煤怎樣能變成油？

全球單套裝置規模最大煤制油項目日前在神華寧夏煤業(yè)集團建成，第一條生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)出的首批合格油品裝車(chē)發(fā)運。該項目概算投資550億元，建設規模為年轉化煤炭2036萬(wàn)噸，年產(chǎn)合成油品405萬(wàn)噸。

那么，煤是怎么變成油的呢?

1.煤制油有現實(shí)物質(zhì)組分基礎

其實(shí)，煤變油這個(gè)說(shuō)法是不準確的，容易讓人聯(lián)想到當年的“水變油”偽科學(xué)。而用煤制成油，是靠實(shí)實(shí)在在的科學(xué)、扎扎實(shí)實(shí)的技術(shù)實(shí)現的。事實(shí)上，煤制油技術(shù)已經(jīng)有了百年的歷史，當然，這個(gè)技術(shù)也經(jīng)歷了不斷進(jìn)步和提高的過(guò)程。

煤是由遠古植物的殘骸浸入水中，并在生物化學(xué)作用下，經(jīng)過(guò)泥炭化階段，然后被地層覆蓋且在地壓和溫度條件下，經(jīng)過(guò)物理與化學(xué)作用而形成的有機生物巖。

石油是古代生物遺骸經(jīng)由很復雜的生物和化學(xué)作用轉化而成的。據估計，大約只有千分之一或更少的生物體，有機會(huì )經(jīng)過(guò)很快的掩埋而與氧隔絕以避免腐爛，進(jìn)而轉化成石油的前身——油母質(zhì)。形成的油母質(zhì)在沉積掩埋后，大約經(jīng)歷幾千萬(wàn)年，沉積物越埋越深，地溫越來(lái)越高(100 至150 )，油母質(zhì)的成熟度達到一定范圍就轉化成液態(tài)石油或天然氣。

煤與石油都是由碳、氫、氧為主的元素組成的天然有機礦物燃料，這是煤能制成油最根本的基礎。但它們在外觀(guān)和化學(xué)組成上都有明顯差別，其中最明顯的差別就是氫、氧含量的不同。煤中氫含量低、氧含量高，氫/碳比低、氧/碳比高。

煤的化學(xué)成分中氫含量為5%，碳含量較高，而成品油中氫含量為12%-15%，碳含量較低，且油品為不含氧的液體燃料。這主要是由于煤與石油的分子結構不同。因此，要將煤轉化為液體產(chǎn)物，首先要將煤的大分子裂解為較小的分子。而要提高氫/碳比，就必須增加氫原子或減少碳原子?？傊?，煤液化的實(shí)質(zhì)是在適當溫度、氫壓、溶劑和催化劑條件下，提高其氫/碳比，使固體的煤轉化為液體的油。

2.為德國二戰提供了2/3航空燃料

目前，煤制油技術(shù)主要包括煤直接液化和煤間接液化兩種技術(shù)路線(xiàn)。

煤直接液化就是讓煤漿在高溫、高壓、催化劑作用下首先打斷煤的大分子結構，然后將外供氫加到碳原子上而生成液體油，再通過(guò)加氫提質(zhì)，使煤中雜原子變?yōu)楦黝?lèi)化合物，生成需要的液態(tài)產(chǎn)品。直接液化的優(yōu)點(diǎn)是熱效率較高、液體產(chǎn)品收率高;主要缺點(diǎn)是煤漿加氫工藝過(guò)程的總體操作條件相對苛刻。

1913年德國科學(xué)家F·貝吉烏斯發(fā)明了在高溫高壓下可將煤加氫液化生產(chǎn)液體燃料的方法，并獲得專(zhuān)利，為煤直接液化技術(shù)的開(kāi)發(fā)奠定了基礎。從此，各種煤加氫液化方法不斷出現，實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的煤液化方法不下百種，按其產(chǎn)品和過(guò)程特點(diǎn)可分為不同的液化工藝。

到20世紀20年代，德國采用貝吉烏斯法，于1921年建成了煤處理量為5噸/天的試驗裝置，奠定了煤直接液化技術(shù)研究的基礎。

1927年德國建立了世界上第一座工業(yè)規模生產(chǎn)的煤直接液化廠(chǎng)，裝置能力10萬(wàn)噸/年，原料為褐煤或褐煤焦油。截至1939年二戰爆發(fā)，德國共建成投產(chǎn)12套煤直接液化裝置，油品生產(chǎn)能力達到423萬(wàn)噸/年，為發(fā)動(dòng)二戰提供了2/3的航空燃料和50%的汽車(chē)和裝甲車(chē)用油。

在二戰前后進(jìn)行煤直接液化技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的國家還有：英國建設了一座15萬(wàn)噸/年汽油的煤加氫液化廠(chǎng);1937年日本在我國東北撫順建設煤液化生產(chǎn)廠(chǎng)，1942年試生產(chǎn)，曾達到連續運轉1000 小時(shí)的紀錄，但直到戰爭結束也沒(méi)能正式投產(chǎn)。

二戰結束后，由于同盟國的干預，德國的煤直接液化廠(chǎng)全部停產(chǎn)或轉產(chǎn)。

到20世紀50年代初期，蘇聯(lián)利用德國煤直接液化技術(shù)和設備于1952年在安加爾斯克石油化工廠(chǎng)建成投產(chǎn)了11套煤直接液化和煤焦油加氫裝置，總生產(chǎn)能力為110萬(wàn)噸/年油品，運行7年后停止生產(chǎn)油品而改作他用。

