煤直接液化產(chǎn)品特性、市場應(yīng)用及新產(chǎn)品開發(fā)

齊振東

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209）

引 言

我國煤炭資源豐富，以煤炭資源來適度替代石油資源，生產(chǎn)關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)命脈的液體油品，符合我國能源安全和經(jīng)濟(jì)安全策略。在國家相關(guān)部委的倡導(dǎo)和支持下，神華集團(tuán)從1997年就開始了煤炭直接液化生產(chǎn)液體運(yùn)輸燃料的研究工作，并從2004年開始在鄂爾多斯建設(shè)世界首套百萬噸級(jí)煤炭直接液化工業(yè)示范項(xiàng)目（以下簡稱鄂爾多斯煤直接液化示范項(xiàng)目）。項(xiàng)目于2008年建成投產(chǎn)，目前生產(chǎn)運(yùn)行安全、穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益良好，主要產(chǎn)品有煤直接液化柴油、石腦油、混合芳烴、穩(wěn)定輕烴和液化氣，2020年以來項(xiàng)目又陸續(xù)開發(fā)了航空煤油、煤直接液化白油、煤液化瀝青等高附加值產(chǎn)品。本文結(jié)合煤直接液化產(chǎn)品特性，對煤直接液化產(chǎn)品在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究和探討，分析其對煤直接液化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響。

1 煤直接液化產(chǎn)品特性

煤直接液化產(chǎn)品以煤炭為原料、在催化劑的作用下經(jīng)過三次加氫得到，因此產(chǎn)品保留了煤炭內(nèi)部的環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)，以環(huán)烷烴和芳烴為主。鄂爾多斯煤直接液化示范項(xiàng)目主要產(chǎn)品包括油品和液化氣共108萬t/a，其中柴油占71.3%、石腦油占17.3%、液化氣占11.4%。2020年鄂爾多斯煤直接液化項(xiàng)目開發(fā)出煤直接液化白油和煤液化瀝青產(chǎn)品。

1.1 煤直接液化柴油

煤直接液化柴油組分中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上，以一環(huán)烷烴和二環(huán)烷烴為主，二者質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和達(dá)80%，鏈烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以下；其凝點(diǎn)可達(dá)-60℃以下，同時(shí)具有高密度、高熱值、高熱安定性、低硫、低氮、低芳烴的特性，相比石油基柴油有明顯差異。鄂爾多斯煤直接液化柴油產(chǎn)品主要性質(zhì)見表1。

表1 煤直接液化柴油產(chǎn)品主要性質(zhì)

目前，煤直接液化柴油已經(jīng)過多方權(quán)威認(rèn)證，完全滿足車用柴油性能要求。內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在油泵試驗(yàn)臺(tái)、定容壓力室、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上分別試驗(yàn)研究了煤直接液化柴油的噴射過程、噴霧特性、燃燒過程和常規(guī)與非常規(guī)排放，結(jié)果表明，在相同共軌壓力和脈寬下，純煤直接液化柴油的噴射始點(diǎn)和穩(wěn)定段噴射速率與歐Ⅲ柴油相同，但其噴射終點(diǎn)要比歐Ⅲ柴油晚；添加潤滑改進(jìn)劑或與石油基柴油混合可使噴射終點(diǎn)略前移，進(jìn)而可以縮小與歐Ⅲ柴油噴射量的差異；煤直接液化柴油的噴霧貫穿距和噴霧錐角與歐Ⅲ柴油相當(dāng)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.06%的潤滑改進(jìn)劑和0.3%的十六烷值改進(jìn)劑不會(huì)明顯影響柴油的噴霧特性。中國汽車技術(shù)研究中心對煤直接液化柴油進(jìn)行了汽車耐久性試驗(yàn)研究，在4輛試驗(yàn)車上分別使用4個(gè)油樣進(jìn)行80 000 km道路耐久試驗(yàn)后，試驗(yàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)均無明顯故障，磨損程度相當(dāng)；與現(xiàn)用柴油相比，使用煤基通用柴油時(shí)，柴油機(jī)的動(dòng)力性略有提升，燃燒清潔性能、抗積炭性能、潤滑性能有較大提高，燃燒室關(guān)鍵部件積炭和軸瓦磨損明顯減少，燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能等技術(shù)指標(biāo)相當(dāng)，完全滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求；行車試驗(yàn)表明，使用煤基通用柴油馬力大、加速快，煙少味小，油品燃燒充分、動(dòng)力不減，適合高原、隧道等缺氧環(huán)境的應(yīng)用。中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司使用煤直接液化柴油在WP7.300.E40發(fā)動(dòng)機(jī)（帶SCR后處理裝置）上進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)循環(huán)、瞬態(tài)循環(huán)排放試驗(yàn)以及負(fù)荷煙度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部滿足GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法》排放限值要求。

