煤液化

煤間接液化

煤間接液化是先把煤炭在高溫下與氧氣和水蒸氣反應，使煤炭全部氣化、轉化成合成氣

（一氧化碳和氫氣的混合物），然后再在催化劑的作用下合成為液體燃料的工藝技術。

目錄

?1簡介

??目標產物

??特點

?2煤間接液化技術的發展

??產生

??發展

??現狀

?3F-T合成的主要化學反應

??主反應

???副反應

??4F-T合成催化劑

???組成

???溫度、壓強

??5F-T合成反應器

???簡介

???固定床反應器（Arge反應器）

???漿態床反應器

???循環流化床反應器

???固定流化床反應器

??6間接液化工藝

???SASOL工藝

???SHELL公司的SMDS合成工藝

???中科院山西煤化所漿態床合成技術的開發

???兗礦煤制油技術開發

??7中國煤化工產業發展現狀

1煤間接液化簡介

煤間接液化目標產物

煤間接液化首先將原料煤與氧氣、水蒸汽反應將煤全部氣化，制得的粗煤氣經變換、脫

硫、脫碳制成潔凈的合成氣（CO+H2），合成氣在催化劑作用下發生合成反應生成烴類，烴

類經進一步加工可以生產汽油、柴油和LPG等產品。

煤間接液化特點

在煤炭液化的加工過程中，煤炭中含有的硫等有害元素以及無機礦物質（燃燒后轉化成

灰分）均可脫除，硫還可以硫磺的形態得到回收，而液體產品品質較一般石油產品更優質。

2煤間接液化技術的發展

煤間接液化產生

煤間接液化中的合成技術是由德國科學家FransFischer和HansTropsch于1923首

先發現并以他們名字的第一字母即F-T命名的，簡稱F-T合成或費托合成。依靠間接液化

技術，不但可以從煤炭中提煉汽油、柴油、煤油等普通石油制品，而且還可以提煉出航空燃

油、潤滑油等高品質石油制品以及烯烴、石蠟等多種高附加值的產品。

煤間接液化發展

自從Fischer和Tropsch發現在堿化的鐵催化劑上可從CO和H2生成烴類化合物以來，

費托合成技術就伴隨著世界原油價格的波動以及政治因素而盛衰不定。費托合成率先在德國

開始工業化應用，1934年魯爾化學公司建成了第一座間接液化生產裝置，產量為7萬噸/年，

到1944年，德國共有9個工廠共57萬噸/年的生產能力。在同一時期，日本、法國、中國也

有6套裝置建成。

二十世紀五十年代初，中東大油田的發現使間接液化技術的開發和應用陷入低潮，但南

非是例外。南非因其推行的種族隔離政策而遭到世界各國的石油禁運，促使南非下決心從根

本上解決能源供應問題。考慮到南非的煤炭質量較差，不適宜進行直接液化，經過反復論證

和方案比較，最終選擇了使用煤炭間接液化的方法生產石油和石油制品。SASOLI廠于1955

年開工生產，主要生產燃料和化學品。20世紀70年代的能源危機促使SASOL建設兩座更

大的煤基費托裝置，設計目標是生產燃料。當工廠在1980和1982年建成投產的時候，原油

的價格已經超過了30美元/桶。此時SASOL的三座工廠的綜合產能已經大約為760萬噸/年。

由于SASOL生產規模較大，盡管經歷了原油價格的波動但仍保持贏利。南非不僅打破了石

油禁運，而且成為了世界上第一個將煤炭液化費托合成技術工業化的國家。1992和1993年，

又有兩座基于天然氣的費托合成工廠建成，分別是南非Mossgas100萬噸/年和殼牌在馬來

西亞Bintulu的50萬噸/年的工廠。

煤間接液化現狀

除了已經運行的商業化間接液化裝置外，埃克森－美孚（Exxon-Mobil），英國石油

（BP-Amoco），美國大陸石油公司（ConocoPhillips）和合成油公司（Syntroleum）等也正

在開發自己的費托合成工藝，轉讓許可證技術，并且計劃在擁有天然氣的邊遠地域來建造費

托合成天然氣液化工廠。

3F-T合成的主要化學反應

煤間接液化主反應

F-T合成的主反應：

生成烷烴：nCO+(2n+1)H2=CnH2n+2+nH2O

生成烯烴：nCO+(2n)H2=CnH2n+nH2O

另外還有一些副反應，如：

生成甲烷：CO+3H2=CH4+H2O

生成甲醇：CO+2H2=CH3OH

生成乙醇：2CO+4H2=C2H5OH+H2O

結炭反應：2CO=C+CO2

煤間接液化副反應

