煤基燃料的制备与应用_谢克昌VIP专享VIP免费

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第55卷　第9期

2004年9月

化　　　工　　　学　　　报

Journal　of　Chemical　Industry　and　Engineering　（China）

Vol∙55　№9

September　2004

综述与专论煤基燃料的制备与应用

谢克昌　李　忠

（太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室山西太原 030024）

摘　要　随着国内能源消费的增长特别是车用燃料的迅速增长石油消费总量越来越大但国内石油资源有

限专家预计2010年和2020年石油的对外依存度将达到50％和60％威胁国家能源的安全供应．但我国煤炭资

源相对丰富大力发展以煤为原料的合成液体替代燃料提供部分车用燃料将是解决能源安全供应问题的重

要途径之一．论述和比较了合成煤基燃料的3种不同工艺路线：煤直接液化合成油煤间接液化合成油和煤基

含氧燃料合成．前两种工艺的主要目标是提高燃料的 H／C 比以合成粗油或碳氢化合物为目标产物．新一代煤

直接液化合成油技术还没有工业化装置投入运行但间接 F-T 合成碳氢燃料已有成功的工业经验．和石油基燃

料相比虽然煤基碳氢燃料还不具有明显的经济优势但对于石油资源有限的中国具有重要的战略意义．煤间

接液化也可合成煤基含氧燃料即甲醇燃料和二甲醚燃料等．和碳氢燃料相比合成煤基含氧燃料不仅具有明

显的技术和经济优势而且充分利用了煤中 C、H 和O3种主要元素可以实现资源、能源、环境和经济可持续

发展．

关键词　煤　能源　煤基燃料　洁净煤技术

中图分类号　TQ53　　　　　　　文献标识码　A文章编号　0438－1157 （2004） 09－1393－07

PRODUCTION AND APPLICATION OF COAL-BASED FUEL

XIE Kechang and LI Zhong

（ Key Lab for Coal Science and Technology of Ministry of Education and Shanxi Province

Taiyuan University of TechnologyTaiyuan030024 Shanxi China）

Abstract　With rapidly growing demand for energyespecially for transportation fuelsChina is likely to turn to coal as

a basis for providing synthetic liquid fuels for transportation and other applications．Three alternative approaches to

providing liquid fuels from coal：direct coal liquefactionindirect coal liquefaction and synthesis of coa-l based

oxygenated fuelsare described and compared in this paper．In the first two cases a major challenge is to increase the

ratio of hydrogen to carbon and the objective product is synthetic crude oil or hydrocarbon fuel．Modern technology of

direct coal liquefaction has not yet been commercializedwhile Fisher-Tropsch synthesis is well established

commercially．Even though coa-l based hydrocarbon fuels do not have significant economic advantages as compared with

petroleum productsthey have significant strategic importance in energy security in China．Two oxygenated fuels from

coalmethanol （MeOH） and dimethyl ether （DME）can also be derived via indirect liquefaction．The oxygenated

fuels from coal has a unique advantage in both technology and economywhich is derived from economical utilization of

