煤直接液化产品特性、市场应用及新产品开发

齐振东

（中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯017209）

引 言

我国煤炭资源丰富，以煤炭资源来适度替代石油资源，生产关系国民经济命脉的液体油品，符合我国能源安全和经济安全策略。在国家相关部委的倡导和支持下，神华集团从1997年就开始了煤炭直接液化生产液体运输燃料的研究工作，并从2004年开始在鄂尔多斯建设世界首套百万吨级煤炭直接液化工业示范项目（以下简称鄂尔多斯煤直接液化示范项目）。项目于2008年建成投产，目前生产运行安全、稳定，经济效益良好，主要产品有煤直接液化柴油、石脑油、混合芳烃、稳定轻烃和液化气，2020年以来项目又陆续开发了航空煤油、煤直接液化白油、煤液化沥青等高附加值产品。本文结合煤直接液化产品特性，对煤直接液化产品在特殊领域的应用进行研究和探讨，分析其对煤直接液化产业发展的影响。

1 煤直接液化产品特性

煤直接液化产品以煤炭为原料、在催化剂的作用下经过三次加氢得到，因此产品保留了煤炭内部的环状分子结构，以环烷烃和芳烃为主。鄂尔多斯煤直接液化示范项目主要产品包括油品和液化气共108万t/a，其中柴油占71.3%、石脑油占17.3%、液化气占11.4%。2020年鄂尔多斯煤直接液化项目开发出煤直接液化白油和煤液化沥青产品。

1.1 煤直接液化柴油

煤直接液化柴油组分中环烷烃质量分数达90%以上，以一环烷烃和二环烷烃为主，二者质量分数之和达80%，链烷烃质量分数在10%以下；其凝点可达-60℃以下，同时具有高密度、高热值、高热安定性、低硫、低氮、低芳烃的特性，相比石油基柴油有明显差异。鄂尔多斯煤直接液化柴油产品主要性质见表1。

表1 煤直接液化柴油产品主要性质

目前，煤直接液化柴油已经过多方权威认证，完全满足车用柴油性能要求。内燃机燃烧学国家重点实验室在油泵试验台、定容压力室、发动机台架上分别试验研究了煤直接液化柴油的喷射过程、喷雾特性、燃烧过程和常规与非常规排放，结果表明，在相同共轨压力和脉宽下，纯煤直接液化柴油的喷射始点和稳定段喷射速率与欧Ⅲ柴油相同，但其喷射终点要比欧Ⅲ柴油晚；添加润滑改进剂或与石油基柴油混合可使喷射终点略前移，进而可以缩小与欧Ⅲ柴油喷射量的差异；煤直接液化柴油的喷雾贯穿距和喷雾锥角与欧Ⅲ柴油相当，添加质量分数小于0.06%的润滑改进剂和0.3%的十六烷值改进剂不会明显影响柴油的喷雾特性。中国汽车技术研究中心对煤直接液化柴油进行了汽车耐久性试验研究，在4辆试验车上分别使用4个油样进行80 000 km道路耐久试验后，试验车发动机均无明显故障，磨损程度相当；与现用柴油相比，使用煤基通用柴油时，柴油机的动力性略有提升，燃烧清洁性能、抗积炭性能、润滑性能有较大提高，燃烧室关键部件积炭和轴瓦磨损明显减少，燃油经济性、排放性能等技术指标相当，完全满足发动机使用要求；行车试验表明，使用煤基通用柴油马力大、加速快，烟少味小，油品燃烧充分、动力不减，适合高原、隧道等缺氧环境的应用。中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司使用煤直接液化柴油在WP7.300.E40发动机（带SCR后处理装置）上进行了稳态循环、瞬态循环排放试验以及负荷烟度试验，试验结果全部满足GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》排放限值要求。

1.2 煤直接液化石脑油

煤直接液化石脑油组分中环烷烃和芳烃质量分数达73%以上，其芳烃潜含量高，是催化重整的优质原料，同时具有低硫、低氮、低烯烃的环保特性。煤直接液化石脑油产品性质见表2。

表2 煤直接液化石脑油产品性质

1.3 煤直接液化汽油

煤直接液化汽油是以煤直接液化石脑油重整产品拔头油、混合芳烃为主要原料调和而成。李海军[1]提出了适合煤直接液化汽油调和的扩展虚拟纯组分法模型，并以此模型为基础，以煤直接液化拔头油、重整汽油及煤制烯烃混合碳五、MTBE为原料进行了调和实验，实验结果表明：以此方法制备的煤直接液化车用汽油质量指标优于同类石油基产品质量指标。

煤直接液化调和汽油满足国VI汽油标准，硫质量分数不足1×10-6，相比于普通石油基汽油，具有高热值、低硫的产品特性，清洁环保，性能稳定。行车试验结果表明，使用煤直接液化调和汽油马力大、加速快、续航能力好[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、高热安定性、高体积热值、高体积比热容、超低凝点、低硫、低氮、低芳烃）的优异品质，可以提高战斗机的使用性能。煤炭直接液化国家工程实验室对煤直接液化工艺生产的大密度喷气燃料进行的理化性能测定和台架实验表明，与现役石油基航天煤油在体积流量相同的情况下，使用煤直接液化喷气燃料时推力提高2.32%～5.50%，在相同的飞行器和相同油箱容积的情况下，煤直接液化柴油具有更大的体积热值，可降低发动机油耗，提高飞行器航速和航程[2]。