除了以上6個反應以外，還有生成更高碳數的醇以及醛、酮、酸、酯等含氧化合物的副

反應。

4F-T合成反應器（費-托催化劑）

煤間接液化組成

合成催化劑主要由Co、Fe、Ni、Ru等周期表第VIII族金屬制成，為了提高催化劑的

活性、穩定性和選擇性，除主成分外還要加入一些輔助成分，如金屬氧化物或鹽類。大部分

催化劑都需要載體，如氧化鋁、二氧化硅、高嶺土或硅藻土等。合成催化劑制備后只有經

CO+H2或H2還原活化后才具有活性。目前，世界上使用較成熟的間接液化催化劑主要有鐵

系和鈷系兩大類，SASOL使用的主要是鐵系催化劑。在SASOL固定床和漿態床反應器中

使用的是沉淀鐵催化劑，在流化床反應器中使用的是熔鐵催化劑。

煤間接液化溫度、壓強

鈷和鎳催化劑的合適使用溫度為170～190℃，鐵催化劑的適宜使用溫度為200～

350℃。鎳劑在常溫下操作效率最高，鈷劑在0.1～0.2MPa時活性最好。鐵劑在1～3MPa

時活性最佳，而鉬劑則在10MPa時活性最高。

5F-T合成反應器（費-托合成反應器）

煤間接液化簡介

SASOL自1955年首次使用固定床反應器實現商業化生產以來，緊緊抓住反應器技術和

催化劑技術開發這兩個關鍵環節，通過近五十年持之以恒的研究和開發，在煤間接液化費托

合成工藝開發中走出了一條具有SASOL特色的道路。迄今已擁有世界上最為完整的固定

床、循環流化床、固定流化床和漿態床商業化反應器的系列技術。

煤間接液化固定床反應器（Arge反應器）

固定床反應器首先由魯爾化學（Ruhrchemir）和魯齊（Lurge）兩家公司合作開發而成，

簡稱Arge反應器。1955年第一個商業化Arge反應器在南非建成投產。反應器直徑3米，由

2052根管子組成，管內徑5厘米，長12米，體積40m3；管外為沸騰水，通過水的蒸發移走

管內的反應熱，產生蒸汽。管內裝填了擠出式鐵催化劑。反應器的操作條件是225C，

2.6MPa。大約占產品50%的液蠟順催化劑床層流下。基于SASOL的中試試驗結果，一個

操作壓力4.5MPa的Arge反應器在1987年投入使用。管子和反應器的尺寸和Arge反應器

基本一致。

通常多管固定床反應器的徑向溫差為大約2～4C。軸向溫度差為15～20C。為防止

催化劑失活和積碳，絕不可以超過最高反應溫度，因為積碳可導致催化劑破碎和反應管堵塞，

甚至需要更換催化劑。固定床中鐵催化劑的使用溫度不能超過260C，因為過高的溫度會

造成積碳并堵塞反應器。為生產蠟，一般操作溫度在230C左右。最大的反應器的設計能

力是1500桶/天。

固定床反應器的優點有：易于操作；由于液體產品順催化劑床層流下，催化劑和液體產

品分離容易，適于費托蠟生產。由于合成氣凈化廠工作不穩定而剩余的少量的H2S，可由催

化劑床層的上部吸附，床層的其它部分不受影響。固定床反應器也有不少缺點：反應器制造

昂貴。開業策劃 高氣速流過催化劑床層所導致的高壓降和所要求的尾氣循環，提高了氣體壓縮成本。

費托合成受擴散控制要求使用小催化劑顆粒，這導致了較高的床層壓降。由于管程的壓降最

高可達0.7MPa，反應器管束所承受的應力相當大。大直徑的反應器所需要的管材厚度非常

大，從而造成反應器放大昂貴。另外，裝填了催化劑的管子不能承受太大的操作溫度變化。

根據所需要的產品組成，需要定期更換鐵基催化劑；所以需要特殊的可拆卸的網格，從而使

反應器設計十分復雜。重新裝填催化劑也是一個枯燥和費時的工作，需要許多的維護工作，

導致相當長的停車時間；這也干擾了工廠的正常運行。

煤間接液化漿態床反應器

德國人在上世紀的40和50年代曾經研究過三相鼓泡床反應器，但是沒有商業化。

SASOL的研發部門在二十世紀七十年代中期開始了對漿態床反應器的研究。1990年研發有

了突破性進展，一個簡單而高效的蠟分離裝置成功地通過了測試。100桶/天的中試裝置于

1990年正式開車。SASOL于1993年5月實現了ID=小花語 5m，20m高的產能為2500桶/天的漿態

床反應器的開工。

SASOL的三相漿態床反應器（SlurryPhaReactor）可以使用鐵催化劑生產蠟、燃

料和溶劑。壓力2.0MPa，溫度高于200℃。反應器內裝有正在鼓泡的液態反應產物（主要

