创新的煤炭直接液化技术

（一）IGOR工艺

IGOR工艺也被称为德国IG煤液化工艺，其发明于1981年，是由德国的鲁尔煤矿公司和费巴石油公司对煤炭直接液化的Bergius技术进行改进而形成的工艺。其操作压力为30MPa，反应温度为450～480℃，固液分离改过滤、离心为真空闪蒸方法。该工艺能够将难以加氢的沥青烯留在残渣中，并通过气化利用其制氢。采用这一工艺，轻油和中油的产率能够达到50%。

在20世纪90年代，德国矿冶技术及检测有限公司（DMT）对IGOR工艺进行了改进和完善，使其发展的更为先进。改进后的IGOR工艺将循环溶剂加氢、化油提质加工、煤的直接液化三者串联进一套高压系统中，从而避免了物料分离工序先降温降压后升温升压所造成的能量损失。同时，在固定床催化剂上，还能够将CO2和CO甲烷化，从而在最大限度上降低碳的损失。经过这样的改进，液化厂的总投资可节约20%左右，能量效率也有很大提高。

IGOR工艺包括煤浆制备、液化反应、两段催化加氢、液化产物分离、常减压蒸馏等工序。将原料煤粉碎，并对其进行干燥处理，之后将其与循环溶剂、赤泥催化剂混合，制备成煤浆并送入，煤浆混合罐，煤浆中固体物质量浓度应在50%以上；利用泵将煤浆送入预热器，并使其与反应系统返回的循环氢和补充的新鲜氢气一起泵入液化反应器；反应器液化操作的环境为温度470℃、压力30MPa、反应器空速0.5t/（m3·h）；在经过高温液化后，反应器会从顶部将液化产物排出，并进入高温分离器，将液化产物中的轻质油气、难挥发有机液体未转化的煤等产物进行分离，重质产物则通过高温分离器的下部，经减压阀排出，并被送入真空闪蒸塔，重质产物在此会被分出残渣和闪蒸油并留在塔底，塔底的残渣会被送往气化制氢工序，利用其生产氢气；闪蒸油则从塔顶留出，兵器与分离出的气相产物一同送入第一固定床加氢反应器。

加氢反应器操作温度为350～420℃。加氢工序后的产物被送入中温分离器，并在此排出重质油，其由中温分离器的底部排出，由储油罐收集并将其返回煤浆混合罐中，以供循环使用；中温分离器分离出的馏分油则由顶部排出，送入第二固定床反应器，进行二次的加氢处理，并将产物送入汽液分离器，将加氢产物中的轻质油气分离，其被分离后送入气体洗涤塔，用于回收轻质油，并将回收的轻质油储存在储油罐内；富氢气体产物则从洗涤塔顶部排出，进入循环压缩机接受压缩，并返回工艺系统中，以供循环使用。为保持循环气体中的氢气在浓度上始终满足工艺要求，还需要补充一定的新鲜氢气。气液分离器底部排出的馏分油则被送入油水分离器，将其中的水分分离后，对其产品油则可以进行进一步的精制。

至此，煤炭液化油在两次催化加氢工序下，已完成了提质加工，其中的N和S含量已降到10-5数量级。因此，对其进行直接蒸馏即可得到直馏汽油和柴油。得到的直馏汽油只需重整，即可获得高辛烷值产品。得到的直馏柴油秩序加入少量的添加剂即可成为合格产品。

IGOR工艺能够实现煤炭处理能力的最大化，通过将煤液化反应、液化油的提质加工设计在同一高压反应系统内，得到的是杂原子含量极低的精致燃料油。这一工艺还缩短了煤液化制合成油工艺过程，从而减少了煤炭直接液化过程中的循环油量、气态烃生成量、废水处理量减少。其他工艺的反应器空速为0.24～0.36t/（m3·h），IGOR工艺的反应器空速则更高，达到了0.5t/（m3·h）。在反应器容积相同的情况下，IGOR工艺的生产能够提高50%～100%。IGOR工艺制备煤浆使用的循环溶剂是工艺生产过程中产出的加氢循环油，这也使得溶剂在供氢性能上表现较好，能够提高煤炭的液化率和液化油产率。设置两段固定床加氢装置，能够降低成品有中的稠环芳烃、芳香氨和酚类物质含量，从而使成品油质量得到提高。

