能源是人類社會的命脈，是極其寶貴的戰(zhàn)略資源。中國的能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主，其特點(diǎn)是富煤少油。一方面，中國已經(jīng)成為世界上最大的原油進(jìn)口國，近三分之二的石油需要進(jìn)口；另一方面，煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)利用使得空氣污染和溫室氣體排放日益突出。那么，我們能把煤變成石油嗎？

一個(gè)

切斷持續(xù)的“基因”聯(lián)系

說起把煤變成石油，可能有人會覺得不可思議。一種是固體燃料，一種是液體燃料，更何況煤和油的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)都不一樣，這么說怎么會變呢？

我們知道，煤和石油都是化石燃料，都是以有機(jī)化合物為主要成分的復(fù)雜混合物，分別被稱為“工業(yè)食品”和“工業(yè)血液”。既然屬于同一個(gè)大家庭，就必然有一定的“基因”聯(lián)系。這里的“基因”是指它們在化學(xué)成分上的相似性。

煤主要是古代植物長期埋藏在地下，經(jīng)過復(fù)雜的生物化學(xué)和物理化學(xué)變化而逐漸形成的固體可燃物質(zhì)，而石油是由水中積累的浮游生物碎屑演化而來的液體可燃物質(zhì)。煤和石油是以碳、氫、氧等元素為主的天然有機(jī)化石燃料，這是它們的“遺傳”聯(lián)系。正是這種聯(lián)系，為煤變油奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

一個(gè)

煤變成石油的不同途徑

但是，煤和油畢竟是兩種不同的物質(zhì)。比如兩者外觀差別很大，一個(gè)是固體，一個(gè)是液體?；瘜W(xué)成分也有明顯差異。這里主要分析碳、氫、氧的區(qū)別。

對于煤，碳、氫和氧占95%以上。碳是煤中有機(jī)質(zhì)的主要成分，其含量隨著煤化程度的加深而逐漸增加。如泥炭含碳量50% ~ 60%，褐煤60% ~ 77%，煙煤74% ~ 92%，無煙煤90% ~ 98%。煤中氫的含量很低，一般在5%左右。煤中的氧含量差別很大，無煙煤中只有3%左右，褐煤中高達(dá)20%左右。

至于石油，其主要成分是由碳和加氫組成的烴類，按結(jié)構(gòu)可分為烷烴、環(huán)烷烴和芳烴。石油的化學(xué)元素主要是碳(83% ~ 87%)和氫(11% ~ 14%)，氧含量很低，約為0.08% ~ 1.82%。

通過以上分析，不難發(fā)現(xiàn)煤和油的氫碳比是不同的。例如，典型煙煤的氫碳比約為0.8，而原油的氫碳比約為1.76，汽油和柴油的氫碳比約為2。

現(xiàn)在把煤變成油的基本思路應(yīng)該是先把煤大分子裂解成更小的分子，然后通過增加氫原子或減少碳原子來增加氫碳比，使其達(dá)到石油的氫碳比水平，從而把固體煤變成液體油。

這個(gè)想法理論上沒有問題，但是實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程并不是一件容易的事情。我們稱之為煤變油煤液化的過程，其本質(zhì)是在適當(dāng)?shù)臏囟?、壓力、溶劑和催化劑條件下，提高其氫碳比，通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，將煤中所含的烴類轉(zhuǎn)化為柴油、汽油等石油烴類。

就目前的技術(shù)手段而言，實(shí)現(xiàn)煤制油轉(zhuǎn)化的技術(shù)途徑主要有兩種:直接液化和間接液化。直接液化是煤在氫氣和催化劑的作用下通過加氫裂化轉(zhuǎn)化為液體燃料的過程。直接液化的優(yōu)點(diǎn)是熱效率高、出油率高，缺點(diǎn)是對煤種和苛刻的化學(xué)反應(yīng)條件過于繁瑣。間接液化是將煤氣化產(chǎn)生合成氣(氫氣和一氧化碳)，然后費(fèi)托合成產(chǎn)生合成油的過程。間接液化的優(yōu)點(diǎn)是煤的適應(yīng)性廣，操作條件相對溫和，缺點(diǎn)是出油率低。

