基本介紹
- 中文名：合成燃料
- 外文名：Synthetic fuels
- 獲得途徑：城市污泥、天然氣等
費托合成,發展簡史,主要代表,發展前景,車用燃料,目前現狀,發展潛質,城市污泥熱處理,
合成燃料也就是化學能，是把數種含能體能源通過化學變化合成的新燃料。合成燃料有許多種，有的是把煤、油頁岩或瀝青砂轉變為合成石油或汽油，其中最引人注目的當屬南非等國一直在使用的費托合成法。另一種是甲烷，從污水和淤泥中產生；酒精可以從特別栽培的作物和垃圾里提煉出來。
費托合成
發展簡史
費托合成燃料的發展史大約可追溯到20世紀20年代。1926年德國Kaiser-Wilhelm煤研宄所F.Fischer等首先以含鹼鐵催化劑由合成氣制醇和烴類，並於1936年在德國建成首套工業裝置，至1945年全球建成14套工業裝置，總產能達828kt/a。之後，由於石油工業的發展，致使大部分費托合成燃料生產裝置停工。
早期的費托合成燃料生產以煤為原料，20世紀90年代，由於石油資源短缺，天然氣開採量大幅増長，以致費托合成燃料生產轉向以天然氣為原料。現南非民營的Sasol公司、國營Mossgas公司和Shell公司成為全球主要費托合成燃料生產商。其中Sasol公司在Sasolburg和Secunda擁有3座以煤為原料的工廠，煤炭總處理量為45900kt，生產合成燃料和化工產品分別為4580kt和3100kt12;Mossgas公司在Mossel灣一套米用Sasol技術的、以天然氣為原料的工廠，產能1130kt/a；Shell公司在馬來西亞Binulu一套以天然氣為原料的工廠產能為750kt/a。
費托合成燃料無硫、無氮、低芳烴含量，油品質量符合環保要求，與石油基燃料相比是一種對環境友好的運輸燃料。而且合成工藝經數十年的創新和改造，經濟性大大改善，因而發展前景看好。預計2020年全球以天然氣為原料的煉廠能力可望達100Mt/a。
主要代表
Shell、Exxon、Syntroleum、Rentech和BP等公司。這些工藝過程大致相同，包括合成氣發生、費托合成、產品升級及分離等步驟，但每個步驟採用的技術各有其自身特點。典型費托合成工藝圖可參見圖1 。
圖1 極性介質中的傳統費托合成
圖1 極性介質中的傳統費托合成1、Sasol公司
Sasol公司早期費托合成燃料生產，根據反應條件分高溫工藝(330~350、25MPa)和低溫工藝（180~250°C、1.0~4.5MPa)。前者採用循環流化床反應器，稱Synthol法，產物主要是汽油和烯烴；後者採用列管式固定床反應器，稱Arge法，產物主要是柴油和石蠟。針對兩種反應器的不足之處，Sasol又開發了先進循環流化床工藝(Sasol Advanced Synthol，簡稱SAS)和漿床中間餾分油工藝（Slurry PhaseDistillate，簡稱SPD）。
與循環流化床反應器相比，SAS的優點是：（1）造價低，僅為前者（Synthol法）的1/2；（2）熱效率較高；（3）床層壓降低，減少了氣體壓縮費用；（4）床層等溫且溫度易於控制；（5）節省操作和維修費用；（6）高油選擇性；（7）易於大型化。與固定床反應器相比，漿床反應器的最大優點具有良好的物料混合性，並可在等溫下操作，催化劑還可線上裝卸，比同等產能裝置投資費用可減少40%。
Sasol的SPD工藝過程包括採用丹麥Haldor Topsψe的自熱轉化技術（ATR）發生合成氣；以帶有少量促進劑的鈷催化體系將合成氣進行費托合成；以及米用Chevron加氫裂化技術將費托合成產物轉化為中間餾分油三個部分。
Shell的中間餾分油工藝（Shell Middle Distillate Synthesis，簡稱SMDS）包括四個步驟。第一步採用Shell專用汽化技術高效生產合成氣，可使94%的甲烷轉化為CO和H2；第二步是採用固定床費托合成技術產出長鏈烷烴，其合成氣轉化率高達96%，液體產品選擇性可達90%~95%；第三步加氫飽和烯烴，然後在各蒸餾塔中蒸出溶劑（5~C8）和洗絛劑原料（C10~C17），部分石蠟與蒸餾殘留物進行加氫裂化；第四步是產品分離。產品主要是柴油、航空煤油、石腦油和蠟等。
