煤化工之煤液化技术详解

风光好

煤炭有多种利用方式，可以直接燃烧，亦可以经过加工处理，转化成其他形态的能源，如煤气化。前期曾介绍过煤气化过程，今日介绍煤炭的另外一种加工方式——煤液化过程。

煤液化技术

煤液化技术也称煤基液体燃料合成技术，即以固体状态的煤炭为原料通过化学加工过程，使其转化成为汽油、柴油、液化石油气等液态烃类燃料和高附加值化工产品的技术，主要分为直接液化和间接液化两种方式。

我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，煤炭储量远大于石油、天然气储量。我国能源特点是“富煤、少油、少气”。

而我们对石油的需求强烈，且严重依赖进口，因此利用我国丰富的煤炭资源，实施“以煤代油”和“以煤造油”不失为一个不错的选择：

• 煤的液化用于生产石油的代用品，可以缓解石油资源紧张的局面。
• 通过液化，将难处理的固体燃料转变成便于运输、储存的液体燃料，减少了煤中含流、氮化合物和粉尘、煤灰渣对环境的污染。
• 煤的液化还可用于制取碳素材料、电级材料、针状焦及有机化工产品等，以代替部分石油化工，扩大煤的综合利用范围。
  
  

煤的直接液化

煤的直接液化是将煤在较高温度和压力下与氢反应使其降解和加氢，从而转化为液体油类的工艺。

主要产品优质汽油、柴油、航空煤油，以及碳素化工原料。

基本原理

煤炭直接液化是在较高压力（>10MPa）和较高温度（>400℃）下，煤与溶剂、氢气和催化剂相互作用，发生热裂解和加氢裂解两个基本反应，煤的大分子结构转化为可作为液体燃料的小分子物质的处理过程。

在反应过程中，煤的大分子结构首先发生热分解反应，即结构单元之间较弱的桥键断裂，生成游离的自由基碎片。然后自由基碎片从反应体系中获取活化氢分子，发生加氢反应，从而形成稳定的低分子液体和气体产物。

煤质要求

直接液化对煤质的要求：

• 惰性组分低、活性组分高
• H/C比>0.7
• 挥发分>35%
• 灰含量<10%
• 硫含量高对液化有利
  
  

根据上述要求，直接液化适宜煤种范围：

褐煤—气煤

包括：褐煤、长焰煤、不粘煤、弱粘煤、气煤

循环溶剂

溶剂是液化系统中固、液、气三相，即煤、溶剂和氢气所组成的物料在热量和质量传递中的主要介质，对煤直接液化具有十分重要的作用。

循环溶剂的主要作用有：

• 流动介质，配成煤浆便于输送和加压；
• 溶解煤、分隔煤裂解自由基；
• 溶解氢气，温度越高或压力越高，溶解氢气越多； 向自由基供氢，部分氢化的多环芳烃具有供氢作用。
  
  

直接液化对循环溶剂也有着较高的要求：

• 芳烃及氢化芳烃含量高
• 馏程较重并有一定宽度
• 预加氢可提高溶剂质量（Δfa = 0.05～0.1）
• 起始溶剂必须循环10次以上，溶剂性质才能达到稳定
  
  

催化剂

• 廉价抛弃型催化剂
  
  

常用于煤直接液化反应的廉价抛弃型催化剂有氧化铁、硫化铁或铁的金属有机化合，通常称为铁系催化剂。

一般为：

黄铁矿、赤泥、炼锌铁矾渣等，

合成铁系催化剂：合成FeS2、FeOOH

可将液化转化率提高4%-13%，油产率提高3.9-15%。

• 高价再生型催化剂
  
  

用于煤直接液化反应的高价再生型催化剂有钼系、镍系或钴系等催化剂，它们的催化活性很高，一般高于铁系催化剂，虽然用量少，但是价格昂贵，须再生反复使用，这也增加了煤直接液化装置的技术难度和成本。

典型工艺

德国IGOR 工艺

该工艺主要特点是:

