煤炭液化技术.docx
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煤炭液化技术
煤炭液化技术
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煤炭液化技术
煤炭液化是把固体煤炭通过化学加工过程产品的先进洁净煤技术。
根据不同的加工
，使其转化成为液体燃料路线，煤炭液化可分为直接
、化工原料和液化和间接液化
两大类：
一、直接液化
直接液化是在
高温（400℃以上）、高压（10MPa以上），在催化剂和溶剂作用下使
煤的分子进行
裂解加氢，直接转化成液体燃料，再进一步加
工精制成汽油、柴油等燃
料油，又称加
氢液化。
１、发展
历史
煤直接液
化技术是由德国人于
1913
年发现的，并于
二战期间在德国实现了工业
化生产。
德国
先后有12套煤炭直接液化装
置建成投产，到
1944年，德国煤炭直接
液化工厂的油
品生产能力已达到
423万吨/年。
二战后，中东地区大量廉价石油的开
发，煤炭直接
液化工厂失去竞争力并关闭。
70年代初期，由于世界范围内
的石油危机，煤炭液化技术又开
始活跃起来。
日
本、德国、美国等工业发达国
家，在原有基础上相继研究开发出一批
煤炭直接液化新
工艺，其中的大部分研究工作重点是降低
反应条件的苛刻度，从而达
到降低煤液化油
生产成本的目
的。
目前世界上有代表性的直
接液化工艺是日本的
NEDOL
工艺、德国
的IGOR工艺和美国的
HTI工艺。
这些新直接液化工艺的共同特点是
，反应条件与老
液化工艺相比
大大缓和，压力由
40MPa降低至17～30MPa，产油率和油品质量都有
较大幅度提高，降低了
生产成本。
到目前为止，上述国家均已完成了
新工艺技术的处
理煤100t/d
级以上大型中间试验
，具备了建设大规模液化厂的
技术能力。
煤炭直接
液化作为曾经
工业化的生产技术，在技术
上是可行的。
目前国外没有
工业化生产厂的
主要原因是，在发达国家由于原料煤价格
、设备造价和人工费用偏高
等导致生产成本
偏高，难以与
石油竞争。
２、工艺
原理
煤的分子
结构很复杂，一些学者提出
了煤的复合结构模型，认为
煤的有机质可以
设想由以下四
个部分复合而成。
第一部分
，是以化学共价键结合为主
的三维交联的大分子，形成
不溶性的刚性网
络结构，它的
主要前身物来自维管植物中以芳
族结构为基础的木质素。
第二部分
，包括相对分子质量一千至
数千，相当于沥青质和前沥
青质的大型和中
型分子，这些
分子中包含较多的极性官能团，
它们以各种物理力为主，或相
互缔合，
或与第一部分
大分子中的极性基团相缔合，成
为三维网络结构的一部分。
第三部分，包括相
对分子质量数百至一千左右，相对于
非烃部分，具有较强极性
的中小型分子
，它们可以分子的形式处于
大分子网络结构的空隙之中
，也可以物理力
与第一和第二
部分相互缔合而存在。
第四部分，主要为相对分子质
量小于数百的非极性分子
，包括各种饱和烃和芳烃
，
它们多呈游离
态而被包络、吸附或固溶于由以
上三部分构成的网络之中。
煤复合结构中上述四个部分的相对含量视
煤的类型、煤化程度、显微组成的不同
而异。
上述复杂的煤化学结构，是具有不规
则构造的空间聚合体，可以
认为它的基本结
构单元是以缩
合芳环为主体的带有侧链和多种
官能团的大分子，结构单元之间通过桥
键相连，作
为煤的结构单元的缩合芳环的环
数有多有少，有的芳环上还有
氧、氮、硫
等杂原子，结构单元之间的桥键也有
不同形态，有碳碳键
、碳氧键、碳硫键
、氧氧键
等。
从煤的元素组成看，煤和石油的差异
主要是氢碳原子比不同。
煤
的氢碳原子比为
0.2～1，而石油的氢碳原子比为
1.6～２，煤中
氢元素比石油少得多。
