煤炭液化技术最新发展报告

煤炭液化技术的发展摘要本文分别介绍了煤炭直接液化和间接液化技术及其发展历程，展望了煤炭液化的发展趋势和应用前景。煤炭液化是一种先进的洁净煤技术，主要生产含硫量含氮量和烯烃极低的马达燃料(汽油、优质柴油和航空煤油)、液化石油气、烯烃和芳烃化学品，是“煤代油”的一条重要途径。关键词煤炭直接间接液化一、前言随着国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，我国一次能源中石油供需矛盾日益突出，1995年我国的原油进出口量基本持平，轻油(轻油、柴油)净进口量1000万吨，2000年后我国的石油进口已达7000万t／a，预计2004年我国石油进口将达到1亿t。石油是重要的战略物资。石油是能源也是宝贵的化工原料。我国已探明的剩余可采储量只有数十亿t，难以满足国民经济高速发展的要求。我国煤炭储量丰富，中国煤炭探明可采储量为世界总量的11．6％，仅次于美国、俄罗斯，居第三位。我国有着丰富的煤炭资源，全国累计探明煤炭保有储量超过1万亿t，经济开采储量达1700多亿t。全国垂深2000m以浅的煤炭资源总量为超过5亿t。我国煤炭资源种类齐全，包括从褐煤到无烟煤各个煤种。在已发现资源中，炼焦煤占27．65％，动力煤约占72．54％；动力煤中褐煤占17．75％，低变质烟煤占44．63％。煤炭是我国的主要能源，近年来在我国一次能源生产和消费总量中均占70％以上。在未来30-50年内，我国一次能源生产、消费中煤炭所占的比重有可能仍将超过50％。实践证明，煤炭在生产、运输和使用过程中通过采用洁净煤技术完全可以清洁利用。为此需要增加一些必要的设备、设施和操作费用，但可以得到显著的环境效益和社会效益。总之，在相当长一段时间内煤炭是我国最可靠的、可依赖的、廉价的、可以洁净利用的能源资源。我国煤炭资源中适合煤炭直接液化的褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、气煤等低变质煤占已发现资源量的58．13％。其中仅神华集团神东煤田的探明储量就高达2300亿t，如果全部液化，可以生产800亿t～1000亿t人造石油。可以气化制合成气的煤都是间接液化的原料煤，几乎所有的煤炭资源都可以用于气化。以富煤缺油的南非为例，在国际石油禁运期间，南非的石油供给主要靠煤的间接液化合成油；在解除石油禁运以后，南非的合成油厂为了提高经济效益，增加了化学品的生产比重，但现在其生产的汽油、柴油仍然占南非国内需求的一半左右。在我国，神华煤直接液化项目一期设计生产油品250万t／a，二期达到500万t／a，远期为1500万t／a，神华煤间接液化项目的规模一期生产油品300万t／a，二期达到500万t／a，远期为1500万t／a，神华煤直接液化与间接液化示范工程项目建设完成后将形成3000万t／a的油品生产能力。一旦神华一期工程建成投产，将有一批煤炭直接液化厂在国内兴起。国内拟建煤液化厂的有陕西榆林、山东兖州、肥城、云南先锋、内蒙胜利、黑龙江依兰、双鸭山、河南义马、贵州水城、宁夏宁东等煤田或地区，可以预计，未来几十年中国煤炭液化产业发展将大致分布在以神华集团为核心的西北、华北产业区，以云南、贵州为主的西南产业区，以黑龙江省为主的东北产业区，每个产业区可建成若干个相互联系、又独立运行的液化工厂，产量均在每年数百万t或数千万t。我国实现煤液化的产业化必将有助于减轻我国对石油进口的依赖。能源供应是国民经济持续稳定发展的要素，是现代化建设的基础，煤炭液化是先进的洁净煤技术和煤转化技术之一，煤炭液化技术是我国一项具有战略意义和现实意义的能源技术。二、煤炭液化技术简介煤炭液化是用煤为原料以制取液体烃类为主要产品的技术。煤液化分为“煤的直接液化”和“煤的间接液化”两大类。煤的直接液化是煤直接催化加氢转化成液体产物的技术。煤的间接液化是以煤基合成气(CO+H2)为原料，在一定的温度和压力下，定向地催化合成烃类燃料油和化工原料的工艺，包括煤气化制取合成气及其净化、变换、催化合成以及产品分离和改质加工等过程。