CHand O in coal．

Keywords　coalenergycoa-l based fuelclean coal technology

　　2003－06－17收到初稿2004－06－24收到修改稿．

联系人及第一作者：谢克昌男57岁中国工程院院士

教授．

　　Received date：2003－06－17．

Corresponding author：Prof．XIE Kechang．

引　言

据美国能源部和世界能源理事会的一项预测表

明全球化石类能源资源的可开采年限分别为：石

油39年天然气60年煤211年；全球的石油生

产将于2010～2050年间达到顶峰［1］．国际能源机

构（IEA） 2001年公布的统计数据表明1999年石

油占总一次能源供应（total primary energy supply

TPES）的35∙0％位居第一；煤炭占23∙5％位

居第二；天然气占20∙7％位居第三［2］．可见石

油、煤、天然气是主要的能源资源．

世界原油储量分布为：中东 66∙4％南美

7∙8％北美7∙5％非洲6∙6％东欧5∙8％亚洲

3∙9％西欧1∙8％澳大利亚0∙2％［3］．全世界的

石油到底还能用多久？答案不一．联合国国际能源

局认为目前已探明的石油储量开采到2020年不

会有任何问题；世界上最大的石油公司 Exxon 公司

认为就目前探明的储量来看即使再开采70年

也不会到达底线．但有的专家则认为石油匮乏迫在

眉睫如果不努力开发替代能源将会出现悲剧性

后果．但是各国能源消费结构不仅取决于资源还

取决于经济、科技和政治等方面因素．世界发达国

家如美国、日本和意大利等以石油消费占主导地

位分别占总能源消费量的39∙7％、51∙1％和

58∙4％［4］．

我国是一个煤炭资源相对丰富、石油和天然气

资源缺乏的国家．1998年国家统计资料表明国

内煤炭的保有储量为10070∙7亿吨可开采储量为

7650亿吨；石油储量为940亿吨可开采储量为

52∙6亿吨；天然气的预测资源为4万亿立方米

可开采储量为2万亿立方米．在世界已探明的储量

中中国石油占2∙7％天然气占0∙9％而煤炭却

占15％因此煤炭资源是我国相对丰富的化石

能源．

正由于我国特殊的能源结构长期以来形成了

以煤炭生产和消费为主的能源结构．2001年国

内能源生产总量为11∙7亿吨标准煤其中原煤

11∙1亿吨石油1∙65亿吨；能源消费总量为13∙8

亿吨标准煤其中67∙0％为煤及煤产品23∙9％为

石油2∙5％为天然气；年人均能源消费值约1t 标

准煤是美国的1／10日本的1／5不到世界平均

值的1／2．随着我国经济建设和生活水平提高年

人均能源消费值将迅速增加预计2030年将达到

2∙5～3t 标准煤左右．2003年初国际能源署发布的

《世界能源展望》报告中认为在2000～2030年期

间中国的能源需求量每年平均增长2∙7％2030

年将达到31∙95亿吨标准煤．

以石油为基础、汽油和柴油等成品油为燃料的

汽车工业是我国能源消费增加的主要产业．1993

年起我国已成为石油纯进口国2001年石油进口

7000万吨成品油进口约3000万吨进口石油占

国内石油消费总量的1／3成为世界上第三大石油

进口国已接近国际公认的能源供应安全低线．最

新统计资料显示2003年中国石油、天然气产量

增速放慢而原油进口量和消费量则大幅上涨．

2003年国内共生产原油 1∙69 亿吨天然气

431∙28亿立方米同比分别增长1∙5％和6∙7％．

2003年中国原油消费总量为2∙52亿吨同比增长

10∙15％；石油消费总量为2∙74亿吨同比增长

11∙52％；原油净进口8299 万吨同比增长

34∙4％占国内原油消费量的36∙1％；产品油净进

口1442万吨同比增长49∙3％．据国际能源组织

估计我国已超过日本成为全球仅次于美国的世

界第二大石油消费国．

专家预测2010年和2020年我国石油消费的

对外依存度将达到50％和60％．如此大量依赖国

外石油资源的能源供应体系不仅需要花费大量的外

汇资金而且是十分危险和不安全的．我国进口石

油的60％来自中东中东的政局变化将严重影响

我国的石油进口安全．解决石油安全问题需要在加

大建设石油战略储备体系的同时继续采取既定的

陆、海石油工业方针并通过多种途径利用国际石

油资源和市场实行多元化贸易战略．但是要从

根本上解决我国石油短缺问题确保石油安全最

佳途径是从保障能源安全的高度出发采取石油进

口替代战略加大煤炭合理开发和洁净利用的力

度发展核能开发水能、风能、太阳能、生物质

能等可再生能源和洁净能源．这其中开发和推广以

煤为基础的适宜产品作为汽油和柴油的替代燃料是

最现实可行的．

1　煤基燃料的种类和制备

20世纪70年代的两次石油危机造成那些主

要靠中东石油进口的国家经济混乱和社会动荡纷

纷采取措施开发新的替代能源以减少对石油的依

赖性．煤炭资源丰富能量密度高主要由 C、H

·1394· 化　　　工　　　学　　　报　　2004年9月　

组成与石油相似因此煤基燃料的开发研究成

为主攻方向．煤直接加氢液化和间接加氢液化合成

汽柴油是主要的研究方向但由于技术和经济等方

面原因工业化发展受到限制．20世纪90年代以

来基于已有的较为成熟的合成工艺甲醇替代燃

料的研究取得了重大进展进而开发替代柴油的二

甲醚燃料．这种以甲醇或二甲醚为主的煤基含氧燃

料从资源、经济、环保和可持续发展上考虑均具

有较强的竞争优势．

从目前的技术发展现状看煤基燃料可分为3

类：直接加氢合成油间接加氢合成油和含氧燃

料．

1∙1　煤直接加氢合成油

从理论上讲煤转油是指在一定的化学反应条

件下将H／C 比为 0∙8左右、相对分子质量为

5000的稠环芳烃为主要结构特征的固体煤转化为

H／C 比为2左右、相对分子质量为100～200的脂

肪烃为主要结构特征的汽油、柴油．煤直接加氢合

