煤直接液化技术开发新进展

CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2010年第29卷第2期·198·化工进展煤直接液化技术开发新进展任相坤1,2，房鼎业1，金嘉璐2，高晋生1（1华东理工大学，上海2002372；2神华集团有限责任公司，北京100011）摘要：煤直接液化技术作为石油替代的重要途径之一，长期以来一直受到人们的关注。本文结合世界上第一套煤直接液化工业示范工程的实践，划分和描述了煤直接液化技术的不同发展历程和煤直接液化技术的进展，对煤液化最新技术的开发过程、技术特点、试验情况和关键技术研究等进行了阐述，并指出了煤直接液化技术将在煤液化特性、分级转化、反应器大型化、工艺优化、主副产品结构优化等方向作为未来的研究开发方向。关键词：煤；直接液化；进展中图分类号：TQ527文献标识码：A文章编号：1000–6613（2010）02–0198–07NewproceedachievedinthedirectcoalliquefactionRENXiangkun1,2，FANGDingye1，JINJialu2，GAOJinsheng1（1InstituteofChemicalTechnology，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China；2ShenhuaGroupCorporationLtd.，Beijing100011，China）Abstract：Thedirectcoalliquefactiontechnology,asoneoftheimportantroutestosubstituteoil,hasattractedpeople’sattentionandconcernforalongtime.Combiningthepracticeoftheworldfirstdirectcoalliquefactiondemonstrationproject,thepaperdescribesthedifferentdevelopingcoursesandthelatestprogressofdirectcoalliquefactiontechnologiesandelaboratesthedevelopmentprocessofnewcoalliquefactiontechnologies,technicalcharacteristics,experimentalworkandresearchofcoretechnologies.Thepaperalsopointsouttheorientationoffutureresearchanddevelopmentofdirectcoalliquefactiontechnologiesintheaspectsofgradedconversionbasedoncoalcharacteristics,scalingupofreactor,processoptimization,mainproductandby-productmixoptimization,etc.Keywords:coal；directliquefaction；latestprogress随着世界经济的发展，人类对能源的需求日益增加，特别是对以石油为主的清洁液体燃料的需求增长较快。石油作为一种不可再生资源，储量有限，据英国BP公司2009年7月公布的石油产量和油气储量2008年终统计，全球石油及凝析油产量预计为39亿吨，石油估算探明储量为1708亿吨，采出比为42。石油储量的有限，再加上国际政治和经济形势的影响，造成近年来石油价格长期居高不下，国际社会越来越认识到寻找石油替代能源的迫切性。进入21世纪以来，国际石油价格持续上涨，2007年（布伦特）原油平均价格高达72.6美元/桶；2008年昀高油价创下接近147.25美元／桶的纪录，随着金融危机的影响，石油价格成反复波动的局面；2009年以来，石油价格呈波浪式上升的态势。随着中国经济发展和社会进步，对石油及相关消费品的需求将不断增长。。预计到2020年，中国石油消费量将超过4.5亿吨，届时石油对外依存度可能达到60%～62%。石油资源匮乏和石油供应不足已成影响中国和全球经济发展的重要因素。进展与述评收稿日期：2009–09–15；修改稿日期：2009–12–10。第一作者简介：任相坤（1963—），男，神华煤制油研究中心有限公司董事长，中国神华煤制油化工有限公司北京研究院副院长；科技部高技术研究发展计划（国家863计划）能源领域专家组成员。E–[e-mail]。第2期任相坤等：煤直接液化技术开发新进展·199·随着世界经济的发展，石油供需矛盾将会日趋加剧。在未来可预测的时间段内，化石能源之外的能源比例还难以到达人们理想的目标。在新能源和可再生能源大规模经济应用之前，未来石油和天然气的昀佳替代品还是煤炭，煤直接液化技术作为煤炭的清洁转化和高效利用的重要手段之一，将是未来世界能源结构调整和保证经济高速发展对能源需求的重要途径。1煤直接液化技术的发展历程煤直接液化是指煤在高温、高压、催化条件下与氢气反应直接转化成液体油品的工艺技术。煤直接液化技术发展始于20世纪初，德国首先研究了煤直接在高压下的加氢理论，从而为煤直接液化奠定了基础。到目前煤直接液化技术已经经历了近百年的发展，总体上可分为如下几个阶段。1.1第一阶段（1913～1945年）1913年德国的Bergius第一个煤直接液化专利的基础上，1921年德国采用Bergius法、在ManhimRheinau建成了煤处理量为5t/d的试验装置，奠定了煤直接液化技术研究的基础。1927年，德国I.G.Farbenindustrie（染料公司）在Leuna建立了世界上第一个煤直接液化工厂，油品生产规模10×104t/a，原料为褐煤或褐煤焦油，使用铁系催化剂，氢分压20～30MPa，反应温度430～490℃。