煤在一定温度、压力下的加氢液化过程基
本分为三大步骤。
（1）、当温度升至
300℃以上时，煤受热分
解，即煤的大分子结构中较弱的
桥
键开始断裂
，打碎了煤的分子结构
，从而产生大量的
以结构单元为基体的自由基碎片
，
自由基的相对
分子质量在数百范围。
（2）、在具有供氢能力的溶剂
环境和较高氢气压力的条件下、
自由基被嘉庆得
到稳定，成为
沥青烯及液化油分子。
能与自由
基结合的氢并非是分子氢（
H2），而
应是氢自由基
，即氢原子，或者是活化氢
分子，氢原子或活化氢分子的
来源有：
①煤
分子中碳氢键
断裂产生的氢自由基；②供
氢溶剂碳氢键断裂产生的氢自由
基；③氢气
中的氢分子被
催化剂活化；④化学反应放出的氢。
当外界提
供的活性氢不足时，自由
基碎片可发生
缩聚反应和高温下的脱氢反应，
最后生成固体半焦或焦炭。
（3）、沥青烯及液化油分子被
继续加氢裂化生成更小的分子。
3、工艺过程
直接液化典型的工艺过程主要包括煤的破碎与干燥、煤浆制备、加氢液化、固液
分离、气体净化、液体产品分馏和精制，以及液化残渣气化制取氢气等部分。
氢气制
备是加氢液化的重要环节，大规模制氢通常采用煤气化及天然气转化。
液化过程中，
将煤、催化剂和循环油制成的煤浆，与制得的氢气混合送入反应器。
在液化反应器内，
煤首先发生热解反应，生成自由基“碎片”，不稳定的自由基“碎片”再与氢在催化剂存
在条件下结合，形成分子量比煤低得多的初级加氢产物。
出反应器的产物构成十分复
杂，包括气、液、固三相。
气相的主要成分是氢气，分离后循环返回反应器重新参加
反应；固相为未反应的煤、矿物质及催化剂；液相则为轻油（粗汽油）、中油等馏份
油及重油。
液相馏份油经提质加工（如加氢精制、加氢裂化和重整）得到合格的汽油、
柴油和航空煤油等产品。
重质的液固淤浆经进一步分离得到重油和残渣，重油作为循
环溶剂配煤浆用。
煤直接液
化粗油中石脑油馏分约占
15％－30％，且芳烃含量较高，加氢后的
石
脑油馏分经过
较缓和的重整即可得到高辛烷值
汽油和丰富的芳烃原料
，汽油产品的辛
烷值、芳烃含
量等主要指标均符合相关标准（
GB17930-1999），且硫含量大大
低于
标准值（≤0.08％），是合格的优质洁净燃料。
中油约占全部直接液化油的
50％－60％，
芳烃含量高达
70％以上，经深度加
氢后可获得合格柴油。
重油馏分
一般占液化粗油
的10％－20％，有的工艺该馏分很少
，由于杂原子、沥青
烯含量较高，加工较困难
，
可以作为燃料
油使用。
煤液化中油和重油
混合经加氢裂化可以制取汽油
，并在加氢裂
化前进行深度
加氢以除去其中的杂原子及金属
盐。
4、工艺特点
（1）液化油收率高。
例如采用HTI工艺，神华煤的油收率可高达63％－68％；
（2）煤消耗量小，一般情况下，1吨无水无灰煤能转化成半吨以上的液化油，
加上制氢用煤，约3－4吨原料产1吨液化油。
（3）馏份油以汽、柴油为主，目标产品的选择性相对较高；
（4）油煤浆进料，设备体积小，投资低，运行费用低；
（5
）反应条件相对较苛刻，如德国老工艺液化压力甚至高达
70MPa，现代工艺
如IGOR
、HTI、NEDOL
等液化压力也达到
17－30MPa，液化温度
430－470℃；
（6
）出液化反应器的产物组成
较复杂，液、固两相混合物由于
粘度较高，分离
相对困难；
（7
）氢耗量大，一般在
6％－10％，工艺过程中不仅要补充大量新氢，还需
要
循环油作供氢溶剂，使装置的生产能力降低。
5、国内技术发展
我国从70年代末开始煤炭直接液化技
术研究。
煤炭科学研究总院北京
煤化所对
近30个煤种在
0.1
吨/日装置上进行了
50
多次运转试验，开发了高活性的煤
液化催
化剂，进行了
煤液化油的提质加工研究，完成
了将煤的液化粗油加工成合格
的汽油、
柴油和航空煤
