1 煤變油的必要性
    迄今為止，人類(lèi)使用的燃料主要是礦物燃料(也叫化石燃料)，包括石油、油頁(yè)巖、煤和天然氣，而用得最多的是石油和煤。自從19世紀(jì)中葉和20世紀(jì)初在美洲和中東發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的石油礦藏以來(lái)，人們廣泛使用石油為能源。隨著工業(yè)化程度的提高，石油的用量猛增，僅1968年至1978年這10年間，全世界開(kāi)采的石油就相當(dāng)于過(guò)去110年的開(kāi)采量。全世界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的石油蘊(yùn)藏量大約為4萬(wàn)億桶，科學(xué)家估計(jì)，地球上石油和天然氣資源將在100年內(nèi)枯竭。煤是地殼中儲(chǔ)量最豐富的礦物燃料，全世界煤的可開(kāi)采量估計(jì)要比石油多20~40倍，供應(yīng)年代遠(yuǎn)大于石油。但是，作為燃料，煤有兩大缺點(diǎn)：一是不干凈，煤中所含的硫燃燒生成二氧化硫，造成對(duì)大氣和周?chē)�環(huán)境的嚴(yán)重污染；二是從原子結(jié)構(gòu)上看，煤的氫一碳比(H／C)還不到石油的一半，限制了它的綜合利用。
    近年來(lái)，隨著石油資源日益減少，國(guó)際石油市場(chǎng)動(dòng)蕩不定，給各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)不利影響。人們不會(huì)忘記1973年及1979~1980年兩次石油危機(jī)造成的全球性經(jīng)濟(jì)衰退。同時(shí)，由于石油是規(guī)模巨大的石油化工的基礎(chǔ)，除用于塑料、纖維、油漆、醫(yī)藥等工業(yè)外，還用于生產(chǎn)食用油脂、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)及合成甘油等基本食品，石油資源的枯竭，必將影響到石化工業(yè)。因此，從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益來(lái)看，煤經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化(煤變油)再利用是值得提倡的發(fā)展方向。
2 煤變油的可能性
    石油是一種氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)碳?xì)浠�合物的混合物，也可能是由古代的�?dòng)植物長(zhǎng)期被埋藏在地下而形成的，儲(chǔ)集在地下的多孔性巖石里。石油中碳?xì)浠�合�?包括烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴)占98％以上。
    煤是一種碳質(zhì)巖石，是古代森林由于地殼的變動(dòng)被埋人地下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代的生物化學(xué)作用和地質(zhì)作用而形成的。按煤化作用程度的不同，可分為泥炭、褐煤、煙煤和無(wú)煙煤四大類(lèi)。它是多種高分子有機(jī)化合物和礦物質(zhì)的混合物，其中有機(jī)化合物以碳為主，氫、氧、氮、硫等次之。
    由此可見(jiàn)，煤和石油都是主要由碳和氫元素組成的，其主要區(qū)別在氫——碳原子比H／C不同。煤的H／C＜0.8，而油H／C>1．8。此外，煤是化學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的復(fù)合體，其基本結(jié)構(gòu)是縮合芳烴為主體的帶有側(cè)鏈和官能團(tuán)的大分子。而油大多數(shù)是以脂肪族的直鏈烴為主，也有環(huán)烷烴類(lèi)，比煤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得多。因此，人類(lèi)產(chǎn)生了由煤液化轉(zhuǎn)化為油的想法。
    我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，合理有效地開(kāi)發(fā)煤資源的綜合利用已經(jīng)擺在我國(guó)科學(xué)工作者的面前。另外從國(guó)家安全出發(fā)，研究開(kāi)發(fā)煤資源的綜合利用，是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的國(guó)策，因而發(fā)展煤變油技術(shù)越發(fā)顯得重要。
3 煤變油的關(guān)鍵是煤液化技術(shù)

