社会的发展离不开能源，而随着人类过度花费地球资源，能源危急成为天下各国思考的问题。我国在三大能源的分布上并不屈衡，是一个范例的“煤多油少”型国家，个中，近三分之二的石油资源长期依赖入口，未来估量入口率将高达80%。与此同时，过去20年间，对付煤炭的开采利用，也产生了诸多环境问题，例如光化学烟雾以及温室效应等。我们不禁就会思考，既然一多一少且都属于不可再生能源，能否将煤炭转变为石油进而扬长补短呢？这样的思考在过去看来，彷佛难以实现，但在21世纪的本日，勤恳的中国科学家们已经将它变成了现实，跟紧脚步，让我们一探究竟吧。
图1 煤炭与石油
一、斩不断的自然基因
发展煤制油意义重大，这是保障国家能源安全的计策性举措。发展煤制油家当可有效缓解因富煤缺油给我国能源安全带来的寻衅，将煤炭通过深加工转化为清洁的油品，过程中产生的二氧化碳、二氧化硫、废渣等都可以实现有效回收和清洁利用，更为主要的是，煤制油作为当代新型煤化工的主要内容，具有技能含量高、管理哀求高、布局门槛高与家当链地位高的特点，其家当的发展必将有利于我国煤炭家当构造、布局构造、组织构造和技能构造的全面调度与进一步优化升级。
煤炭被称为“工业的粮食”，石油被称为“工业的血液”，一种是固态燃料，一种是液态燃料。要将二者进行转变，一定得基于一定的物质根本才行，最少也得具备相似的化学身分与构造，这就不得不说二者具备的相似自然基因。煤炭和石油都属于稠浊物，实在质都属于有机化合物，在化学身分上具有相似性。煤炭的出身源于上古时期植物沉积在土壤中经由数万年的自然生化反应与物理变革形成。而石油类似的是，它的起源也可追溯至上古时期浮游生物残骸以及藻类、植物等残留在水体中经由不断蜕变所致。煤炭与石油的紧张组成元素为C、H、O，因此，无论从自然基因还是化学组成来讲，这为煤炭向石油的转变创造了可能。
图2 煤炭和石油的形成过程
二、煤制油的工艺路子
先让我们大略理解以下，煤炭以及石油的元素含量比拟。在煤炭中，C、H、O三种元素的含量高达95%，如图2所示，随着煤炭煤化程度的增加，碳的含量逐渐增多，氧的含量随煤质的不同含量变革较大，氢的含量最少。而在石油中，紧张为C、H元素，由此产生了各种烃类物质，紧张有烷烃、环烷烃以及芳香烃类物质等，碳元素含量最多，氢元素次之，而氧元素最少。相较于煤炭，石油中H/C（氢碳比）更高，例如烟煤H/C约为0.8，而原油则为1.76。因此，从这里不难明得，煤转油的基本事理便是现将煤质大分子裂解为小分子，然后遵照H/C含量的差异，提升H的水平或降落C的水平，匆匆使煤炭H/C达到石油的水准，进而实现转换。听起来彷佛非常大略，但实际探索可谓是困难重重。固态转变为液态的过程称为液化过程，在煤的液化过程中，将其转变为石油须要多种方法的协力合营，例如选择得当的反应温度、催化剂、压力等，当然最主要的是将繁芜的化学反应打造成工艺路线，进行生产。目前进行上述转换的工艺紧张有两种，一种是直接液化，另一种是间接液化。前者直接加氢进行裂化，反应热效率出色、油质较好，但对煤的种类以及化学反应的哀求非常严格。而后者通过分步实验，先将煤气化天生H和CO，再经由费托合成路线天生石油，该路线对煤的种类哀求广泛，避免了繁芜的实验条件，运用较为广泛。下面我们将重点谈论费托合成。
费托合成简称为F-T合成，该方法于1923年由德国科学家Frans Fischer与Hans Tropsch联合研究创造。大略来讲F-T合成是指将煤先气化制备成H和CO，再选择得当的催化剂，进行催化反应，见图3。常日分为三个步骤：1、将煤送入气化炉，在得当温度下，引入气化剂（空气+O+蒸气），使煤无法充分燃烧，如此，反应过后，煤就会变成H和CO等物质。2、催化反应。产生的H2和CO会进一步净化，在催化剂的浸染下进一步合成液态烃类物质。3、对液态烃类物质进行提纯，制出石油。不过煤制油也是气态、液态和固态的烃类稠浊物，因此，想要制备出市情加油站售卖的不同类型的油，还得经由精制以及改质，通过分馏等手段得到紧张化学身分为辛烷的汽油以及多碳原子数稠浊烷烃的柴油、石油、液化天然气以及其它化工产品。