1.2 煤直接液化石腦油

煤直接液化石腦油組分中環(huán)烷烴和芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)73%以上，其芳烴潛含量高，是催化重整的優(yōu)質(zhì)原料，同時(shí)具有低硫、低氮、低烯烴的環(huán)保特性。煤直接液化石腦油產(chǎn)品性質(zhì)見表2。

表2 煤直接液化石腦油產(chǎn)品性質(zhì)

1.3 煤直接液化汽油

煤直接液化汽油是以煤直接液化石腦油重整產(chǎn)品拔頭油、混合芳烴為主要原料調(diào)和而成。李海軍[1]提出了適合煤直接液化汽油調(diào)和的擴(kuò)展虛擬純組分法模型，并以此模型為基礎(chǔ)，以煤直接液化拔頭油、重整汽油及煤制烯烴混合碳五、MTBE為原料進(jìn)行了調(diào)和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以此方法制備的煤直接液化車用汽油質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)于同類石油基產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)。

煤直接液化調(diào)和汽油滿足國VI汽油標(biāo)準(zhǔn)，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足1×10-6，相比于普通石油基汽油，具有高熱值、低硫的產(chǎn)品特性，清潔環(huán)保，性能穩(wěn)定。行車試驗(yàn)結(jié)果表明，使用煤直接液化調(diào)和汽油馬力大、加速快、續(xù)航能力好[1]。

1.4 煤直接液化航空煤油

煤直接液化航空煤油具有“一大三高四低”（密度大、高熱安定性、高體積熱值、高體積比熱容、超低凝點(diǎn)、低硫、低氮、低芳烴）的優(yōu)異品質(zhì)，可以提高戰(zhàn)斗機(jī)的使用性能。煤炭直接液化國家工程實(shí)驗(yàn)室對煤直接液化工藝生產(chǎn)的大密度噴氣燃料進(jìn)行的理化性能測定和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)表明，與現(xiàn)役石油基航天煤油在體積流量相同的情況下，使用煤直接液化噴氣燃料時(shí)推力提高2.32%～5.50%，在相同的飛行器和相同油箱容積的情況下，煤直接液化柴油具有更大的體積熱值，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，提高飛行器航速和航程[2]。

1.5 煤直接液化白油

煤直接液化白油是以柴油餾分油為原料進(jìn)行二次加氫分餾得到的環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上的輕質(zhì)白油，其芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.01%以下，可生產(chǎn)的輕質(zhì)白油牌號(hào)為W2-40、W2-60、W2-80、W2-100，均能夠滿足NB/SH/T 0913—2015《輕質(zhì)白油》標(biāo)準(zhǔn)要求。煤直接液化輕質(zhì)白油性質(zhì)見表3。

表3 煤直接液化輕質(zhì)白油性質(zhì)