成油就是将煤在高温高压条件下通过催化加氢直

接液化合成液态烃类化合物并脱除煤中氮、氧和

硫等杂原子．

nCH

0∙8

＋（0∙6n＋1）H

2CnH

2n＋2

　（煤直接加氢合成油）

早在20世纪20年代德国就开始研究煤的直接

加氢液化技术并于1927年建立了一座规模为100

kt·a－1

的煤直接液化工厂到1944年第二次世界大

战前共建有11套装置其操作条件十分苛刻反

应温度470℃反应压力70MPa．后由于石油工业

的发展缺乏市场竞争力相继关闭．20世纪70

年代的两次石油危机使煤直接加氢液化技术重新得

到重视美国、德国、日本和前苏联等国家相继开

发了多种工艺完成了中试或工业性试验但由于

投资大、产品成本高一直未见工业化生产装置建

立．这些工艺主要以缓和反应条件、降低煤液化合

成油的成本为目标开发了多种催化剂、供氢溶

液、重质化和固液分离技术以及在线加氢提质和

煤油共炼等工艺．反应条件一般控制在温度440～

500℃压力15～30MPa 条件下．例如德国 IGOR

工艺的煤液化条件为温度465℃压力30MPa催

化剂为赤泥液化强度可达0∙5t·m－3

·h－1

．其他

代表性工艺有美国的 HTI、COP 工艺日本的

NEDOL 工艺．我国有关单位在煤直接加氢液化方

面也进行了大量的研究开发工作．2002年8月

国家批准了我国首个也是世界上首个商业化的神华

集团煤炭直接液化项目．项目总建设规模为年产油

品500万吨其中一期工程为250万吨预计年耗

煤602∙8万吨工程总建设投资为162∙99亿元［5］．

项目拟采用 HTI 工艺将粉煤在约17∙2MPa 和427

℃条件下溶解于循环的重质过程液体中并加入

氢气大多数煤结构在此被破解；液化在第二段完

成条件为较高温度和15∙2MPa铁基催化剂分散

在两段浆液中．据报道一期工程中年产100万吨

产品油的生产线已开工建设．

1∙2　煤间接加氢合成油

煤直接加氢合成油的操作条件苛刻煤种依赖

性强生产成本高．20世纪40年代人们吸取高

压合成氨和合成甲醇的成功经验后开始研究煤的

间接液化合成油即将煤首先气化成 CO 和H

通

过水气变换反应转化为一定 H／C 比的合成气（CO

＋H

）再通过催化合成（F-T 合成等）转化为烃类

化合物．

0∙8

＋H

O CO＋1∙4H

　　（煤气化）

CO＋H

O H

＋CO

　　（变换制氢）

　nCO＋（2n＋1）H

2C2

2n＋2

＋nH

（间接液化F-T 合成）

煤间接液化合成油的关键技术是合成气转化反

应与直接液化相比反应条件较为温和典型反

应条件为250～350℃3∙0～5∙0MPa．合成汽油产

品的辛烷值不低于90合成柴油产品的十六烷值

高达75且不含芳烃和硫、氮等污染物［6］．但是

煤间接液化反应是一个强放热反应每生成一个

－CH

－基团就要失去一个水分子因而在合成

油的过程中能量损失较大．

国际上各大石油公司例如荷兰 Shell南非

Sasol 美国 Mobil、 Exxon、 Syntroleum、 William、

Catalytica 等公司均投入巨资开发天然气制取液态

烃类化合物产生多种合成转化新工艺．我国煤炭

资源相对丰富因此以煤基合成气转化为烃类燃

料即煤间接液化从长远看与直接液化一样具

有重要的战略意义．

南非曾因受到国际制裁而以本国丰富的煤炭资

源为依托开发煤间接液化技术并于1955年Sasol

公司首先建厂进行工业化生产逐渐发展成 Saso-l

Ⅰ、Saso-l Ⅱ、Saso-l Ⅲ生产工艺但在20世纪90

年代解除制裁后面临新的选择．据报道Sasol 公

司除加工石油制品外正在将以煤为原料的间接液

化浆态床工业装置改为以天然气为主要原料生产

并在新建装置中使用天然气原料［7］．中国科学院山

·1395·

　第55卷第9期　　谢克昌等：煤基燃料的制备与应用

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第55卷第9期2004年9月化工学报JournalofChemicalIndustryandEngineering（China）Vol∙55№9September2004综述与专论煤基燃料的制备与应用谢克昌李忠（太原理工大学煤科学与技术教育部和山西省重点实验室山西太原030024）摘要随着国内能源消费的增长特别是车用燃料的迅速增长石油消费总量越来越大但国内石油资源有限专家预计2010年和2020年石油的对外依存度将达到50％和60％威胁国家能源的安全供应．但我国煤炭资源相对丰富大力发展以煤为原料的合成液体替代燃料提供部分车用燃料将是解决能源安全供应问题的重要途径之一．论述和比较了合成煤基燃料的3种不同工艺路线：煤直接液化合成油煤间接液化合成油和煤基含氧燃料合成．前两种工艺的主要目标是提高燃料的H／C比以合成粗油或碳氢化合物为目标产物．新一代煤直接液化合成油技术还没有工业化装置投入运行但间接F-T合成碳氢燃料已有成功的工业经验．和石油基燃料相比虽然煤基碳氢燃料还不具有明显的经济优势但对于石油资源有限的中国具有重要的战略意义．煤间接液化也可合成煤基含氧燃料即甲醇燃料和二甲醚燃料等．和碳氢燃料相比合成煤基含氧燃料不仅具有明显的技术和经济优势而且充分利用了煤中C、H和O3种主要元素可以实现资源、能源、环境和经济可持续发展．关键词煤能源煤基燃料洁净煤技术中图分类号TQ53文献标识码A文章编号0438－1157（2004）09－1393－07PRODUCTIONANDAPPLICATIONOFCOAL-BASEDFUELXIEKechangandLIZhong（KeyLabforCoalScienceandTechnologyofMinistryofEducationandShanxiProvinceTaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024ShanxiChina）AbstractWithrapidlygrowingdemandforenergyespeciallyfortransportationfuelsChinaislikelytoturntocoalasabasisforprovidingsyntheticliquidfuelsfortransportationandotherapplications．