CCTD中国煤炭市场网 |  2024-03-29 17:04 星期五
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煤怎样能变成油?

  全球单套装置规模最大煤制油项目日前在神华宁夏煤业集团建成,第一条生产线产出的首批合格油品装车发运。该项目概算投资550亿元,建设规模为年转化煤炭2036万吨,年产合成油品405万吨。

  那么,煤是怎么变成油的呢?

  1.煤制油有现实物质组分基础

  其实,煤变油这个说法是不准确的,容易让人联想到当年的“水变油”伪科学。而用煤制成油,是靠实实在在的科学、扎扎实实的技术实现的。事实上,煤制油技术已经有了百年的历史,当然,这个技术也经历了不断进步和提高的过程。

  煤是由远古植物的残骸浸入水中,并在生物化学作用下,经过泥炭化阶段,然后被地层覆盖且在地压和温度条件下,经过物理与化学作用而形成的有机生物岩。

  石油是古代生物遗骸经由很复杂的生物和化学作用转化而成的。据估计,大约只有千分之一或更少的生物体,有机会经过很快的掩埋而与氧隔绝以避免腐烂,进而转化成石油的前身——油母质。形成的油母质在沉积掩埋后,大约经历几千万年,沉积物越埋越深,地温越来越高(100 至150 ),油母质的成熟度达到一定范围就转化成液态石油或天然气。

  煤与石油都是由碳、氢、氧为主的元素组成的天然有机矿物燃料,这是煤能制成油最根本的基础。但它们在外观和化学组成上都有明显差别,其中最明显的差别就是氢、氧含量的不同。煤中氢含量低、氧含量高,氢/碳比低、氧/碳比高。

  煤的化学成分中氢含量为5%,碳含量较高,而成品油中氢含量为12%-15%,碳含量较低,且油品为不含氧的液体燃料。这主要是由于煤与石油的分子结构不同。因此,要将煤转化为液体产物,首先要将煤的大分子裂解为较小的分子。而要提高氢/碳比,就必须增加氢原子或减少碳原子。总之,煤液化的实质是在适当温度、氢压、溶剂和催化剂条件下,提高其氢/碳比,使固体的煤转化为液体的油。

  2.为德国二战提供了2/3航空燃料

  目前,煤制油技术主要包括煤直接液化和煤间接液化两种技术路线。

  煤直接液化就是让煤浆在高温、高压、催化剂作用下首先打断煤的大分子结构,然后将外供氢加到碳原子上而生成液体油,再通过加氢提质,使煤中杂原子变为各类化合物,生成需要的液态产品。直接液化的优点是热效率较高、液体产品收率高;主要缺点是煤浆加氢工艺过程的总体操作条件相对苛刻。

  1913年德国科学家F·贝吉乌斯发明了在高温高压下可将煤加氢液化生产液体燃料的方法,并获得专利,为煤直接液化技术的开发奠定了基础。从此,各种煤加氢液化方法不断出现,实验室开发的煤液化方法不下百种,按其产品和过程特点可分为不同的液化工艺。

  到20世纪20年代,德国采用贝吉乌斯法,于1921年建成了煤处理量为5吨/天的试验装置,奠定了煤直接液化技术研究的基础。

  1927年德国建立了世界上第一座工业规模生产的煤直接液化厂,装置能力10万吨/年,原料为褐煤或褐煤焦油。截至1939年二战爆发,德国共建成投产12套煤直接液化装置,油品生产能力达到423万吨/年,为发动二战提供了2/3的航空燃料和50%的汽车和装甲车用油。

  在二战前后进行煤直接液化技术研究开发的国家还有:英国建设了一座15万吨/年汽油的煤加氢液化厂;1937年日本在我国东北抚顺建设煤液化生产厂,1942年试生产,曾达到连续运转1000 小时的纪录,但直到战争结束也没能正式投产。

  二战结束后,由于同盟国的干预,德国的煤直接液化厂全部停产或转产。

  到20世纪50年代初期,苏联利用德国煤直接液化技术和设备于1952年在安加尔斯克石油化工厂建成投产了11套煤直接液化和煤焦油加氢装置,总生产能力为110万吨/年油品,运行7年后停止生产油品而改作他用。