為費托產品蠟）和懸浮在其中的催化劑顆粒。SASOL漿態床技術的核心和創新是其擁有專

利的蠟產物和催化劑實現分離的工藝；此技術避免了傳統反應器中昂貴的停車更換催化劑步

驟。漿態床反應器可連續運轉兩年，中間僅維護性停車一次。反應器設計簡單。SASOL漿

態床技術的另一專利技術是把反應器出口氣體中所夾帶的“漿”有效地分離出來。

典型的漿態床反應器為了將合成蠟與催化劑分離，一般內置2～3層的過濾器，每一層

過濾器由若干過濾單元組成，每一組過濾單元又由3～4根過濾棒組成。正常操作下，合成

蠟穿過過濾棒排出，而催化劑被過濾棒擋住留在反應器內。當過濾棒被細小的催化劑顆粒堵

塞時可以采用反沖洗的方法進行清洗。在正常工況下一部分過濾單元在排蠟，另一部分在反

沖洗，第三部分在備用。另外為了將反應熱移走，反應器內還設置2～3層的換熱盤管，進

入管內的是鍋爐給水，通過水的蒸發移走管內的反應熱，產生蒸汽。通過調節汽包的壓力來

控制反應溫度。此外在反應器的下部設有合成氣分配器，上部設有除塵除沫器。其操作過程

如下：合成氣經過氣體分配器在反應器截面上均勻分布，在向上流動穿過由催化劑和合成蠟

組成的漿料床層時，在催化劑作用下發生FT合成反應。生成的輕烴、水、CO2和未反應的

氣體一起由反應器上部的氣相出口排出，生成的蠟經過內置過濾器過濾后排出反應器，當過

濾器發生堵塞導致器內器外壓差過大時，啟動備用過濾器，對堵賽的過濾器應切斷排蠟閥門，

而后打開反沖洗閥門進行發沖洗，直至壓差消失為止。為了維持反應器內的催化劑活性，反

應器還設置了一個新鮮催化劑/蠟加入口和一個催化劑/蠟排出口。可以根據需要定期定量將

新鮮催化劑加入同時排出舊催化劑。

漿態床反應器和固定床相比要簡單許多，它消除了后者的大部分缺點。漿態床的床層壓

降比固定床大大降低，從而氣體壓縮成本也比固定床低很多。可簡易地實現催化劑的在線添

加和移走。漿態床所需要的催化劑總量遠低于同等條件下的固定床，同時每單位產品的催化

劑消耗量也降低了70%。由于混合充分，漿態床反應器的等溫性能比固定床好，從而可以在

較高的溫度下運轉，而不必擔心催化劑失活、積碳和破碎。在較高的平均轉化率下，控制產

品的選擇性也成為可能，這就使漿態床反應器特別適合高活性的催化劑，SASOL現有的漿

態床反應器的產能是2500桶/天，2003年為卡塔爾和尼日利亞設計的是ID=9.6m、17000桶

/天的商業性反應器。SASOL認為設計使用Co催化劑的能力達到22300桶/天的反應器也是

可行的，這在經濟規模方面具有很大的優勢。

煤間接液化循環流化床反應器

1955年前后，薩索爾在其第一個工廠（SasolI）中對美國Kellogg公司開發的循環流

化床反應器（CFB）進行了第一階段的500倍的放大。放大后的反應器內徑為2.3米，46米

高，生產能力1500桶/天。此后克服了許多困難，多次修改設計和催化劑配方，這種后來命

名為Synthol的反應器成功地運行了30年。后來SASOL通過增加壓力和尺寸，反應器的

處理能力提高了3倍。1980年在SASOLII、1982年在SASOLIII分別建設了8臺ID=3.6m、

生產能力達到6500桶/天的Synthol反應器。使用高密度的鐵基催化劑。循環流化床的壓降

低于固定床，因此其氣體壓縮成本較低。由于高氣速造成的快速循環和返混，循環流化床的

反應段近乎處于等溫狀態，催化劑床層的溫差一般小于2C。循環流化床中，循環回路中

的溫度的波動范圍為30C左右。循環流化床的一個重要的特點是可以加入新催化劑，也

可以移走舊催化劑。

循環流化床也有一些缺點：操作復雜；新鮮和循環物料在200C和2.5MPa條件下進

入反應器底部并夾帶起部分從豎管和滑閥流下來的350C的催化劑。在催化劑沉積區域，

催化劑和氣體實現分離。氣體出旋風分離器而催化劑由于線速度降低從氣體中分離出來并回

到分離器中。從尾氣中分離細小的催化劑顆粒比較困難。一般使用旋風分離器實現該分離，

效率一般高于99.9%。但由于通過分離器的高質量流率，即使0.1%的催化劑也是很大的量。

所以這些反應器一般在分離器下游配備了油洗滌器來脫除這些細小的顆粒。這就增加了設備

成本并降低了系統的熱效率。另外在非常高線速度的部位，由碳化鐵顆粒所引起的磨損要求

