煤制油的化学原理及其应用_田丽蓉.pdf

2023 年 第 5 期 化学工程与装备 2023 年 5 月 Chemical Engineering&Equipment 203 煤制油的化学原理及其应用 煤制油的化学原理及其应用 田丽蓉（西安石油大学经济管理学院，陕西 西安 710065）摘 要：摘 要：对煤制油的化学原理进行分析，探讨煤制油工艺的具体应用，提出煤制油工艺效果提升策略，旨在推动煤制油工艺在煤化工领域中的应用。关键词：关键词：煤制油；化学原理；间接工艺；直接工艺 引 言 引 言 我国拥有丰富的煤炭资源，但石油资源的总量相对匮乏，约为煤炭资源的 10%。煤制油工艺可将煤炭资源转化为石油资源，供给人类所需的能源。目前，我国煤制油工艺项目与投入达到数十个以上，年产能达到 2000 多万吨，这得益于我国煤制油项目规划的实施，对煤制油的化学原理进行分析，探讨煤制油的工艺，对其进行优化有利于进一步提高产能，推动煤制油项目的发展，提高煤化工的经济收益。1 煤制油化学原理分析 1 煤制油化学原理分析 1.1 煤制油概述 煤制油又被称之为煤化工，是碳一化学工业的重要组成部分，该工艺以煤作为主要原理，将一碳煤气作为原料经过化学反应后形成多碳化合物，将多碳化合物进行重整、裂化、合成处理后，形成其他能源。目前，我国已经尝试应用新型的清洁能源替代石油化工产品。经过煤化工处理后，可生产出动力装置所需的柴油、汽油、煤油等，同时可以生产出替代燃料甲醇、二乙醚等，并可以生产出日常生产生活中所需的天然气等原料。我国于 20 世纪 70 年代开始进行煤制油工艺的研究，且在 21 世纪初将其列为重点研究项目，并尝试在三个领域中利用煤化工项目替代石油化工产品。首先，在成品油领域，煤化工工艺可制备出甲醇和煤制油替代石油化工。其次，在芳烃领域，利用煤焦化产物进行焦油精制，生产出苯、甲苯、二甲苯等高纯度物质。最后，在烯烃领域，煤化工利用甲醇制备出乙烯、丙烯、丁二烯等物质，用于替代石蜡油的裂解制备乙烯和丙烯。因此，煤制油工艺应用在相关产品的生产中具有良好的成本优势，且成为我国解决能源结构问题的重要路径之一。1.2 煤制油化学原理分析 煤制油工艺应用主要利用化学反应进行相关物质的生成。其化学原理主要表现在以下几个方面。煤制油的化学反应基础是煤原料中的物质成分，通过直接或者间接转化的方式获取工艺生产所需的石油原料物质。1.2.1 高温合成气反应 德国学者最早在20世纪20年代对煤制油技术的一类反应进行研究，并将反应称之为 FischerTropsch 反应。在该反应过程中，将煤转化为所需的合成气，合成气的组成成分包括 CO 和 H2，在高温状态下或者高压状态下，在反应物中添加相应的催化剂，将合成气转化为汽油的主要原料，也就是混合烃。其具体反应机理如下所示：2H2+CO=CH2+H2O CH2H2C-CH2+CH2=CH2 H+CH2CH3CH2CH3 在反应过程中，通过添加固态催化剂的方式，使得 CO物质和 H2物质在催化剂表面出现吸附作用，通过裂解反应后可转化成为原子。原子之间发生反应后会生成 H2O 物质和亚甲基物质，生成的亚甲基物质会停留在催化剂的表面。如果反应过程中 H2物质，则亚甲基会发生聚合反应，产生乙烯物质。反应过程中如果 H2物质的含量比较充足，则会生成饱和烃混合物。因此，对煤制油的工艺机理进行分析，其核心物质是催化剂的应用。自该技术发展后，学者的研究始终停留在催化剂上，探索高效、经济催化剂在煤制油反应过程中的应用1。1.2.2 加氢反应 煤炭资源的化学组成中包含大量的氢物质和碳物质，其中氢物质的含量约占总体物质含量的 5%左右，而碳含量则比较高。在成品油生产领域中，生产出的成品油氢物质含量约占总体比重的 15%左右，碳含量则持续降低，且不含氧燃料。因此，利用该物质的成分进行化学反应，通过直接或者间接反应的方式，通过添加氢物质的方式，制备所需要的混合烃液体或者甲醇物质。