Threealternativeapproachestoprovidingliquidfuelsfromcoal：directcoalliquefactionindirectcoalliquefactionandsynthesisofcoa-lbasedoxygenatedfuelsaredescribedandcomparedinthispaper．Inthefirsttwocasesamajorchallengeistoincreasetheratioofhydrogentocarbonandtheobjectiveproductissyntheticcrudeoilorhydrocarbonfuel．ModerntechnologyofdirectcoalliquefactionhasnotyetbeencommercializedwhileFisher-Tropschsynthesisiswellestablishedcommercially．Eventhoughcoa-lbasedhydrocarbonfuelsdonothavesignificanteconomicadvantagesascomparedwithpetroleumproductstheyhavesignificantstrategicimportanceinenergysecurityinChina．Twooxygenatedfuelsfromcoalmethanol（MeOH）anddimethylether（DME）canalsobederivedviaindirectliquefaction．TheoxygenatedfuelsfromcoalhasauniqueadvantageinbothtechnologyandeconomywhichisderivedfromeconomicalutilizationofCHandOincoal．Keywordscoalenergycoa-lbasedfuelcleancoaltechnology2003－06－17收到初稿2004－06－24收到修改稿．联系人及第一作者：谢克昌男57岁中国工程院院士教授．Receiveddate：2003－06－17．Correspondingauthor：Prof．XIEKechang．引言据美国能源部和世界能源理事会的一项预测表明全球化石类能源资源的可开采年限分别为：石油39年天然气60年煤211年；全球的石油生产将于2010～2050年间达到顶峰［1］．国际能源机构（IEA）2001年公布的统计数据表明1999年石油占总一次能源供应（totalprimaryenergysupplyTPES）的35∙0％位居第一；煤炭占23∙5％位居第二；天然气占20∙7％位居第三［2］．可见石油、煤、天然气是主要的能源资源．世界原油储量分布为：中东66∙4％南美7∙8％北美7∙5％非洲6∙6％东欧5∙8％亚洲3∙9％西欧1∙8％澳大利亚0∙2％［3］．全世界的石油到底还能用多久？答案不一．联合国国际能源局认为目前已探明的石油储量开采到2020年不会有任何问题；世界上最大的石油公司Exxon公司认为就目前探明的储量来看即使再开采70年也不会到达底线．但有的专家则认为石油匮乏迫在眉睫如果不努力开发替代能源将会出现悲剧性后果．但是各国能源消费结构不仅取决于资源还取决于经济、科技和政治等方面因素．世界发达国家如美国、日本和意大利等以石油消费占主导地位分别占总能源消费量的39∙7％、51∙1％和58∙4％［4］．我国是一个煤炭资源相对丰富、石油和天然气资源缺乏的国家．1998年国家统计资料表明国内煤炭的保有储量为10070∙7亿吨可开采储量为7650亿吨；石油储量为940亿吨可开采储量为52∙6亿吨；天然气的预测资源为4万亿立方米可开采储量为2万亿立方米．在世界已探明的储量中中国石油占2∙7％天然气占0∙9％而煤炭却占15％因此煤炭资源是我国相对丰富的化石能源．正由于我国特殊的能源结构长期以来形成了以煤炭生产和消费为主的能源结构．2001年国内能源生产总量为11∙7亿吨标准煤其中原煤11∙1亿吨石油1∙65亿吨；能源消费总量为13∙8亿吨标准煤其中67∙0％为煤及煤产品23∙9％为石油2∙5％为天然气；年人均能源消费值约1t标准煤是美国的1／10日本的1／5不到世界平均值的1／2．随着我国经济建设和生活水平提高年人均能源消费值将迅速增加预计2030年将达到2∙5～3t标准煤左右．2003年初国际能源署发布的《世界能源展望》报告中认为在2000～2030年期间中国的能源需求量每年平均增长2∙7％2030年将达到31∙95亿吨标准煤．以石油为基础、汽油和柴油等成品油为燃料的汽车工业是我国能源消费增加的主要产业．1993年起我国已成为石油纯进口国2001年石油进口7000万吨成品油进口约3000万吨进口石油占国内石油消费总量的1／3成为世界上第三大石油进口国已接近国际公认的能源供应安全低线．最新统计资料显示2003年中国石油、天然气产量增速放慢而原油进口量和消费量则大幅上涨．2003年国内共生产原油1∙69亿吨天然气431∙28亿立方米同比分别增长1∙5％和6∙7％．2003年中国原油消费总量为2∙52亿吨同比增长10∙15％；石油消费总量为2∙74亿吨同比增长11∙52％；原油净进口8299万吨同比增长34∙4％占国内原油消费量的36∙1％；产品油净进口1442万吨同比增长49∙3％．据国际能源组织估计我国已超过日本成为全球仅次于美国的世界第二大石油消费国．专家预测2010年和2020年我国石油消费的对外依存度将达到50％和60％．