（二）H-Coal工艺

1964年美国HRl公司在石油渣油加氢裂解工艺基础上，开发出一段沸腾床煤加氢液化的氢一煤工艺，并完成5 000Wd煤液化厂的概念设计，该工艺属于一段催化液化工艺。氢一煤工艺的开发同时得到美国能源部（DOE）、美国电力研究所（EPRI）和Ashland合成燃料公司等政府和企业部门的资助。

氢—煤工艺主要由煤浆制备、煤液化反应、液化产物分离和液化油的精馏工艺部分组成。氢—煤工艺流程如图4所示。

图4　煤—氢工艺流程

在煤浆制备和液化反应过程中，煤炭会被粉碎到小于60目，在经过干燥处理后，会被送入煤浆混合槽与循环溶剂混合。煤浆中煤炭的含量为30%（质量分数）。将煤浆加压到20.4MPa后泵入煤浆预热器中，使用直接火对其以及送入的循环氢气和新鲜氢气进行预热，加热到400℃即可。之后，将其送入反应器，反应器的操作环境为温度427～455℃、压力18.6MPa，浆料在其中停留时间为30～60min。由于煤加氢液化反应是强放热过程，因此反应器出口的物料温度比进口温度约高66～149℃。当原料煤浆（包括含残渣的循环溶剂）经过CO-MO/Al2O3催化剂床层时，在催化剂的作用下，会发生加氢反应，加氢热解后会转化为液化油、气体和残渣。

在液化产物的分离过程，反应器顶部会排出含烃气体，其进入冷凝器进行冷却，之后则进入气体净化装置，从中分离出气态烃，用作煤浆预热器的燃料或生产高温水蒸气。分离出的富氢气体则返回煤浆预热器前，做循环氢气使用。反应器中分离出的液体产物则被送入真空闪蒸塔中，分离出固体、气体、液体产物。其中气体产物会被冷却，之后送入常压蒸馏塔，用于制取轻质油馏分。分离出的液体产物则从闪蒸塔底部排出，而分离出的液体一般含有较多的残留油、矿物质以及少量的轻质液体组分，将其送入水力旋流分离器，分离出高固体含量料流和低固体含量料流。高固体含量料流从水力旋流分离器下部排出，送入闪蒸塔，经闪蒸处理，获得重质馏分油和塔底残渣，其中重质油被送入煤浆混合槽作为循环溶剂使用。低固体含量料流从水力旋流分离器上部排出，并直接进入煤浆混合槽作为循环溶剂使用。这一工艺过程的特点在于重质馏分油产率的提高。

沸腾床液化反应器是这一工艺的核心设备。在反应器的下部还设有液体分布板，其作用在于保证煤浆在反应器的向上流动和液化温度保持均匀，从而有利于煤液化所放出的热反应的均匀分布。

这一工艺过程使用的催化剂为Ni-MO/Al2O3催化剂。该类催化剂的颗粒平均长度为4.69mm，直径为1.65mm。通过孔径分布测定，证明其具有双峰分布，小孔平均直径5.8nm，较大孔体积占总孔体积的28%。由于催化剂的相对密度高于煤炭，因此当煤浆在流化状态下，催化剂颗粒能够留在反应器内，未反应的煤炭粒子则随液体浆料由反应器的上部排出。相关实验表明，该工艺的催化剂消耗量为0.45kg/t，同时还能够从反应器中取出小部分催化剂，再加上由上部补充的新鲜催化剂，这样就能够使反应器的催化剂保持良好的活性。

