，在發(fā)動(dòng)機(jī)上無法直接點(diǎn)燃[1]。但是，煤直接液化工藝之所以被石油化工企業(yè)廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)檫@種工藝生產(chǎn)效率高，一噸優(yōu)質(zhì)原煤可轉(zhuǎn)化出產(chǎn)量大于0.5 t的成品油。我國(guó)通過建立煤直接液化和油品改質(zhì)實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況得出，長(zhǎng)焰炭、褐炭等15種煤炭比較適合煤的直接液化；而且還研發(fā)出了能促進(jìn)煤液化的高效率的催化劑，使液化效率超過了50%。目前我國(guó)廣泛使用的煤直接液化工藝技術(shù)既滿足了半數(shù)以上的原油生產(chǎn)需求，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了煤炭殘?jiān)目裳h(huán)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(zhuǎn)化工序，原料仍然是煤炭，但是需要對(duì)煤炭先進(jìn)行氣化處理，然后再使氣體轉(zhuǎn)化為液體。南非國(guó)家是最早采用煤間接液化工藝技術(shù)的國(guó)家，后來傳入國(guó)內(nèi)，國(guó)內(nèi)至今國(guó)內(nèi)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(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸細(xì)怏w；其次使用氫氣對(duì)一氧化碳進(jìn)行一些列化學(xué)手段的處理,如脫硫、脫氧、脫氮等；最后使用氫氣和催化劑發(fā)生Fischer-Tropsch催化反應(yīng)，生成液化燃料，整個(gè)轉(zhuǎn)化過程要求在高溫高壓條件下進(jìn)行[2]。此工藝流程復(fù)雜，且生產(chǎn)成本高，但對(duì)煤炭種類要求低，目前國(guó)內(nèi)很多類別的煤炭都適用于這種工藝。另外，此工藝過程反應(yīng)比較溫和，可節(jié)省大量能源。同時(shí)，過程中產(chǎn)生附加物價(jià)值比較高且不含污染大氣的物質(zhì)。因此，使用過程中能減少空氣污染，達(dá)到環(huán)保要求。

2 煤制油工藝技術(shù)的對(duì)比分析

煤炭直接液化制油和煤炭間接液化制油工藝技術(shù)不同，得到的成品油的性質(zhì)也不一樣?，F(xiàn)對(duì)這兩種工藝技術(shù)從工藝特點(diǎn)、工藝條件和經(jīng)濟(jì)效益方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 工藝特點(diǎn)的對(duì)比

直接液化工藝技術(shù)和間接液化工藝技術(shù)相比有如下特點(diǎn)：首先，直接液化技術(shù)對(duì)煤炭的種類和煤炭的質(zhì)量要求高，需要高質(zhì)量的原煤，通常只有比較年輕的煤質(zhì)例如長(zhǎng)焰煤和褐煤才能滿足相應(yīng)的需要，同時(shí)在生產(chǎn)過程中還需要?dú)錃馊軇┳鳛榇呋瘎欢g接液化技術(shù)對(duì)煤炭的種類和煤炭的質(zhì)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(shù)簡(jiǎn)單，直接將原煤進(jìn)行加氫液化即可得到成品油，但反應(yīng)條件要求比較嚴(yán)格，溫度和壓力都有嚴(yán)格的限制；而間接液化技術(shù)，要把煤先進(jìn)行氣化處理，然后再進(jìn)行加氫液化處理，將費(fèi)托合成技術(shù)和分子篩合技術(shù)結(jié)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(chǎn)品，但是總體對(duì)溫度和壓力的限制較低，技術(shù)條件容易滿足。最后，直接液化技術(shù)出液化反應(yīng)器的產(chǎn)物很復(fù)雜、分離困難、氫的消耗量大，約在6%～10%之間[3]，但其擺脫了對(duì)煤的氣化的依賴；而煤間接液化工藝技術(shù)難度系數(shù)較低，故在材料和制作要求上都比較低、設(shè)備便于維護(hù)和操作，且液化后的輕質(zhì)油品不僅可以直接使用于柴油汽車，因此產(chǎn)生的汽車尾氣排放量還可以達(dá)到國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，但總體而言耗煤量大，且對(duì)煤的氣化有較高的依賴性，同時(shí)由于合成的副產(chǎn)物較多導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)品的選擇性低。

2.2 工藝條件的對(duì)比

從工藝條件方面對(duì)比分析可以看出，直接液化技術(shù)的工藝條件更為苛刻：首先， 溫度上直接液化技術(shù)要求430左右，如美國(guó)HIT工藝，液化壓力要17～30 MPa，且產(chǎn)出物較復(fù)雜，液化過程中能源消耗量大；而間接液化工藝反應(yīng)條件較溫和，溫度要求范圍廣，小于350 ℃即可，反應(yīng)壓力2.3～3.0 MPa[4]，在一定程度上節(jié)省了能源。其次，直接液化技術(shù)采油率高，但裝置體積大、投資高、運(yùn)行成本高，原油實(shí)際轉(zhuǎn)換率較高；而間接液化工藝設(shè)備簡(jiǎn)單易操作，最終處理完得到的產(chǎn)品中不含有害物質(zhì)，故使用過程中安全環(huán)保。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益的對(duì)比