图3 费托合成工艺流程
三、煤制油的化学反应事理
煤制油的过程是通过化学反应进行的。在上文F-T的根本上，我们进一步谈论个中涉及的化学反应，将煤气化后，天生的合成气进一步净化，得到H和CO，随后将它们置于高温高压下，并加入相应的催化剂，从而实现液态稠浊烃的制备，也便是石油的原材料。个中涉及的化学反应机理如下：
2H+CO=-CH-+HO
-CH-→-HC-CH-→CH=CH
H+-CH-→CHCHCH
在催化剂的浸染下，H和CO会裂变为原子，并天生亚甲基物质和HO。在反应中，如果H含量较少，则亚甲基类物质会聚合为烯烃，如果H含量充足，亚甲基类物质则会进一步反应天生稠浊饱和烃。而在F-T合成中，催化剂的研究与开拓一贯是科学家们关注的焦点，由于这会提升反应的效率。金属钌的催化性能出色，但价格昂贵，不适用放大生产。此外，像Ni基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂等都相应登上过历史舞台，做出了相应的贡献。近期，青岛联信催化材料有限公司设计的QDB-05/QDB-07催化剂在F-T合成中展现出了良好的催化性能，引起了人们的关注。
四、煤制油傲人成绩
我国在煤制油行业的探索已经有多年，比较于西方国家，我国起步较晚，但经由前辈以及现在广大科研事情者的辛劳付出。我国在煤制油领域，已经跻身于天下领先行列。此前，尤为瞩目的一项造诣经公民日报发文，迅速引起了国人的广泛关注，那便是经由不断地技能攻关，国家能源集团宁夏煤业煤制油分公司，完成了天下上规模最大的煤间接液化项目，400万吨/年煤间接液化示范项目可年转化煤炭2400万吨，项目场景图见图4。这次项目的成功践行，得益于自主研发与技能的不断创新，工艺设备99%国产化，是一项自主研发取得的新造诣，不仅实现了煤向油的转化，还实现了多种副产品的开拓与利用，展现出巨大的研发潜力。除了国家能源集团宁夏煤业400万吨/年煤制油项目外，我国大型煤制油项目还有伊泰杭锦旗120万吨/年与山西潞安100万吨/年。根据盈收情形来看，宁煤项目装置满负荷运转，按当前油价估算，年利润可超过50亿元，伊泰杭锦旗120万吨/年项目可达10亿元，山西潞安100万吨/年项目正在积极发展中。值得把稳的是，《中国煤制油行业市场前瞻与投资计策方案剖析报告》预测指出，到2026年中国煤制油产品产量将达到2278万吨。目前，天下煤制油主产地集中在南非地区，剖析表明，到2035年中国或将实现天下领先地位。在煤制油的整天职析中，中国煤化工专委会副秘书长王秀江先容道，在煤价区间约500-600元/吨的情形下，国际油价保持在60-70美元/桶，煤制油项目才可达到盈亏平衡点。因此，煤制油项目的发展一定要提升核心竞争力，同时国家也该当予以大力支持，适当减少税收，帮助企业畅通生产以及发卖渠道。
图4国家能源集团宁夏煤业公司400万吨煤制油项目夜景
五、结语
煤制油为国家能源安全供应了新的保障，也为基于煤制油的其它化工产品开拓供应了渠道。该当切实供应有效的保障，让这一关乎万家灯火的保障奇迹取得更加出色的成绩，同时，该当进行工艺的持续优化与探索，设计性能精良的催化剂进行放大实验，逐步打造天下一流的煤制油生产企业。希望本篇科普能够带领更多的读者理解这一行业，关注这一行业的发展。
参考资料
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来源：洞察化学
原标题：科普大赛 | 煤变油-攥紧能源命脉
编辑：蓝多多
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