    要將煤變成油，首先要將煤液化，然后進(jìn)行分解，因而煤變油的關(guān)鍵是煤的液化技術(shù)。
    所謂煤的液化，就是將煤通過(guò)化學(xué)加工轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)品的過(guò)程，煤的液化可分為直接液化和間接液化兩個(gè)體系
3．1 直接液化
    煤直接液化就是把煤直接轉(zhuǎn)化成液體產(chǎn)品，此項(xiàng)技術(shù)20世紀(jì)初首先在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和日本實(shí)現(xiàn)。70年代發(fā)生石油危機(jī)后，再一次出現(xiàn)煤直接轉(zhuǎn)化液體燃料油的研究熱潮。到了80年代，煤直接液化的工藝日趨成熟，有的國(guó)家已完成了5000噸舊示范廠或2300噸／B生產(chǎn)廠的設(shè)計(jì)。煤直接液化工藝主要有：
    ①EDS法(Exxon供氫溶劑法) 是將煤漿在循環(huán)的供氫溶劑中與氫混合，溶劑首先通過(guò)催化器拾取氫原子，然后通過(guò)液化反應(yīng)器“貢獻(xiàn)”出氫，使煤分解。
    ②氫一煤法 是采用沸騰床反應(yīng)器，直接加氫將煤轉(zhuǎn)化成液體燃料的工藝。
    ③SRC法 是將高灰分、高硫分的煤轉(zhuǎn)化成接近無(wú)灰、低硫的液化工藝。先將溶劑與煤粉制成煤漿，再把煤漿與氫混合后送人反應(yīng)器。
    ④煤—油共煉 將煤與渣油混合成油煤漿，再煉制成液體燃料。由于渣油中含有煤轉(zhuǎn)化過(guò)程所需的大部分或全部的氫，可減少或不用氫氣，從而降低成本
3．2 間接液化
    煤的間接液化是先將煤氣化，生產(chǎn)出原料氣，經(jīng)凈化后再進(jìn)行改質(zhì)反應(yīng)，調(diào)整氫碳比而成。它是德國(guó)化學(xué)家于1923年首先提出的。
    煤間接液化的主要方法稱(chēng)為費(fèi)托(F--T)合成技術(shù)。該方法先把經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理的煤送人反應(yīng)器，在一定溫度和壓力下通過(guò)氣化劑(空氣或氧氣+蒸汽)，以一定的流動(dòng)方式轉(zhuǎn)化成CO—H2的合成氣(灰分形成殘?jiān)�排�?。如用空氣作氣化劑，可制成低熱值(4．7~5．6兆焦／米3合成氣，用氧氣作氣化劑，可生產(chǎn)中熱值(11．2—13．O兆焦／米3)合成氣。再以合成氣為原料，在催化劑作用下合成碳、氫、氧化合物，例如醇、醛、酮、酯，以及碳?xì)浠�合物烴類(lèi)或液態(tài)的烴類(lèi)。從第二次世界大戰(zhàn)時(shí)起到1945年，德國(guó)建立了費(fèi)托合成裝置9套，催化劑由一氧化碳、釷、鎂組成，所得的產(chǎn)物組成為：汽油46％、柴油23％、潤(rùn)滑油3％和石蠟28％。戰(zhàn)后，ARCE公司研制了成分為鐵、硅、鉀、銅的催化劑，所得產(chǎn)物組成為：汽油32％、柴油21％、石蠟烴47％。1955年在貧油的南非SASOL建立了相同工藝的費(fèi)托合成裝置，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。SASOL公司是世界最大、也是唯一由煤間接氣化再用費(fèi)托合成技術(shù)生產(chǎn)汽油和各種化學(xué)品的公司，擁有員工26000多人，年銷(xiāo)售額達(dá)25億美元。因工藝所需已擁有法國(guó)法液空66900米3／時(shí)、氧氣純度為98．5％的空分設(shè)備12套，74000米3／B十空分設(shè)備1套，總制氧能力達(dá)87萬(wàn)米3／時(shí)，號(hào)稱(chēng)世界上最大的制氧站。僅SASOL I裝置，每年氣化1200萬(wàn)噸煤，需要40萬(wàn)米3／時(shí)、純度為98％的氧氣。而后SASOLⅡ和SASOLⅢ系統(tǒng)先后建成�，F(xiàn)在，該公司是世界上最大的商業(yè)性煤液化廠，已建成3個(gè)廠，采用魯奇氣化爐和F--T合成反應(yīng)器，年產(chǎn)合成液體燃料和化學(xué)品400萬(wàn)噸，年耗煤2700萬(wàn)噸以上。
    值得一提的是，據(jù)美國(guó)聯(lián)碳公司研究，用煤生產(chǎn)1噸合成燃料，所需氧氣為0.3~1噸；產(chǎn)量為10萬(wàn)桶／天的合成燃料裝置，需10~20套并聯(lián)安裝的2000—2500噸／天制氧機(jī)。另?yè)?jù)1993年山西省去南非SASOL公司考察，了解到煤的氣化所用氧氣為：1000米3粗煤氣，要用純度99％的氧氣150米3。因而煤氣化及轉(zhuǎn)化所需的大型空分設(shè)備將是很有市場(chǎng)的。

