本文全文阅读地址:http://book.tiexue.net/Book/13722/

我国能源特征是“富煤少油有气”。

2000 年后,我国总能源消费量12亿吨油当量,其中煤占67.86%,石油23.35%,天然气2.5%,水电5.43%,核能0.83%。年烧重油3000万吨,石油资源短缺仍使煤代油重新提上议事日程,以煤制油己成为我国能源战略的一个重要趋势。我国有丰富煤资源,石油探明储量仅32亿吨,储采比19年。在较长一段时间内,我国原油产量只能保持1.6~1.7亿吨/年水平。而煤炭因其储量大和价格相对稳定成为中国动力生产首选燃料。在本世纪前50年内,煤炭在中国一次能源构成中占主导地位,预计煤炭占一次能源比例将由2999年67.8%到3010年50%左右。

据预测,到2020年,我国油品短缺将达到2亿吨左右,除1.2亿吨进口外,“煤制油”技术可解决6000万~8000万吨以上,投资额需要5000亿元,年产值3000亿~4000 亿元,其中间接液化合成油可生产2000万吨以上,投资约1600亿元,年产值1000亿元左右。从经济效益层面看,建设规模为50万吨/年的“煤制油” 生产企业以原油价不低于25美元的评价标准,内部收益率可达8%~12%,柴油产品的价格可控制在2000元/吨以内。而此规模的项目投资仅需45亿元左右。

煤转化在上世纪二三十年代在德国实现。用煤粉在溶剂催化剂下高压高温加氢转化直接液化以及更现实的由煤首先气化制合成气(SYNGAS,CO+H2),然后在铁催化剂上转化成为包括气体液体固体烃类的间接液化。后者是有名的FISCHER-TROPSE合成(费托合成或 FT合成)。二战时德国缺油,这个过程(百万吨级)提供了德国战争中所需要的汽油柴油,但战后就废弃了。南非由于种族主义政策遭制全世界石油禁运,也就大力开发利用这个过程,到八十年代时用费托合成(SASOL工艺)达到了千万吨油品的规模,基本满足其需要。正当其准备更新扩建时,政局改变禁运解除。在当时廉价石油的压力下,这个方案下马。

这个过程的优点是对煤质量没有太高的要求,可以利用劣质煤。煤资源远较油多,原料没有问题。工艺也相当成熟,有现成的国外成功的工厂生产经验。缺点一是投资大工期长,尤其是煤气化的部分占了总投资的2/5。二是过程本身能耗大,气化(水煤气生成反应:C + H2O –) CO +H2)过程中H2/CO摩尔比=1,而产品直链烃基本上H2/C摩尔比》1。这就需要额外的巨大大的氢气源,一般是通过水煤气变换反应(CO + H2O –)CO2 +H2)来得到。这都是巨大的耗能过程。

此外,煤炭资源固有的污染问题还是比较麻烦的。除了这些,FT合成产品分布较广,油品部分比例较低,不是太理想(比如汽油部分低于46%)。油品质量不好(直链烃,抗爆性差)必须重整精制。所有这些都增加的过程的费用。但以前由美国能源部八十年代中期的评价,如果石油价格达到$25/桶,则FT合成就有巨大的竞争力。随着技术上的一些进展,基本上大家认为现在仍然是这么个情况,即 FT合成可与现在的$25/桶的石油竞争。

在德国的基础之上,南非始终走在这个领域的前列(也有德国背景),前苏联,美国,中国,日本等对煤间接液化均投入了较多的研究。中国当时是贫油国,公共汽车甚至要用煤气包做燃料,五十年代成立合成燃料研究所,当时花了大力气搞煤间接直接液化。但六十年代大庆油田开发后就放弃了这些努力。到八十年代油价达$40/桶(相当于现在的$100/桶以上,其实高油价对石油输出国的长期利益非常有害)的时候又重新投入力量研究。当时研究人员对长期放弃努力做了横多批评,官员们也检讨说是个错误,答应一定要坚持不懈,作为战略重点(记得我八十年代末写的一个综述里也有“随着世界能源格局的演化,煤间接液化又提到了相应的高度…..”)。可万万没想到,随后石油降价(低至$11/桶),官方就又忘了,许多年只给点维持费用,没花大力气。

其实这个必须作为战略重点,这是从中国的国情(富煤贫油)出发的。必须下大力气。无论石油价格怎么变,一定要紧抓不懈。如果中国现在有年转化油三千万吨的能力以及进一步扩大的能力,会这么受制于俄罗斯的管道,美国的石油运输线威胁吗?会因为进口石油受涨价影响而半年多付出200亿美元以上的代价?