如此大量依赖国外石油资源的能源供应体系不仅需要花费大量的外汇资金而且是十分危险和不安全的．我国进口石油的60％来自中东中东的政局变化将严重影响我国的石油进口安全．解决石油安全问题需要在加大建设石油战略储备体系的同时继续采取既定的陆、海石油工业方针并通过多种途径利用国际石油资源和市场实行多元化贸易战略．但是要从根本上解决我国石油短缺问题确保石油安全最佳途径是从保障能源安全的高度出发采取石油进口替代战略加大煤炭合理开发和洁净利用的力度发展核能开发水能、风能、太阳能、生物质能等可再生能源和洁净能源．这其中开发和推广以煤为基础的适宜产品作为汽油和柴油的替代燃料是最现实可行的．1煤基燃料的种类和制备20世纪70年代的两次石油危机造成那些主要靠中东石油进口的国家经济混乱和社会动荡纷纷采取措施开发新的替代能源以减少对石油的依赖性．煤炭资源丰富能量密度高主要由C、H·1394·化工学报2004年9月组成与石油相似因此煤基燃料的开发研究成为主攻方向．煤直接加氢液化和间接加氢液化合成汽柴油是主要的研究方向但由于技术和经济等方面原因工业化发展受到限制．20世纪90年代以来基于已有的较为成熟的合成工艺甲醇替代燃料的研究取得了重大进展进而开发替代柴油的二甲醚燃料．这种以甲醇或二甲醚为主的煤基含氧燃料从资源、经济、环保和可持续发展上考虑均具有较强的竞争优势．从目前的技术发展现状看煤基燃料可分为3类：直接加氢合成油间接加氢合成油和含氧燃料．1∙1煤直接加氢合成油从理论上讲煤转油是指在一定的化学反应条件下将H／C比为0∙8左右、相对分子质量为5000的稠环芳烃为主要结构特征的固体煤转化为H／C比为2左右、相对分子质量为100～200的脂肪烃为主要结构特征的汽油、柴油．煤直接加氢合成油就是将煤在高温高压条件下通过催化加氢直接液化合成液态烃类化合物并脱除煤中氮、氧和硫等杂原子．nCH0∙8＋（0∙6n＋1）H2CnH2n＋2（煤直接加氢合成油）早在20世纪20年代德国就开始研究煤的直接加氢液化技术并于1927年建立了一座规模为100kt·a－1的煤直接液化工厂到1944年第二次世界大战前共建有11套装置其操作条件十分苛刻反应温度470℃反应压力70MPa．后由于石油工业的发展缺乏市场竞争力相继关闭．20世纪70年代的两次石油危机使煤直接加氢液化技术重新得到重视美国、德国、日本和前苏联等国家相继开发了多种工艺完成了中试或工业性试验但由于投资大、产品成本高一直未见工业化生产装置建立．这些工艺主要以缓和反应条件、降低煤液化合成油的成本为目标开发了多种催化剂、供氢溶液、重质化和固液分离技术以及在线加氢提质和煤油共炼等工艺．反应条件一般控制在温度440～500℃压力15～30MPa条件下．例如德国IGOR工艺的煤液化条件为温度465℃压力30MPa催化剂为赤泥液化强度可达0∙5t·m－3·h－1．其他代表性工艺有美国的HTI、COP工艺日本的NEDOL工艺．我国有关单位在煤直接加氢液化方面也进行了大量的研究开发工作．2002年8月国家批准了我国首个也是世界上首个商业化的神华集团煤炭直接液化项目．项目总建设规模为年产油品500万吨其中一期工程为250万吨预计年耗煤602∙8万吨工程总建设投资为162∙99亿元［5］．项目拟采用HTI工艺将粉煤在约17∙2MPa和427℃条件下溶解于循环的重质过程液体中并加入氢气大多数煤结构在此被破解；液化在第二段完成条件为较高温度和15∙2MPa铁基催化剂分散在两段浆液中．据报道一期工程中年产100万吨产品油的生产线已开工建设．1∙2煤间接加氢合成油煤直接加氢合成油的操作条件苛刻煤种依赖性强生产成本高．20世纪40年代人们吸取高压合成氨和合成甲醇的成功经验后开始研究煤的间接液化合成油即将煤首先气化成CO和H2通过水气变换反应转化为一定H／C比的合成气（CO＋H2）再通过催化合成（F-T合成等）转化为烃类化合物．CH0∙8＋H2OCO＋1∙4H2（煤气化）CO＋H2OH2＋CO2（变换制氢）nCO＋（2n＋1）H2C2H2n＋2＋nH2O（间接液化F-T合成）煤间接液化合成油的关键技术是合成气转化反应与直接液化相比反应条件较为温和典型反应条件为250～350℃3∙0～5∙0MPa．合成汽油产品的辛烷值不低于90合成柴油产品的十六烷值高达75且不含芳烃和硫、氮等污染物［6］．但是煤间接液化反应是一个强放热反应每生成一个－CH2－基团就要失去一个水分子因而在合成油的过程中能量损失较大．国际上各大石油公司例如荷兰Shell南非Sasol美国Mobil、Exxon、Syntroleum、William、Catalytica等公司均投入巨资开发天然气制取液态烃类化合物产生多种合成转化新工艺．我国煤炭资源相对丰富因此以煤基合成气转化为烃类燃料即煤间接液化从长远看与直接液化一样具有重要的战略意义．南非曾因受到国际制裁而以本国丰富的煤炭资源为依托开发煤间接液化技术并于1955年Sasol公司首先建厂进行工业化生产逐渐发展成Saso-lⅠ、Saso-lⅡ、Saso-lⅢ生产工艺但在20世纪90年代解除制裁后面临新的选择．据报道Sasol公司除加工石油制品外正在将以煤为原料的间接液化浆态床工业装置改为以天然气为主要原料生产并在新建装置中使用天然气原料［7］．中国科学院山·1395·第55卷第9期谢克昌等：煤基燃料的制备与应用西煤炭化学研究所一直致力于煤间接液化技术开发研究在固定床两段法合成汽油2000t·a－1工业试验的基础上现正进行1000t·a－1浆态床工艺工业模拟试验已取得了重要进展．1∙3煤基含氧燃料无论煤直接液化还是煤间接液化都是基于石油路线的思考其目的是将煤转化为液态烃类的汽油和柴油．如果摆脱石油路线的影响充分考虑煤的结构和煤中C、H、O元素的组成以及条件温和且较为成熟的合成工艺可以明显看出由煤通过气化合成含氧燃料即甲醇燃料和二甲醚燃料是一条件十分成熟而又现实可靠的工业路线．近年来大量的台架试验和大规模车队运行试验已基本证明甲醇燃料和二甲醚燃料可以完全替代石油制品汽柴油用于机动车而且尾气排放污染物相对更少更有利于环境保护和可持续发展．