探讨煤制油的工艺技术

巴承才(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油分公司，宁夏 灵武 750400)

0 引言

众所周知，我国煤炭资源储量十分丰富，但石油气资源相对匮乏。我国煤炭资源储量约占全世界煤炭资源总量的10%，我国的煤田面积超过50万平方公里，位居世界煤田面积的前几位。石油被喻为工业生产的血液，应用十分广泛，能源、化工、新材料等各个领域都离不开石油资源，因此它也成为各个国家竞相争夺的战略资源。我国石油资源相对匮乏，但同时又是能源消耗大国。而石油资源的进口情况和每个石油出口国的国家政治、战争、运输路线等密不可分，一旦这些因素出现问题，我国的石油进口情况就会收到干扰。因此，为了减少对进口石油的依赖，我们亟需开发出新的能源用以代替石油资源。研究表明，通过煤制油工艺，可以实现煤炭资源向石油化工资源的转变，缓解我国石油紧张的局面，从而满足我国经济社会发展所需要的石油资源。

1 煤制油工艺技术概述

煤制油工艺是指通过化学方式，将煤炭资源转化为石油资源或者化工产品的技术。煤制油工艺技术可根据加氢工艺的不同，分为煤直接液化工艺技术和煤间接液化工艺技术，使其转化为烃类液体燃料或者是甲醇。

1.1 煤直接液化制油工艺

煤直接液化制油工艺在煤制油工艺中处于主导地位，目前全球煤直接液化制油的工艺技术主要集中在发达国家之中的德国和美国，在美国和德国煤直接液化制油工艺被广泛应用。煤直接液化制油工艺技术指的是在高温高压的条件下，把氢气直接加入煤炭中，通过发生化学反应，使煤炭直接液化成为液态的烃类燃料的一种工艺技术。之后对这种液态的烃类燃料还需再经过一系列的化学工艺处理，主要有脱硫、脱氮、脱氧等，使其最终转变为汽油等石油化工产品。主要的工艺技术程序是首先采用物理碾压方式使煤炭转变为细粉，其次对煤炭细粉进行加温加压处理，同时注入氢气和催化剂使煤炭发生反应，从而使其转变为油类产品。此种煤直接液化的工艺要求比较高，不仅需要品种优质和质量高的煤炭，还需要严格控制处理工艺的反应条件和操作条件；而处理后的尾气中芳烃、硫化物和氮杂质含量比较高，在发动机上无法直接点燃[1]。但是，煤直接液化工艺之所以被石油化工企业广泛应用，主要是因为这种工艺生产效率高，一吨优质原煤可转化出产量大于0.5 t的成品油。我国通过建立煤直接液化和油品改质实验室，经过多次对比试验同时结合实际情况得出，长焰炭、褐炭等15种煤炭比较适合煤的直接液化；而且还研发出了能促进煤液化的高效率的催化剂，使液化效率超过了50%。目前我国广泛使用的煤直接液化工艺技术既满足了半数以上的原油生产需求，同时又实现了煤炭残渣的可循环利用。

1.2 煤间接液化制油工艺

煤间接液化工艺比煤直接液化工艺多了一道工艺的转化工序，原料仍然是煤炭，但是需要对煤炭先进行气化处理，然后再使气体转化为液体。南非国家是最早采用煤间接液化工艺技术的国家，后来传入国内，国内至今国内仍在使用。煤间接液化的主要工艺特征是：首先通过物理手段将煤炭转变为一氧化碳气体；其次使用氢气对一氧化碳进行一些列化学手段的处理,如脱硫、脱氧、脱氮等；最后使用氢气和催化剂发生Fischer-Tropsch催化反应，生成液化燃料，整个转化过程要求在高温高压条件下进行[2]。此工艺流程复杂，且生产成本高，但对煤炭种类要求低，目前国内很多类别的煤炭都适用于这种工艺。另外，此工艺过程反应比较温和，可节省大量能源。同时，过程中产生附加物价值比较高且不含污染大气的物质。因此，使用过程中能减少空气污染，达到环保要求。

2 煤制油工艺技术的对比分析

煤炭直接液化制油和煤炭间接液化制油工艺技术不同，得到的成品油的性质也不一样。现对这两种工艺技术从工艺特点、工艺条件和经济效益方面进行对比分析。

2.1 工艺特点的对比

直接液化工艺技术和间接液化工艺技术相比有如下特点：首先，直接液化技术对煤炭的种类和煤炭的质量要求高，需要高质量的原煤，通常只有比较年轻的煤质例如长焰煤和褐煤才能满足相应的需要，同时在生产过程中还需要氢气溶剂作为催化剂；而间接液化技术对煤炭的种类和煤炭的质量要求比较低，一般煤种即可满足需要。其次，直接液化工艺技术简单，直接将原煤进行加氢液化即可得到成品油，但反应条件要求比较严格，温度和压力都有严格的限制；而间接液化技术，要把煤先进行气化处理，然后再进行加氢液化处理，将费托合成技术和分子筛合技术结合在一起，采用固定床合成工艺，最终得到合格的石油或化工产品，但是总体对温度和压力的限制较低，技术条件容易满足。最后，直接液化技术出液化反应器的产物很复杂、分离困难、氢的消耗量大，约在6%～10%之间[3]，但其摆脱了对煤的气化的依赖；而煤间接液化工艺技术难度系数较低，故在材料和制作要求上都比较低、设备便于维护和操作，且液化后的轻质油品不仅可以直接使用于柴油汽车，因此产生的汽车尾气排放量还可以达到国家环保标准，但总体而言耗煤量大，且对煤的气化有较高的依赖性，同时由于合成的副产物较多导致目标产品的选择性低。