早拿这个的一半投于科研这个问题也就不存在了。

目前,煤炭直接液化世界上尚无工业化生产装置,神华液化项目建成后,将是世界上第一套煤直接液化的商业化示范装置。煤炭间接液化也仅南非一家企业拥有工业化生产装置。美国正在建设规模为每天生产 5000桶油品的煤炭间接液化示范工厂。煤炭间接液化技术,是由煤炭气化生产合成气、再经费-托合成生产合成油称之为煤炭间接液化技术。

“煤炭间接液化”法早在南非实现工业化生产。南非也是个多煤缺油的国家,煤炭储量550亿吨,储采比247年。煤炭占其一次能源比例为75%。2955年起采用煤炭气化技术和费-托法合成技术生产汽油、煤油、柴油、合成蜡、氨、乙烯、丙烯、α-烯烃等石油和化工产品。南非费-托合成技术现发展现代化 Synthol浆液床反应器。萨索尔(Sasol)公司现有二套“煤炭间接液化”装置,年生产液体烃类产品700万吨(萨索尔堡32万吨/年、塞库达 675万吨/年),其中合成油品500万吨,年耗煤 4950万吨。累计70亿美元投资早已收回。年产值40亿美元,年利润12亿美元。

我国中科院山西煤化所从20世纪80年代开始进行铁基、钴基两大类催化剂费-托合成油煤炭间接液化技术研究及工程开发,完成了2000吨/年规模的煤基合成油工业实验,5吨煤炭可合成1吨成品油。据项目规划,一个万吨级的“煤变油”装置可望在未来崛起于我国煤炭大省山西。中科院还设想到3008年建成一个百万吨级的煤基合成油大型企业,山西大同、朔州地区几个大煤田之间将建成一个大的煤“炼油厂”。最近,总投资100亿美元的朔州连顺能源公司每年 500万吨煤基合成油项目已进入实质性开发阶段。产品将包括辛烷值不低于90号且不含硫氮的合成汽油及合成柴油等近500种化工延伸产品。

我国煤炭资源丰富,为保障国家能源安全满足国家能源战略对间接液化技术的迫切需要,2001年,国家科技部“863”计划和中国科学院联合启动“煤制油”重大科技项目。两年后,承担这一项目的中科院山西煤化所已取得了一系列重要进展。

与我们常见的柴油判若两物,源自煤炭的高品质柴油,清澈透明几乎无味,柴油中硫、氮等污染物含量极低,十六烷值高达75以上,具有高动力、无污染特点。这种高品质柴油与汽油相比,百公里耗油减少30%,油品中硫含量小于 0.5×10-6,比欧Ⅴ标准高10倍,比欧Ⅳ标准高20倍,属优异的环保型清洁燃料。

山西煤化所进行煤变油的研究已有20年历史,千吨级中试平台在2002年9月实现了第一次试运转,并合成出第一批粗油品,已累计获得数十吨合成粗油品。2003年底又从粗油品中生产出了无色透明的高品质柴油,山西煤化所中试基地正准备第5次开车,计划运行6个月左右。

目前世界上可以通过“煤制油”技术合成高品质柴油的只有南非等少数国家。山西煤化所优质清洁柴油的问世标志着我国已具备开发和提供先进成套产业化自主技术的能力并成为世界上少数几个拥有可将煤变为高清洁柴油全套技术的国家之一。该所2005年将在煤矿生产地建一个10万吨/年的示范厂,预计投资12 亿~14亿元,在成熟技术保证的前提下,初步形成“煤制油”产业化雏形。