1935年，德国的I.G.公司在Scholven工厂建设了一座汽油产量为20×104t/a的烟煤直接液化厂；1937～1940年，I.G.公司在Gelsenberg工厂采用铁系催化剂，采用压力为70MPa、温度为480℃的反应条件，建成了汽油产量为70×104t/a的烟煤直接液化厂。截至1939年二次大战爆发，德国共建成投产12套煤直接液化装置，油品生产能力达到423×104t/a，为发动第二次世界大战的德国提供了2/3的航空燃料和50%的汽车和装甲车用油（见表1）。随着第二次世界大战的结束，根据投降条款的规定，除位于东德的Leuna工厂（运转至1959年）外，原西德的煤直接液化工厂全部停产。这一阶段是煤直接液化技术发展的鼎盛时期，德国为了发动第二次世界大战，不惜成本进行开发，从技术的开发到工业化生产只用了短短的18年时间，并在以后的12年里煤直接液化生产厂的规模发展到了年产成品油423×104t。表1二战期间德国煤直接液化厂一览表投产时间/年所在地名原料反应压力/MPa生产能力/kt·a-11931Leuna褐煤和焦油206501936Bohlen褐煤和焦油302501936Magdeberg褐煤和焦油302201936Scholven烟煤302801937Welheim沥青701301939Gelsenberg烟煤704001939Zeitz褐煤和焦油302801940Lutzkendorf煤焦油50501940Politz烟煤707001941Wesseling褐煤702501942Brux褐煤和焦油306001943Blechhammer烟煤和焦油304201.2第二阶段（1945～1973年）二次世界大战结束后，随着20世纪50年代中东地区大量廉价石油的开发，使煤直接液化失去了竞争力和继续存在的必要。除美国等少数国家利用获取的德国研究资料，进行了大量的基础研究工作外，其它研究基本处于中止状态。美国在二次大战后，对德国的I.G.公司的煤直接液化技术进行了调查跟踪，于1949年建设了规模为50t/d（产油200～300桶/天）的煤直接液化试验装置，并运转到1952年，对生产汽油进行了研究。美国的C.C.C.公司（CarbideandCarbonChemicalsCo.）认为从煤生产汽油需要苛刻的加氢分解条件，如用煤生产芳香族化工原料，可以将煤在较缓和的条件进行加氢，并于1952年建造了煤处理量为300t/d，反应压力为30～40MPa、反应温度为430～450℃、反应时间3～5min的直接液化试验装置。美国政府并于1960年出资，援助有关公司、大学进行煤直接液化新工艺的研究开发。这一段时期，苏联、东德采用Bergius法进行了煤制液体燃料的生产研究。我国和波兰、捷克斯洛伐克等东欧国家也进行了煤直接液化技术的研究。1.3第三阶段（1973～2000年）1973年和1979年的两次世界石油危机，促使煤直接液化技术的研究开发形成了一个新的高潮。美国、德国、英国、日本、苏联等发达国家都纷纷组织一大批科研开发机构和相关企业开展了大规模的研究开发工作。研究领域从基础理论、反应机理到工艺开发、工程化开发，试验规模也从实验室小化工进展2010年第29卷·200·试到每天吨级中试、直至每天数百吨级的工业性规模。相继开发出多种新工艺。美国从1975年开始，制定并开始执行关于能源独立投资数十亿美元的五年计划，后来又扩大成为的洁净煤计划。美国能源部联合西德和日本两国政府，出资支持海湾石油公司开发了基本沿用德国老工艺的溶剂精炼煤（SRC）工艺、支持埃克森（Exxon）石油公司开发了供氢溶剂（EDS）工艺、支持HRI等公司开发了采用沸腾床催化反应器的氢-煤法（H-Coal）工艺。至20世纪80年代初，这3种煤直接液化工艺均完成了50～600t/d规模的半工业性试验，在此基础上，SRC工艺和H-Coal工艺还完成了煤处理能力为6000t/d规模的工业化示范厂的概念设计和建设厂址的选择调查工作。日本在1974年，出台了解决能源问题的阳光计划，煤气化、液化技术开发是重中之重。为此，日本政府特意组建了半官方性质的日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO），专门从事阳光计划的管理和技术开发工作。80年代中期，阳光计划又发展成为与洁净煤技术相结合的新阳光计划。经过近二十年的努力，NEDO开发出了针对褐煤的BCL工艺和针对烟煤的NEDOL工艺，在澳大利亚建立了50t/d的褐煤液化装置，在日本国内的鹿岛建立了150t/d的烟煤液化装置，并且成功地完成了试验研究工作。欧洲以德国鲁尔煤炭公司和菲巴石油公司为开发主体，开发了新的德国工艺（IGOR+工艺），在北威州的Bottrop建立了200t/d的半工业性试验装置。英国不列颠煤炭公司在政府的支持下开发了溶剂萃取液化工艺（LSE），并建立了2.5t/d的试验装置。原苏联的国家固体燃料研究院（ИГИ）在莫斯科附近的图拉市建立5t/d的煤直接液化试验装置。表2列出了主要发达国家煤直接液化技术开发情况。与德国老工艺相比，后来新开发工艺的反应条件大大缓和，液化油产率也大有提高，因此，煤直接液化的经济性得到改善。表2完成装置验证的煤加氢液化工艺及运行情况国家工艺规模/t·d－1使用期/年连续进煤累计进煤油收率/%美国H-Coal200～6001980～1982（3年）44天（1056h）—51美国SRC-II501976～1981（5年）——44美国EDS2501980～1982（2.5年）55天（1321h）445天（10692h）45德国IGOR2001981～1987（6年）208天（5000h）917天（22000h）58日本NEDOL1501997～1998（2年）80天（1920h）259天（6200h）58日本BCL501987～1990（4年）73天（1760h）417天（10000h）54到20世纪80年代中期，各国开发的煤直接液化工艺均已日趋成熟，有的已完成了6000t