1.6 煤液化瀝青

煤液化油渣經(jīng)過萃取、分離、沉降工藝，可生產(chǎn)高品質(zhì)煤液化瀝青。由煤液化油渣制取的煤液化瀝青性狀接近煤焦油瀝青，其低喹啉不溶物（低QI，即低游離碳）含量性質(zhì)是煤焦油瀝青所不具備的，也可以說是一種性能更加優(yōu)異的類似煤焦油的瀝青。煤液化瀝青具有氫碳比高、硫含量低的產(chǎn)品特性，經(jīng)過加氫后，飽和烴增加。與石油瀝青和煤瀝青相比，煤液化瀝青軟化點(diǎn)高、硫含量低，結(jié)焦值能達(dá)到60%，是炭素行業(yè)理想的原料；同時(shí)其致癌物質(zhì)苯并芘含量低，在環(huán)保要求日益嚴(yán)格的形勢下，具有更大的發(fā)展空間。鄂爾多斯煤直接液化示范裝置于2020年成功投產(chǎn)35萬t/a油渣萃取裝置，可生產(chǎn)優(yōu)級(jí)品、一級(jí)品和二級(jí)品瀝青。煤液化瀝青技術(shù)要求見表4。

表4 煤液化瀝青技術(shù)要求

2 煤直接液化產(chǎn)品市場應(yīng)用及新產(chǎn)品開發(fā)

近些年，為充分發(fā)揮煤直接液化油品特性，鄂爾多斯煤直接液化示范項(xiàng)目相繼開發(fā)出軍用及航空航天領(lǐng)域特種油品；以煤直接液化柴油為原料開發(fā)出煤直接液化輕質(zhì)白油新產(chǎn)品，其組成不同于石蠟基輕質(zhì)白油，環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%，可應(yīng)用于特殊領(lǐng)域；通過對煤直接液化油渣進(jìn)行脫灰深加工，于2020年建成35萬t/a油渣萃取裝置，可生產(chǎn)低灰分、高軟化點(diǎn)、高氫碳比的煤液化瀝青，其性質(zhì)不同于傳統(tǒng)的石油瀝青和煤焦油瀝青，可廣泛應(yīng)用于石墨烯、碳纖維等高級(jí)炭材料領(lǐng)域。

2.1 煤直接液化柴油的應(yīng)用

目前，我國北方冬季柴油牌號(hào)以-20、-35為主，而低凝點(diǎn)柴油主要來源于中間基原油和環(huán)烷基原油，并且需經(jīng)過降凝工藝或添加降凝劑的方式才能生產(chǎn)得到，生產(chǎn)成本高。煤直接液化柴油主要由環(huán)烷烴組成，具有低凝點(diǎn)的特性。熊春華等[3]開展了煤直接液化柴油作為低凝點(diǎn)柴油使用的可行性研究，結(jié)果表明煤直接液化柴油餾分油是一種非常理想的制備低凝點(diǎn)軍用柴油、輕柴油和車用柴油的組分。

在我國北方，某露天煤礦所有類型機(jī)械均使用煤直接液化柴油，年使用量數(shù)萬噸，應(yīng)用車型包括德國產(chǎn)小松系列載重百噸以上裝載車、挖掘機(jī)、工程車、客車，使用煤基低凝點(diǎn)柴油后車輛性能良好，替代了傳統(tǒng)高價(jià)石油基低凝點(diǎn)柴油。采用煤直接液化柴油可生產(chǎn)超低凝點(diǎn)（-70℃）柴油，在漠河、呼倫貝爾等極寒地區(qū)的應(yīng)用結(jié)果表明，-50℃低溫環(huán)境下使用煤直接液化柴油未出現(xiàn)過任何問題，且動(dòng)力性能良好。

煤直接液化柴油在加入十六烷值和潤滑性改進(jìn)劑后，指標(biāo)明顯改善，可直接作為低凝點(diǎn)的軍用柴油、輕柴油和車用柴油使用，并且具有優(yōu)良的動(dòng)力性能、清潔性能、低溫性能和安定性能，滿足柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的全地域、全天候使用要求，解決了嚴(yán)寒地區(qū)柴油來源拓展和極寒地區(qū)柴油短缺等難題。

2.2 煤直接液化白油新產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用

鄂爾多斯煤直接液化示范項(xiàng)目于2020年成功開發(fā)出輕質(zhì)白油產(chǎn)品，煤直接液化環(huán)烷基輕質(zhì)白油與市場同類產(chǎn)品相比，具有環(huán)烷烴含量高，硫、氮、芳烴含量低的特點(diǎn)。

