1.2 煤液化工藝
煤炭液化技術雖有很多種不同的分類方法，但一般常用按生產裝置化學工程特徵分類方法進行分類，或稱為按照反應器形式分類。液化工藝在很大程度上影響煤化工產品的成本和效率，採用高效、低耗、無汙染的煤液化工藝(技術)是發展煤化工的重要前提，其中反應器便是工藝的核心，可以說液化工藝的發展是隨著反應器的發展而發展的，為了提高煤液化的液化率和液化爐液化強度，改善環境，新一代煤液化技術的開發總的方向，液化壓力由常壓向中高壓（8.5mpa）發展；液化溫度向高溫（1500～1600℃）發展；液化原料向多樣化發展；固態排渣向液態排渣發展。
1.2.1 固定床液化
固定床液化也稱移動床液化。固定床一般以塊煤或焦煤為原料。煤由液化爐頂加入，液化劑由爐底加入。
流動氣體的上公升力不致使固體顆粒的相對位置發生變化，即固體顆粒處於相對固定狀態，床層高度亦基本保持不變，因而稱為固定床液化。另外，從巨集觀角度看，由於煤從爐頂加入，含有殘炭的爐渣自爐底排出，液化過程中，煤粒在液化爐內逐漸並緩慢往下移動，因而又稱為移動床液化。固定床液化的特性是簡單、可靠。
同時由於液化劑於煤逆流接觸，液化過程進行得比較完全，液化劑是蒸汽和氧氣，且使熱量得到合理利用，因而具有較高的熱效率。
1.2.2流化床液化
流化床液化又稱為沸騰床液化。其以小顆粒煤為液化原料，這些細顆粒在自下而上的液化劑的作用下，保持著連續不斷和無秩序的沸騰和懸浮狀態運動，迅速地進行著混合和熱交換，其結果導致整個床層溫度和組成的均一。流化床液化能得以迅速發展的主要原因在於：
（1）生產強度較固定床大。（2）直接使用小顆粒碎煤為原料，適應採煤技術發展，避開了塊煤供求矛盾。（3）對煤種煤質的適應性強，可利用如褐煤等高灰劣質煤作原料。
流化床液化爐常見有溫克勒（winker）、灰熔聚（u-gas）、迴圈流化床（cfb）、加壓流化床（pfb 是pfbc的液化部分）等。
1.2.3氣流床液化
氣流床液化是一種並流式液化。從原料形態分有水煤漿、幹煤粉2 類；從專利上分，texaco、shell 最具代表性。前者是先將煤粉製成煤漿，用幫浦送入液化爐，液化溫度1350～1500℃；後者是液化劑將煤粉夾帶入液化爐，在1500～1900℃高溫下液化，殘渣以熔渣形式排出。
在液化爐內，煤炭細粉粒經特殊噴嘴進入反應室，會在瞬間著火，直接發生火焰反應，同時處於不充分的氧化條件下，因此，其熱解、燃燒以吸熱的液化反應，幾乎是同時發生的。隨氣流的運動，未反應的液化劑、熱解揮發物及燃燒產物裹夾著煤焦粒子高速運動，運動過程中進行著煤焦顆粒的液化反應。這種運動狀態，相當於流化技術領域裡對固體顆粒的「氣流輸送」，習慣上稱為氣流床液化。
氣流床對煤種（煙煤、褐煤）、粒度、含硫、含灰都具有較大的相容性，國際上已有多家單系列、大容量、加壓廠在運作，其清潔、高效代表著當今技術發展潮流。總之，從加壓、大容量、煤種相容性大等方面看，氣流床煤液化技術代表著液化技術的發展方向，水煤漿和幹煤粉進料狀態各有利弊，界限並不十分明確。
2 煤炭液化的主要研究成果
2.1 煤炭液化復合迴圈發電( igcc)
煤炭液化復合迴圈發電技術不是將煤炭直接燃燒, 而是先將煤炭磨成粉狀, 以乾式或濕式( 水煤漿) 的狀態送入液化爐內, 與空氣或來自空氣分離系統的氧氣在高溫、高壓下混合燃燒, 產生粗煤氣, 粗煤氣再經燃氣淨化系統除塵、除硫後成為乾淨的合成氣, 淨化後的合成氣送至復合迴圈機組, 推動氣渦輪機發電, 由於渦輪機尾氣仍具有相當高的溫度, 再以熱**鍋爐產生蒸汽來推動蒸汽輪機發電。煤炭液化復合迴圈發電技術可視為液化爐、空氣分離系統、燃氣淨化系統及復合迴圈機組等4 種小系統的整合。目前世界已有多座igcc 電廠正在進行商業化示範運轉, 其中有美國的psi energy/global energy wabash river plant 及tampa electric polk plant, 荷蘭的nuon/decollete/willed- alexander 及西班牙的elcogas 等。