使用陶瓷襯里來保護反應器壁，這也增加了反應器成本和停車時間。Synthol反應器一般在

2.5MPa和340C的條件下操作。

煤間接液化固定流化床反應器

鑒于循環流化床反應器的局限和缺陷，SASOL開發成功了固定流化床反應器，并命名

為SASOLAdvancedSynthol（簡稱為SAS）反應器。

固定流化床反應器由以下部分組成：含氣體分布器的容器；催化三國演義周瑜 劑流化床；床層內的冷

卻管；以及從氣體產物中分離夾帶催化劑的旋風分離器。

固定流化床操作比較簡單。氣體從反應器底部通過分布器進入并通過流化床。床層內催

化劑顆粒處于湍流狀態但整體保持靜止不動。和商業循環流化床相比，它們具有類似的選擇

性和更高的轉化率。因此，固定流化床在SASOL得到了進一步的發展，一個內徑1米的演

示裝置在1983年開車。一個內徑5米的商業化裝置于1989年投用并滿足了所有的設計要求。

1995年6月，直徑8米的SAS反應器商業示范裝置開車成功。1996年SASOL決定用8臺SAS

反應器代替SASOLII和SASOLIII廠的16臺Synthol循環流化床反應器。其中4臺直徑8

米的SAS反應器，每個的生產能力是11000桶/天；另外四個直徑10.7米的反應器，每個生

產能力是20000桶/天。這項工作于1999年完成，2000年SASOL又增設了第9臺SAS反應

器。固定流化床反應器的操作條件一般是2.0～4.0MPa，大約340℃，使用的一般是和循環

流化床類似的鐵催化劑。

在同等的生產規模下，固定流化床比循環流化床制造成本更低，這是因為它體積小而且

不需要昂貴的支承結構。由于SAS反應器可以安放在裙座上，它的支撐結構的成本僅為循

環流化床的5%。因為氣體線速較低，基本上消除了磨蝕從而也不需要定期的檢查和維護。

SAS反應器中的壓降較低，壓縮成本也低。積碳也不再是問題。SAS催化劑的用量大約是

Synthol的50%。由于反應熱隨反應壓力的增加而增加，所以盤管冷卻面積的增加使操作壓

力可高達40巴，大大地增加了反應器的生產能力。

6間接液化工藝

煤間接液化SASOL工藝

薩索爾(Sasol)是南非煤炭、石油和天然氣股份有限公司(SouthAfricanCoal,Oiland

GasCorp.)的簡稱。南非缺乏石油資源但卻蘊藏有大量煤炭資源。為了解決當地石油的需求

問題，于1951年籌建了SASOL公司。1955年建成了第一座由煤生產液體運輸燃料的

SASOL-I廠。建設由美國凱洛格(gCO.)公司及原西德的阿奇公司(Arge即

ArbeitGemeinshaftLurgiundRuhrchemie)承包。阿奇建造的五臺固定床反應器作為第一

段，年產量為53,000t初級產品，凱洛格建造了兩套流化床反應器(Synthol)，設計年產液體

燃料166000t，在SASOL-I廠成功的經驗上，1974年開始，南非在賽昆達地區開工建設了

SASOL-II廠，并于1980年建成投產。1979年又在賽昆達地區建設了SASOL-III廠，規模與

II廠相同，造氣能力大約是SASOL-I廠的8倍。隨著時代的變遷和技術的進步，SASOL三

個廠的生產設備、生產能力和產品結構都發生了很大的變化。目前三個廠年用煤4590萬t，

其中I廠650萬t/年，II廠和III廠3940萬t/年。主要產品是汽油、柴油、蠟、氨、烯烴、聚

合物、醇、醛等113種，總產量達760萬t，其中油品大約占60%。

煤間接液化SHELL公司的SMDS合成工藝

多年來，荷蘭皇家Shell石油公司一直在進行從煤或天然氣基合成氣制取發動機燃料的

研究開發工作。尤其對一氧化碳加氫反應的Schulz-Flory聚合動力學的規律性進行了深入

的研究，認為在鏈增長的a值高的條件下，可以高選擇性和高收率地合成高分子長鏈烷烴，

同時也大大降低了低碳氣態烴的生成。在1985年第五次合成燃料研討會上，該公司宣布已

開發成功F-T合成兩段法的新技術—SMDS(ShellMiddleDistillateSynt暑期出游 hesis)工藝，并通過

了中試裝置的長期運轉。

SMDS合成工藝由一氧化碳加氫合成高分子石蠟烴—HPS(HeavyParaffinSynthesis)

