水变油”曾经是社会上流行的一个“传说”，后来被大量科学实验否定了。“煤变油”也曾经是社会上盛传的一个“经久不衰”故事，并不断地有人进行着“前赴后继”的探索，随着人类对新能源的开发利用，特别是对实现“双碳”目标的追求，关于煤“变”油的探索依然在继续着。

煤“变”油的理论基础

       煤是由原始植物形成，包括高等植物和低等植物。植物遗体大量堆积是成煤的物质条件，高等植物形成的煤叫腐植煤，低等植物形成的煤叫腐泥煤。由高等植物和低等植物共同形成的煤叫腐植腐泥煤。煤炭的主要成分是碳，而石油的主要成分是烃类（碳氢化合物），虽然二者都是远古时期的生物遗体演变而成的，但是，煤炭不能直接转化成石油。 

煤炭的形成 

       全世界煤炭资源不但储量巨大，由于埋藏浅，可开采资源也是巨大的，其能量值相当于石油资源的10多倍。煤和石油的形态、形成历史、地质条件不同，但是石油和煤炭的化学组成却大同小异。煤中约含碳80％~85％，含氢4％~5％，平均分子量在2000以上。石油含碳85％，含氢13％，平均分子量在600以内。从组成上看，它们的主要差异是含氢量和分子量的不同，只要人为地改变压力和温度，设法使煤中的氢含量不断提高，就可以使煤的结构发行变异，由大分子变成小分子。当其碳氢比降低到和石油相近时，则煤就可以液化成汽油、柴油、液化石油气、喷气燃料等石油产品了。同时，还可以开发出附加值很高的上百种产品，如乙烯、丙烯、蜡、醇、酮、化肥等，综合经济效益十分可观。

“煤变油”的传说与实践

       “煤变油”是20世纪初由德国两位科学家发明的。德国是一个贫油而富煤的国家。在1900年以前，德国工业、军事、家庭所需的能源主要来自于煤。20世纪以后，汽车工业兴起，使能源的需求结构发生了变化，石油开始成为主要的能源。第一次世界大战前，德国几乎完全依赖进口石油。1913年，德国化学家弗里德里希·伯吉尤斯（F.Bergius，1884—1949）在实验室成功地实现了煤氢化为液体燃料。煤氢化的工业化生产经历了坎坷的道路。早期的工厂由于技术上不过关，成本高居不下，难以运转。1925年，法本公司的化学家接手开发煤氢化，1927年建成世界上第一家煤氢化工厂。1931年，伯吉尤斯与博施因为在发展高压氢化技术方面的卓越贡献而荣获诺贝尔化学奖。 

德国化学键伯吉尤斯

       1911年6月，伯吉尤斯取得了用水煤气制造氢气的新工艺。伯吉尤斯在研究水煤气时，还实现了煤的人工合成。他在高温高压下，处理植物纤维，结果得到黑色的残留物，貌似煤炭。化验表明，它与天然煤在化学组成上是一致的，类似于不饱和碳氢化合物。人工煤和合成煤都可以实现氢化反应。在进行这一实验以前，伯吉尤斯先前研究过天然石油的氢化反应。 

德国早期（上图）与现代的煤变油工厂

       在完成了天然石油的氢化研究之后，伯吉尤斯进而研究煤的氢化。他先研究人工煤的氢化反应。1913年夏天，伯吉尤斯在150个大气压、400℃温度下，对2克人工煤进行氢化处理，结果发现：80%的人工煤分解成了小分子产物。伯吉尤斯倍受鼓舞，就拿天然煤来研究。天然煤亦可以氢化成小分子。他将150千克煤倒入体积为400升的钢制压热器，加入苯溶剂，搅拌成糊状。通入5千克的氢气。在温度为400C、压力为200个大气压下，反应12个小时。分析产物，发现85%的煤已经完全氢化;分馏产物，得到石油碳氢化合物。这年秋天，伯吉尤斯申请注册了煤高压氢化的专利。这是他在煤氢化领域取得的第一个专利。

       在第一次世界大战以前的若干年里，德国所需的石油几乎完全依赖进口。1913年德国进口175万吨石油，花费1.75亿马克。德国国内生产的石油，全部来自于煤干馏工艺，即隔绝空气加热煤，可以得到少量的液体燃料。这一工艺的转化率非常低，成本很高。伯吉尤斯想用煤氢化工艺取代煤干馏工艺，并将丰富的煤炭资源转化为合成石油，取代进口石油。在第一次世界大战后期，德国从罗马尼亚掠夺到石油，制造合成石油就不那么重要了。

       煤氢化的成本固然比天然石油要高，然而在二战期间，德国进口石油的渠道被切断，就非发展煤氢化工业不可了。德国境内的12家工厂为德国军队提供了大部分所需的燃料。二战结束后，这12家煤氢化工厂大部分被盟军拆除，有的转向精炼石油，只剩下4家工厂继续从事煤制油的生产。

"煤变油"的工艺

       “煤变油”，是指以煤炭为原料制取汽油、柴油、液化石油气的技术。煤的液化分直接液化和间接液化两种。直接液化就是煤在高温高压下加氢裂解，转变成油料产品；间接液化就是先对原料煤进行气化：净化后，得到一氧化碳和氢气的原料气，然后在高温、高压以及催化剂的作用下合成有关油品或化工产品。 