igcc 電廠中氣渦輪機出力約佔60%, 蒸汽輪機約為40%。將來如果新型高效率氣渦輪機組ce 的h 型機組進入商業化執行後, 將使igcc 效率由目前的約41%( hhv) 提公升至50%以上; 如果結合高溫燃料電池組成igfc( igcc+fuel cell) 系統, 效率甚至可達60%以上。日本已於2004 年開始運轉以殘渣油與石油焦為燃料的igcc 電廠,經過20 多年開發的吹空氣式煤炭液化復合迴圈發電技術, 也於2004 年在日本開始興建250 mwigcc 示範廠。
除了發展煤炭液化復合迴圈發電技術之外, 日本還進行煤炭液化合成氣應用技術的研發, 即煤炭液化結合燃料電池的發電計畫, 並在若松建造了1 座150 t/d 煤的煤炭液化試驗廠。南韓也在1995 年建立了1 座3 t/d 煤的液化實驗系統。從燃料的使用類別來看, 早期美國及荷蘭的示範廠都以煤炭為原料, 近年則使用煉油廠及工業廢棄物, 如石油焦、塔底油、汙泥及固態衍生燃料( rdf) 。
日本第一座商業化igcc 電廠就是利用煉油廠的殘渣油發電以降低成本。由於igcc 技術具有多元燃料進料及應用廣的特點, 在相關技術如高效率氣渦輪機組、新一代液化爐、高溫淨化系統、高壓高效率空氣分離系統及與燃料電池整合等, 以igcc 為基礎的高效率發電系統有可能在未來20 年內取代目前的粉煤鍋爐發電系統, 從而成為燃煤發電廠的主流技術。
京都議定書已於2005 年2 月16 日起生效,二氧化碳是造成溫室效應的主要氣體之一, 潔淨煤發電技術除了可提高發電效率外, 還可降低二氧化碳的排放量。先進的煤炭液化復合迴圈發電廠的二氧化碳排放量較傳統的粉煤鍋爐電廠減少12%左右, 由於二氧化碳的產生量與電廠的熱效率有關, 而液化復合迴圈發電的未來效率成長空間仍很大, 因此對減少二氧化碳的排放量將有重大意義。
2.2 煤炭液化轉化液體燃料
煤炭液化合成氣轉換為液態甲醇( liquid phase methanol—lpmeoh)及二甲基醚( dme) , 是提高煤炭液化復合迴圈發電技術整體經濟效益的非常有潛力的技術路線。利用漿液泡沫柱狀反應器可以將煤炭液化產生的合成氣中的氫氣一氧化碳與少量二氧化碳直接轉化成甲醇。第一座商業化示範廠位於美國田納西州的eastman chemical company 的煤炭液化廠內, 於2023年4 月開始運轉。
大部分甲醇產品經蒸餾純化後的質量分數達到99.85%,可作為化工原料, 未經純化的甲醇質量分數約98%。lpmeoh 廠非常適合於igcc 發電廠聯合運轉, 將igcc 發電廠液化爐生產的部分合成氣轉化為甲醇。
在電廠發電高峰時段運轉時, 由備用液化爐生產合成氣作為液態甲醇反應的進料, 並可利用所生產的甲醇作為電廠的燃料; 在電廠發電非高峰時段運轉時, 可利用因電力輸出減少而多餘的合成氣進行甲醇轉化反應。由於甲醇便於儲存與輸送, 既可作為電廠內高峰時段的發電燃料, 又可作為化學品原料或燃料銷售, 從而降低建廠與營運成本。近年來由於石油**的飛漲, 利用液化技術轉化fischer- trochee( 簡稱f- t) 燃料又一次引起能源界的興趣。
f- t 技術最初是由德國科學家franz fischer 和hans trochee 於1923 年開發, 其技術路線是將合成氣轉化成直鏈烷類和烯類碳氫化合物。經f- t 轉化技術所產生的燃料, 基本上不含硫及芳香族或環鏈碳氫化合物, 因此不具有毒性也不會危害環境, 已被公認為無環境汙染的能源。
2.3 煤炭液化產氫
煤炭產氫將是未來過渡到全氫能經濟的最有潛力的集中式產氫方式之一。基本原理是先利用液化程式, 將煤炭液化生成以一氧化碳與氫氣為主的合成氣體。一氧化碳與氫氣的組成與燃料品質及進料方式有關, 以煙煤為例,一般來說乾粉進料一氧化碳約佔50%～60%, 氫氣約佔25%～35%, 而水煤漿進料一氧化碳約佔40%～50%,氫氣約佔30%～40%。
為了產生更多的氫氣, 常常利用水蒸氣與一氧化碳反應轉化成氫氣和二氧化碳, 再利用氣體分離裝置將氫氣與二氧化碳分離。目前氣體分離以變壓吸附較為成熟, 另一項技術是處於研發階段的薄膜分離。分離後濃縮的氫氣可直接用於發電或經由儲存輸送到終端使用者, 而高濃度的二氧化碳可**獲並封存。
