煤与生物质共液化——探索能源开发与环境保护协调发展的新思维

唐庆杰，杨晓民，杨素萍，吴文荣

(河北北方学院，河北 张家口 075000)

城市群的可持续发展是城市发展研究的重要内容，是一个国家实现可持续发展的重要组成部分。在出现了各种非可持续发展模式和行为的情况下，中国政府加大了对城市群可持续发展的支持力度，提出了建立资源节约型和环境友好型社会，即两型社会建设的设想。两型社会构想的提出，对中国城市群的可持续发展具有重要的战略意义。我国是一个富煤少油缺气的国家，大部分能源来自煤炭，而大部分煤炭又用于直接燃烧，给环境带来巨大的污染，因此建设环境友好型社会必须解决煤炭利用给环境带来的影响。同时，我国又是一个农业大国，农业生产带来大量的秸秆，而目前秸秆的处理方式主要是燃烧，秸秆燃烧一方面带来资源的浪费，同时也给环境带来巨大的污染。因此在我国尤其是北方地区，煤炭利用及秸秆处理给城市群可持续发展带来巨大的挑战。煤与生物质共液化技术的提出，既做到了资源节约，又做到了环境友好，对中国尤其是北方地区两型社会的建设具有重要的意义。

1 煤炭液化技术

(1)煤炭液化技术及其分类

煤炭液化通过化学手段将煤转化成液体燃料、化学品及化工原料，是一种先进的洁净煤技术。通过这种技术达到了煤的洁净利用，同时也对我国的能源结构调整具有重要的意义。目前煤炭液化技术存在直接液化和间接液化两种不同的技术路线。直接液化将固体煤在高温高压下直接加氢，将其降解进而转化为液体产品，可生产优质汽油、柴油和航空煤油。间接液化则先将煤气化转变成合成气，合成气再在催化剂作用下转化成液体燃料和化学品。

(2)煤炭液化的利与弊

发展煤炭液化可以解决煤炭燃烧引起的环境污染，这既充分利用了我国丰富的煤炭资源优势，保证煤炭工业的可持续发展，而且还可以生产出经济适用的各种燃料油，有效地解决我国石油供应不足和石油供应安全问题，在目前国际形势下经济投入和运行成本也低于石油进口，有利于我国清洁能源的发展和燃油安全供应。

然而煤炭液化也存在着一些问题，直接液化必须在高温高压下进行，对设备的质量要求比较高，设备资金投入大，而且对煤种的要求也比较苛刻，并不是每种煤都适合进行直接液化。间接液化虽然对煤质的要求比较低，但在煤气化之前必须进行洗选，要耗费大量的水资源，而且洗煤后的溶液对土壤资源也会造成严重的污染。在水资源同样日益短缺的今天，间接液化同样给社会的可持续发展带来了新的挑战。

2 生物质液化技术

生物质液化通过化学方法将生物质转换成液体产品。生物质液化技术是生物质能利用的重要研究方向之一。主要有高压液化和常压快速液化两种典型的液化工艺。

生物质高压液化技术有匹兹堡能源中心的PERC法、美国能源部与加利福尼亚大学联合研究开发而成的LBL法及其它高压液化技术。生物质高压液化需要液化设备承受高压，同时超临界溶剂具有较强的腐蚀性，因此对液化工艺及液化设备具有一定的挑战性。

生物质常压快速液化是生物质在常压条件下在液化剂中转化为分子量分布广泛的液态混合物的过程。影响生物质常压快速液化最重要的两个因素是液化剂和催化剂的选择。生物质在不同的液化剂中采用不同催化剂液化时情况不同。

3 煤与生物质共液化技术

煤与木质素共液化的方法有氢/供氢溶剂/催化剂和CO/H20 /碱金属催化剂两种途径。大部分木质素和煤共液化采用H2/供氢溶剂/催化剂体系，少数研究者采用CO/H20/碱金属催化剂进行木质素和煤共液化研究。

Sivakumar等对煤与木质纤维废弃物及高聚物废弃物在一氧化碳、水、碱体系中的共液化进行了研究，结果表明：在一氧化碳、水、碱性体系中木质纤维与高聚物废弃物能发生有效的液化，但木质纤维与煤在该体系中的液化与各成分单独液化并没有太大的差别。