煤直接液化白油不同于市場上廣泛應(yīng)用的鏈烷烴或芳香烴類溶劑油，屬于環(huán)烷烴類、低芳烴輕質(zhì)白油，是一類新型產(chǎn)品，溶解能力介于鏈烷烴與芳香烴類溶劑之間，在現(xiàn)行嚴(yán)格的環(huán)保要求下，可替代芳香烴類溶劑使用——2020年國家相繼出臺(tái)了一系列油漆類有害物質(zhì)限量標(biāo)準(zhǔn)，而煤直接液化白油具有溶解性強(qiáng)且環(huán)保的特性，可替代傳統(tǒng)的溶劑油。此外，煤直接液化白油還可應(yīng)用于變壓器油、橡膠填充油領(lǐng)域[4]。

2.3 煤液化瀝青新產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用

鄂爾多斯煤直接液化示范項(xiàng)目每年產(chǎn)生油渣70萬t，2020年鄂爾多斯煤制油分公司建成35萬t/a油渣萃取裝置，并參與起草發(fā)布了GB/T 38772—2020《煤液化瀝青》，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的優(yōu)級(jí)品、一級(jí)品、二級(jí)品和合格品瀝青可應(yīng)用于炭材料、配煤煉焦、道路瀝青等諸多領(lǐng)域。煤液化瀝青產(chǎn)品的開發(fā)將成為煤直接液化項(xiàng)目新的技術(shù)性突破和經(jīng)濟(jì)盈利點(diǎn)。

2.3.1 煤液化瀝青優(yōu)級(jí)品

煤液化瀝青優(yōu)級(jí)品主要應(yīng)用于炭材料等高端領(lǐng)域，目前，煤液化瀝青已作為原材料成功應(yīng)用于鋰電負(fù)極材料的生產(chǎn)。煤液化瀝青屬新型產(chǎn)品，不同于石油瀝青和煤瀝青，鄂爾多斯煤制油分公司下一步將延長煤液化瀝青產(chǎn)業(yè)鏈，開發(fā)煤液化瀝青制備針狀焦工藝，展開炭材料的開發(fā)工作。

許多學(xué)者[5-8]對煤液化瀝青的性能進(jìn)行了研究。S.WANG等[5]以煤直接液化瀝青為碳源，采用簡易模板法合成了一種用于微波吸收的三維結(jié)構(gòu)泡沫炭。J.B.ZHANG等[6]以煤直接液化瀝青為原料，通過KOH活化直接制備介孔炭(MCs)，并作為甲烷分解催化劑，合成的MCs在甲烷分解反應(yīng)中表現(xiàn)出比煤基活性炭和炭黑催化劑更高、更穩(wěn)定的活性。L.ZHAO等[7]在不同溫度下以KOH活化煤液化瀝青，制備出孔隙大小可調(diào)節(jié)的N摻雜微孔/介孔活性炭，其比表面積可達(dá)3 130 m2/g，使其具有更高的電導(dǎo)率，更多的活性位點(diǎn)，以及更好的氧還原反應(yīng)電催化性能。北京低碳清潔能源研究院以煤液化瀝青為原料生產(chǎn)高附加值炭材料，包括各向同性炭纖維、活性炭纖維，并且已完成百公斤級(jí)放大試驗(yàn)，材料性能與日本進(jìn)口炭纖維性能相當(dāng)，成本優(yōu)勢明顯；此外，其利用煤液化瀝青生產(chǎn)的儲(chǔ)熱炭材料具有高熱導(dǎo)率、高使用溫度的優(yōu)點(diǎn)，能有效提升材料的儲(chǔ)熱速率與溫度均勻性，提升系統(tǒng)的儲(chǔ)熱密度與換熱效率[8]。煤液化瀝青在炭材料領(lǐng)域的產(chǎn)品性能要求及市場情況見表5。

