煤炭液化的原理及过程分析

煤炭液化是通过一系列的复杂化学反应将煤由固态转化为液态的过程。煤与原油、汽油等液态燃料相比，H/C比例小，氧含量大，分子大，且结构复杂。因此将煤炭液化的过程实质就是提高煤炭的H/C比，破碎大分子和提高纯净度的过程。煤炭的液化技术可分为直接液化和间接液化。

（一）煤炭直接液化的原理

煤在高温高压下，首先发热分解反应生成自由基“碎片”，自由基再与反应体系中的活性氢化合，从而得到稳定结构，生成相对分子质量较小的液体和气体产物。如无氢存在，则自由基“碎片”将进一步发生缩聚反应，形成相对分子质量高的不溶物或残渣，并降低煤液化油产率。在煤初级液化阶段，热解和供给足够的氢是至关重要的反应过程。煤炭加氢液化后，所剩余的无机矿物质和少量未反应的煤还是固体状态，可采用减压蒸馏、加压过滤离心沉降和溶剂萃取等方法从液态油中分离出去。

在直接液化的过程中，为了保证自由基“碎片”能够与活性氢化合产生稳定结构，必须保证催化剂、供氢溶剂和煤炭颗粒间能够实现充分的相互作用，即实现自由基“碎片”与催化剂、供氢溶剂中的活性氢发生有效的结合。

（二）煤炭间接液化的原理

由于费托（F-T）合成反应产物的复杂性，适当控制反应条件和H2/CO比，在高选择性催化剂的作用下，其基本化学反应要求主要生成烷烃和烯烃。

F-T合成主反应：

生成烷烃：nCO+(2n+1)H2═CnH2n+2+nH2O

生成烯烃：nCO+2nH2═CnH2n+nH2O(www.xing528.com)

另外还有一些副反应，如：

生成甲烷：CO+3H2═CH4+H2O

生成甲醇：CO+2H2═CH3OH

生成乙醇：2CO+4H2═C2H5OH+H2O

结炭反应：2CO═C+CO2

除上述六个反应外，还有生成更高碳数的醇以及醛、酮、酸、酯等含氧化物的副反应。

合成催化剂主要由Co、Fe、Ni、Ru等金属制成，为了提高催化剂的活性、稳定性、选择性，除了催化剂的主成分之外，还需要加入一定的进入氧化物或盐类等作为辅助成分。对于大部分催化剂来说，其都需要一定的载体，常用的有氧化铝、二氧化硅、高岭土或硅藻土等。合成催化剂制备需要经过CO+H2或H2还原活化，才能够具有活性。目前，世界范围内，在使用上较为成熟的间接液化催化剂主要是铁系催化剂和钴系催化剂。但是，这两种催化剂都对H2S、COS等硫化物较为敏感，易中毒，合成气的净化要求总硫低于1μg/g。反应器、温度、压力等因素，都会影响催化剂的效果，因此催化剂的使用需要根据具体情况进行选择。例如，在固定床和浆态床反应器中通常使用淀铁催化剂，在流化床反应器使用的则是熔铁催化剂。当温度在170～190℃时，使用钴和镍催化剂的效果最好；当温度在200～350℃时，使用铁催化剂的效果最好；而在常温下，使用镍催化剂的效果最好。当压力在0.1～0.2MPa时，钴催化剂的活性表现最好；当压力在1～3MPa时，铁催化剂的活性表现最好，当压力在10MPa时，钼催化剂的活性表现最好。