山西省在这一方面进行了多年的卓有成效的研究和示范取得了重要研究成果正在建设甲醇燃料生产基地和甲醇燃料车示范基地．由煤合成甲醇燃料和二甲醚燃料的化学反应如下CH0∙8＋H2OCO＋1∙4H2（煤气化）CO＋H2OH2＋CO2（变换制氢）CO＋2H2CH3OH（甲醇合成）2CH3OHCH3OCH3＋H2O（二甲醚合成）甲醇和二甲醚的合成条件相对温和一般为200～300℃5～10MPa合成产品单一选择性好转化率高催化剂寿命长特别是甲醇的合成已有近80多年的发展历史工艺成熟可靠．美国能源部早在1992年通过优惠政策和政府资助形式大力发展内燃机替代燃料甲醇和二甲醚的合成及应用研究美国空气和化学品公司在能源部煤洁净技术项目资助下开发的浆态床甲醇和二甲醚生产工艺有望进一步降低生产成本提高生产规模．太原理工大学在国家和省部级资助项目的基础上结合“211工程”二期建设目标正致力于煤基含氧燃料的制备技术和机动车应用研究开发．2煤基燃料的技术性和经济性分析2∙1煤基燃料的技术性分析煤直接加氢液化合成油要求的煤种比较苛刻必须是氢含量高和氧含量低的年轻煤而且要求水分含量小硫、氮等杂原子含量少以及具有易磨碎等性能极大地限制了煤种的选择而间接液化合成油和含氧燃料的合成对煤种的适用性较强也可以用其他含碳物质如天然气、煤层气、页岩、植物等作为原料．合成煤基燃料的技术分析比较见表1．Table1Technologiesofsynthesisofcoa-lbasedfuelsItemLiquefactionbydirecthydrogenationLiquefactionbyindirecthydrogenationSynthesisofoxy-fueladaptabilitytocoalfeedPoor．Requireshighhydrogencontentlowoxygenandmoisturecontentashcontent＜5％lowcontentofhetero-atomsofSandN．Generallycoalfeedofyoungeragesuchasligniteandlong-flamecoal．Pulverizedto＜200meshGood．Nospecialrequirement．AnyfeedofcarbonaceousmaterialGood．Nospecialrequirement．AnyfeedofcarbonaceousmaterialconversiontosynthesisgasNotrequiredRequiredRequiredreactioncondition440－450℃15－30MPaSevere250－350℃3∙0－5∙0MPaFairlymild200－300℃3∙0－10MPaFairlymildbroadrangeofoperatingpressurecatalystOncethroughinalargeamountdifficulttorecoverUsedinasmallamountlongliferecov-erableUsedinasmallamounthighreactivitylongliferecoverablecompositionofreactionproductsMixtureofhydrocarbonswithcomplexcompositioncontainingasmallamountofhetero-atomsofSandN．DifficulttoseparateMixtureofhydrocarbonswithcomplexcompositioncontainingbasicallynohetero-atomsofSandN．DifficulttoseparateMainlymethanolordimethyletherwithsimplecompositioncontainingbasi-callynohetero-atomsofSandN．Easytoseparateandpurify·1396·化工学报2004年9月Table1（continued）ItemLiquefactionbydirecthydrogenationLiquefactionbyindirecthydrogenationSynthesisofoxy-fuelendproductOtherhydrocarbonsinadditiontogaso-lineanddieselfuelOtherhydrocarbonsinadditiontogaso-lineanddieselfuelSingleproductsofmethanolanddimethyletheryieldFairlylowFairlylowFairlyhighthermalefficiencyFairlyhighFairlylowMediumutilizationofchemicalele-mentsOnlyCHareutilizedandOisremovedOnlyCHareutilizedandOisremovedCHOarefullyutilizedenvironmentalimpactAlargeamountofcatalystisusedandpollutionbysolidwasteisincurredMediumimpactLeastimpactcommercializationCommercializedinGermanyin1920s－1940s．Closeddownwiththegrowthofpetroleumindustry．Researchonnewtechnologyofcoalliquefactionbyhy-drogenationbeganin1970sandcom-mercialtestwasmade．Nocommercialscaleunitestablished．Amillion-toncommercialunitisbeingbuiltinChi-naCommercialapplicationatSouthAfrica’sSasolCompanybeganin1950s．