煤直接液化技术现状及发展前景

□ 中国神华煤制油化工有限公司吴秀章舒歌平李克健

示范项目成功运行

　我国从上世纪七十年代末开始煤直接液化技术研究，并通过国家“六五”、“七五”科技攻关和国际合作渠道，建立了具有国际先进水平的煤直接液化技术基础研究试验基地，煤炭科学研究总院引进的日本0.1吨/天和德国0.12吨/天煤直接液化连续试验装置并开展了中国煤液化煤炭资源与煤液化性能评价以及工艺开发试验研究。

神华集团从上世纪末开始进行煤直接液化产业化技术开发工作，鉴于当时没有成熟的煤直接液化工业化技术可引用，神华集团联合国内外科研、工程和设备制造等大型企业的资源，自主进行了百万吨级煤直接液化示范项目的建设与运行。

自2008年12月神华煤直接液化示范装置成功试车以来，经历了2009年的技术改造和试运行；2010年的技术完善和商业化试运行；2011和2012年进入了商业化运行阶段，神华煤直接液化示范装置成功运行业绩总结见表1。神华煤直接液化示范项目的成功运行为我国煤直接液化产业化发展和技术进步奠定了坚实的基础。

　　表1 神华煤直接液化示范装置运行结果

年份每年进煤运行时间/小时油品产量/吨

2009 1466 65000

2010 5172 443000

2011 6744 790000

2012 7248 865000

合计 20630 2163000

工艺技术创新与特点

　　神华煤直接液化示范工程所采用的煤直接液化工艺技术是在充分消化吸收国外现有煤直接液化工艺技术的基础上，利用先进的工程技术，经过工艺开发创新，依靠自身技术力量，最终形成了具有自主知识产权的神华煤直接液化工艺，工艺流程见图1。

　　神华煤直接液化工艺技术具有以下特点：

　　（1）采用超细水合氧化铁（FeOOH）作为液化催化剂

　　以二价Fe为原料，以部分液化原料煤为载体，制成的超细水合氧化铁具有粒径小、催化活性高的特点。长期使用表明，较低的催化剂制备成本、较少的添加量和相对简单的制备工艺成为神华煤直接液化技术的重要特点之一。

　　（2）煤浆制备溶剂是经过催化预加氢的供氢性循环溶剂

　　煤液化循环溶剂采用催化预加氢，溶剂性质稳定，成浆性好，可以制备成含固体浓度45～50t％流动性好的高浓度油煤浆；循环溶剂预加氢后，供氢性能显著提升，较强供氢性能的循环溶剂使得煤浆在预热器加热过程中，能有效阻止煤热分解自由基碎片的缩合，防止结焦，延长了加热炉的操作周期，提高了热利用率。供氢溶剂还可以提高煤液化过程的转化率和油收率。

　　（3）强制循环悬浮床反应器

　　由于强制循环悬浮床反应器内为全返混流，煤液化反应器轴向温度分布均匀，反应温度控制容易，通过进料温度即可控制反应温度，不需要采用反应器侧线急冷氢控制，产品性质稳定。由于强制循环悬浮床反应器气体滞留系数低，反应器液相利用率高；强制循环悬浮床使得反应器内可以获得较高的液速，可以有效阻止煤中矿物质和外加催化剂在反应器内沉积。

　　（4）减压蒸馏固液分离

　　减压蒸馏是一种成熟有效的脱除沥青和固体的分离方法，减压蒸馏的馏出物中几乎不含沥青，是循环溶剂的催化加氢的合格原料，减压蒸馏的残渣含固体约50％左右。

　　（5）循环溶剂和煤液化初级产品采用强制循环悬浮床加氢

　　悬浮床反应器可以随时更新反应器中的催化剂，延长了稳定加氢的操作周期，也避免了固定床反应由于催化剂积炭压差增大的风险。稳定的加氢深度使得产品性质稳定，与固定床相比，悬浮床操作性更加稳定、操作周期更长、原料适应性较宽。

　　神华示范装置运行结果表明，神华煤直接液化工艺技术先进，是唯一经过工业化化规模和长周期运行验证的煤直接液化工艺。

工程化技术的创新与特点

　　神华煤直接液化示范工程全部流程包括自备热电厂, 备煤、催化剂制备、煤直接液化、加氢稳定(溶剂加氢)、加氢改质、轻烃回收、含硫污水汽提、脱硫、硫磺回收、酚回收、残渣成型、两套煤制氢和两套空分等装置。全厂总流程见图2。

