煤液化在中国

1、煤液化在中国摘要： 中国石油进口不断增加，对外依存度已超过4 0 % 。加之国际石油市场风云变幻， 由此引发了供应紧张、 价格波动和能源安全问题。 中国煤炭资源相对丰富， 用煤炭液化替代石油受到了从未有过的关注。关键词：能源 煤液化 直接液化 间接液化1 中国能源的现状中国已探明的煤炭储量占世界煤炭储量的 33 1 8 % , 可采量居第三位 , 煤产量居第一位。煤炭在中国一次能源结构中所占比例曾高达 90 % , 目前为 66 % 左右。中国油气资源相对贫乏, 每平方公里国土面积的资源量、 累计探明可采储量、 剩余可采储量, 都明显低于世界平均水平, 石油剩余可采储量仅占世界剩余可采储量的

2、1 1 8 % 。随着中国国民经济的高速发展, 能源消费将持续增长, 据预测 ,2010 年达到 20 1 4 亿 t 标煤 ,2030 年为 34 1 1 亿 t 标煤。在一次能源中中国石油供需矛盾日益突出 , 石油净进口量2004 年达 1 亿多 t 。中国对进口石油的依存度2010 年将达到 40 %, 到2020 年有可能接近60 % 。中国的石油问题已引起国际上的普遍关注。 石油是重要的战略物资。 中国的能源安全主要是石油的安全供应问题。解决的方法是实施多种形式、 多种途径的石油进口和替代战略。其中充分利用中国煤炭资源优势, 加快开发和推广应用洁净煤技术 , 大力发展煤炭液化产业化

3、, 无疑是最现实、 最重要的一种选择。2 煤液化在中国的可行性随着全球不可再生的石油资源日趋紧张和交通运输领域对能源需求的不断增加，世界各国都在积极开发各种石油替代燃料的制备技术。 目前， 较为成熟的石油替代燃料发展途径主要有: 天然气基燃料、煤基燃料和生物质合成柴油等3 大类。我国石油资源贫乏，截至2009 年我国累计探明石油地质储量302. 38 亿 t ， 剩余技术可采储量 30. 80 亿 t 。 最近几年我国的原油年产量一直徘徊在1. 8 亿 t左右， 而消费却在大幅度增加， 已成为世界第二大石油消费国。 2010年我国原油表观消费量4. 42 亿 t ，原油 进 口 量 2. 39

4、 亿 t ，对 外 依 存 度 达 到 了 54. 1% 。由于我国人口众多，化石能源人均占有量均低于世界平均水平， 其中煤炭人均占有量为世界平均水平的79%，天然气和石油人均占有量仅为世界平均水平的6. 5% 和6. 1% 。基于我国富煤、贫油、少气的化石能源蕴藏特点，煤基燃料制备技术是较为适宜我国化石能源结构的石油替代燃料技术的发展途径。近年来，神华集团、中科合成油技术有限公司、兖矿集团等均在煤基燃料制备技术领域取得了较大的进展 ，多项技术处于世界领先水平。 与此同时， 由于一定规模的煤制油项目 （ 大于 300 万 t/a） 对煤炭资源的消耗量较大， 产生的二氧化碳排放也对环境造成一定的

5、影响，国内对煤制油能耗和环境保护等问题存在很多的争论。能源利用效率分析2.1我国作为世界最大的煤炭生产和消费大国， 2009 年煤炭产量达到 了 30. 5 亿 t ，占全球煤炭总产量的 45. 6%; 而煤炭消费量更是高达全球煤炭消费总量的 46. 9% 。 火电用煤是我国最主要的煤炭利用形式，约占煤炭消费总量的 50% 以上。根据凝汽式火力发电厂的流程，锅炉效率、管道效率、循环热效率、汽轮机内效率、汽轮机机械效率和发电机效率等参数都会对全厂综合能源效率产生影响。 一般而言，商业应用的火电厂综合能源效率为32%40%。煤间接液化制油以煤炭作为原料，通过采用先进的煤炭洁净处理技术，主要生产柴油

6、、石脑油和液化石油气，副产硫磺等。输入能源包括煤炭、天然气、电力和原水，输出能源包括柴油、石脑油、液化石油气和硫磺等， 依据以下公式可计算煤间接液化制油的能源效率e=e(e ix p i ) / e(e j xpj), 其中：n、m分别为输入和输出能源品种数;e i 、 e j 分别为输入的第 i 种能源量，输出的第j 种能源量 ; p i 、 p j 分别为第 i 、 j 种能源的折算系数，按能量的当量值或能源的等价值折算 。参照不同原料和产品的折算系数，经过计算，煤炭间接液化制油的综合能源效率可达到43%47%,高于火电厂的能源效率， 是较之后者更为高效的能源利用形式。 此外，还可利用煤制