①反应条件比较苛刻,温度470℃,压力30MPa；

②催化剂使用炼铝工业的废渣(赤泥)； ③液化反应和液化油加氢精制在一个高压系统内进行,可一次得到杂原子含量极低的液化精制油,该液化油经过蒸馏就可以得到十六烷值大于45%的柴油,汽油馏分再经重整即可得到高辛烷值汽油；④循环溶剂是加氢油,其供氢性能好,煤液化转化率高。

溶剂精炼煤工艺（SRC）

SRC-Ⅰ特点：

• 不用催化剂；
• 压力（10MPa）较低；
• 氢耗较低； §选用的煤种范围宽（褐煤→烟煤)；
• 用途广,溶剂精制煤热值134kJ/kg；
  
  

存在的问题：

灰以微型固体颗粒存在，使过滤操作困难。

日本NEDOL 工艺

NEDOL工艺的特点是:

①反应压力较低,压力为17～   19MPa，反应温度455～465 ℃；

②催化剂采用合成硫化铁或天然   硫铁矿；

③固液分离采用减压蒸馏的方法；

④配煤浆用的循环溶剂单独加氢,以提高溶剂的供氢能力；

⑤液化油含有较多的杂原子，还须加氢提质才能获得合格产品。

工艺条件的影响

• 反应压力：提高压力，增加氢分压，从而增加了溶剂中的氢浓度，最后提高液化反应速度。
• 反应温度：温度提高，反应速度增加，气体产率增加。
• 停留时间：增加停留时间，可提高转化率，尤其可提高沥青烯的转化率，但气体产率也会有所增加。
• 煤浆浓度：在煤浆泵工作粘度允许的前提下，煤浆浓度有一个合理值。
• 气液比：提高气液比，有利于液化轻质油挥发，降低轻质油的停留时间，降低继续反应成气体的几率。但提高气液比不但增加压缩机功率，还会增加反应器的气含率，使反应器的有效容积减小，液相停留时间缩短。
  
  

根据上述特点，我们列举了一组典型的直接液化工艺条件：

• 压力：15~30MPa
• 温度：450~460℃
• 实际停留时间：~2 h
• 煤浆浓度：40~50%
• 催化剂添加量：0.5~4%
• 气/液比：700~1000
• 循环氢浓度：>75%
  
  
  

不同煤种有不同的最佳液化反应工艺条件。

反应器

直接液化的主要反应器类型有三种：鼓泡床、悬浮窗、环流床。

A.  鼓泡床：

圆柱形高压容器，没有内构件，下部有简单的分布器，或下部成圆锥形。

优点：

• 几乎无内部构件，设备制造简单
• 气含率较高，有利于气液传质
• 利用吹冷氢控制温度
  
  

缺点：

• 液相速度低，固体颗粒会发生沉降
• 气含率高使反应器容积有效利用率降低
  
  

B.  悬浮床（沸腾床 Ebullated ）：

底部有液体强制循环泵，液相线速度大大增加，达到全返混模式。

优点：

• 气含率低，从而增加了液相停留时间
• 液体循环量大，从而使反应器温度分布均匀，不需注冷氢
• 液相速度高于鼓泡床，正常时不会发生固体颗粒的沉积
  
  

缺点：

• 循环泵操作条件苛刻，设备昂贵，容易抽空
  
  

C.  环流床：

            内部有导流筒，利用气体在导流筒内上升的浮力，使液体形成上下有规律的循环，也是全返混模式

优点：

• 液体线速度达到 0.1~0.2m/s，大于强制循环悬浮床，避免固体颗粒的沉积
• 气含率略高于鼓泡床，有利于传质
• 不需要注冷氢
• 省去高温高压循环泵
• 内部构件比强制循环简单
  
  

缺点：

• 气含率高，反应器容积利用率降低
  
  

结束语

煤的直接液化是一项较为成熟的技术，已产生多种生产工艺，选择了较为典型的三种工艺进行了介绍，希望可以让大家简单了解煤的液化工艺，由于篇幅原因，煤的间接液化过程将在下篇进行介绍。