　　神华集团在全世界范围内首次采用新一代煤直接液化技术建设百万吨级煤直接液化示范工程，建设如此庞大而复杂的工程经历了巨大的挑战，克服了许多世界性工程难题，主要表现在：

　　（1）大型反应器的研制与安装

示范工程包括煤液化反应器、稳定加氢反应器和热高分离器等都属于大型高温高压加氢容器，这些容器均由中国第一重型机械集团公司与神华集团联合研制。煤液化反应器是世界上最大的加氢反应器，反应器切线高度35米，裙座高度20米，壁厚340毫米，总重约2100吨。在这些大型容器的制备和安装过程中，首次采用了双丝焊接技术，提高了焊接速度，攻克了在超厚的筒型锻件内部堆焊凸台这一世界性难题。

2100吨的大型反应器采用常规吊耳不能满足吊装要求，神华集团组织成立国内外吊装专家研究和设计了以吊装专用吊盖为标志的吊装技术，取得了超大、超重型反应器吊装成功。

　　（2）大型容器的整体热处理技术

　　煤液化减压蒸馏塔高约45米，重达800吨，塔容积约为3000余立方米。为了消除塔体组装时产生的残余应力，改善焊接接头和热影响区的组织和性能，防止焊接氢脆裂纹的产生，需要对焊缝和热影响区进行整体热处理。研究表明，将塔体一次性焊接、安装就位后用内火焰进行整体热处理是比较理想的热处理方法，但是该方法对大型整体容器难以实施。神华工程技术人员开创了在设备安装后，用内燃法进行热处理成功的先例。

　　（3）GRALOC法兰新技术的应用

　　煤直接液化装置主要特点为高温、高压、易燃易爆。GRALOC法兰独特的密封环形成了全金属的密封表面，随着管道中的压力增高，其密封性能增加的特点，可以满足煤液化系统455℃及18.8MPa工况。现场采用了大量的GRAYLOC法兰来连接设备、管道及管件，其中大口径厚壁管道全部采用了GRAYLOC连接形式，成功解决了高压密封问题。

　　（4）8800kW增安型无刷励磁同步电机的研制

　　煤液化装置新氢压缩机所配电机为8800kW增安型无刷励磁同步电机，而国内外电机制造商均无制造8800kW增安型无刷励磁同步电机的业绩和经验。经过设计单位和行业专家论证，及制造厂家的技术攻关，经过短短的8个月时间就研制出了世界第一台AW8800-20/3250增安型无刷励磁同步电动机并经历了长周期运行的考验。

示范工程运行技术的创新与特点

　　神华煤直接液化示范工程装置经过了2万多小时的运行达到了长周期安全运转，在运转过程中克服了许多世界性的技术难题，表现在：

　　（1）克服煤中矿物质在反应器中的沉积

　　防止煤中矿物质在反应器内的沉积需要做到，煤浆及其反应物料反应器要有足够的空塔液速。也就是说：在设定的反应时间内，虽然矿物质的聚合不可避免，但反应器内有足够的空速能把聚合长大的矿物质能悬浮起来，利于排出反应器；反应器主体部分物料实现单向流动，不能出现混乱流。运行的煤液化示范装置反应器拆检结果表明，反应器内无沉积物。

　　（2）实现高温、高差压减压阀长周期运行

　　煤液化反应后，含固物料首先要经过减压阀进入减压蒸馏系统进行固液分离。减压阀要在高温、高差压和含固物料高速冲刷的环境下正常工作，所以减压阀是煤直接液化最关键的设备之一。神华采用一开三备的五通减压阀，实现完全的线性控制，即使在异常情况下也能有较大的流量弹性。阀内部结构采用合适孔径并增加限流孔板通道长度等措施，让介质在孔道尾部气化。实现了相变前(液相)控制流量，同时增加阀座磨损面积。在阀座、阀芯采用复合材料替代单一的碳化钨材料，克服了全部碳化钨材料阀座、阀芯易碎的缺点。长周期运行结果表明，神华减压阀单阀最长运行时间达到2519小时。