1.5 煤直接液化白油

煤直接液化白油是以柴油馏分油为原料进行二次加氢分馏得到的环烷烃质量分数达90%以上的轻质白油，其芳烃质量分数在0.01%以下，可生产的轻质白油牌号为W2-40、W2-60、W2-80、W2-100，均能够满足NB/SH/T 0913—2015《轻质白油》标准要求。煤直接液化轻质白油性质见表3。

表3 煤直接液化轻质白油性质

1.6 煤液化沥青

煤液化油渣经过萃取、分离、沉降工艺，可生产高品质煤液化沥青。由煤液化油渣制取的煤液化沥青性状接近煤焦油沥青，其低喹啉不溶物（低QI，即低游离碳）含量性质是煤焦油沥青所不具备的，也可以说是一种性能更加优异的类似煤焦油的沥青。煤液化沥青具有氢碳比高、硫含量低的产品特性，经过加氢后，饱和烃增加。与石油沥青和煤沥青相比，煤液化沥青软化点高、硫含量低，结焦值能达到60%，是炭素行业理想的原料；同时其致癌物质苯并芘含量低，在环保要求日益严格的形势下，具有更大的发展空间。鄂尔多斯煤直接液化示范装置于2020年成功投产35万t/a油渣萃取装置，可生产优级品、一级品和二级品沥青。煤液化沥青技术要求见表4。

表4 煤液化沥青技术要求

2 煤直接液化产品市场应用及新产品开发

近些年，为充分发挥煤直接液化油品特性，鄂尔多斯煤直接液化示范项目相继开发出军用及航空航天领域特种油品；以煤直接液化柴油为原料开发出煤直接液化轻质白油新产品，其组成不同于石蜡基轻质白油，环烷烃质量分数达90%，可应用于特殊领域；通过对煤直接液化油渣进行脱灰深加工，于2020年建成35万t/a油渣萃取装置，可生产低灰分、高软化点、高氢碳比的煤液化沥青，其性质不同于传统的石油沥青和煤焦油沥青，可广泛应用于石墨烯、碳纤维等高级炭材料领域。

2.1 煤直接液化柴油的应用

目前，我国北方冬季柴油牌号以-20、-35为主，而低凝点柴油主要来源于中间基原油和环烷基原油，并且需经过降凝工艺或添加降凝剂的方式才能生产得到，生产成本高。煤直接液化柴油主要由环烷烃组成，具有低凝点的特性。熊春华等[3]开展了煤直接液化柴油作为低凝点柴油使用的可行性研究，结果表明煤直接液化柴油馏分油是一种非常理想的制备低凝点军用柴油、轻柴油和车用柴油的组分。

在我国北方，某露天煤矿所有类型机械均使用煤直接液化柴油，年使用量数万吨，应用车型包括德国产小松系列载重百吨以上装载车、挖掘机、工程车、客车，使用煤基低凝点柴油后车辆性能良好，替代了传统高价石油基低凝点柴油。采用煤直接液化柴油可生产超低凝点（-70℃）柴油，在漠河、呼伦贝尔等极寒地区的应用结果表明，-50℃低温环境下使用煤直接液化柴油未出现过任何问题，且动力性能良好。

煤直接液化柴油在加入十六烷值和润滑性改进剂后，指标明显改善，可直接作为低凝点的军用柴油、轻柴油和车用柴油使用，并且具有优良的动力性能、清洁性能、低温性能和安定性能，满足柴油发动机的全地域、全天候使用要求，解决了严寒地区柴油来源拓展和极寒地区柴油短缺等难题。

2.2 煤直接液化白油新产品的开发应用

鄂尔多斯煤直接液化示范项目于2020年成功开发出轻质白油产品，煤直接液化环烷基轻质白油与市场同类产品相比，具有环烷烃含量高，硫、氮、芳烃含量低的特点。

煤直接液化白油不同于市场上广泛应用的链烷烃或芳香烃类溶剂油，属于环烷烃类、低芳烃轻质白油，是一类新型产品，溶解能力介于链烷烃与芳香烃类溶剂之间，在现行严格的环保要求下，可替代芳香烃类溶剂使用——2020年国家相继出台了一系列油漆类有害物质限量标准，而煤直接液化白油具有溶解性强且环保的特性，可替代传统的溶剂油。此外，煤直接液化白油还可应用于变压器油、橡胶填充油领域[4]。

