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第10版:科技服务·科普
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2022 年 03 月 10 日 星期 放大 缩小 默认  
科普中国
煤制油原理中的
费托合成

  煤制油是以煤炭为原料,通过化学加工过程生产油品和石油化工产品的一项技术。全国两会期间,全国工商联环境商会有关负责人在接受媒体采访时提到“用煤来制油替代原油是一个重要的实践方向”,能提升我国能源应急能力,为能源结构和安全提供保障。黑乎乎的煤炭要怎样才能变成油呢?其中的关键化学合成反应环节叫作费托合成。

  煤制油是真的

  “煤制油”听上去像是骗人的把戏,但实际上,它确实是可行的。这是因为煤炭和石油之间存在本质联系:二者都是由碳、氢、氧等原子组成,只不过成分和比例不同,才出现固态和液态的区别。

  对于煤炭来说,碳、氢、氧三种元素大约占到了95%以上。其中碳是煤炭中有机质的主要组成元素。对于石油来说,其主要组成成分也是碳和氢化合而成的烃类物质,比如各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。

  不过,正是因为成分比例的不同,想实现煤制油并不容易,比如氢元素,在煤炭中含量一般在5%左右,而在石油中含量为11%~14%。而氧含量,无烟煤为3%,褐煤为20%,石油则为0.08%~1.82%。再比如氢碳比,典型烟煤的氢碳比为0.8左右,而原油的氢碳比为1.76左右,汽柴油的氢碳比为2左右。

  差距那么大,煤炭要如何才能转换为燃料油呢?

  从固体到液体

  想要将煤变成油,需要用大量的水进行置换。先把煤的大分子裂解为较小的分子,然后在适当的温度、压力和催化剂作用下,通过增加氢原子或减少碳原子的方法来提高氢碳比,使其达到石油的氢碳含量水平,从而把固态的煤转化为液态的油。

  也就是说,用原油生产石油,是“液体到液体”的加工过程,即把液态的原油进行脱盐、脱水、分馏、调和、精制最终获得汽油、柴油等产品。而煤制油则是“固体到液体”的加工过程,流程相对复杂,分为“直接液化”和“间接液化”两大类。

  其中,“直接液化”是煤炭在高温高压条件下,通过催化加氢直接液化合成液态烃类燃料。“间接液化”则是先将煤炭全部汽化成一氧化碳与氢气的合成气,然后以合成气为原料,在一定温度、压力和催化剂作用下,合成为烃类燃料油及其他化工原料和产品。目前在国际上“间接液化”中的关键合成反应环节就是费托合成。

  费托合成种类

  典型的费托合成过程为:合成气中的一氧化碳在催化剂的作用下变为一种活性物质,该物质再与氢气反应产生甲基,进一步聚合为各种含烷烃、环烷烃和芳香烃等在内的烃类物质。和“直接液化”相比,“间接液化”多了一道气体的产生环节,即需要先将原料煤炭与氧气、水蒸气反应,使煤炭全部汽化,转化成一氧化碳和氢气的合成气。但因为后者不挑煤品,被更广泛地采用。

  其中,反应温度低于280℃的低温费托合成主要产出柴油和石蜡等,可用于唇膏、护肤品等。而反应温度高于300℃的高温费托合成工艺产品种类不但有汽油、柴油、溶剂油,还有烯烃、烷烃、含氧化合物等,附加值较高。

  当然,考虑到成本问题,当国际油价相对较低时,煤制油并不合算。但对富煤贫油的国家和地区,将煤变成油不仅利用了相对丰富的煤炭资源,还减少了煤炭燃烧产生的空气污染,属于战略层面的关键技术。早在20世纪30年代,煤制油就在德国实现了工业化。21世纪初,我国突破技术壁垒,拥有了相关自主知识产权。

  (本报综合)

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