油的试验。
“九五”期间分别同德国、日本、美国有关
部门和公司合作完
成了神华、黑
龙江依兰、云南先锋建设煤直接
液化厂的预可行性研究。
在开发形
成“神华煤直接液化新工艺
”的基础上，我公司建成
了投煤量6t/d的工艺
试验装置，于
2004
年10月开始进行溶剂加氢、热油连
续运转，并于
2004
年12
月
16日投煤，进行了
23小时投料试
运转，打通了液化工艺，取得
开发成果。
经过近一年的时间进行装置的改造，装置于
2005
年10月29日开始第二次投煤
试验，经过近
18天（412小时）的连续平稳运转，完成了预定的试
验计划，于11
月
15日顺利停车，试验取得了成功。
经统计，试验期间共配制煤浆
206
吨，共消耗原
煤105吨（其中干燥无灰基煤85
吨）；共制备863
催化剂油浆
44吨。
我公司位于鄂尔多斯的使用神华自己技术
的直接液化项目的先期工程于
2004
年
8月25日正式开工建设。
二、间接液化
煤的间接液化技术是先将煤全部气化成合成气，然后以煤基合成气（一氧化碳和氢气）
为原料，在一定温度和压力下，将其催化合成为烃类燃料油及化工原料和产品的工艺，
包括煤炭气化制取合成气、气体净化与交换、催化合成烃类产品以及产品分离和改制
加工等过程。
１、发展历史
1923年，德国化学家首
先开发出了煤炭间接液化技术。
40
年代初，为了满足战
争的需要，德国曾建成9个间接液化
厂。
二战以后，同样由于廉价石
油和天然气的开
发，上述工厂相继关闭和改作它用。
之后
，随着铁系化合物类催化剂的
研制成功、新
型反应器的开
发和应用，煤间接液化技术不断
进步，但由于煤炭间接液化工
艺复杂，
初期投资大，成本高，因此除
南非之外，其它国家对煤炭间接液化的
兴趣相对于直接
液化来说逐渐
淡弱。
煤炭间接液化技术主要有三种，即的南非
的萨索尔（
Sasol）费托合成法、美国
的Mobil甲醇制汽油法）和正在开发的直接合成法
。
目前，煤间接液
化技术在国外已
实现商业化生
产，全世界共有
3家商业生产厂正在运行，它们分别是
南非的萨索尔公
司和新西兰、马
来西亚的煤炭间接液化厂。
新西兰
煤炭间接液化厂采用的是
Mobil
液
化工艺，但只
进行间接液化的第一步反应，即
利用天然气或煤气化合成气生
产甲醇，
而没有进一步
以甲醇为原料生产燃料油和其它
化工产品，生产能力
1.25
万桶/天。
马
来西亚煤炭间
接液化厂所采用的液化工艺和南
非萨索尔公司相似，
但不同的是它以天
然气为原料来
生产优质柴油和煤油，
生产能力为
50万吨/年。
因此，从严格意义上说
，
南非萨索尔公
司是世界上唯一的煤炭间接液化
商业化生产企业
南非萨索
尔公司成立于
50年代初，1955年公司建成第一座由煤生产燃料油的
S
asol-1厂。
70
年代石油危机后，
1980年和1982年又相继建成
Sasol-2
厂和Sasol-
3厂。
3个煤炭间接液化厂年加工原煤约
4600
万t，产品总量达
768万t，主要生产
汽油、柴油、蜡、氨、乙烯、丙烯、聚合物、醇
、醛等
113种产品，其中油品占60%，
化工产品占40%。
该公司生产的汽油
和柴油可满足南非
28%的需求量，其煤炭间接
液化技术处于
世界领先地位。
此外，美国SGI公司于
80年代末开发出了一种新的煤炭液化
技术，即LFC（煤
提油）技术。
该技术是利用低
温干馏技术，从次烟煤或褐煤等非炼焦
煤中提取固态的
高品质洁净煤
和液态可燃油。
美国
SGI公司于
1992
年建成了一座日处理能力为
100
0t的次烟煤商业示范厂。
２、工艺原理
费托合成（Fisher-Tropsch
Sythesis）合成是指
CO在固体催化剂作用下非骏相
氢化生成不同
链长的烃类（
C1～C25）和含氧化合物的反应。
该反应于
1923年由F.