在这一工艺中，对于粉煤的液化，要将其干燥到水分含量2%以下，同时，还要对煤浆进行预热。预热有利于提高煤浆的黏度，从而影响其在反应器内催化剂床层的流化高度。当煤浆循环达到所需的流化高度时，有利于促进反应器的生产，保证反应器温度的均匀和稳定，从而使液化达到良好的效果。

该工艺的特点就是在生产操作上具有较大的灵活性，这种灵活性主要表现为对原料煤的适应性和对液化产品的可调性。褐煤、次烟煤、烟煤都可以利用该工艺进行液化。该工艺的液化是利用外加催化剂进行的加氢液化，液化反应不依赖煤中矿物质的催化作用。因此，控制外加催化剂的活性，就能够实现对液化反应过程的调节。在反应过程中，反应器内的催化剂是呈流化状态的，这就能够使催化剂、煤浆、供氢溶剂三者间能够实现充分地接触，带来传热和传质效果的提高。既能够自由基“碎片”与供氧溶剂之间的氢传递，也能够缩短浆料在反应器内停留的时间，最终带来的是煤转化效率的提高。在同样的液化反应温度下，这一工艺的化床反应器空速较高，有利于流化催化剂床层的温度保持均匀。同时，使用的催化剂也能够实现连续的加入和抽出，从而使催化剂能够持续保持较高的活性。这一工艺过程中的热效率也较高，其生产液体燃料油的热效率可达到74%，生产合成油的热效率可达到69%。

（三）CTSL工艺

CTSL工艺也即催化两段液化工艺，其是由美国的碳氢研究公司HRI开发的。该工艺使煤液化油收率有了较大的提升，可达77.9%。同时，与一段煤炭液化工艺相比，两段液化更加节约成本，成本下降约17%。这一工艺增强了煤炭液化在技术性和经济性上的竞争力。

在该工艺的两段液化中，使用的都是具有较高活性的加氢和加氢裂解催化剂，这两段液化反应的反应器既是分开的，同时又有着紧密的联系。反应器通过对各自的反应条件进行控制，保证煤炭液化处于最佳的操作状态。CTSL工艺使用的催化剂主要有Ni-MO/Al2O3或CO-MO/Al2O3等工业加氢及加氢裂解催化剂。都采用沸腾床反应器，让催化加氢和催化加氢裂解在各自的最佳条件下进行。(www.xing528.com)

CTSL液化工艺的主要流程为：原料煤粉与循环溶剂在煤浆混合罐中进行混合制成原料煤浆。煤浆经预热后再与氢气混合并泵入一段流化床液化反应器中。反应器操作温度为399℃，该液化温度低于氢一煤工艺的液化反应温度（443～452℃）。由于第一段液化反应器的操作温度相对较低，使煤在较温和的条件下发生热溶解反应，这一过程有利于反应器内循环溶剂的进一步加氢。第一段液化后得到的产物被直接送到温度为435～441℃的第二段流化床液化反应器中。由于一段液化产生的沥青烯和前沥青烯等重质产物在二段液化时将继续发生加氢反应，使重质产物向低相对分子质量的液化油转化，故该过程还可以部分脱出产物中的杂原子，使液化油的质量得到提高。从第二段液化反应器排出的产物首先用氢淬冷，以抑制液化产物在分离过程中发生结焦现象，淬冷过程将产物分离成气相和液相产物。气相产物经进一步冷凝并回收氢气及净化后又返回到氢气预热器和液化反应器中。液相产物经常压蒸馏工艺过程可制备出高质量的馏分油。在常压塔底排出的液化残渣可直接送入残渣分离装置，从中回收高沸点的重质油作为循环溶剂，并返回炭浆混合罐中继续使用。残渣分离装置排出的固体残渣即为未转化的炭和灰分。