　（3）成功解决反应器和热高分器结焦难题

防止反应器结焦是煤液化世界性难题。神华采取预加氢的供氢性溶剂作为过程循环溶剂，提高溶剂供氢性能；采用纳米催化剂不但可以提高活性，而且反应热也可以及时扩散，防止以催化剂为焦核的结焦现象产生；优化操作方法，防止反应器底部循环泵抽空导致的床层塌陷使反应器温度突然升高的现象。

　　热高分器与反应器不同的是，液相贫氢。神华采用降低热高分温度，小于420°C、降低液相在高温的停留时间，小于5分钟、采用切线螺旋进料，让液相起到搅拌作用，防止静止沉积、采用高压冲洗油，在气液交界面喷淋，防止由于气液交界面的波动而产生的沉积和结焦。煤液化示范装置运行实践表明，这些措施有效地解决了反应器和热高分器的结焦问题。

技术发展趋势

神华煤直接液化经过近5年的示范运行表现出良好的势头，装置能够在短时间达到长周期稳定运行并实现盈利，煤直接液化在我国有较大的发展空间。

目前，我国煤直接液化技术发展代表了世界煤液化技术领先水平，国家发改委授予神华集团“煤炭直接液化国家工程实验室”称号。神华集团2009至2011年在神华煤制油化工有限公司上海研究院内建成了“煤炭直接液化国家工程实验室”，建成的包括煤直接液化工艺技术开发平台在内的七个研发平台已投入使用，使我国继续在煤直接液化液化技术领域保持领先地位奠定了基础。

根据多年煤直接液化技术开发、工程化建设与工业化运行的实践，笔者认为未来煤直接液化技术应在以下几个方面进行深入的探索和实践：

（1）煤直接液化工程高度集成创新

煤直接液化工程包括煤直接液化核心单元、煤液化油品提质加工单元、煤制氢与氢气压缩单元、空分单元、自备电站、工艺废水处理单元和公用工程等单元。每一个单元都是规模庞大并相对独立的生产单元。这些单元又是一个有机的整体，单元之间物流和能量流关系错综复杂，在工程规划和设计过程中要注重单元之间的有机联系，在技术选择中要充分考虑上下游之间和整体工程的科学性，而不是单独追求单个单元的先进性。

（2）煤直接液化产品链延伸

目前，神华煤直接液化示范装置主要产品为柴油、石脑油、LPG和部分化工产品。煤直接液化液化油品具有比重大、能量密度高和超常洁净的特点，未来应该根据煤直接液化油品特点，开发符合市场需求的高端油品，满足特种行业对特种油品的需求，满足要求日益严格的环保要求。

煤液化固液分离得到的煤液化残渣是煤液化过程重要的副产品，神华上海研究院在残渣萃取分离和高效利用方面开展了基础和工程放大的研究，以煤液化残渣为原料经过溶剂萃取得到煤液化精制沥青，再以煤液化精制沥青为原料开发各种碳材料制品，延长煤液化产业链和产品链，不但可以提升煤直接液化整体过程经济效益，还可以在煤利用整体循环中最大程度的节约资源节约与环境保护。

（3）环保技术的开发与应用

煤直接液化过程中不可避免地要产生一些工艺水和释放气，要针对煤直接液化过程污水特点，开发和集成污水处理技术，达到污水100%处理，提高废水回用率，使煤直接液化过程污水达到近零排放。

　　要加强CO2的排放管理，煤直接液化过程CO2主要来自自备电站、制氢单元和其它燃气加热工艺单元，神华在鄂尔多斯开展了煤制油制氢单元的CO2捕集与封存试验研究，10万吨 CO2封存示范项目进展顺利。煤制油还应不失时机地引进成熟的针对电站和燃气炉的CO2封存技术，加大高浓度CO2应用的研究与示范。

（4）煤直接液化基础研究

上海研究院开展了煤直接液化动力学与过程模拟研究，在最真实的工业化煤液化条件下研究煤液化机理，并且在这个基础上，利用强大的过程模拟技术和计算机软件技术开展煤液化过程模拟的研究，打造煤直接液化数字化平台。

液化原料煤特性是影响煤液化结果最直接和最重要的因素，上海研究院针对我国液化原料煤特性，开展了煤的结构与煤液化工艺特性的研究。这对进一步研究煤液化机理、优化原料用煤和拓展煤化学研究内容都有非常重要的作用。

煤液化长周期运行过程中，诸因素对煤液化过程和结果的影响研究对煤制油装置优化条件下运行具有很好的指导作用。