Multiple-feedprocessisbeingdevel-oped．Coa-lto-liquidisbeingreplacedbygas-to-liquidprocess．Aten-thou-sand-toncommercialtestunitisbeingbuiltinChinaMethanolproductionwascommercializedin1920sandhasbeendevelopedsubstantially．Annualproductionofmethanolintheworldis40Mtwiththelargestproductionunitofsome2Mt·a－1．ProductioncapacityofmethanolinChinaisabout4∙5Mt·a－1．Thelargestproductioncapacityofone-stepsynthesisofdimethyletheris800kt·a－1．RichproductionexperiencehasbeenaccumulatedinChina从合成条件上讲煤直接加氢液化条件十分苛刻不仅反应温度高而且反应压力大造成设备投资大动力消耗高．相对而言间接加氢液化和含氧燃料的合成相对温和特别是含氧燃料合成压力的操作范围宽分高压、中压和低压生产工艺．煤直接加氢液化和间接加氢液化的产物是烃类混合物组成复杂分离提纯比较困难设备投资和运行费用较高而含氧燃料的合成过程催化剂选择性高产品单一易于分离提纯．煤直接加氢液化产物中含有一定的S、N杂原子在机动车应用中易形成尾气污染物而间接加氢液化和合成含氧燃料产品由于通过煤气化和净化手段产品中基本不含S、N等杂原子应用时不会产生S、N等化合物的污染问题．煤主要是由C、H、O3种元素组成直接加氢和间接加氢合成的烃类化合物中脱除了氧元素没有充分利用煤中的元素组成而含氧燃料中含有C、H、O3元素最大限度地利用了原煤中的元素组成．合成煤基含氧燃料过程收率高能量利用率也较高．据报道煤直接加氢液化合成1t油产品要消耗4～4∙5t煤间接加氢液化需5～5∙5t煤而合成1t甲醇燃料消耗1∙5～1∙7t煤二甲醚燃料为2～2∙5t煤．煤直接加氢液化和间接加氢液化工艺流程长产物组成复杂生产设备多基础建设投资大市场风险大．历史上只在特殊情况下实现了工业应用．德国的煤直接加氢液化工艺是在石油工业发展之前进行的南非在石油禁运期间实现了煤间接液化合成油工业生产而合成甲醇自20世纪20年代高压法合成工艺工业化以来一直不断发展更新二甲醚的合成工业研究也方兴未艾它们以煤为原料的工业路线从未间断．随着人们生活水平的提高、环境保护意识的增强和对自身生存环境质量的关心机动车尾气对大气污染的影响越来越受到重视．美国和欧洲等不断提高汽车尾气的检测标准推广尾气净化技术提出新配方汽油的发展思路．煤直接加氢和间接加氢液化产品与现在使用的汽柴油性质基本一致必须采取相应的措施以满足环保要求而煤基含氧燃料汽车的尾气排放污染物要比汽油和柴油低很多（见表2、表3）无须特别处理就可以满足汽车尾气排放标准的要求所以煤基含氧燃料是洁净的汽柴油替代燃料．因此无论从生产过程、操作条件、工业化程度以及工业应用情况来说煤基含氧燃料的合成和应用都具有一定的发展优势．从国家发展战略考·1397·第55卷第9期谢克昌等：煤基燃料的制备与应用虑作为国家重要技术储备煤直接和间接加氢液化合成油的开发研究应予以支持．Table2Valuesofnormalpollutersincarwastegases（20℃FTPmethod）FuelCO／g·km－1HC／g·km－1NOx／g·km－1gasoline5∙32－12∙61∙06－1∙481∙93－3∙35gasoline①0∙86－2∙080∙08－0∙100∙20－0∙43diesel0∙08－0∙400∙05－0∙140∙40－0∙94M850∙20－1∙430∙03－0∙060∙04－0∙19Europeanstandard2∙70∙3410∙252①Byusingcatalyticcleantechnology．Table3ValuesofnormalpollutersinheavytruckusingDMEfuel／g·hp－1·h－1PollutersDMEEuropeanstandardCO2∙17①2∙0HC0∙200∙60NOx3∙855∙0particle0∙050∙10①Easytomeetthestandardbyenginemodification．Note：1hp＝0∙7457kW．但是含氧燃料不同于现有的汽油、柴油产品要建立新的储运和分配系统对发动机进行必要改造因而在使用推广上存在一定困难需要国家政策的支持和鼓励．甲醇燃料的毒性和尾气中未完全燃烧的非常规污染物甲醇、甲醛、甲酸甲酯等碳氢化合物的排放也是一个不容忽视的问题但应科学合理地评价其对人体、环境和生态的各种潜在影响．据美国MalcolmPirnie为美国甲醇研究院所作的评价报告［8］认为：和汽油相比甲醇燃料对人体健康和环境的危害要小．有关煤基含氧燃料的应用技术、环境安全评价和经济性等问题的分析论述详见文献［9］．2∙2煤基燃料的经济性分析德国煤直接加氢合成油的工业应用是在第二次世界大战之前石油工业还未发展经济性和现在无法相比．南非是在国际石油禁运制裁的特殊情况下每桶原油价格上涨到45美元甚至高达75美元时出于国家安全和经济发展的需求依托本国丰富的煤炭资源在政府财政补贴和优惠政策的大力支持下开展了煤间接液化合成油的工业化生产但在20世纪90年代石油禁运解禁后油价逐渐降低到国际价格以煤为原料的间接液化工艺逐渐向天然气原料过渡．中美合作神华煤直接加氢液化合成油项目预计一期工程总投资为162∙99亿元年产商品汽油19万吨柴油178万吨液化气21万吨其他化学品35万吨共计253万吨投入产出比为100万吨油需65亿元资金产品平均售价至少为每桶24美元［10］．据报道南非建设Saso-lⅡ、Saso-lⅢ煤间接液化分厂时总投资70亿美元年产量约650万吨投入产出比约为100万吨油需11亿美元折合人民币近100亿元．