7、油替代石油进口节省的大量资金， 大力发展风电、 太阳能发电等清洁能源项目，促进我国整体能源利用水平的提高。以建设一座年产400 万 t 柴油的煤炭间接液化厂为例 ( 工艺耗煤约 1 700 万 t/a) ，以国际原油价格90 美元 / 桶为基准，则对应柴油价格约为6 800元/t ,每年可节约进口油品资金272亿元(实高档润滑油基础油等高附加值产品 ） 。如将扣除煤炭间接液化制油的生产成本和财务成本后的收益用于投资风电项目（按整机设备费用5 400元/kw计），则每年可新增风电装机容量约270万kwo目前国内仍存在相当一批技术标准低、排放量大的小火电机组，具发电煤耗普遍在450500 g/kw

8、h, 如若用节约进口油品的资金投资的装机容量适当替代落后的小火电机组，则可节约煤炭945万t/a （按火电厂单位能耗500 g/kwh、火电厂年操作时间 7 000 h 计） ，基本相当于400 万 t/a 规模煤炭间接液化厂年耗煤量的一半。 因此， 通过建设煤炭间接液化制油项目，不仅可以使我国的油品供应多元化、 提高我国的能源安全， 还可通过利用替代石油进口节省的费用来发展风能、太阳能等清洁能源技术，适当替代并淘汰技术落后、 污染严重的小火电项目。 考虑到每年新建风电机组的累积作用 （ 依据上述计算10 年后新增风电装机容量将达 2 700 万 kw） ，如果能在拥有丰富煤炭和风能资源，但生

9、态体系较为脆弱的西北地区建设煤炭间接液化制油项目， 发展风能、 太阳能等清洁能源技术， 将对于我国能源结构调整和生态环境保护以及整体能源效率水平的提升有着深远的意义。2.2 环境可行性分析在煤炭间接液化制油生产过程中，废固、废水、废气（ 三废 ） 的排放情况一直是关注的焦点。 根据煤炭间接液化制油的工艺特点， 利用最新的环保技术， 其三废排放均可得到较好的处理， 并为将来实施二氧化碳捕集和封存提供了可能，具有很强的环境可行性。1) 固废循环利用。与煤炭间接液化制油配套的粉煤加压气化技 术，须将原料煤研磨成很细的粉末(粒度为590 m),碳转化率可达到99%。因此气化产生的灰渣碳含量低、品质较好

10、，是建筑、陶瓷工业生产的优质原料， 可进行商业规模的利用， 从而使煤炭间接液化制油在减少废固排放的同时实现资源的循环利用。2) 水量消耗和废水排放。我国煤炭资源大多分布于缺水的西部地区， 因此煤炭间接液化制油的水量消耗及废水排放对当地水文地质条件的影响引起了高度重视。 一方面， 通过应用先进的节水技术， 煤炭间接液化制油的单位油品耗水量已经由生产1 t油品消耗1213 t 水大幅度下降到约 6 t 水的水平 ; 另外，通过因地制宜地实施部分输水渠道砌护改造工程节水进行水权转换， 将地表渗漏和蒸发的水分截流下来用于煤炭间接液化制油， 可有效地解决西部富煤少水地区煤炭间接液化制油的用水需求。3）

11、二氧化硫回收。 由于煤的形成机制使得煤中硫含量很高， 为 0.5%2. 0% ,而高硫煤的硫含量更是高达3. 0% 以上。我国以煤炭资源为主体的能源结构在煤炭利用过程中， 使得大量的硫组分以二氧化硫的形式排放到大气中，在部分地区造成酸雨等严重的环境问题。 目前， 通过采取先进的脱硫技术， 可将煤炭燃烧后排放气体中的硫含量大幅度降低， 如采用湿式钙法脱硫工艺对火力电厂的锅炉烟气进行脱硫，脱硫效率可达95%，但仍有部分二氧化硫排放到大气中。而煤炭间接液化的工艺流程则提供了一条更为高效的脱硫路径。 经过不同的利用途径和脱硫处理措施后所产生的二氧化硫排放情况如下（煤中硫含量按1. 5%计）: 直接燃烧

