煤的直接液化

第二章 煤炭直接液化工艺 第一节 基本工艺过程

从1913年德国的柏古乌斯( Bergius)获得世界上第一个煤直接液化专利以来，煤炭直接液化工艺一直在不断进步、发展，尤其是20世纪70年代初石油危机后，煤炭直接液化工艺的开发更引起了各国的巨大关注，研究开发了许多种煤炭直接液化工艺。煤炭直接液化工艺的目标是破坏煤的有机结构，并进行加氢，使其成为液体产物。虽然丌发了多种不同种类的煤炭直接液化工艺，但就基本化学反应而言，它们非常接近。共同特征都是在高温高压下高浓度煤桨中的煤发生热解，在催化剂作用下进行加氢和进一步分解，最终成为稳定的液体分子，煤直接液化工艺流程简图见图7-2 -1。

图7-2-1 煤直接液化下艺流程简图

煤直接液化工艺过程是把煤先磨成粉，再和自身产生的液化重油（循环溶剂）配成煤浆，在高温(450℃)和高压(20~30MPa)下直接加氢，将煤转化成液体产品．整个过程可分成三个主要工艺单元

① 煤浆制备单元：将煤破碎至<0. 2mm以下与溶剂、催化剂一起制成煤浆。 ② 反应单元：在反应器内在高温高压下进行加氢反应，生成液体物。

③ 分离单元：将反应生成的残渣、液化油、反应气分离开，重油作为循环溶剂配煤浆用，煤炭直接液化是目前由煤生产液体产品方法中最有效的路线。液体产率超过70%（无水无灰基煤计算），工艺的总热效率通常在60%～70%。

煤炭直接液化工艺的开发要经历一系列逐步放大的装置的试验，来验证工艺的可行性，首先，要建立实验室规模装置(bench scale unit)，其规模为每天处理煤数公斤至数百公斤，实验室规模装置的运转目的是：验证工艺的可操作性，确定产物产率构成和产物分析检验方

法，提供动力学数据和催化剂、煤种适应件等数据，提出最终的工艺流程．在完成实验章规模装置的运转、确立最终的工艺流程后，进一步要利用一个较大的中试装置以整套的连续操作方式进行运转，进一步验证和肯定工艺流程。这类中试装置的规模一般为煤处理量1~10 t/d，通常称为PDU (process develop unit)装置(也称为PSU装置，process support unit)，PDU装置所用设备与实验室规模装置一样，都是采用非工业设备，但设备的尺寸比实验室规模装置要大得多，在PDU装置上，通过对各种煤的运转，借以暴露因设备尺寸放大而引起的工艺问题，如在PDU装置的运转中，出现了需要进一步研究才能解决的问题，则通常又回到实验室规模装置，因实验室规模装置的操作费用较低。

工艺开发的最后的一个步骤，是将实验室规模装置和PDU装置的各项运转成果全部集中于一个大型的工业性试验装置上。工业性试验装置的规模处理煤约数百t/d左右，工艺流程已基本固定。工业性试验装置的运转，是采用小型工业设备和零部件来验证工艺的可行性和获取建设生产厂所需的工程数据和机械特性数据，在工业性试验装置运转过程中，可能还会遇到工艺问题，考虑到操作费用问题，则还可以用实验室规模装置模拟大规模装置中昂贵的试验，找出解决工艺问题的方法。

成熟的煤炭直接液化工艺必须要经过上述从实验室规模装置到工业性试验装置的反复验证，而且，绝大多数工程问题和技术问题都已得到解决，尤其是在工业性试验装置上连续运转周期要超过评估需要的周期。

煤直接液化得到的液体产品距市场打油制品的质量连有一定距离，因此，在它们直接用作运输燃料前，尚需进一步提质加工。

根据煤是一步转化为可蒸馏的液体产品还是分两步转化为可蒸馏的液体产品，可将煤炭直接液化工艺简单地可为单段和两段两种。

(1)单段液化工艺 通过一个主反应器或一系列反应器生产液体产品．这种工艺可能包含一个合在一起的在线加氢反应器，对液体产品提质而不能直接提高总转化率。

(2)两段液化工艺 通过两个反应器或两系列反应器生产液体产品，第一段的主要功能是煤的热解，在此段中不加催化剂或加入低活性可弃性催化荆，第一段的反应产物在第二段反应器中，在高活性催化剂存在下加氢再生产出液体产品。