Akash等对煤与工业木质素共液化动力学进行了研究。实验采用伊利诺斯州烟煤与碱木素共液化，反应以四氢萘为溶剂在初始氢压1.1MPa、温度375℃下进行。通过对液化产品进行分析发现，共液化产品含苯不溶物较少。色谱研究表明，相对于单煤和单木质素液化而言，煤和木质素共液化产品平均分子量较低。试验数据还表明，加入木质素使煤的转化率提高了22%，通过分析研究获得描述化学反应的数学模型。初步研究结果表明，煤的总分解率随着产品循环的增加而逐渐减小。

Lalvani等研究了中等压力温度条件下煤的液化。研究结果表明：木质素对煤的液化可以起到增效作用，能够显著提高液化产品的质量和产率，同时提高了煤液化产物中戊烷可溶物的含量。通过NMR和SEC分析，以及实验数据提出了木质素促使煤解聚提高的假设，这可能是因为木质素中的苯氧基自由基能提高煤的解聚。

Altieri等在400℃下研究了木质素和烟煤的共液化。研究结果表明，与煤和木质素单独液化相比，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产品中，而在单煤液化得到的液体产品中没有观测到氮。分析发现气体成分中有1/2CO2，在同等条件下与单木质素液化相比，发现共液化的液化产品有更多的木质素C-14。

4 煤与生物质共液化存在的问题及建议

在目前情况下，煤与生物质共液化研究取得了一定的进展，但煤与农业废弃物如秸秆、煤与工业废弃物木质素共液化的研究在全世界，尤其是我国并不多。全方位、系统地研究不同质煤与生物质共液化的参考文献少，因此可供研究参考的煤与生物质共液化的普遍规律和共液化工艺试验方法短缺，在实际应用中还有待于进一步研究。

(1)工业木质素主要来源于造纸制浆废液，酸溶木质素中含有大量的硫，如果能脱除酸溶木质素中的硫，对改善液化环境减少液化气体中有毒气体的排放具有重要的影响，如何脱除酸溶木质素中的硫有待于更深一步的研究；

(2)基础研究有待于加强。煤与生物质加氢液化技术尚处于发展阶段，其液化机理和过

程控制因素还不完全清楚，研究人员还要通过大量的试验采集更多的数据，进行理论研究，建立共液化的动力学模型，开发出更合理的工艺路线。

[1] 舒歌平主编．煤炭液化技术[M]．煤炭工业出版社，2003.

[2] 袁振宏, 吴创之, 马隆龙, 等. 生物质能利用原理与技术[M]. 北京:化学工业出版社, 2005.

[3] 刘一星. 木质废弃物再生循环利用技术[M]. 北京：化学工业出版社,2005:109～114.

[4] 宋春财. 农作物秸秆的热解及在水中的液化研究[D]. 大连理工大学.

[5] Heitz M,et.a1.Solvent efect on liquefaction solubilisation and profiles of tropical prototype wood,eucalyptu,inpresence of simple alcohols,ethylene glycol,water and phenols.Research in Thermochemical[J]．Biomass Conversion.1988,429-438．

[6] APELL, H R, Yu YC, FRIEDMAN S, et a1. Converting organic wastes to oil[R]．US Bureau of Mines Report of Investigation．1971,No.7560.

[7] D ,Maldas et .al.Liquefaction of biomass in the presence of phenol and H2O using alkalies and saltsas the catalyst[J].Biomass and Bioenergy.1997,12(4):273-279.

[8] Sivakumar P, Jung H, Wender I. Liquefaction of lignocellulosic and plastic wastes with coal using carbon monoxide and aqueous alkali[J]. Fuel Proc Technol, 1996, 49: 219-232.

[9] Akash B A, Muchore C B, Koropchak J A, et al. Investigation of simultaneous coal and lignin liquefaction-Kinetic studies[J]. Energy & Fuel, 1992, 6(5): 629-634.

[10] Altieri,Paul.CHARACTERIZATION OF PRODUCTS FORMED DURING COLIQUEFACTION OF LIGNIN AND BITUMINOUS COAL AT 400 degree C[J].American Chemical Society, Division of Fuel Chemistry. 1987,32(2):117-128.

[11] Stiller A H, Dadyburjor D B. Coprocessing of agricultural and biomass waste with coal[J]. Fuel Proc Technol,1996, 49: 167-175.

[12] Islam Rafiqul. Study on co-liquefaction of coal and bagasse by factorial experiment design method [J] . Fuel Processing Technology 2000,68:3-12.

[13] Ikenaga, N.Co-liquefaction of micro algae with coal using coal liquefaction catalysts[J]． Energy and Fuels，2001,15(2): 350-355.

[14] 白鲁刚. 煤与生物质共液化的催化反应[J], 化工冶金,2000,21(2):198-203.