3.間接液化技術(shù)“通吃”各種煤

煤間接液化是將煤先氣化生產(chǎn)合成氣(氫氣、一氧化碳)，合成氣經(jīng)凈化，調整氫氣、一氧化碳比例后，再經(jīng)過(guò)催化合成為液體燃料和化學(xué)品。其優(yōu)點(diǎn)是煤種適應性較寬、操作條件相對溫和(壓力較低)、煤灰等三廢問(wèn)題主要在氣化過(guò)程中解決，缺點(diǎn)是總效率比不上直接液化。

德國科學(xué)家費舍和托羅普歇在20世紀20年代初就在研究一氧化碳和氫氣的反應。1925年，費舍和托羅普歇在室溫下成功合成烴類(lèi)并申請專(zhuān)利。1934年，魯爾化學(xué)公司與托羅普歇簽訂了合作協(xié)議，建成250公斤/天的試驗裝置并順利運轉。1936年，該公司建成第一個(gè)間接液化廠(chǎng)，產(chǎn)量為7萬(wàn)噸/年，到1944年，德國總共有9套煤間接液化生產(chǎn)裝置，總生產(chǎn)能力57.4萬(wàn)噸/年。在同一時(shí)期，日本、法國和中國也有6套這樣的裝置，規模為34萬(wàn)噸/年。因此，二戰前全世界煤間接液化廠(chǎng)的總規模為91.4萬(wàn)噸/年。

二戰以后，德國的間接液化工業(yè)裝置與直接液化裝置一樣完全停頓。

1952年，蘇聯(lián)利用德國的技術(shù)和設備，建了一個(gè)5萬(wàn)噸/年的小型工業(yè)裝置，但沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)展。

南非是個(gè)富煤缺油的國家，20世紀50年代，由于當時(shí)特殊的國際政治環(huán)境和本國的資源條件，南非決定采用煤間接液化技術(shù)解決本國油品供應問(wèn)題，于1950年成立南非煤油氣公司，由于當地礦區的煤為劣質(zhì)煤，更適合于間接液化對煤種的要求。第二次世界大戰以后，煤間接液化的中心由德國轉移到了南非。

4.成本考量是技術(shù)長(cháng)期擱置主因

早在二戰之前和二戰期間，德國的煤制油生產(chǎn)就有了較大的規模，而二戰以后，世界范圍內的煤制油產(chǎn)業(yè)卻處于停滯狀態(tài)，這主要是由于石油供給的情況決定的。

在上世紀40年代末50年代初，隨著(zhù)中東大油田的開(kāi)采，低成本的石油大量充斥市場(chǎng)，使得煤制油技術(shù)在經(jīng)濟上很不合算。直到1973年，中東實(shí)行石油禁運，世界石油危機爆發(fā)，大規模的煤制油研發(fā)才又掀起高潮，美國、日本、德國、蘇聯(lián)都紛紛投入巨資研究，并建設了試驗工廠(chǎng)，相繼開(kāi)發(fā)出多種工藝。

到20世紀80年代中期，各國開(kāi)發(fā)的煤液化新工藝都日趨成熟，有的已完成了5000噸/天示范廠(chǎng)或23000噸/天生產(chǎn)廠(chǎng)的概念設計，工業(yè)化發(fā)展勢頭一度十分迅猛。然而，就在此時(shí)，世界石油價(jià)格迅速下跌，而且至1995年還一直在低價(jià)位上徘徊，使得那些煤液化示范廠(chǎng)和生產(chǎn)廠(chǎng)的計劃不得不中斷，煤液化工業(yè)化開(kāi)發(fā)的熱情隨之逐步降溫。但是一些國家更深入細致的技術(shù)研究工作并沒(méi)有停止。

總的來(lái)說(shuō)，各國煤制油技術(shù)已相當成熟，但國際油價(jià)頻繁變動(dòng)，時(shí)高時(shí)低，而且煤制油項目從啟動(dòng)到開(kāi)工建設，至少需要5年準備時(shí)間，且煤制油項目也要消耗大量的煤炭資源和水資源，導致各國往往反應滯后，使決策舉棋不定。因此，近年來(lái)在國外，除了南非在發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)外，各國對煤制油產(chǎn)業(yè)普遍保持觀(guān)望態(tài)度。

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我國國情決定有必要發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)

中國化石能源資源的特點(diǎn)是富煤、少油。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國，2010年煤炭產(chǎn)量為32.4億噸，占世界的45%。我國以煤為主的能源結構長(cháng)期存在，2010年能源消費總量為32.5億噸標準煤，其中煤炭占69%，比世界平均水平高出近40個(gè)百分點(diǎn)?？梢灶A見(jiàn)，在未來(lái)30-50年內，煤炭在國民經(jīng)濟發(fā)展中將占有不可動(dòng)搖的主導地位。如此大規模的煤炭開(kāi)發(fā)利用，會(huì )造成嚴峻的生產(chǎn)安全、環(huán)境保護、大氣污染物與溫室氣體排放等問(wèn)題。

近年來(lái)我國原油和油品進(jìn)口量增長(cháng)迅速，2016年9月我國的原油進(jìn)口創(chuàng )下記錄高位，并且一舉超越美國，成為全球最大的原油進(jìn)口國。為了保證能源安全，實(shí)現經(jīng)濟的可持續發(fā)展，充分利用我國豐富的煤炭資源，發(fā)展煤制油產(chǎn)業(yè)是我們的國情需要。 由于煤液化過(guò)程可以脫除煤中硫、氮等污染大氣的物質(zhì)以及灰分等，獲得的液體產(chǎn)品是優(yōu)質(zhì)潔凈的液體燃料和化學(xué)品，因此，煤液化將是中國潔凈煤技術(shù)和煤代油戰略的重要、有效和可行的途徑之一。