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煤炭变石油?别以为不可能,中国相关技术已达国际领先水平

2019-07-30 来源:中国大百科出版社

  能源是人类社会的命脉,是一种极其珍贵的战略资源。我国的能源结构以化石能源为主,并具有“富煤少油”的鲜明特征。一方面,我国已成为全球最大的原油进口国,将近三分之二的石油需要依赖进口;另一方面,大规模地开发利用煤炭资源,使得大气污染和温室气体排放等问题变得日益突出。那么,能不能把煤炭变成石油呢?

  割不断的“基因”联系

  说起煤变油,也许有人会觉得不可思议。一个是固态燃料,一个是液态燃料,更何况煤和油具有不同的化学成分和结构,怎么能说变就变呢?

  我们知道,煤炭和石油都属于化石燃料,都是复杂的混合物,主要成分为有机化合物,并分别被誉为“工业的粮食”和“工业的血液”。既然它们同属于一个大家族,那么它们必然会存在一定的“基因”联系。这里所说的“基因”,就是指的它们在化学组成上的相似性。

煤炭变石油?别以为不可能,中国相关技术已达国际领先水平

  煤炭主要是由古代植物长期埋藏在地下经过复杂的生物化学和物理化学变化而逐步形成的固体可燃物,而石油是由水中堆积的浮游生物残骸在水底沉积演化而成的液态可燃物。煤与石油都是由以碳、氢、氧等元素为主组成的天然有机矿物燃料,这就是它们的“基因”联系。正是这种联系才奠定了煤变油的物质基础。

  煤变油的不同路径

  但是,煤炭和石油毕竟是两类不同的物质。比如,它们在外观上差别很大,一个是固态,一个是液态。在化学组成上也具有明显的差别,我们在此主要分析碳、氢、氧三种元素的差别.

  对于煤炭来说,碳、氢、氧三种元素大约占到了95%以上。碳是煤炭中有机质的主要组成元素,其含量是随着煤化程度的不断加深而逐渐增加的。如泥炭中碳的含量为50%~60%,褐煤中为60%~77%,烟煤中为74%~92%,而无烟煤中则为90%~98%。氢在煤炭中的含量很低,一般在5%左右。氧在煤炭中的含量差别很大,在无烟煤中的含量仅为3%左右,而在褐煤中的含量高达20%左右。

  对于石油来说,其主要组成成分为由碳和氢化合而成的烃类物质,按其结构可分为烷烃、环烷烃和芳香烃。组成石油的化学元素主要是碳(83%~87%)、氢(11%~14%),氧的含量很低,大约为0.08%~1.82%。

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  通过上述的分析不难发现,煤炭和石油具有不同的氢碳比。如典型烟煤的氢碳比为0.8左右,而原油的氢碳比为1.76左右,汽柴油的氢碳比为2左右。

  现在来看,煤变油的基本思路应当是先把煤的大分子裂解为较小的分子,然后通过增加氢原子或减少碳原子的方法来提高氢碳比,使其达到石油的氢碳比水平,从而把固态的煤转化为液态的油。

  这个思路在理论上是没有问题的,然而要实现这个过程并不是一件容易的事情。我们把煤变油的过程叫作煤的液化,其实质就是在适当的温度、压力、溶剂和催化剂条件下,提高其氢碳比水平,并通过复杂的化学反应将煤所含的碳氢化合物转换成油品碳氢化合物,如柴油、汽油等。

  就目前的技术手段来讲,要实现煤变油主要有直接液化和间接液化两种技术路径。直接液化是将煤在氢气和催化剂作用下通过加氢裂化转变为液体燃料的过程。直接液化的优点是热效率较高、油品产率高,缺点是对煤种比较挑剔,化学反应条件苛刻。间接液化是将煤先气化生产合成气(氢气、一氧化碳),再经过费-托合成生产合成油的过程。间接液化的优点是煤种适应性较宽、操作条件相对温和,缺点是油品产率低。

  费-托合成——煤化工领域的“圣经”

  说起煤炭的间接液化,不能不提费-托合成,它是间接液化技术的核心,并被奉为煤化工领域的“圣经”。

  煤炭的间接液化包括煤炭气化、合成气净化、费-托合成反应以及油品加工等过程。那么,什么是费-托合成呢?原来,费-托合成是指在特定温度和压力条件下一氧化碳和氢气在催化剂作用下生成烃类产物的反应。

  20世纪20年代初,德国科学家费舍和托罗普歇就在研究一氧化碳和氢气的反应,并发现可以将煤间接液化。1925年,费舍和托罗普歇在室温下成功合成了烃类并申请专利。这就是著名的费-托合成。

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  需要说明的是,费-托合成不能生成单一的烃。也就是说,目前煤的间接液化不能只生成汽油或者柴油。因为费-托合成包含一系列的化学反应,其产物有液体,也有气体和固体。但是,科学家还是发现了费-托合成的产物分布规律。我们可以通过催化剂的选择,以及控制反应工艺和条件,来得到我们所期待的产品结构。

  煤变油的中国探索

  针对我国“富煤少油”的现实,我国科学家在很早之前就介入了煤变油的相关研究,并突破了一个又一个的技术难题。

  中科合成油技术有限公司的组建是我国煤变油研究领域的一件大事。如今,中科合成油公司已成为煤炭间接液化领域的引领者。中国神华集团在煤制油化工领域已经形成了完整的体系,并成为了全球唯一同时掌握百万吨级煤直接液化和煤间接液化两种煤制油技术的公司。

  2008年12月30日,神华鄂尔多斯煤炭直接液化示范项目正式投产,这是世界上第一个采用现代煤直接液化技术建设的百万吨级工业化示范工程。该项目总建设规模为年产油品500万吨,转化率高达60%~70%。同时,直接液化生产出来的成品油,具有含硫、氮量低,比重大,凝点低等特点。

煤炭变石油?别以为不可能,中国相关技术已达国际领先水平

  2016年12月28日,中科合成油技术有限公司与神华宁煤合作建设的世界上单套规模最大的400万吨/年煤炭间接液化示范项目建成投产,使我国步入了少数掌握煤制油工业化技术的国家行列,并使我国煤制油技术达到了国际领先水平。如我国研发的高效催化剂具有更高的反应活性,使能量利用效率提升为44%~45%,产油能力也比国际通用技术提高了3倍以上。

  全球单套规模最大的煤制油项目

  (神华宁煤集团400万吨/年煤炭间接液化示范项目)

  针对煤制油关键领域的技术问题,开展煤制油工艺中的节水环保技术攻关,具有十分重要的现实意义。在煤制油技术领域,我国科学家还将进一步探索创新,并致力于解决我国褐煤、烟煤等大量低阶煤资源的分级液化利用问题,为推动煤炭清洁高效利用,增强我国能源自主保障能力做出更大的贡献.

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