12、， so2 排放量 510 000 t/a;火力发电使用湿式钙法脱硫法，脱硫效率95. 0% so2排放量25500 t/a ，副产品为脱硫石膏; 煤炭间接液化使用克劳斯硫回收 +低温scot脱硫法，脱硫效率99. 9% , so 2排放量为510t/a ,副 产品为硫磺，产量254 575 t/a （ 按所有含硫气体都通过克劳斯硫回收、低温scot工艺处理计算）。由此可知，煤炭间接液化制油提供了一条更为清洁的煤炭利用途径，消耗相同煤量排放的 so2 仅为火力发电厂通过湿式钙法脱硫处理后的2%，同时副产品硫磺也是附加值很高的工业产品。4） 二氧化碳捕集与利用。在应对全球气候变化的大背景下，二氧

13、化碳的捕集与封存 （ccs） 引起了全世界范围内越来越多的关注。如何根据我国能源结构特点来发展适宜的碳减排技术， 对提高中国能源企业在节能减排领域的国际竞争力具有重要意义。ccs 的基本思路就是在化石燃料（ 石油、 天然气或煤） 燃烧后所产生的二氧化碳排放到大气之前， 将二氧化碳与其他气体分离后进行捕集提纯， 再进行进一步的封存和利用。目前，ccs技术利用主要有co 2驱油（eor）、 驱气（egr）、地下盐水层储存（dsr）和驱煤层气（ecbm）,但由于 ccs 的成本较高， 故现阶段 ccs 主要应用于技术示范项目 。 由于煤 炭间接液化的工艺流程特点， 低温甲醇洗工艺可将大部分二氧化碳气

14、体浓缩到 98% 以上这将大幅降低二氧化碳的捕集成本。而煤炭间接液化工艺路径排放的二氧化碳浓度远高于电厂烟道废气， 因此其捕集成本远低于火电厂，这为 ccs 的商业应用提供了经济上的可行性。此外， 还可通过与石油开采企业的合作， 将捕集的高浓度二氧化碳压缩后经过管道运输注入到油田，从而增加石油的采收率。2.3 综合分析1） 煤炭液化不仅可以使我国石油供应多元化、提高我国的能源安全， 而且还提供了一条能源效率更高、 更为清洁的煤炭利用新途径。煤炭间接液化制油综合能源效率可达到43%47%高于火电厂的综合能源效率，是较之后者更为高效的能源利用形式。2） 煤炭液化通过应用先进的清洁能源技术和环保技术

15、，使废固、废水、 废气的排放得到较好的控制和处理， 最终实现资源的高效循环利用和废水零排放，具有很强的环境可行性。3） 煤炭液化通过利用克劳斯硫回收和低温 scot 工艺可达到99. 9%的硫回收效率，消耗相同煤量排放的so 2 仅为火力发电厂通过湿式钙法脱硫处理后的 2%，而回收的硫磺是附加值很高的工业产品。4） 煤炭液化可产生浓度高达98% 以上的二氧化碳，这将大幅降低开展碳捕集的费用， 为 ccs 的商业化应用提供了经济上的可行性。3 煤液化技术的发展和研究煤炭液化是用煤为原料以液体烃类为主要产品的技术, 分为“直接液化” 和 “间接液化” （ 合成油 ） 两大类 。煤炭液化由于采用的工

16、艺和催化剂的不同 , 可以生产汽油、 柴油、 lpg（ 液化石油气 ） , 并提取 btx（ 苯、 甲苯、 二甲苯 ） , 也可以生产乙烯、 丙烯、0c 2烯炫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 , 煤中的硫在气化和液化过程中转化成h 2 s 再经分解可以得到元素硫产品。3.1 直接液化直接液化工艺旨在向煤的有机结构中加氢， 破坏煤结构产生可蒸馏液体。 目前已经开发出多种直接液化工艺， 但就其基本化学反应而言， 具有以下共同特征：在高温和高压的条件下在溶剂中将较高比例的煤溶解， 然后加入氢气和催化剂进行加氢裂化， 生成液态烃类， 在此过程中会生成少量气体，