将制备好的煤浆经预热后与氢气混合，泵入一段反应器，反应器的温度为399℃，远低于氢一煤工艺427～455℃的温度。较低的温度，使煤在较为温和的条件下进行热溶解反应，有利于循环溶剂的进一步加氢。一段液化完成后，其产物被送入二段液化反应器，反应器温度为435～441℃。在一段液化的基础上，继续进行加氢反应，使重质产物向低相对分子质量的液化油转化，在反应过程中，脱除产物中的杂原子，从而提高液化油质量。对于二段液化排出的产物，首先使用氢对其进行淬冷，抑制液化产物在分离过程中的结焦现象，同时在这一过程中将产物分离为气相和液相产物。对于气相产物，通过进一步的冷凝，对氢气进行回收和净化，将其返回预热器与反应器中。对于液相产物，则通过常压蒸馏，利用其制备出高质量的馏分油。蒸馏过程中，在常压塔底部会排出液化残渣，对于这部分残渣，直接将其送入残渣分离装置，对高沸点的重质油进行回收，将其返回煤浆混合罐，作为循环溶剂使用。排出的固体残渣则为未转化的炭和灰分。

两段液化反应相结合的作用在于，促进一段液化产物进一步的加氢反应和残渣裂解，提高液化油收率。因此，严格控制二段液化反应的条件对于液化产物的选择和质量的控制具有重要的意义。

在CTSL液化工艺中，煤炭一段和两段液化反应器内分别装填有高活性加氢和加氢裂解催化剂，主要是Ni-MO或CO-MO催化剂。催化剂的活性、失活速率及其理学性质对煤液化油收率和液化产品质量都有重要的影响。在两段液化反应中使用同样的催化剂，也有利于工业化生产。将分散性的铁和钼金属化合物一起缓和进行煤液化，煤转化率比单独使用任何一种催化剂时的转化率都高。

在这一工艺中，在适当的范围内，通过降低煤炭的灰分，能够带来转化率的提高。在液化反应前对煤炭进行脱灰，能够减少液化后的残渣，从而降低分离残渣的成本。

对于煤炭液化的转化率以及产物的分布来说，温度是重要的影响因素。对于这一工艺来说，第一段反应器的温度通常是低于第二段反应器的。对第一段反应器的温度进行一定的提高，有利于增加该段液化产物沥青烯的含量和液化产品芳香度的提高。相关实验也表明，在第一段反应中，若反应器的温度低于371℃，其转化率较低。若温度增加到413℃，转化率则会得到高。但是在这一温度状态下，没有液化的产品、氢利用率都会降低。对于第二段液化反应，若反应器温度低于441℃，转化率会随着温度的提高而提高，且氢利用率变化不大。而当温度高于441℃时，液化的气体产率增加、氢利用率降低。

溶煤比也会对煤炭的液化产生一定的影响，主要影响的是煤浆的输送、煤炭的热溶解反应、活性氢的传递等等方面。溶煤比参数也是选择单元反应设备尺寸的重要依据。降低溶煤比有利于提高反应器有效容积利用率，同时也能够通过液化产物的形成，带来对液化反应动力效果的改善。

通过反应器底部的外循环泵能够实现对流化状态的调整。增加浆液的流速，能够对反应器内的循环状态进行加强，促进反应器内气态、液态、固态物质间的传热和传质，使反应器温度保持均匀。同时，较高的流速也会保证浆液中的颗粒不发生沉降，从而避免颗粒沉降导致的底部结焦等问题。

CTSL煤液化工艺与一段液化的氢一煤工艺、直接耦合的两段液化工艺相比存在较大的差别。与氢一煤工艺相比，其在第一段液化中的温度较低。CTSL煤液化工艺在第一段液化中温度设置较低的目的在于使煤在慢速下在循环溶剂中充分溶解，从而促进第二段液化反应。此外，较低温度的液化还有利于保证煤转化速率、溶剂加氢速率以及液化产品的适应性和稳定性，有利于降低对反应氢的消耗，减少气态烃的生成。