由煤炭气化制取化学品的新工艺正在美国开发之中,空气产品液相转化公司(空气产品和化学品公司与依士曼化学公司的合伙公司)成功完成了由美国能源部资助 2.13亿美元、为期11年的攻关项目,验证了从煤制取甲醇的先进方法,该装置可使煤炭无排放污染的转化成化工产品,生产氢气和其他化学品,同时用于发电。1997年4月起,该液相甲醇工艺(称为LP MEOH)开始在伊士曼公司金斯波特地区由煤生产化学品的联合装置投入工业规模试运,装置开工率为97.5%,验证表明,最大的产品生产能力可超过300 吨/天甲醇,比原设计高出10%。它与常规甲醇反应器不同,常规反应器采用固定床粒状催化剂,在气相下操作,而LP MEOH工艺使用浆液鼓泡塔式反应器(SBCR),由空气产品和化学品公司设计。当合成气进入SBCR,它藉催化剂(粉末状催化剂分散在惰性矿物油中)反应生成甲醇,离开反应器的甲醇蒸气冷凝和蒸馏,然后用作生产宽范围产品的原料。LP MEOH工艺处理来自煤炭气化器的合成气,从合成气回收25%~50%热量,无需在上游去除CO2(常规技术需去除CO2)。生成的甲醇浓度大于97%,当使用高含CO2原料时,含水也仅为1%。相对比较,常规气相工艺所需原料中CO和H2应为化学当量比,通常生成甲醇产品含水为4%~20%。当新技术与气化联合循环发电装置相组合,又因无需化学计量比例进料,可节约费用0.04~0.11美元/加仑。由煤炭生产的甲醇产品可直接用于汽车、燃气轮机和柴油发电机作燃料,燃料经济性无损失或损失极少。如果甲醇用作磷酸燃料电池的氢源,则需净化处理。

煤炭直接液化技术,早在20世纪30年代,第一代煤炭直接液化技术—直接加氢煤液化工艺在德国实现工业化。但当时的煤液化反应条件较为苛刻,反应温度470℃,反应压力 70MPa。2973年的世界石油危机使煤直接液化工艺的研究开发重新得到重视。相继开发了多种第二代煤直接液化工艺,如美国的氢-煤法(H- Coal)、溶剂精炼煤法(SRC-Ⅰ、SRC-Ⅱ)、供氢溶剂法(EDS)等,这些工艺已完成大型中试,技术上具备建厂条件,只是由于经济上建设投资大,煤液化油生产成本高,而尚未工业化。现在几大工业国正在继续研究开发第三代煤直接液化工艺,具有反应条件缓和、油收率高和油价相对较低的特点。目前世界上典型的几种煤直接液化工艺有:德国IGOR公司和美国碳氢化合物研究(HTI)公司的两段催化液化工艺等。我国煤炭科学研究总院北京煤化所自1980 年重新开展煤直接液化技术研究,现已建成煤直接液化、油品改质加工实验室。通过对我国上百个煤种进行的煤直接液化试验,筛选出15种适合于液化的煤,液化油收率达50%以上并对4个煤种进行煤直接液化的工艺条件研究,开发了煤直接液化催化剂。

高硫煤配煤直接液化技术,在配煤液化试验技术中取得重大的突破。由于配煤液化技术油产率高于单煤液化,据测算,采用该技术制得汽柴油的成本约 1500元/吨,经济效益和社会效益显著。此前煤液化只使用一种煤进行加工,2003年,甘肃煤炭转化中心在世界上首次采用配煤方式将甘肃大有和天祝两地微量成分有差别的煤炭以6:4配比,设定温度为440℃、时间为60秒进行反应,故称为“配煤液化”。试验证明,该技术可使煤转化率达到95.89%,使油产率提高至69.66%,所使用的普通催化剂用量比单煤液化少,反应条件相对缓和。

好在煤的间接液化对煤种没有特别的要求,现在的工艺下一般3.5~4吨煤可以产出一吨合成油来。从原料看中国的煤生产成本约每吨12美元,煤制合成油的成本大约为160~180美元,原油价格如今是每吨平均大约400美元,显然是很有效益。当然,原油价格也可能会下降,但不太可能下降到每吨200美元。因此,煤制油是有好的经济前景的。另外一个好处是煤炭集中利用,有利于集中处理污染物,对环境有利。单独的电厂,化工厂一般没有得力的污染处理过程,因此我国酸雨化严重。煤制合成油主要的阻力是投资大工期长,能源格局不明朗。但我国由于国情决定,一定要搞,而且要早搞。这应该是国家的战略决策,要由国家牵头作政治决定。其实投资额什么的早就不是问题了,反而担心各地各方势力蜂拥而上乱来,管他有没有条件都上,一下子就出来百十来个厂那就不得了了。所以要由国家控制,技术上环境保护上煤炭来源上都有保障,这样才能好好发展。