有些工艺专门设计用于煤和石油共处理，也可以划到邀两种工艺中去，同样，两种液化工艺都可改进用来做煤油共处理。

第二节 煤直接液化单段工艺

一、溶剂精炼煤法（SRC-I和SRC-Ⅱ工艺）

溶剂精炼煤法(SRC-I工艺)工艺的目的是从生产一种可以为环境所接受的清净固体燃料。后来在SRC-I工艺的基础上，进行了改进，以生产全馏分低硫燃料油为目的，改进后的溶剂精炼煤法被称为SRC-Ⅱ工艺。

1．SRC-I工艺

SRC-I工艺由美国匹兹堡密德威煤炭扩业公司(Pittsburg and Midway Coal Mining Company(P＆M)于20世纪60年代初根据二次大战前德国的Pott-Broche工艺的原理开发出来的。目的是由煤生产洁净的固体燃料。

二次大战前的Pott-Broche工艺采用较高的压力和温度条件下，在没有氢气的气氛下崩加氢煤焦油和产品油来对煤进行萃取，生产溶剂精炼煤。但是该工艺本身生产的产品油不能维持煤浆制各所需溶剂，需要外部提供煤焦油。

美国匹兹堡密德威煤炭矿业公司对Pott-Btoehe工艺研究发现，在氢气气氛条件下，可以获得足够量的产品油，满足煤浆制各所需要的溶剂。这就产生了一十新的工艺-SRC-工艺。

SRC-I工艺在1965年建设的0.5t/d的装置上得到了验证。1974年放大为两个独立的试验厂，一个是在亚拉巴马州威尔逊镇(Wilsonville)的6t/d的SRC-I工艺装置，另一个是在华

盛顿州的刘易斯堡(Fort Lewis)的50t/d的SRC-I工艺装置，随后也完成了更大规格的此类厂的详细设计，但没有建厂。图7-2-2为威尔逊镇(Wilsonville)的6t/d的SRC-I工艺装置流程图。

SRC-I工艺流程描述。煤与来自装置减压蒸馏生产的循环溶剂配成煤浆，与循环氢和补偿氢混合后，经预热器预热，进入反应器。反应器一般操作温度425~450℃，操作压力10~14MPa，停留时间30~40min．不需催化剂。反应器产物冷却到260~316℃后，在高温分离器分离出富氢气体和轻质液体。富氢气体经气液分离、洗涤、循环压缩机压缩后与新鲜氢至预热器。高温分离器的重质部分轻加压过滤后分离出灰渣滤饼。滤液预热后进行减压蒸馏步骤。液体减压蒸馏，回收少量轻质产品和循环溶剂．减压塔塔底物经固化后即为SRC产品。固体SRC的熔点约175℃，灰分质量分数低于0.18%，硫0.2%~0.8%，由煤种不同所致。大规模的试验证明，SRC-I适合作为锅炉燃料，能成功用作碳弧炉电极的生产原料。

华盛顿州刘易斯堡50t/d的SRC-I工岂装置建成后一直用肯塔基9号煤和14号煤的混合物为原料，生产能满足联邦政府新排放源实施标准( NSPS)的锅炉燃料，至1976年11月生产了3000tSRC，并于1977年7月在昔兰特米切尔电站的一个22MW锅炉中进行了燃烧，取得了满意的结果，产物至少能满足NSPS对硫含量的规定。

威尔逊镇6t/d的SRC-I艺装置由于装置小，操作灵活，因而被用于煤种的适用性和工艺改进研究。

表7-2-1和表7-2-2为刘易斯堡50t/dSRC-I上工艺装置和威尔逊镇6t/d的SRC-I上工艺装置的运转结果。

2．SRC-Ⅱ工艺

对SRC-I工工艺进行一些改进，以生产液体产品为目的，该工艺为SRC-Ⅱ，此工艺在三方面与SRC-T不同。第一溶解反应器操作条件要求高，典型条件是460℃，14.0MPa，60min停留时间，轻质产品的产率提高，第二，在蒸馏或同液分离前，部分反应产物循环至煤浆制备单元。这样，循环椿荆中含有未反应的固体和不可蒸馏的SRC．第三，固体通过 减压蒸馏脱除，从减压塔拌出后作为制氢原料，塔顶物为产品。图7-2-3为SRG-Ⅱ工艺流程图。SRC-Ⅱ 工艺流程描述。

图7-2-3 SRC-Ⅱ 工艺流程图

煤破碎干燥后与来自装置生产的循环物料混合制成煤浆，用高压煤浆泵加压14MPa左