（四）NEDOL煤液化工艺

NEDOL煤液化工艺是在阳光计划背景下，由日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）所研发的工艺。其于1996年，在鹿岛建成了一座150t/d的NEDOL煤炭液化中间试验厂，对不同煤种和不同液化条件下煤的液化翻反应进行研究。

NEDOL煤液化工艺也属于一段液化反应，其特点为对制备煤浆使用的循环溶剂进行预加氢处理，其目的在于提高循环溶剂的供氧能力。同时，对循环溶剂的预加氢处理，能够使煤液化在较为缓和的条件下进行，产出的液化油质量也较高。NEDOL煤液化工艺的操作压力也较低。但是其不足之处在于工艺流程较为复杂。该工艺的产品主要有轻油（沸点低于220℃）、中质油（沸程220～350℃）、重质油（沸程350～538℃）和液化残渣。产出的重质油，经过馏分加氢，可以作为供氧溶剂循环使用。

NEDOL煤液化工艺过程主要包括煤浆制备、液化反应、液化产物分离和循环溶剂加氢工艺过程。日本NEDOL煤液化工艺流程如图5所示。

图5　NEDOL煤液化工艺流程

原料煤从受煤槽经提升机输送到煤斗后，送到粉碎机中粉碎至平均粒径约50μm；然后将粉煤输送到煤浆混合器中，在此与溶剂加氢工艺过程送来的循环溶剂及高活性铁基催化剂一起混合并送入煤浆储槽。煤浆质量浓度为45%～50%，加入3%铁基催化剂。

经过煤浆制备工序，会送入含铁催化剂的煤浆，经过高压原料泵的加压处理后，将其与氢气压缩机送入的富氢循环气体混合，送入煤浆直接火焰预热器内进行加热，当温度加热到387～417℃，并将其连续送入三个串联的高温液化反应器内。反应器的操作条件为温度450～460℃、压力16.8～18.8MPa，煤浆的停留时间为1h。

液化反应的产物会被送入高温分离器，进行气、液分离工序。分离出的含烃气体先送入冷却器进行冷却，再送入低温冷却器，进行分离液的油、气分离。低温分离器分离出的低温分离液与高温分离器放阀降压后排出的高温分离液一同被送入常压蒸馏塔，经常压蒸馏产出轻油（沸点低于220℃）和常压塔底残油。对于塔底残油，则将其送入真空闪蒸塔，从中分出重质油（沸程350～538℃）、中质油（沸程220～350%）、液化残渣（沸点高于538℃）。重质油和部分中质油，送入加氢工段，用于制备加氢循环溶剂油。液化残渣包括未反应的煤、矿物质、催化剂，将其送入制氢工艺，进行气化制氢。

将液化反应得到的重质油和部分中质油用于制备加氢循环溶剂，其目的在于提高溶剂的供氧性能和液化反应的效率。加氢反应器的操作条件为，温度290～330℃、压力10.0MPa。将产出的富氢循环溶剂送入分离器和汽提塔进行处理，将其送入原料煤浆制备过程，与煤料和催化剂混合，送入煤浆混合器。

该工艺的煤炭液化较为温和，操作环境为温度455～465℃、压力17～19MPa。这使得液化的产品收率得到提高，尤其是产品中轻质油和中质油的比例。在液化过程中，反应器等主要装置设备的性能和稳定性都有保障。该工艺能够满足从次烟煤到烟煤间多个煤种的液化反应要求。在催化剂上，可使用天然黄铁矿等铁基催化剂，这类催化剂价格低廉，能够降低成本。对于液化反应产生的固—液混合物，则使用真空闪蒸的方法进行分离，对于这一过程可以进行简化，使其更适合与大规模生产。在循环溶剂中加氢，则能够使其供氢能力得到增强。