若按现在价格计算将更高．中国科学院山西煤炭化学研究所经过长期不懈的努力在2000t·a－1固定床工业性试验的基础上提出1万吨级规模间接合成油需投资1亿元人民币并将硬蜡产品作为该工艺的优势产品．近期1000t·a－1浆态床合成工艺研究结果表明万吨级产品的投资也在1亿元以上．而煤基含氧燃料的工业装置投资相对较小抗风险能力强．按目前的工业投资估算100万吨煤基含氧燃料的投资应在30亿元左右．甲醇燃料的吨成本在900～1000元之间．以每吨甲醇燃料1200元计算1t汽油的热值相当于2t甲醇燃料但汽油的燃烧效率是甲醇燃料的80％故1∙6t甲醇燃料相当于1t汽油的效能．1∙6t甲醇燃料为2000元而1t汽油的价格在2700～3500元左右可见甲醇燃料具有较强的市场竞争能力．美国能源部早在1992年就开始鼓励和支持甲醇替代燃料车的开发和使用并积极资助美国空气和化学品公司新型浆态床甲醇和二甲醚燃料的合成工艺专门成立甲醇研究院对前景十分看好的甲醇燃料电池车进行开发研究．综上所述煤基含氧燃料与煤直接或间接加氢液化相比投入产出比大投资小风险小产品市场竞争能力强．3结论随着我国人民生活水平的提高和经济建设的迅速发展能源的生产和消耗将大幅度增加然而国内石油资源缺乏需大量依靠进口石油满足国内能源消费的需求势必造成国家能源供应的安全问题影响可持续发展战略目标的实现．鉴于我国煤炭资源相对丰富来源可靠煤转油或煤代油是解决能源安全问题的有效途径之一．煤炭直接加氢液化合成油是煤转油的途径之一但由于其工艺条件苛刻过程复杂产物组成·1398·化工学报2004年9月多分离提纯困难等必须投入巨资建立规模宏大的生产装置对多种产品进行分离提纯才能确保具有综合的经济效益．正在计划建设的中国神华集团的煤直接加氢液化合成油项目是全球首个商业化生产装置的建设．煤炭间接加氢液化虽然转换条件相对温和但增加煤造气等一系列过程合成的产品为烃类混合物必须加大规模分离提纯多种产品才具有综合的经济优势因而投资规模也十分巨大．南非在石油禁运期间依靠丰富的煤炭资源和政府的有利支持建造了世界上惟一的煤炭间接液化生产装置但近年来逐渐向天然气为原料的液化工艺过渡．相比较而言煤基含氧燃料－－－甲醇燃料和二甲醚燃料的合成具有投资规模小、过程简单、产品单一、技术成熟等特点并已经证明可以部分或全部替代汽油和柴油用于汽车工业．甲醇燃料和二甲醚燃料机动车尾气污染物排放比汽柴油车降低30％～50％．而且甲醇燃料电池车是十分看好的未来商业机动车．此外煤基含氧原料的合成效益也明显高于直接或间接加氢液化合成油工艺．综上分析认为煤直接液化和间接液化技术作为国家战略需求是必备的而煤基含氧燃料充分利用煤中C、H、O三元素的组成完全可以替代石油制品汽柴油用于机动车燃料不仅技术上可行而且经济上竞争力强．如果利用新的煤气化或煤焦化多联产技术可将生产成本进一步降低．煤基含氧燃料作为机动车燃料使用时尾气污染物排放量和汽柴油相比明显降低有利于大气环境保护是21世纪绿色洁净燃料．因此大力推广使用煤基含氧燃料进一步研究开发新的合成和分离技术扩大生产规模降低生产成本对于解决我国能源供应安全问题和可持续发展具有重要的意义．References1XieBaokang（谢宝康）．PetroleumintheWorldCanBeUsedOnly39Years．ChinaEconomicTime（中国经济时报）1998-9-252InternationalEnergyAgency．KeyWorldEnergyStatitics．2001Edition3PuHongjiu（濮洪九）．IndustrializationofCleanCoalTechnologyandOptimizationofChinaEnergyStructureJournalofChinaCoalSociety（煤炭学报）200227（1）：1－54TangHongqing（唐宏青）ZhangJunchi（张骏驰）．DevelopmentandPerspectiveofSyntheticOilProduction．ChemicalEngineeringDesign（化工设计）200010（5）：7－115LiquefactionofCoal－－－FarAwaytoCommercialApplication．ChinaIndustryNews（中国工业报）2003-3-276SunYuhan（孙予罕）LiYongwang（李永旺）．DevelopmentoftheTechnologyofSlurryPhaseFischer-TropschSynthesisfromCoa-lbasedSyngas．BulletinoftheChineseAcademyofSciences（中国科学院（院刊））2002（2）：100－1037SasolSustainableDevelopmentReport2001－2002．http：／／www2∙nbm∙co∙za／icc／sasol／sasolsdr／executive∙htm2003-5-68MalcolmPirnieInc．EvaluationoftheFateandTransportofMethanolintheEnvironmentPreparedforAmericanMethanolInstitute．19999XieKechang（谢克昌）LiZhong（李忠）．MethanolandItsDerivatives（甲醇及其衍生物）．Beijing：ChemicalIndustryPress2002∙46－84225－22910GaoYunlong（高云龙）JiaoAnliang（焦安亮）．PresentSituationofLiquefiedCoalOilandInvestmentProspect．ChemicalTechno-Economics（化工技术经济）2001（6）：6－11·1399·第55卷第9期谢克昌等：煤基燃料的制备与应用

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