煤炭液化產氫較好的運轉模式應與復合迴圈發電結合, 利用非高峰時間制氫氣, 並可將二氧化碳移除,從而達到零二氧化碳排放的目標。目前天然氣產氫成本雖然較低,但其**波動大、蘊藏量較少,只適合用於分布式產氫的加氫站。若需要大量產氫,仍需煤炭液化。
煤炭液化有**低廉而且蘊藏量大等優勢, 再加上技術進步成長的空間大, 還可結合復合迴圈發電、燃料電池等高效率技術, 因此煤炭液化產氫具有誘人的前景。
3 國內煤炭液化技術的發展概況
煤液化技術在中國已有近百年的歷史，但仍然較落後和發展緩慢。全國有近萬台各種型別的液化爐在執行，其中以固定床液化爐為最多。如氨非工業中應用的ugi水煤氣發生爐就達4 000餘台；生產工業燃氣的液化發生爐近5 000臺，其中還包括近年來引進的兩段液化爐和生產城市煤氣和化肥的lu哂爐。
winkle和u—gas流化床液化和texaco氣流床液化等先進技術則多用於化肥工業，但數量有限。就總體而言，中國煤液化以傳統技術為主，工藝落後，環保設施不健全，煤炭利用效率低，汙染嚴重，如不改變現狀，將影響經濟、能源和環境的協調發展。在國家的鼎力支援下，中國在研究與開發、消化引進技術方面進行了大量工作。
仿k-t液化技術的研究與開發，在新疆蘆草溝和山東黃縣建設中試裝置，為以後國內引進texaco水煤漿液化技術提供了豐富的經驗。80年代在灰熔聚流化床煤液化領域中進行了大量工作並取得了專利。「九五」期間立項開發多噴嘴對置氣流床液化爐，已經通過中試裝置考核執行，並獲得了專利。
「九五」期間還就「整體煤氣聯合迴圈關鍵技術(含高溫淨化)」立項，有10餘個單位參加攻關。我國在近20多年時間，共引進了數十台texaco液化爐和20臺shell液化爐，並在國內配套完成了部分設計、安裝與操作，積累了豐富的相關經驗。此外，在流化床、煤及煤漿燃燒、兩相流動與混合、傳熱、傳質、煤化學、液化反應、煤巖形態、磨煤與乾燥、高溫脫硫與除塵等科學領域與工程應用等方面也進行了大量的研究工作。
3.1 大同煤礦集團公司煤液化技術的應用
大同煤礦集團公司煤氣廠目前執行的煤氣發生爐主要是固定床式直立爐和水煤氣兩段爐，均為常壓液化，進料採用塊煤。水煤氣兩段爐爐型的特點是投資少，工藝流程短，操作簡單方便，比較適用於中小城市的煤液化和作為大城市的調峰氣源；直立爐具有產氣率較高、煤氣熱值穩定、有一定負荷調節能力、燃料消耗省等優點，常用於製造城市煤氣，我國已有設計建造直立爐的能力和長期的操作經驗。由於上述兩爐型均存在空氣環境汙染相對大、廢水處理困難、產能較小等缺點，在發展規模越來越大的煤化工生產中已基本被淘汰。
大同煤礦集團公司年產60萬t甲醇專案採用了當今世界最先進的煤液化技術之一：shell幹煤粉液化技術。shell液化爐殼體直徑約4．5 m，4個噴嘴位於爐子下部同一水平面上，沿圓周均勻布置，借助撞擊流以強化熱質傳遞過程，使爐內橫截面氣速相對趨於均勻。
爐襯為水冷壁(membrane wan)，總重500 t。爐殼與水冷管排之間有約0．5 m間隙，作安裝、檢修用。煤氣攜帶煤灰總量的20％～30％沿液化爐軸線向上運動，在接近爐頂處通入迴圈煤氣激冷，激冷煤氣量約佔生成煤氣量的60％～70％，煤氣降溫至900。
c，熔渣凝固，出液化爐，沿斜管道向上進入管式餘熱鍋爐。煤灰總量的70％～80％以熔態流入液化爐底部，激冷凝固，自爐底排出。粉煤由co攜帶，密相輸送進入噴嘴。
工藝氧(純度為99％)與蒸汽也由噴嘴進入，其壓力為3．3 mp a～4．5 mp a。液化溫度為l 500。c以上，液化壓力為4．5 mp a。
冷煤氣效率為79％～81％；原料煤熱值的13％通過鍋爐轉化為蒸汽；6％由裝置和出冷卻器的煤氣顯熱損失於大氣和冷卻水。該爐型具有煤種適應性廣、單系列生產能力大、碳轉化率高達96％以上、合成氣有效組分含量高、雜質極少、液化氧耗低、熱效率高、冷煤氣效率達80％一83％、總熱效率高達98％、負荷調節方便等優點。煤液化系統方塊流程見圖l。
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