Fischer和H.Tropsch首次发现后经
Fischer等人完善，并于1936
年在鲁尔化学公司
实现工业化，
费托（F-T）合成因此而
得名。
费托合成
反应化学计量式因催化剂的不同
和操作条件的差异将导致较大
差别，但
可用以下两个基本反应式描述。
（1）烃类生成反应
CO+2H2→（-CH2-）+H2O
（2）水气变换反应
CO+H2O→H2+CO2
由以上两式可得合成反应的通用式：
2CO+H2→（-CH2-）+CO2
由以上两式可以推出烷烃和烯烃生成的通用计量式如下：
（3）烷烃生成反应
nCO+（2n+1）H2→CnH2n+2+nH2O
2nCO+（n+1）H2→CnH2n+2+nCO2
3nCO+（n+1）H2O→CnH2n+2+（2n+1）CO2
nCO2+（3n+1）H2→CnH2n+2+2nH2O
（4）烯烃生成反应
nCO+2nH2→CnH2n+nH2O
2nCO+nH2→CnH2n+nCO2
3nCO+nH2O→CnH2n+2nCO2
nCO2+3nH2→CnH2n+2nH2O
间接液化的主要反应就是上面的反应，由于反应条件的不同，还有甲烷生成反应，
醇类生成反应（生产甲醇就需要此反应），醛类生成反应等等。
3、工艺过程
煤间接液
化可分为高温合成与低温合成两
类工艺。
高温合成得到
的主要产品有石
脑油、丙烯、
α－烯烃和
C14～C18烷烃等，这些产品可以用作
生产石化替代产品的
原料，如石脑
油馏分制取乙烯、
α－烯烃制取高级洗涤剂等
，也可以加工成汽油、柴
油等优质发动
机燃料。
低温合成的主要产品是
柴油、航空煤油、蜡和
LPG等。
煤间
接液化制得的
柴油十六烷值可高达
70，是优质的柴油调兑产品。
煤间接液化制油工艺主要有
Sasol
工艺、Shell的SMDS工艺、Syntroleum
技术、
Exxon的AGC-21技术、Rentech技术。
己工业化的有
南非的Sasol
的浆态床、流化
床、固定床工
艺和Shell
的固定床工艺。
国际上南非
Sasol
和Shell
马来西亚合成油
工厂已有长期
运行经验。
典型煤基
F－T合成工艺包括：
煤的气化及煤气净化、变
换和脱碳；F－T合成反
应；油品加工等
3个纯“串联”步骤。
气化装置产出的粗煤气经除尘、冷却得到净煤气
，
净煤气经CO宽温耐硫变换和酸
性气体（包括
H2和CO2等）脱除，得到成分合格的
合成气。
合成气进入合成反
应器，在一定温度、压力及催化剂作用下，
H2S和CO转
化为直链烃类
、水以及少量的含氧有机化合物
。
生成物经三相分离，水相去
提取醇、
酮、醛等化学品；油相
采用常规石油炼制手段（如常、减压
蒸馏），根据需要切割出
产品馏份，经进一步加工（如加氢精制、临氢降凝、催化重
整、加氢裂化等工艺
）得
到合格的油品
或中间产品；气相经冷冻分离及
烯烃转化处理得到
LPG、聚合级丙烯、
聚合级乙烯及
中热值燃料气。
4、工艺特点
（1）合成条件较温和，无论是固定床、流化床还是浆态床，反应温度均低于35
0℃，反应压力2.0－3.0MPa；
（2）转化率高，如SASOL公司SAS工艺采用熔铁催化剂，合成气的一次通过
转化率达到60％以上，循环比为2.0时，总转化率即达90％左右。
Shell公司的SM
DS工艺采用钴基催化剂，转化率甚至更高；
（3）受合成过程链增长转化机理的限制，目标产品的选择性相对较低，合成副