由于该化学反应以氢作为主要物质，需要在反应过程中添加大量的氢物质，煤资源内部的氢含量不足以支撑整个化学反应，需要外部添加氢，促进化学反应。经过验算后了解到，该化学反应过程中每进行 1000kg的煤资源反应，需要额外添加 140kg 的氢物质，可以生产出超过 500kg 的油物质。基于此原理，在煤制油工艺应用的过程中，多采用碳氢化合物作为主要原料或者将两种不同成分的煤进行反应，用于制备甲醇。因此，对煤制油的化学原理进行分析，由于煤与石油的化学成分大致相同，但成分的含量存在差异，通过控制反应物含量的方式，改变反应物的化学特性，可满足煤制油生产工艺的实际需要。依据上述化学反应生成相应的物质，甲醇制备和混合烃制备是当下最常用的工艺。混合烃制备主要利用合成气，辅助使用催化剂进行生成。利用煤炭制备甲醇的化学反应原理如下所示：DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.05.021204 田丽蓉：煤制油的化学原理及其应用 氧气化反应：2（CH）+O22CO+H2 甲醇合成反应：2CO+H2+3H22CH3OH 二甲醚合成反应：2CH3OHCH3OCH3+H2O 乙烯合成反应：2CH3OHC2H4+2H2O 丙烯合成反应：3CH3OHC3H6+3H2O 依据上述化学原理可进行相应物质的生成，煤制油过程中可能会利用多种反应生成所需的物质。反应过程中需要加入由水电解生成的氢物质，通过外界添加物质的方式，完成煤制油的反应过程2。2 煤制油工艺应用对比 2 煤制油工艺应用对比 2.1 直接工艺 直接工艺是通过将煤直接液化的方式进行反应，完成煤制油的最终目标。直接工艺应用需要将煤原料预先处理成粉末状，使用相关设备进行研磨，当达到粉末状后，添加相应的液化重油。液化重油在原料配制中的作用是作为循环溶剂存在，可以使得煤粉末呈现出煤浆状态。在高温 450的状态下或者在高压 30MPa 的状态下，添加水解生成的氢物质，可以将煤浆转化成为汽油、柴油等石油工艺制品。直接液化工艺的应用在生产效率上可以得到保障，且直接液化的方式进行化学反应，煤制油的转化率可以达到 60%左右。但如果利用此工艺制备成品油，氢物质含量比较高的煤原料在成品油的转化率上仅为 40%左右。因此，虽然直接工艺通过液化的手段进行石油产品制备，但对煤种和生成物具有一定的要求，其主要工艺流程如图 1 内容所示。图 1 煤制油直接工艺流程图 图 1 煤制油直接工艺流程图 对煤制油的直接工艺流程进行分析，其在制备油品化学品的过程中，需要预先进行原料的制备，其中包括煤原料的处理和水解氢物质的提取。在浆液制备完成后，添加循环溶剂和氢物质，使其液化，随后采用分离手段分离残渣，最后通过精制的方式，进行相应的化学反应，生成油品化学品，完成一个阶段的煤制油。2.2 间接工艺 间接工艺应用同样需要对煤原料进行处理，采用气化的方式将煤进行处理，生成相应的煤物质。在此过程中，参与反应的并不是煤原料物质，而是经过气化处理后的合成气。合成气中的主要物质为 CO 物质和 H2物质。在反应过程中添加相应的催化剂，使得气体逐渐转化成为液体，生成油品化学品中的汽油物质。在间接液化工艺中，减少了中间反应环节，使得反应过程更加精细，这对化学反应的过程提出了更高的要求。在该工艺应用的过程中，选择何种催化剂，催化剂的质量、分量等成为影响反应结果的主要因素之一。因此，催化剂的选择应用是间接工艺反应的核心重点，是煤制油生产效率的核心关键。目前，由于催化剂的选择仍是该工艺应用的痛点，导致间接生产工艺的产品数量比较低，煤制油的原料转化率仅为 20%左右，但成本投入比较低，其具体的工艺流程如图 2 所示。图 2 煤制油间接工艺流程图 图 2 煤制油间接工艺流程图 2.3 工艺对比 两种工艺在煤制油生产过程中的应用生产效率不同，工艺特点存在一定的差异，且经济效益有所不同。探索两种煤制油生产工艺的具体应用，需要对两种工艺进行细致对比。首先，从工艺特点上进行对比，直接工艺对煤炭的种类和质量要求比较高，原料煤的质量需要科学把控。