        伯吉尤斯制造合成燃料的一个典型反应是：100千克煤，与40千克苯溶液混合，加入5千克的氧化铁，通入5千克氢气，在高温高压下反应，可以得到20千克的气体、128千克的合成石油和固体。将这些油分馏，可以得到20千克汽油和几十千克其它的油。在这座工厂，1吨煤可以制得490千克～650千克的液体燃料，生产成本是71马克。而这些汽油，柴油等燃料价值141马克，所以，每吨煤可盈利70马克。

       国际上经典的煤变石油工艺是把褐煤或年轻烟煤粉与过量的重油调成糊状（称为煤糊），加入一种能防止硫对催化剂中毒的特殊催化剂，在高压釜里加压到20266~70931千帕并加热到380~500摄氏度，在隔绝空气的条件下通入氢气，使氢气不断进入煤大分子结构的内部，从而使煤的高聚合环状结构逐步分解破坏，生成一系列芳香烃类的液体燃料和烷烃类的气体燃料。一般约有60％的煤能转化成液化燃料，30％转化成为气体燃料。具体来说，煤变石油的工艺可分为“直接液化”和“间接液化”两种，从世界范围来看，无论哪一类液化技术，都有成熟的范例。

    “直接液化”是对煤进行高压加氢直接转化成液体产品。早在第二次世界大战之前，纳粹德国就注意到了煤和石油的相似性，从战略需要出发，于1927年下令建立了世界上第一个煤炭直接液化厂，年产量达10万吨，到1944年达到423万吨，用来开动飞机和坦克。一些当时的生产技术，今天还在澳大利亚、德国、巴基斯坦和南非等地应用。

       从产品上看，煤炭液化主要产品为汽油、柴油、航空煤油、石脑油、乙烯等重要化工原料，副产品有硬蜡、氨、醇、酮、焦油、硫磺、煤气等。间接液化的产品可以通过选择不同的催化剂而加以调节，既可以生产油品，又可以根据市场需要加以调节，生产上百种高附加值、价格高、市场紧缺的化工产品。 

       从质量上说，煤炭间接液化得到的汽油、柴油等均为优质产品，其中硫、氮含量均远低于商品油标准，质量可达到甚至超过商品油标准。汽油、柴油和航空煤油的主要用途是作发动机燃料;LTG可作为民用及工业燃料、发动机燃料;乙烯、丙烯是生产聚乙烯和聚 丙烯或其他聚合物的重要化工原料。   

       “间接液化”是煤先气化，生产原料气，经净化后再行改质反应，调整氢气与一氧化碳的比例。此项技术主要源于南非，技术已非常成熟。

“煤变油”的前景如何？

       20世纪50年代，南非为了克服进口石油困难，成立了南非萨索尔公司(SASOL，又称：沙索)，主要生产汽油、柴油、乙烯、醇等120多种产品，总产量达到700多万吨。目前，这家公司的3个液化厂，年耗煤4590万吨，年产合成油品1000万吨。该公司累计投资70亿美元，现在早已回收了全部设备投资。此外，俄罗斯、美国、日本等国也相继陆续完成了日处理150~600吨煤的大型工业试验，并进行了工业化生产的设计。

       萨索尔是世界上唯一进行大规模煤液化生产合成燃料的国际公司。公司早在1955年就在南非最大城市约翰内斯堡以南80公里的萨索尔堡兴建了第一座煤变油工厂。公司使用间接转化技术(F—T合成），先将煤气化，然后合成燃料油和化工产品。生产汽油、柴油、蜡、乙烯、丙烯、聚合物、氨、醇、醛、酮等113种化工产品。

       经过近50多年的发展，南非煤炭液化技术已日臻成熟，由煤炭液化技术而引申出来的产品已遍布整个化学工业领域。南非萨索尔公司也因此成为世界上最大的化工原料的供应商之一。萨索尔公司以煤转油技术生产油品已经基本能满足南非国内40%的能源供应。　

       以燃烧为主的煤炭利用方式已在我国造成了严重的酸雨、粉尘污染。我国有着极为丰富的煤炭资源，近年来也加大了对这项技术研究发展的投入，也取得了重大成果，“煤变油”技术的推广，不但将大大缓解日益严重的环境问题。综合效益也十分可观。  

我国的露天煤矿

       煤制油项目一直以来都因高投入、高能耗和以一种能源替代另一种能源等问题而备受争议；因此，中国对煤制油项目也一直采取“积极支持、谨慎推进”的态度。 

       煤制油属于典型的高耗能、高耗煤和高耗水产业。从煤制油转换效率上看，生成1吨成品油往往需要消耗掉4—5吨的煤，整个生产过程需消耗8吨至9吨水。

       煤液化生产过程中释放的二氧化碳，相当于传统油品制造过程释放量的7倍到10倍，随着全球变暖在中国减排压力日益增加的背景下，实在难以接受更大程度的排放增量。

       煤制油在中国采取的是控制在一定规模内，不宜“遍地开花”。因为这一技术最主要还是作为战略储备以及替代能源的重要途径之一。

转载自《石油科学传播》公众号