产物较多，正构链烃的范围可从C1至C100；随合成温度的降低，重烃类（如蜡油）
产量增大，轻烃类（如CH4、C2H4、C2H6、⋯⋯等）产量减少；
（4）有效产物－CH2－的理论收率低，仅为43.75％，工艺废水的理论产量却
高达
56.25％；
（5）煤消耗量大，一般情况下（6）反应物均为气相，设备体（7）煤基间接液化全部依赖于煤
，约5～7t原煤产1t成品油。
积庞大，投资高，运行费用高；
的气化，没有大规模气化便没有煤基间接液化
。
5、国内技术发展
我国从50年代初即开始进行煤炭间接
液化技术的研究，曾在锦州进行过
4500t/
年的煤间接液
化试验，后因发现大庆油田而中
止。
由于70年代的两次石油
危机，以
及“富煤少油”的能源结构带来的一
系列问题，我国自
80年代初又恢复对煤间接液化
合成汽油技术
的研究，由中科院山西煤化所组
织实施。
“七五”期间，山西煤化所开的煤基合成汽油技术被列
为国家重点科技攻关项目
。
1
989年在代县化肥厂完成了
小型实验。
“八五”期间，国家和山西省政府投资
2000
多
万元，在晋城化肥厂建立了
年产2000
吨汽油的工业试验装置，生产出了
90号汽油。
在此基础上，提出了年产
10万吨合成汽油装置的技术
方案。
2001
年，国家
863
计划
和中科院联合
启动了“煤变油”重大科技项目。
中科院山西煤化所承
担了这一项目的研
究，科技部投
入资金6000
万，省政府投入
1000万和本地企业的支
持，经过一年多
攻关，千吨级浆
态床中试平台在
2002
年9月实现了第一次试运转，
并合成出第一批
粗油品，低温浆
态合成油可以获得约
70％的柴油，十六烷值达到
70
以上，其它产品
有LPG（约5％～10％）、含氧化合物等。
其核心技术费托合
成的催化剂、反应器和工
艺工程也取得
重大突破。
目前，万
吨级煤基合成汽油工艺技术软件
开发和集成的研究正在进行，从
90年
代初开始研究
用于合成柴油的钴基催化剂技术
也正处在试验阶段。
经过
20
年的开发
和研究，目前我国已经
具备建设万吨级规模生产装置
的技术储备，在关键技术、催化
剂的研究开发
方面已拥有了自主知识产权
。
可以这样讲，我国自己研
发的煤炭液化技
术已达到世界
先进水平。
中科院山
西煤化所与连顺能源有限公司就
共同组建合成油品实验室达成
协议，连
顺公司为山西
煤化所技术研究和开发出资
1500万元，用于关键技术的研究和有关技
术的开发，并最终用3－5年时间在山西朔州建一个年产15万t合成液化油的间接液
化生产厂。
中科院和山西省政府签署了“发展山西煤间接液化合成油产业的框架协议”，
根据这个协议，在今后5－10年内，山西省将以自己的煤炭资源优势为依托，借助产
业化部门的加
盟，通过国家投资和社会融
资方式，在朔州和大同几个
大煤田之间建成
一个以百万吨
煤基合成油为核心的、多联产特
大型企业集团。
在技术开发的同时，国内煤炭企业对
引进成熟技术、建设煤间接
液化工厂做了大
量工作。
平顶山煤业集团、宁夏煤业
集团以及我公司就建设间接液化
商业化示范工厂
进行了煤种评
价试验和建厂预可行性研究，并就引进
技术、投融资、立项等做了大量
前期工作，目
前项目正在论证阶段。
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