在煤制油工艺中多使用褐煤和长焰煤作为主要原料。在反应阶段需要添加氢气、循环溶剂催化反应。间接工艺则对煤质量的要求比较低。比较而言，直接工艺在成品油的生产中应用效果较好，需要科学控制温度和压力，间接工艺需要使用费托合成技术和分子筛技术，方可获取相应的化工产品。比较而言，间接工艺的反应更加复杂，对工艺技术要求比较高，成本较高，但生产出的柴油等可直接用于动力装置燃烧，排放指标满足环保要求3。其次，从工艺条件上进行对比分析，直接工艺对温度和压力的要求比较高，且反应生成物比较复杂，液化过程需要消耗大量能源。间接工艺的反应条件对温度和压力的要求比较小，在一定程度上能源的消耗量有所降低。直接工艺对反应装置的要求比较高，需要投入大量的成本，但原油转化率比较高，间接工艺更加环保、安全。最后，从经济效益的角度进行对比分析。煤制油直接工艺的产出率比较高，但成本投入比较大，间接工艺的产出率比较低，但成本投入比较少。按照油价每升 9 元进行计算，直接工艺的原料转化率在 60%左右，间接工艺的转化率在 30左右，直接工艺的一次性设备成本投入在 300 万元以上，间接工艺成本投入在 150 万左右。从短期上看，间接工艺的经济效益比较高，从长期的角度分析，直接工艺的经济效益比较高。3 煤制油工艺应用优化 3 煤制油工艺应用优化 目前，互联网技术、智能控制技术在煤化工领域中的应用逐渐广泛，可实现对煤制油 （下转第 219 页）（下转第 219 页）江桃明：波长色散型 X 射线荧光光谱法无标分析进口陶土中铅含量 219 表4 样品分析结果比较 表4 样品分析结果比较 样品名称 检测项目 ICP-MS 测试的平均值/mg kg-1本文方法测试的平均值/mg kg-1 相对偏差/%样品 1 Pb 16.22 15.83 2.46 样品 2 Pb 22.37 21.92 2.05 3 小 结 3 小 结 本文使用粉末压片法制样，建立波长色散X射线荧光光谱无标分析方法检测土壤中铅含量。该法检出限低，具有较好的精密度度和较高的准确度，省去了繁琐的前处理过程，无须配备大量的土壤标准样品，可满足实际样品分析，对进口陶土铅的筛查具有重要的意义。参考文献 参考文献 1 赵静.等离子光谱法同时测定土壤中微量铬铅镍铜和锌的研究J.世界有色金属,2021(14):167-168.2 唐金梦.ICP-AES 法测定土壤中的重金属元素J.世界有色金属,2019(21):283-284.3 刘宗英.密闭高压罐消解-ICP AES 法同时测定土壤中铅和锌J.四川冶金.2015,37(05):57-63.4 刘玖芬,刘晓煌,赵正鹏,等.王水溶样 ICP-AES 同时测定土壤样品中的铜铅锌铁锰钼和硫J.光谱实验室,2013,30(02):798-803.5 赵燕芳,翟振国,陈相峰.波长散射-X 射线荧光光谱法测定设施蔬菜集约区土壤中 5 种重金属J.山东科学,2019,32(5):131-136.6 张莉娟,刘义博,李小莉,等.超细粉末压片法-X射线荧光光谱测定水系沉积物和土壤中的主量元素J.岩矿测试,2014,33(04):517-522.7 窦怀智,洪华,王红卫,等.波长色散型 X 射线荧光光谱无标分析法检测树脂中的铅J.化学分析计量,2014,23(3):14-17.8 JASTRZEBSKA A,CICHOSZ M,SZLYK E.Simple and rapid determination of phosphorus in meat samples by WDXRFmethodJ.J Anal Chem,2010,65(4):376-381.9 肖杰,杨利元,王天铖.理论 系数法波长色散 X 射线荧光测定土壤中的重金属J.四川地质学报,2019,39(S1):156-159.（上接第 204 页）_（上接第 204 页）_ 生产工艺的数据控制，精度可以得到保障，效果良好。在煤制油反应生产过程中应用智能控制系统，建立数据库对煤制油化工生产板块数据的实时采集、储存、分析，实