4 煤變油在我國(guó)
    利用豐富的煤資源，采用直接和間接煤液化技術(shù)，人類(lèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了煤轉(zhuǎn)化為油的夢(mèng)想。我國(guó)對(duì)煤的液化及轉(zhuǎn)化也非常重視，1980年重新開(kāi)展煤直接液化研究，1983年和1990年兩次從日本和德國(guó)引進(jìn)的煤直接液化技術(shù)和設(shè)備，至今還在繼續(xù)使用和運(yùn)行，中國(guó)煤種液化特性評(píng)價(jià)和液化工藝的研究及對(duì)費(fèi)托合成的研究也一直在進(jìn)行。對(duì)此，國(guó)家從“六五”起都安排攻關(guān)項(xiàng)目。經(jīng)過(guò)科研工作者多年的艱苦努力，已有一部分成果接近工業(yè)化的前期，有的研究成果具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
    目前我國(guó)在煤制取合成氣方面已取得較好的成果，并正向世界一流技術(shù)水平進(jìn)軍。另外在合成氣制含氧化學(xué)品的技術(shù)和工藝方面也取得了明顯的成果，有的已經(jīng)是產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模，例如合成氣制二甲醚，合成氣制甲醇及下游產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，合成氣制乙醇，聯(lián)產(chǎn)乙醛、乙酸等。特別是改進(jìn)催化劑制備工藝，制備出有高活性特殊功能、特殊選擇性的催化劑，使煤制得的合成氣得以合成出附加值更高的化工原料和化工產(chǎn)品。例如北京化工大學(xué)催化研究室在國(guó)家的支持下，經(jīng)過(guò)多年的努力，所研制的新型物種Fe3C納米粒子催化劑，用于合成氣定向控制轉(zhuǎn)化成丙烯的費(fèi)托催化反應(yīng)中，獲得突破性成果。
    納米粒子是20世紀(jì)80年代問(wèn)世的一種新材料，由于它的粒徑小，比表面積大，表面原子占有率高，表面具有未飽和鍵、懸空鍵的特殊電子結(jié)構(gòu)和體相結(jié)構(gòu)，使其在光學(xué)性質(zhì)、磁性、導(dǎo)熱以及化學(xué)活性等方面具有奇異的特性，引起當(dāng)代科學(xué)界的重視。北京化工大學(xué)采用激光熱解法，結(jié)合固相反應(yīng)制備的碳化鐵納米粒子催化劑，粒徑在2nm～3nm，比表面積200m2／g，反應(yīng)溫度260~320℃，壓力1．5MPa，合成氣空速為600h-1。 在無(wú)原料氣循環(huán)的條件下，在連續(xù)加壓漿態(tài) 床反應(yīng)器中對(duì)催化劑催化性質(zhì)測(cè)試，結(jié)果表 明CO轉(zhuǎn)化率達(dá)98％以上。由于粒子的尺寸 效應(yīng)，丙烯的選擇性達(dá)82％。同時(shí)，由于 催化系統(tǒng)的高度還原性，完全抑制C02的 生成，打破費(fèi)托合成SF產(chǎn)物分布的限制， 使CO最大限度轉(zhuǎn)化為高附加值的丙烯，實(shí) 現(xiàn)了充分利用資源的月的。因?yàn)楸�烯是不�?缺少的基礎(chǔ)化工原料，目前大都以石油原料 經(jīng)裂解或煉油兩種方式生產(chǎn)。該研究開(kāi)辟了 以煤為資源經(jīng)合成氣一步轉(zhuǎn)化為丙烯的工藝 路線(xiàn)，用以替代價(jià)格日益上漲和資源有限的 石油，具有重要戰(zhàn)略意義，也是合理利用地 球資源較好的實(shí)例。經(jīng)成本核算，用此方法 合成的丙烯成本與用石油為原料生產(chǎn)丙烯價(jià) 格相當(dāng)或略低，是很有應(yīng)用前景的生產(chǎn)新工 藝。該研究成果處于國(guó)際領(lǐng)先地位，引起了 國(guó)內(nèi)外同行的關(guān)注。
    我國(guó)對(duì)煤制甲醇也做了大量工作。甲醇 是用含有H2和CO的原料氣制作的，可用 作化工原料、溶劑和燃料。甲醇用作汽車(chē)燃 料，可在汽油中摻人5％、15％、25％ (M--5、M--15、M口25)或用純甲醇(M-- 100)。甲醇和異丁烯合成甲基叔丁基醚 (MTBE)，用作無(wú)鉛汽油辛烷值添加劑；或 直接合成低碳混合醇(甲醇70％，低碳醇 30％)，用作汽油辛烷值添加劑。甲醇還可 制取合成汽油。目前，我國(guó)甲醇年產(chǎn)能力超 過(guò)60萬(wàn)噸，其中約20％用作燃料。煤用間 接液化制成燃料甲醇已有了成熟技術(shù)。