2.3 煤液化沥青新产品的开发应用

鄂尔多斯煤直接液化示范项目每年产生油渣70万t，2020年鄂尔多斯煤制油分公司建成35万t/a油渣萃取装置，并参与起草发布了GB/T 38772—2020《煤液化沥青》，符合标准要求的优级品、一级品、二级品和合格品沥青可应用于炭材料、配煤炼焦、道路沥青等诸多领域。煤液化沥青产品的开发将成为煤直接液化项目新的技术性突破和经济盈利点。

2.3.1 煤液化沥青优级品

煤液化沥青优级品主要应用于炭材料等高端领域，目前，煤液化沥青已作为原材料成功应用于锂电负极材料的生产。煤液化沥青属新型产品，不同于石油沥青和煤沥青，鄂尔多斯煤制油分公司下一步将延长煤液化沥青产业链，开发煤液化沥青制备针状焦工艺，展开炭材料的开发工作。

许多学者[5-8]对煤液化沥青的性能进行了研究。S.WANG等[5]以煤直接液化沥青为碳源，采用简易模板法合成了一种用于微波吸收的三维结构泡沫炭。J.B.ZHANG等[6]以煤直接液化沥青为原料，通过KOH活化直接制备介孔炭(MCs)，并作为甲烷分解催化剂，合成的MCs在甲烷分解反应中表现出比煤基活性炭和炭黑催化剂更高、更稳定的活性。L.ZHAO等[7]在不同温度下以KOH活化煤液化沥青，制备出孔隙大小可调节的N掺杂微孔/介孔活性炭，其比表面积可达3 130 m2/g，使其具有更高的电导率，更多的活性位点，以及更好的氧还原反应电催化性能。北京低碳清洁能源研究院以煤液化沥青为原料生产高附加值炭材料，包括各向同性炭纤维、活性炭纤维，并且已完成百公斤级放大试验，材料性能与日本进口炭纤维性能相当，成本优势明显；此外，其利用煤液化沥青生产的储热炭材料具有高热导率、高使用温度的优点，能有效提升材料的储热速率与温度均匀性，提升系统的储热密度与换热效率[8]。煤液化沥青在炭材料领域的产品性能要求及市场情况见表5。

表5 煤液化沥青在炭材料领域的产品性能要求及市场情况

2.3.2 煤液化沥青一级品、二级品

煤液化沥青一级品和二级品可替代焦煤广泛应用于配煤炼焦领域，用以降低生产成本。经萃取后的煤液化沥青的灰分和硫含量降低，同时具有很高的黏结指数（60～80），可以作为高品质炼焦原料替代主焦煤，生产高品质焦炭。

2.3.3 煤液化沥青合格品

煤液化沥青合格品可以作为改性剂添加到道路沥青中，其中所含的无机物质可以提高沥青混合料与矿岩石砾的黏附性，从而提高路面的抗水性能，同时，其高软化点、低针入度可以提高沥青路面的动稳定度和抗车辙能力，施工过程中使用煤直接液化沥青对沥青路面有很好的改善作用，整体效果优于传统SBS树脂改性沥青水平[9]。北京低碳清洁能源研究院、北京建筑大学、长安大学、山西交通研究院、北京紫瑞天成科技有限公司等多家院校、科研机构、企业联合开展了煤液化沥青道路应用理论研究和推广[9]，以煤液化沥青为改性剂铺设的道路总里程达到了500 km。

3 煤直接液化产业发展分析

2020年我国原油对外依存度达72.7%，远超国际上公认安全红线50%，我国有丰富的煤炭资源，多年来煤炭一直为我国的国民经济提供约70%的能源。以煤炭为原料，通过液化的方法生产运输燃料是一条有效的、可部分替代石油的可行性路线，可以有效缓解对进口原油的依赖。鄂尔多斯煤炭直接液化示范项目自2008年开工以来，已安全、平稳、长周期运行了13 a，积累了大量生产运行数据和经验，开发了煤液化沥青、白油等高附加值产品，延长了产业链，并取得了良好的经济效益和社会效益。

我国已完成百万吨级煤直接加氢液化技术工业示范，具备进一步推广的基本条件。新一代煤直接液化技术发展需放眼整体技术全局，投资要大大降低，产品附加值和经济效益要有本质的变化，技术特征主要体现在核心工艺的优化和催化剂的创新，寻求更为廉价和性能更高的催化剂，简化生产工艺，进一步降低操作成本，使产品市场竞争力得到提高。

煤直接液化产品凭借其特殊的性质已应用于军事、航空、航天、高级炭材料等领域，但规模较小，未形成规模效益。在科技部“973计划”“863计划”以及能源局“国家能源应用技术研究及工程示范”等科技项目的支持下，我国已成为全球煤化工发展引领者，多种技术已进入示范或工业应用。在现有基础上，“十三五”期间，我国启动了“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”国家重点研发计划，针对热解、加氢液化、气化等煤炭直接转化技术，在煤炭/合成气直接转化制燃料与化学品反应和催化基础研究、煤制清洁燃气关键技术研究、煤制液体燃料及大宗化学品关键技术研究等方面进行了全面部署。煤直接液化二、三条生产线项目现已列入国家“十四五”规划当中，煤直接液化规模扩张将成为国家战略性发展项目。