17、 脱除了煤中氮、 氧和硫等杂质。 直接液化是目前可采用的最有效的液化方式。 在合适的条件下，液化油收率超过70%。 根据煤的溶解步骤是否与溶解后的煤再转化成可蒸馏的液体产品步骤分开， 直接液化可分为以下两类：单段直接液化工艺： 该工艺是通过一个主反应器或一系列反应器来生产蒸馏组分的。这种工艺包括一个合在一起的在线加氢反应器， 对原始馏分提质， 而不能直接提高总转化率。两段直接液化工艺：即通过两个反应器或一系列反应器来生产馏分。 其中第一段的主要目的是进行煤的溶解， 不加催化剂或只加入低活性的可弃催化剂， 第一段生产的重质煤液体在第二段中在高活性催化剂作用下加氢， 产生馏分。另外， 有些工艺专门

18、设计用于煤和石油衍生油共处理， 即共同液化，上述两种液化工艺都可改进用来共同液化 （也称煤油共炼） 。3.1.1 煤直接液化技术的工艺特征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

19、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 。3.1.2 煤直接液化对煤质的要求(1) 煤的灰分般小于 5。 因此原煤要进行洗选， 生产出精煤后再进行液化。 煤的灰分高， 会影响油的产率和系统的正常操作。煤的灰分组成也对液化过程有影响 ， 灰中的 fe

20、、 co、m o 等元素有利于液化， 对液化起催化作用 ； 而灰中的 si 、 ae 、 ca、 m g等元素则不利于液化， 它们易产生结垢， 影响传热和不利于正常操作， 也易使管道系统堵塞、 磨损， 降低设备的使用寿命。(2) 2) 煤的可磨性要好 煤的直接液化要先把煤磨成 200 目左右的煤粉， 并把它千燥 到水分小于2 ，配制成油煤浆，再经高温 、高压， 加氢反应。 如果可磨性不好， 能耗高 ， 设备磨损严重， 配件、 材料消耗大， 增加生产成本。 同时， 要求煤 的水分要低。分高， 不利于磨矿， 不利于制成油煤浆， 加大了投资和生产成本。(3) 煤中的氢含量越高越好， 氧的含量越低越好

21、， 它可以减少加氢的供气量， 也可以减少废水生成， 提高经济效益。(4) 煤 中的硫和氮等杂原子含量越低越好， 以降低油品加工费用。(5) 煤岩的组成也是液化的一项主要指标。 丝质组成越高 ， 煤的液化性能越好， 镜质组含量高 ， 则液化活性差。 因此， 能用于直接液化的煤， 一般是褐煤 、 长焰煤等年青煤种， 但是这些煤也不是都能直接液化的。3.2 间接液化煤炭间接液化技术源于天然气转化液体产品的技术， 天然气液化工艺中主要包括基本的天然气、 部分氧化或蒸汽重整的生产合成气。因此从原理上讲， 可用煤炭来生产合成气。煤炭间接液化的第一步是利用蒸汽气化完全打破煤的原有化学结构， 气化产物的组成可

22、以调节达到所需的 h 2 和 co 组成比例， 并除去对催化剂有害的含硫成分， 生成的合成气在催化剂作用下在较低的压力和温度条件下发生反应。根据所选的催化剂及反应条件不同， 最终的产品可以是石蜡、烯炫类化合物或醇类。目前较为成熟的工艺有mobhmtc间接液化工艺和 shell smps 间接液化工艺。3.2.1 煤间接液化技术的工艺特征间接液化工艺包括： 煤的气化及煤气净化、 变换和脱碳； 合成反应；油品加工三个纯串联”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 hs 和 co， 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

23、定的温度、 压力及催化剂作用下， h ，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 ) ， 根据需要切取出产品馏份， 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。3.2.2 煤间接液化对煤质的要求(1) 1) 煤的灰分要低于 l5 。 灰分低有利于气化 ， 也有利于液化。(2) 煤的可磨性要好， 水分要低。 不论采用哪种气化工艺， 制粉是一个重要环节。(3) 对于用水煤浆制气的工艺， 要求煤的成浆性能要好。 水煤浆

24、的固体质量分数应在60 以上。(4) 煤的灰融点也有一定要求。 一般要求煤的灰融点温度小于l300 c 。间接液化对煤的适应性广， 原则上所有煤都能气化成合成气。 当然， 不同的煤要选择不同的气化方法。 另外， 还有个最佳经济性的问题。 所以， 对不同的煤选择不同的气化方法， 对某些煤进行洗选加工、 降低灰分和硫分是必要的。4 煤液化在中国的发展20 世纪 70 年代末开始， 通过国家“六五” 、 “七五”科技攻关和近2 0 年的国际合作，已建成具有国际先进水平的煤炭直接液化、 液化油提质加工和分析检验实验室， 开展了基础研究和工艺开发， 取得了一批科研成果， 培养出了一支专门从事煤炭直接液化