過程和石蠟烴加氫裂化或加氫異構化—HPC(HeavyParaffinConversion)制取發動機燃料

兩段構成。Shell公司的報告指出，若利用廉價的天然氣制取的合成氣(H2/CO=2.0)為原料，

采用SMDS工藝制取汽油、煤油和貧困申請書格式 柴油產品，其熱效率可達60%，而且經濟上優于其他F-T

合成技術。

Shell公司采用自己開發的熱穩定性較好的鈷系催化劑高選擇性地合成了長鏈石蠟烴

(～C50)，其鏈增長a值可控制在0.80～0.94之間。HPS技術采用管式固定床反應器。為了

提高轉化率，合成過程分兩段進行。第一段安排了3個反應器。第二段只設一個反應器。每

一段設有單獨的循環氣體壓縮機。大約總產量的85%在第一段生成，其余15%在第二段生成。

反應系統操作參數如下：合成氣組成H2/CO=2.0，反應壓力2.0MPa～4.0MPa，反應溫度

200℃～240℃，全過程CO轉化率：95%，單程單段CO轉化率40%。

煤間接液化中科院山西煤化所漿態床合成技術的開發

自上世紀70年代末開始，中科院山西煤化所一直從事間接液化技術的開發，并取得了

令人矚目的成績。除了系列催化劑的開發外，還對固定床和漿態床合成技術進行了較系統的

研究。

80年代初提出了將傳統的F-T合成與沸石分子篩特殊形選作用相結合的兩段法合成(簡

稱MFT)，先后完成了實驗室小試，工業單管模試中間試驗（百噸級）和工業性試驗(2000

噸/年)。除了MFT合成工藝之外，其后，山西煤化所還開發了漿態床—固定床兩段法工藝，

簡稱SMFT合成。

多年來山西煤化所對鐵系和鈷系催化劑進行了較系女明星顏值排行榜 統的研究。共沉淀Fe-Cu催化劑(編

號為ICC-IA)自1990年以來一直在實驗室中進行固定床試驗，主要目的是獲得動力學參數。

Fe-Mn催化劑(ICC-IIA、ICC-IIB)和鈷催化劑(ICC-IIIA、ICC-IIIB、ICC-IIIC)的研究集中在催

化劑的優化和動力學研究以及過程模擬。其中ICC-I型催化劑用于重質餾分工藝，ICC-II型

催化劑用于輕質餾分工藝。ICC-IA催化劑已經定型，實現了中試放大生產，并進行了充分

的中試驗證，完成了累計4000小時的中試工藝試驗，穩定運轉1500小時，滿負荷運轉達800

小時。ICC-IIA型催化劑也已經實現中試放大生產，在實驗室進行了長期運轉試驗，最長連

續運轉達4800小時，。此外，中科院山西煤化所還對ICC-IIIA鈷催化劑進行了研究和開發。

目前，用于漿態床的ICC-IA和ICC-IIA催化劑成本大幅度下降，成品率明顯提高，催化劑

性能尤其是產品選擇性得到明顯提高，在實驗室模擬驗證漿態床裝置上，催化劑與液體產物

的分離和催化劑磨損問題得到根本性的解決，從而從技術上突破了煤基合成油過程的技術經

濟瓶頸。

1999～2001年國家和中科院加大了對漿態床合成油技術攻關的投入力度，2000年中科