煤炭液化由于采用的工艺和催化剂的不同，可以生产汽油、柴油、LPG(液化石油气)、喷气燃料，并提取BTX(苯、甲苯、二甲苯)，也可以生产乙烯、丙烯、a—烯烃和石蜡等化工原料和产品。煤炭液化可以加工高硫煤，硫是煤直接液化的助催化剂，煤中硫在气化和液化过程中转化成H2S再经分解可以得到元素硫产品1．煤炭直接液化工艺煤的直接液化是煤在适当的温度和压力下，催化加氢裂化生成液体烃类及少量气体烃，脱除煤中氮、氧和硫等杂原子的转化过程。煤炭直接液化生产过程可分为4个主要单元(不包括制氢部分)：煤浆制备单元：将煤破碎至0．1mm以下与溶剂、催化剂一起制成煤浆；反应单元：在反应器内在高温(420℃～470℃)高压(6MPa～30MPa)下进行加氢反应(氢气用量一般为液化用煤的6m％～10m％)，生产以液态烃类为主的液化产物；分离单元：将反应生成的液化油、气体烃与残渣分离开，取出重油作为循环溶剂配煤浆用；液化油提质加工单元：根据需要将液化轻油、中油加工成符合环保要求和产品标准的的汽油、柴油与航空煤油等成品。20世纪70年代以后，德国、美国、日本等主要工业发达国家，为提高效率、降低成本，相继开发的新工艺有几十种，其中几种先进的技术，完成了50t／d～600t／d(液化用煤)的大型中试，设计出日产5万桶液化油的工厂。比较著名的工艺有：美国的溶剂精炼煤法(SRC-1，SRC-2)、供氢溶剂法(EDS)、氢煤法(H—Coal)、HTI工艺、俄罗斯低压液化工艺、德国新工艺(IGOR)、英国的溶剂萃取和日本的NEDOL工艺等。（1）美国HTII艺此工艺是在两段催化液化法和已进行200t／d～600t／d大型中试和完成了50000桶／天生产装置基础设计的H-COAL工艺基础上发展起来的。该工艺是两段催化液化工艺，采用近十年来开发的悬浮床反应器和HTI拥有专利的铁基催化剂(GelCatTM)。HTI工艺的主要特点是：反应条件比较缓和，反应温度420～450℃，反应压力17MPa；采用特殊的液体循环沸腾床(悬浮床)反应器，达到全返混反应器模式；催化剂是采用HTI专利技术制备的铁系胶状高活性催化剂；在高温分离器后面串联有在线加氢固定床反应器，对液化油进行加氢精制；固液分离采用临界溶剂萃取的方法，从液化残渣中最大限度回收重质油以提高液化油收率。该工艺的可靠性差。（2）日本NEDOL工艺NEDOL工艺由煤前处理单元、液化反应单元、液化油蒸馏单元及溶剂加氢单元等4个主要单元组成。NEDOL工艺的主要特点是：反应压力较低，为17～19MPa，反应温度为430℃～465℃；催化剂采用合成硫化铁或天然硫铁矿；固液分离采用减压蒸馏的方法；配煤浆用的循环溶剂单独加氢，以提高溶剂的供氢能力；液化油含有较多的杂原子，还须加氢提质才能获得合格产品。（3）德国煤液化新工艺(IGOR工艺)70年代，世界石油危机发生后，德国鲁尔煤炭公司与VEBA石油公司和DMT矿冶及检测技术公司合作，重新开发煤炭加氢液化技术。1981年，德国鲁尔煤矿公司和费巴石油公司对最早开发的煤加氢裂解为液体燃料的柏吉斯法(Bergiusprocess)进行了改进，建成日处理煤200t的半工业试验装置，操作压力由原来的70Mpa降至30Mpa，反应温度450℃～480℃，固液分离改过滤、离心为真空闪蒸方法，将难以加氢的沥青烯留在残渣中气化制氢，轻油和中油产率可达50％，此称为德国IG煤液化工艺。德国矿冶技术及检测有限公司(DMT)在20世纪90年代初经过不断改进和完善，开发出了更为先进的IGOR工艺。此工艺主要特点是：把循环溶剂加氢和液化油提质加工与煤的直接液化串联在一套高压系统中，避免了分立流程物料降温降压又升温升压带来的能量损失，并且在固定床催化剂上还能把CO2和CO甲烷化，使碳的损失量降到最低限度。经过这样的改进，总的液化厂投资可节约20％左右，能量效率也有很大提高。（4）俄罗斯煤加氢液化工艺俄罗斯煤加氢液化工艺的特点：一是采用了自行开发的瞬间涡流仓煤粉干燥技术，使煤发生热粉碎和气孔破裂，水分在很短的时间内降到1．