2、Exxon公司
Exxon公司的21世紀先進天然氣轉化技術（Advanced Gas Conversion Technology 21st Century），簡稱AGC-21。該工藝的一個重要特點是合成氣發生是在一個單獨流化床反應器中同時進行部分氧化和蒸汽轉換反應，從而極大地提高了反應熱效率。另一個特點是採用高性能“薄層”鈷催化劑及新型漿床反應器，從而得到高收率產品。當催化劑主體層厚度從250nm降至20nm時，相對收率從109増至超過250，甲烷收率則從9.0%（mol）下降至低於5.8%（mol），新漿床反應器設計還減少了氣體返混。
3、Syntroleum&Rentech公司
Syntroleum和Rentech公司也開發了各自的技術。其中Syntroleum公司的工藝特點是合成氣發生採用專用ART反應器的催化轉化技術氧化劑用空氣而不是氧，因而節約了空氣分離部分的投資；費托合成採用多管式固定床反應器和一次通過技術；產品改質包括加氫異構和石蠟分離等。Rentech公司技術的特點是合成氣發生米用純氧部分氧化；費托合成採用專用鐵基催化劑，產物分為軟蠟（C20~C34）、柴油燃料（C10~C19）和石腦油（C5~C9）。過程中產生的氫氣作加氫裂化用，C1~C4烴部分送至氧化反應器，使合成氣中H2/CO摩爾比接近2.0，另部分則作為燃料用。
發展前景
中國天然氣工業近年來己有較大發展，但天然氣總量仍欠富裕。中國煤炭資源相對較豐富，全國累計探明煤炭保有儲量超過1萬億噸，經濟開採儲量達1145億噸，因而發展以煤為原料的費托合成燃料工業有較大潛力。當然在西部個別天然氣資源豐富地區發展以天然氣為原料的費托合成油工業也是可取的。
儘管從某些技術指標看，發展煤直接液化制合成燃料比較有利，但直接液化對煤原料要求高、技術條件比較苛刻，對設備要求也高，更主要的是至今國外還沒有一套大規模生產裝置。所以，相比之下，間接法的費托合成燃料技術相對成熟，並具一定競爭力。而且經過技術改進，今後在投資費用和生產成本方面還會有進一步改善，因而，在中國發展直接液化技術的同時，間接液化的費托合成油工藝同樣應置於重要地位。此外，發展合成燃料工業還應借鑑國外發展策略，如提高產品加工深度和副產資源綜合利用等，以使天然氣和煤炭資源得到更充分、更合理的利用，獲取最大的經濟效益。
車用燃料
目前現狀
車用燃料屬於二次能源,在討論節能和GHGs減排時,不能僅僅計算燃料在使用過程中的能耗和排放,還應考慮上游各階段的情況。歐美科學家在這方面的最新研究成果普遍採用Well-to-Wheel（從礦井到車輪）分析法。根據下面的數據可以看出：
中國車用燃料Well-to-Wheel階段對比圖
中國車用燃料Well-to-Wheel階段對比圖從節能和承擔國際減排義務的角度出發，在找到更高效率的合成技術路線之前，中國政府不宜大規模推廣天然氣基和煤基車用液體燃料，而發展柴油轎車和混合動力轎車可能是更好的選擇。根據資源的區域分布特點，在某些地區可以開展煤基和天然氣基車用燃料的研究和示範工作，但是需要加強對配套碳貯存技術的開發，以便解決溫室氣體排放問題。
從消耗能源和溫室氣體排放角度看，煤基合成燃料遠高於天然氣基合成燃料，使用現有碳貯存技術後，溫室氣體排放降低，但仍然高於後者。天然氣基合成燃料又高於汽油和柴油。然而，計算還表明，煤基和天然氣基燃料的石油消耗明顯下降，如果把傳統石油基燃料本身也考慮在內，煤基和天然氣基合成燃料的石油消耗僅為汽柴油的1%～4%。
中國車用燃料Well-to-Wheel階段對比圖
中國車用燃料Well-to-Wheel階段對比圖表1 天然氣基和煤基合成燃料的生產數據來源
車用燃料 | 天然氣基 | 煤基 |
甲醇 | 四川大型天然氣化工廠的實際數據 | 河南大型煤化工廠的實際數據 |
二甲醚 | 國內兩步法萬t級生產線的實際數據 | 兩步法煤制DME實驗數據 |
費托油 | Sagnol公司在卡達在建項目規劃數據 | 河南和山東企業立項規劃數據 |
發展潛質