25、技术研究的科研队伍。中国自 20 世纪 80 年代初恢复煤基合成液体燃料的研究开发以来 , 中国科学院山西煤炭化学研究所在分析了国外 f 2 t 和 mtg工艺的经验基础上 , 提出了将传统的 f 2 t 合成与沸石分子筛特殊形选作用相结合的固定床两段法合成（ 简称 mft） 和浆态床 2 固定床两段合成（ 简称 smft） 工艺 , 先后完成了 mft 工艺的小试、模试和百 t/ a 级中试 , 取得了油收率较高、 油品性能较好的结果 , 接着进行了 2 000 t/ a 的工业性试验和 smft 工艺的模试,并对自主开发的两类催化剂分别进行了 3 000 h 的长周运行, 取得了令人满意的

26、结果。 “十五” 期间 , 中科院山西煤炭化学研究所和兖矿集团分别进行1 000t/ a 和 10 000 t/ a 的浆态床合成油试验研究。1997 年开始，煤炭科学研究总院分别同德国、日本、美国有关政府部门和公司合作开展了我国煤炭直接液化示范厂技术经济的预可行性研究， 选择云南先锋煤、 黑龙江依兰煤和内蒙古神华煤分别在国外已有中试装置上完成了工艺放大试验，并分别在1999 年和2000 年完成了三个煤液化厂的预可行性研究，为建设工业化生产厂打下了坚实的基础。 尤其是神华煤直接液化项目， 在煤科总院已有工作的基础上， 分析、 借鉴了国外先进国家煤直接液化工艺技术的优缺点和工程方面的可操作性，

27、 在优化组合、 消除风险的基础上， 投入大量资金，改造建设了一套0.1t/d全新的煤直接液化bsu工艺装置和0 . 2 t / d 的新催化剂 p d u 生产装置，通过多次试验比选，开发了合理可靠的神华煤直接液化工艺。 2004 年 5 月神华煤直接液化的技术和工艺通过了专家的评估和鉴定，形成了自主知识产权。神华煤直接液化项目生产油品 100 万 t/ a 的先期工程已经开工建设 , 其一期设计生产油品 300 万 t/ a , 远期为 1 500 万 t/a ,神华煤间接液化项目的规模一期生产油品 300500万t a ,远期为 1 500 万 t/ a 。 一旦神华项目先期工程建成投产获

28、得成功 ,将有一批煤炭液化厂在国内兴起。国内拟建煤液化厂的有陕西榆林、山东兖州、 肥城、 云南先锋、 内蒙古胜利、 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 。中国实现煤液化的产业化必将有助于减轻中国对石油进口的依赖。5 总结煤炭在能源战略中的基础地位不可动摇。 煤炭是我国最重要的能源资源。 我国煤炭具有其他能

29、源资源无可比拟的优势。 就资源基础来看， 我国煤炭占据绝对地位。 煤炭探明储量占我国化石能源探明储量94%，石油和天然气仅分别占5 . 4 % 和 0 . 6 % 。按 1999 年我国煤炭资源预测与评价结果：远景煤炭资源储量55553 亿 t ，其中， 累计探明煤炭资源量10421.35 亿 t (考虑地质条件损失， 煤炭资源保有储量为 10032 亿 t ) 。预测资源量和地质总资源量居世界第一位。煤炭提供了我国 7 2 % 的工业燃料和动力、 5 2 % 的化工原料和 92% 的民用商品能源。在今后相当长的时期内，煤炭在我国一次能源结构中的主导地位不会有根本改变。 从长远来看， 最终限制我国煤炭使用的因素将不是资源和生产能力， 而是环境容量。 开发推广洁净煤技术是减少燃煤污染， 在以煤为主的能源结构条件下解决环境保护问题的必然选择。而煤液化在中国的发展可以从不同的角度分析：(1) 从市场角度分析： 2008 年 由于全球金融风暴的影响， 原油价格一度曾突破1 0 0 美元 桶大关。 相对而言， 我国的煤炭成本则很低， 煤制油产业具有很大的利润空间。 目前， 国际原油价格维持在 75 美元 桶左右 ， 但据测算 ， 神华煤制油项 目在国际原油价格2230美元/桶时就有较强的竞争力。(2) 从技术角度分析: 我国很早就掌握