5％—2％，并使煤的比表面积增加了数倍，有利于改善反应活性。该技术主要适用于对含内在水分较高的褐煤进行干燥。二是采用了先进高效的钼催化剂。俄罗斯采用的催化剂是钼酸铵和三氧化二钼，催化剂添加量为0．02—0．05％，而且这种催化剂中的钼可以回收85—95％。三是针对高活性褐煤，液化压力低，可降低建厂投资和运行费用，设备制造难度小。由于采用了钼催化剂，特别是针对俄罗斯高活性褐煤，液化反应压力降低到6—10MPa。反应压力的降低，可以带来的好处有：降低液化反应设备的重量，减少投资，降低生产过程中的动力消耗，降低成本，还可以提高生产操作的可靠性和安全性。但是对烟煤液化，必须把压力提高，如果煤中活性组分含量不够多，反应压力还需大大提高。2．煤炭间接液化工艺煤的间接液化是以煤基合成气(CO+H2)为原料，在一定的温度和压力下，定向地催化合成烃类燃料油和化工原料的工艺，包括煤炭气化制取合成气、气体净化与变换、催化合成烃类产品以及产品分离和改质加工等过程。典型的工艺是F-T合成法，又称CO加氢法。对于F-T合成，主要是合成烷烃的反应以及少量合成烯烃的反应，所用的催化剂有Co剂、Ni剂和Fe剂等。铁剂价廉、选择性和操作适应性也比较好。南非SASOL公司，1955年在距约翰内斯堡公司总部80公里的萨索尔堡区建成第一座由煤间接液化生产燃料油的SASOL-Ⅰ厂。七十年代石油危机后，于1980年和1982年又在距总部130公里的赛空达区相继建成了SASOL-Ⅱ厂和SASOL-Ⅲ厂。目前三个厂年处理煤炭超过45Mt(其中Ⅰ厂年处理约6．5Mt，ⅡI厂和ⅢII厂年处理约39Mt)，是世界上规模最大的以煤为原料生产合成油及化工产品的化工厂。主要产品汽油、柴油、蜡、氨、乙烯、丙烯、聚合物、醇、醛、酮等100多种，总产量达7．6Mt，目前化学品的产量约占总产量的40％以上。实现工业化生产的还有荷兰Shell公司开发的SMDS合成技术和美国Mobil公司开发的MTG合成技术。（1）南非SASOL公司的F-T合成技术SASOL-Ⅰ厂建厂初期选择了德国的Arge固定床和美国Kelloge公司的Synthol流化床F-T合成反应器。目前SASOL-Ⅰ厂仍有6台Arge固定床反应器，每台反应器生产能力为18kt／a。产品主要是汽油、柴油和蜡，其中蜡的产量占总产量的50％～60％。SASOL公司开发的一台先进的浆态床反应器建在SASOL-Ⅰ厂，其直径为Φ5m，反应温度较低为250℃，主要以生产柴油和蜡为主，蜡可以通过裂化转化为汽油、柴油。浆态床合成技术具有气固相工艺无法相比的技术经济优势。这主要表现在：①可以直接使用现代大型气化炉生产的低H2／C0比值(0．6～0．7)的合成原料气。②生产操作弹性大。③反应器热效率高，温度容易控制。④合成气单程转化率高。由于上述优势，世界许多研究机构和公司都着力于浆态床合成技术的研究，但都未实现商业化生产。SASOL-Ⅱ厂和SASOL-Ⅲ厂曾使用Φ3．6m，高75m的循环流化床反应器，针对其不足，又开发了固定流化床反应器(SAS)。SAS反应器取消了催化剂循环系统，加入的催化剂能得到有效利用，SAS反应器操作与维修费用较低，SAS反应器的转化率较高，生成能力得到提高，操作简单。现SASOL-Ⅱ厂和Ⅲ厂共有4台Φ8m和4台Φ10．7m反应器在运行。催化剂是SASOL开发的铁系催化剂，反应温度较高，为350℃，主要产品为汽油、柴油和烯烃等化学产品。（2）荷兰Shell公司的SMDS合成技术Shell公司经多年研究，对CO+H2反应的Schulz-Flory聚合动力学的规律有了深刻的认识，认为可以高选择性和高效率地合成高分子长链烷烃，同时大大降低低态气态烃的生成。Shell公司开发的(SMDS)中间馏份油工艺由合成石蜡烃过程和石蜡烃的加氢裂解或加氢异构化制取发动机燃料两部分组成。合成过程使用的是固定床反应器。Shell公司利用廉价的天然气为原料制取合成气CO+H2，采用SMDS工艺制取柴油和石脑油，其热效率可达60