院山西煤化所開始籌劃建設千噸級漿態床合成油中試裝置，2001年6月完成中試裝置設計，

7月開始施工，2002年4月建成，到2004年6月累計運行3000小時，目前，各個技術環節已

運轉暢通，實現了長周期穩定運轉，為工業裝置的建設提供工程數據和積累運行經驗。

千噸級漿態床合成油中試裝置的反應器內徑350mm、靜液高14m、總床高25m，最大

氣量860m3/h，最大生產能力500～900噸/年。反應器自動連續內部過濾，內部列管水蒸汽

移熱系統，二維環管氣體分布系統，器外催化劑漿液預處理系統。

煤間接液化兗礦煤制油技術開發

兗礦集團下屬公司上海兗礦能源科技研發有限公司自2002年下半年起開始費托合成煤

間接液化的研究開發工作，目前已成功開發出具有自主知識產權的低溫費托合成煤間接液化

制油技術，并于2004年11月完成4500t粗油品/a低溫F-T合成、100t/a催化劑中試裝置試

驗，裝置連續平穩運行4706h，累計運行6068h。與中國石化北京石化研究院合作進行了中

試產品的提質加氫開發工作，2005年8月“煤基漿態床低溫費托合成產物加氫提質技術”通

過了中國石油與化學工業協會組織的技術鑒定。在完成中試后，兗礦集團目前正在進行充礦

榆林100萬t/a工業示范裝置建設工作，充礦榆林煤制油項目總體規劃分兩期進行。一期:年

產油品500萬t，首先建設100萬t/a工業示范裝置;二期:年產油品1000萬t。

項目建議書于2004年7月完成，2006年2月國家發改委批準同意項目開展前期工作，

2006年4月在陜西省榆林市榆橫煤化學工業園舉行了充礦煤液化項目場前工程奠基儀式。按

計劃于2009年底建成并投料試車。

7中國煤化工產業發展現狀

2008年中國的煤化工產業繼續有序發展，煤化工產業發展政策逐步完善，煤基甲醇和

煤基二甲醚的試點應用取得可喜進展，產能得到進一步釋放，新型煤化工產品逐漸走向市場，

并被市場接受。隨著金融危機影響的加劇，中國煤化工產業面臨成本壓力，行業發展趨緩。

由于國家政策總體上仍支持煤化工發展，節能減排已是大勢所趨，故中國煤化工產業雖短期

受困但前景仍十分可觀。

新型煤化工以生產潔凈能源和可替代石油化工的產品為主，如柴油、汽油、航空煤油、

液化石油氣、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲醚）等，它與能源、化工技術

結合，可形成煤炭——能源化工一體化的新興產業。煤炭能源化工產業將在中國能源的可持

續利用中扮演重要的角色，是今后20年的重要發展方向，這對于中國減輕燃煤造成的環境

污染、降低中國對進口石油的依賴均有著重大意義。可以說，煤化工行業在中國面臨著新的

市場需求和發展機遇。[1]

參考資料

1.孫啟文;吳建民;張宗森;龐利峰．化工進展．北京市：中國化工學會;化學工業出版社，2013年01

期：1