從經(jīng)濟(jì)效益方面對(duì)比分析得出，煤直接液化工藝技術(shù)液化效率高、成本低，1 t液化油的生產(chǎn)大約消耗2.4 t的洗精煤。且生產(chǎn)過程中工藝簡(jiǎn)單，煤漿是進(jìn)料，要求的運(yùn)行成本低、投資少、收油率高，國(guó)內(nèi)神華采用煤直接液化技術(shù)，設(shè)備能達(dá)到63%～68%的收油率。但是由于煤直接液化工藝過程中對(duì)設(shè)備的要求比較高，所用到的設(shè)備多數(shù)來自于國(guó)外進(jìn)口，因此維修成本較高。煤間接液化工藝相對(duì)復(fù)雜，需對(duì)原煤進(jìn)行碾壓、氣化、凈化、水煤氣反應(yīng)以及催化反應(yīng)等才能得到化工油品或者可燃性燃料。而且間接液化技術(shù)投資和運(yùn)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?qū)Σ僮鳁l件和工藝環(huán)境要求比較低，產(chǎn)出的油品成分較單一，副產(chǎn)品的附加值高。從經(jīng)濟(jì)效益整體分析得出，直接液化工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益要高，但由于受到產(chǎn)業(yè)政策和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)價(jià)格等因素的制約，故無法簡(jiǎn)單確定兩種工藝經(jīng)濟(jì)效益的高低。

3 目前我國(guó)煤制油技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向

3.1 直接液化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

煤直接液化工藝技術(shù)的發(fā)展已歷經(jīng)百年，國(guó)內(nèi)外很多國(guó)家都獨(dú)自開發(fā)出了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加氫液化技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，2000年左右，神華集團(tuán)經(jīng)過工藝開發(fā)創(chuàng)新，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌液化工藝技術(shù)。2008年神華單系列處理干煤量為6 000 t/天的百萬噸級(jí)煤直接液化示范裝置產(chǎn)出合格的柴油和石腦油，使我國(guó)成為世界上唯一實(shí)現(xiàn)百萬噸級(jí)煤直接液化關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)化的國(guó)家[5]。但由于直接液化工藝反應(yīng)條件苛刻，且受到技術(shù)條件的限制等，目前此技術(shù)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(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

3.2 間接液化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)最早在20世紀(jì)60年代曾運(yùn)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(duì)此工藝技術(shù)又重新展開了系統(tǒng)的研究。2002年山西煤化所千噸級(jí)漿態(tài)床合成油中試裝置工藝流程的順利打通和運(yùn)行，使我國(guó)煤制油工藝取得了階段性成果。2008年山西潞安集團(tuán)年產(chǎn)16萬噸煤基合成油示范項(xiàng)目的正式出油，標(biāo)志著我國(guó)煤制油產(chǎn)業(yè)化試驗(yàn)取得了重大突破。我國(guó)工業(yè)上目前應(yīng)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(fā)展方向一種是在技術(shù)上研制出高效的催化劑，同時(shí)設(shè)計(jì)和控制適合高溫運(yùn)行的反應(yīng)器，另外一種是高效利用高活性催化劑和優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)等。

3.3 我國(guó)煤制油技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始對(duì)煤制油工藝進(jìn)行系統(tǒng)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(yàn)裝置3套，生產(chǎn)研制出各種合格的汽油、柴油等石油化工產(chǎn)品。1996年我國(guó)開始和美國(guó)、日本、德國(guó)等公司進(jìn)行技術(shù)合作，分別開展了國(guó)產(chǎn)神華焦煤、黑龍江依蘭煤等大型液化油氣試驗(yàn)。目前我國(guó)煤制油工藝技術(shù)已形成良好的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)，2009年山西潞安集團(tuán)、內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)以及神華集團(tuán)三大集團(tuán)建成了3套大于16萬噸/天的工業(yè)示范裝置。2016年神華寧煤、內(nèi)蒙古伊泰、山西潞安等三家集團(tuán)日產(chǎn)百萬噸以上的煤間接液化工業(yè)示范裝置建成投產(chǎn)，工藝技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。我國(guó)科研人員目前對(duì)新型催化劑的開發(fā)和新型溶劑的研制與應(yīng)用正在深入研究，為進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)煤液化產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

綜上所述，我國(guó)煤炭資源十分豐富，但石油氣資源相對(duì)匱乏，大力發(fā)展煤制油工藝，減少對(duì)石油進(jìn)口的依賴，同時(shí)也能滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需要的石油資源。但我國(guó)的煤制油工藝在生產(chǎn)過程中，還存在很多問題，還需要科研人員進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)煤制油工藝技術(shù)的研究，進(jìn)一步優(yōu)化和提升煤制油工藝技術(shù)，從而大幅度提高氣化效率和生產(chǎn)效率。