  3.间接液化技术“通吃”各种煤

  煤间接液化是将煤先气化生产合成气(氢气、一氧化碳),合成气经净化,调整氢气、一氧化碳比例后,再经过催化合成为液体燃料和化学品。其优点是煤种适应性较宽、操作条件相对温和(压力较低)、煤灰等三废问题主要在气化过程中解决,缺点是总效率比不上直接液化。

  德国科学家费舍和托罗普歇在20世纪20年代初就在研究一氧化碳和氢气的反应。1925年,费舍和托罗普歇在室温下成功合成烃类并申请专利。1934年,鲁尔化学公司与托罗普歇签订了合作协议,建成250公斤/天的试验装置并顺利运转。1936年,该公司建成第一个间接液化厂,产量为7万吨/年,到1944年,德国总共有9套煤间接液化生产装置,总生产能力57.4万吨/年。在同一时期,日本、法国和中国也有6套这样的装置,规模为34万吨/年。因此,二战前全世界煤间接液化厂的总规模为91.4万吨/年。

  二战以后,德国的间接液化工业装置与直接液化装置一样完全停顿。

  1952年,苏联利用德国的技术和设备,建了一个5万吨/年的小型工业装置,但没有得到进一步发展。

  南非是个富煤缺油的国家,20世纪50年代,由于当时特殊的国际政治环境和本国的资源条件,南非决定采用煤间接液化技术解决本国油品供应问题,于1950年成立南非煤油气公司,由于当地矿区的煤为劣质煤,更适合于间接液化对煤种的要求。第二次世界大战以后,煤间接液化的中心由德国转移到了南非。

  4.成本考量是技术长期搁置主因

  早在二战之前和二战期间,德国的煤制油生产就有了较大的规模,而二战以后,世界范围内的煤制油产业却处于停滞状态,这主要是由于石油供给的情况决定的。

  在上世纪40年代末50年代初,随着中东大油田的开采,低成本的石油大量充斥市场,使得煤制油技术在经济上很不合算。直到1973年,中东实行石油禁运,世界石油危机爆发,大规模的煤制油研发才又掀起高潮,美国、日本、德国、苏联都纷纷投入巨资研究,并建设了试验工厂,相继开发出多种工艺。

  到20世纪80年代中期,各国开发的煤液化新工艺都日趋成熟,有的已完成了5000吨/天示范厂或23000吨/天生产厂的概念设计,工业化发展势头一度十分迅猛。然而,就在此时,世界石油价格迅速下跌,而且至1995年还一直在低价位上徘徊,使得那些煤液化示范厂和生产厂的计划不得不中断,煤液化工业化开发的热情随之逐步降温。但是一些国家更深入细致的技术研究工作并没有停止。

  总的来说,各国煤制油技术已相当成熟,但国际油价频繁变动,时高时低,而且煤制油项目从启动到开工建设,至少需要5年准备时间,且煤制油项目也要消耗大量的煤炭资源和水资源,导致各国往往反应滞后,使决策举棋不定。因此,近年来在国外,除了南非在发展煤制油产业外,各国对煤制油产业普遍保持观望态度。

  延伸阅读

  我国国情决定有必要发展煤制油产业

  中国化石能源资源的特点是富煤、少油。我国是世界上最大的煤炭生产国,2010年煤炭产量为32.4亿吨,占世界的45%。我国以煤为主的能源结构长期存在,2010年能源消费总量为32.5亿吨标准煤,其中煤炭占69%,比世界平均水平高出近40个百分点。可以预见,在未来30-50年内,煤炭在国民经济发展中将占有不可动摇的主导地位。如此大规模的煤炭开发利用,会造成严峻的生产安全、环境保护、大气污染物与温室气体排放等问题。

  近年来我国原油和油品进口量增长迅速,2016年9月我国的原油进口创下记录高位,并且一举超越美国,成为全球最大的原油进口国。为了保证能源安全,实现经济的可持续发展,充分利用我国丰富的煤炭资源,发展煤制油产业是我们的国情需要。 由于煤液化过程可以脱除煤中硫、氮等污染大气的物质以及灰分等,获得的液体产品是优质洁净的液体燃料和化学品,因此,煤液化将是中国洁净煤技术和煤代油战略的重要、有效和可行的途径之一。

发布人:CCTD-周杰

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