一個(gè)

費(fèi)托合成——

煤化工圣經(jīng)

說起煤的間接液化，作為間接液化技術(shù)核心的費(fèi)托合成被譽(yù)為煤化工領(lǐng)域的“圣經(jīng)”。

煤的間接液化包括煤氣化、合成氣凈化、費(fèi)托合成反應(yīng)和石油加工。那么，什么是費(fèi)托合成呢？費(fèi)托合成最初是指一氧化碳和氫氣在特定的溫度和壓力條件下，在催化劑的作用下，反應(yīng)生成烴類產(chǎn)品。

20世紀(jì)20年代初，德國科學(xué)家費(fèi)希爾(Fisher)和圖羅普·謝(Toorop Xie)研究了一氧化碳和氫氣之間的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)煤可以間接液化。1925年，F(xiàn)isher和Toorop Scheer在室溫下成功合成了碳?xì)浠衔铮⑸暾埩藢＠?。這就是著名的費(fèi)托合成。

應(yīng)當(dāng)注意，費(fèi)-托合成不能產(chǎn)生單一的烴。也就是說，目前煤的間接液化不能只生產(chǎn)汽油或柴油。由于費(fèi)托合成涉及一系列化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)品包括液體、氣體和固體。但是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了費(fèi)托合成的產(chǎn)物分布規(guī)律。我們可以選擇催化劑，控制反應(yīng)過程和條件，得到預(yù)期的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

一個(gè)

中國煤制石油的探索

鑒于中國“富煤少油”的現(xiàn)實(shí)，中國科學(xué)家早就參與了煤轉(zhuǎn)油的研究，并突破了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)難題。

中科合成油科技有限公司的成立是我國煤制油研究領(lǐng)域的一件大事。現(xiàn)在，合成燃料中國已經(jīng)成為煤炭間接液化領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。中國神華集團(tuán)在煤制油化工領(lǐng)域形成了完整的體系，成為世界上唯一掌握煤直接液化和煤間接液化兩種煤制油技術(shù)的公司。

2008年12月30日，神華鄂爾多斯煤直接液化示范工程正式投產(chǎn)，這是世界上首個(gè)百萬噸級現(xiàn)代化煤直接液化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程。項(xiàng)目總建設(shè)規(guī)模為每年500萬噸油品，轉(zhuǎn)化率高達(dá)60% ~ 70%。同時(shí)，直接液化生產(chǎn)的成品油具有硫、氮含量低、比重高、凝固點(diǎn)低的特點(diǎn)。

2016年12月28日，中科合成油科技有限公司與神華寧美聯(lián)合建設(shè)的全球最大的400萬噸/年單套煤間接液化示范工程竣工投產(chǎn)，使中國進(jìn)入了少數(shù)幾個(gè)掌握煤制油產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的國家行列，使中國的煤制油技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。例如，我國開發(fā)的高效催化劑具有較高的反應(yīng)活性，將能源利用效率提高到44% ~ 45%，采油能力比國際通用技術(shù)高三倍以上。

世界上最大的單一煤制油項(xiàng)目

(神華寧美集團(tuán)400萬噸/年煤間接液化示范工程)

針對煤制油技術(shù)關(guān)鍵領(lǐng)域的技術(shù)問題，解決煤制油技術(shù)中的節(jié)水和環(huán)保關(guān)鍵問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在煤制油技術(shù)領(lǐng)域，中國科學(xué)家將進(jìn)一步探索和創(chuàng)新，致力于解決褐煤、煙煤等大量低階煤資源的分級液化利用問題，為促進(jìn)煤炭清潔高效利用、增強(qiáng)中國能源自主支撐能力做出更大貢獻(xiàn)。