2.2 工艺条件的对比

从工艺条件方面对比分析可以看出，直接液化技术的工艺条件更为苛刻：首先， 温度上直接液化技术要求430左右，如美国HIT工艺，液化压力要17～30 MPa，且产出物较复杂，液化过程中能源消耗量大；而间接液化工艺反应条件较温和，温度要求范围广，小于350 ℃即可，反应压力2.3～3.0 MPa[4]，在一定程度上节省了能源。其次，直接液化技术采油率高，但装置体积大、投资高、运行成本高，原油实际转换率较高；而间接液化工艺设备简单易操作，最终处理完得到的产品中不含有害物质，故使用过程中安全环保。

2.3 经济效益的对比

从经济效益方面对比分析得出，煤直接液化工艺技术液化效率高、成本低，1 t液化油的生产大约消耗2.4 t的洗精煤。且生产过程中工艺简单，煤浆是进料，要求的运行成本低、投资少、收油率高，国内神华采用煤直接液化技术，设备能达到63%～68%的收油率。但是由于煤直接液化工艺过程中对设备的要求比较高，所用到的设备多数来自于国外进口，因此维修成本较高。煤间接液化工艺相对复杂，需对原煤进行碾压、气化、净化、水煤气反应以及催化反应等才能得到化工油品或者可燃性燃料。而且间接液化技术投资和运行成本都比较高，且1 t成品油的耗煤量大约是3.3 t洗精煤，但是煤间接液化工艺因对操作条件和工艺环境要求比较低，产出的油品成分较单一，副产品的附加值高。从经济效益整体分析得出，直接液化工艺技术经济效益要高，但由于受到产业政策和产品结构价格等因素的制约，故无法简单确定两种工艺经济效益的高低。

3 目前我国煤制油技术的发展现状与产业的发展方向

3.1 直接液化技术的发展现状

煤直接液化工艺技术的发展已历经百年，国内外很多国家都独自开发出了拥有自主知识产权的加氢液化技术。在国内，2000年左右，神华集团经过工艺开发创新，形成了具有自主知识产权的品牌液化工艺技术。2008年神华单系列处理干煤量为6 000 t/天的百万吨级煤直接液化示范装置产出合格的柴油和石脑油，使我国成为世界上唯一实现百万吨级煤直接液化关键技术工业化的国家[5]。但由于直接液化工艺反应条件苛刻，且受到技术条件的限制等，目前此技术还存在很多问题，还需要科研人员不断研究，以提高煤直接液化工艺技术的核心竞争力。

3.2 间接液化技术的发展现状

我国最早在20世纪60年代曾运行过煤间接液化工厂，后来因种种原因中断了研究；直至80年代，由于油品需求的快速增加，中科院山西煤化所对此工艺技术又重新展开了系统的研究。2002年山西煤化所千吨级浆态床合成油中试装置工艺流程的顺利打通和运行，使我国煤制油工艺取得了阶段性成果。2008年山西潞安集团年产16万吨煤基合成油示范项目的正式出油，标志着我国煤制油产业化试验取得了重大突破。我国工业上目前应用较为广泛的间接液化工艺一般有高温间接液化和低温间接液化两种。其未来的发展方向一种是在技术上研制出高效的催化剂，同时设计和控制适合高温运行的反应器，另外一种是高效利用高活性催化剂和优化反应器的设计等。

3.3 我国煤制油技术产业化的现状

我国从20世纪80年代开始对煤制油工艺进行系统的研究，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试验装置3套，生产研制出各种合格的汽油、柴油等石油化工产品。1996年我国开始和美国、日本、德国等公司进行技术合作，分别开展了国产神华焦煤、黑龙江依兰煤等大型液化油气试验。目前我国煤制油工艺技术已形成良好的规模化产业，2009年山西潞安集团、内蒙古伊泰集团以及神华集团三大集团建成了3套大于16万吨/天的工业示范装置。2016年神华宁煤、内蒙古伊泰、山西潞安等三家集团日产百万吨以上的煤间接液化工业示范装置建成投产，工艺技术达到国际领先水平。我国科研人员目前对新型催化剂的开发和新型溶剂的研制与应用正在深入研究，为进一步推动我国煤液化产业发展奠定技术基础。

4 结语

综上所述，我国煤炭资源十分丰富，但石油气资源相对匮乏，大力发展煤制油工艺，减少对石油进口的依赖，同时也能满足我国经济社会发展所需要的石油资源。但我国的煤制油工艺在生产过程中，还存在很多问题，还需要科研人员进一步加强对煤制油工艺技术的研究，进一步优化和提升煤制油工艺技术，从而大幅度提高气化效率和生产效率。