表5 煤液化瀝青在炭材料領(lǐng)域的產(chǎn)品性能要求及市場情況

2.3.2 煤液化瀝青一級(jí)品、二級(jí)品

煤液化瀝青一級(jí)品和二級(jí)品可替代焦煤廣泛應(yīng)用于配煤煉焦領(lǐng)域，用以降低生產(chǎn)成本。經(jīng)萃取后的煤液化瀝青的灰分和硫含量降低，同時(shí)具有很高的黏結(jié)指數(shù)（60～80），可以作為高品質(zhì)煉焦原料替代主焦煤，生產(chǎn)高品質(zhì)焦炭。

2.3.3 煤液化瀝青合格品

煤液化瀝青合格品可以作為改性劑添加到道路瀝青中，其中所含的無機(jī)物質(zhì)可以提高瀝青混合料與礦巖石礫的黏附性，從而提高路面的抗水性能，同時(shí)，其高軟化點(diǎn)、低針入度可以提高瀝青路面的動(dòng)穩(wěn)定度和抗車轍能力，施工過程中使用煤直接液化瀝青對瀝青路面有很好的改善作用，整體效果優(yōu)于傳統(tǒng)SBS樹脂改性瀝青水平[9]。北京低碳清潔能源研究院、北京建筑大學(xué)、長安大學(xué)、山西交通研究院、北京紫瑞天成科技有限公司等多家院校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)聯(lián)合開展了煤液化瀝青道路應(yīng)用理論研究和推廣[9]，以煤液化瀝青為改性劑鋪設(shè)的道路總里程達(dá)到了500 km。

3 煤直接液化產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析

2020年我國原油對外依存度達(dá)72.7%，遠(yuǎn)超國際上公認(rèn)安全紅線50%，我國有豐富的煤炭資源，多年來煤炭一直為我國的國民經(jīng)濟(jì)提供約70%的能源。以煤炭為原料，通過液化的方法生產(chǎn)運(yùn)輸燃料是一條有效的、可部分替代石油的可行性路線，可以有效緩解對進(jìn)口原油的依賴。鄂爾多斯煤炭直接液化示范項(xiàng)目自2008年開工以來，已安全、平穩(wěn)、長周期運(yùn)行了13 a，積累了大量生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了煤液化瀝青、白油等高附加值產(chǎn)品，延長了產(chǎn)業(yè)鏈，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

我國已完成百萬噸級(jí)煤直接加氫液化技術(shù)工業(yè)示范，具備進(jìn)一步推廣的基本條件。新一代煤直接液化技術(shù)發(fā)展需放眼整體技術(shù)全局，投資要大大降低，產(chǎn)品附加值和經(jīng)濟(jì)效益要有本質(zhì)的變化，技術(shù)特征主要體現(xiàn)在核心工藝的優(yōu)化和催化劑的創(chuàng)新，尋求更為廉價(jià)和性能更高的催化劑，簡化生產(chǎn)工藝，進(jìn)一步降低操作成本，使產(chǎn)品市場競爭力得到提高。

煤直接液化產(chǎn)品憑借其特殊的性質(zhì)已應(yīng)用于軍事、航空、航天、高級(jí)炭材料等領(lǐng)域，但規(guī)模較小，未形成規(guī)模效益。在科技部“973計(jì)劃”“863計(jì)劃”以及能源局“國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范”等科技項(xiàng)目的支持下，我國已成為全球煤化工發(fā)展引領(lǐng)者，多種技術(shù)已進(jìn)入示范或工業(yè)應(yīng)用。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，“十三五”期間，我國啟動(dòng)了“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，針對熱解、加氫液化、氣化等煤炭直接轉(zhuǎn)化技術(shù)，在煤炭/合成氣直接轉(zhuǎn)化制燃料與化學(xué)品反應(yīng)和催化基礎(chǔ)研究、煤制清潔燃?xì)怅P(guān)鍵技術(shù)研究、煤制液體燃料及大宗化學(xué)品關(guān)鍵技術(shù)研究等方面進(jìn)行了全面部署。煤直接液化二、三條生產(chǎn)線項(xiàng)目現(xiàn)已列入國家“十四五”規(guī)劃當(dāng)中，煤直接液化規(guī)模擴(kuò)張將成為國家戰(zhàn)略性發(fā)展項(xiàng)目。