從節能和承擔國際減排義務的角度出發,在找到更高效率的合成技術路線之前,中國政府不宜大規模推廣天然氣基和煤基車用液體燃料,而發展柴油轎車和混合動力轎車可能是更好的選擇。根據資源的區域分布特點,在某些地區可以開展煤基和天然氣基車用燃料的研究和示範工作,但是需要加強對配套碳貯存技術的開發,以便解決溫室氣體排放問題。
城市污泥熱處理
城市污泥中含有大量的有機物,脫水污泥的發熱量約為8360kJ/kg。如能將其充分利用，研製出一種能供鍋爐燃用的“污泥合成燃料”，代替燃煤用於污水廠或其他工業、生活鍋爐,這將具有十分重大的意義。
通過一下數據可以知道，城市污泥中的有機質含量相對很高，做堆肥產沼氣或者添加適當固化劑做燃煤使用均具有較好的經濟價值及環保意義。 通過圖2可以知道一般城市污泥的再利用途徑及流程。
圖2 城市污泥熱解氣化解決方案
圖2 城市污泥熱解氣化解決方案表2 城市污泥成份
項目 | 有機物 (%) | 總灰份 (%) | 非溶解性灰份(%) | 戊聚糖 (%) | 油脂（乙醚溶解物） (%) | 半纖維素 (%) | 纖維素 (%) | 木質素 (%) | 蛋白質 (%) | 備註 |
新鮮污泥 | 60〜80 | 20〜40 | 17〜35 | 1.0 | 7〜35 | 3.2 | 3.8 | 5.8 | 22〜28 | |
活性污泥 | 65〜75 | 25〜38 | 20〜30 | 2.1 | 5〜12 | 〜 | 7.0* | 〜 | 37.5 | *含木質素 |
消化污泥 | 45〜60 | 40〜55 | 35〜50 | 1.5 | 3.5〜1.7 | 1.6 | 0,6 | 8.4 | 16〜21 |
表3 消化污泥熱值測定分析表
Mt % | Mad % | Ad/Aad % | Vdff % | 焦渣特徵1-8 | FCad % | Qgr·vd MJ/kg | Qneg·v·ar MJ/kg | Cdaf % | Hdaf % | Ndaf % | Sdaf % | Odaf % |
5.46 | 2.14 | 51.86/50.75 | 56.21 | 2 | 21.25 | 11.87 | 10.75 | 45.10 | 4.98 | 2.94 | 2.78 | 44.20 |
表4 壩煤、消化污泥合成燃料分析表
項目 | Mt % | Mad % | Ad % | Vdaf % | 焦渣特徵1-8 | FCad % | Wgr·vd MJ/kg | Qneg·v·r MJ/kg |
壩煤 | 9.44 | 1.35 | 28.88 | 33.86 | 6 | 46.14 | 23.22 | 20.14 |
消化污泥 | 5.46 | 2.14 | 51.86 | 56.21 | 2 | 21.25 | 11.87 | 10.75 |
合成燃料 | 16,88 | 1.96 | 34.72 | 34.96 | 4〜5 | 41.18 | 21.95 | 17.26 |
項目 | Aar% | Var% | car% | Har% | Nar% | sar% | Oar% | 備註 |
壩煤* | 26,51 | 21.69 | 51.21 | 2.98 | 0.94 | 4.96 | 3.88 | 壩煙煤 屬II類 |
消化污泥 | ||||||||
合成燃料 | 29.44 | 18.71 | 44.11 | 2.65 | 0.86 | 3.47 | 2.59 |
表5 熱工測試對比表
項目 | 壩煤 | 合成燃料 |
鍋爐出力D(kg/h) | 2236.04 | 2619.46 |
燃料耗量(kgA) | 510.3 | 555.0* |
輸入熱量Qr(MJ/kg) | 20.14 | 17.26 |
正平衡熱效率仍η1(%) | 58.40 | 73.51 |
反平衡熱效率η2(%) | 62.84 | 73.52 |
排煙溫度Qpy(℃) | 155.7 | 160.30 |
正反平衡效率差△η(%) | 4.36 | 0.01 |
排煙處過量空氣係數 | 2.99 | 2.76 |
爐渣可燃物含量C12(%) | 30.21 | 10.01 |
*拌和時加入10%的水未扣除
