[发明专利]低阶煤和生物质为原料合成甲烷和汽柴油的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种低阶煤和生物质为原料合成甲烷和汽柴油的方法及系统，属于能源燃料和化工生产技术领域。

背景技术

利用煤制合成油燃料的洁净煤转化技术毫无疑问将在替代石油生产份额中占主要地位。相比较直接液体技术，煤制液体燃料技术路线中的间接制液体燃料技术，即以煤气化合成气为原料进行费托合成工艺，能够更容易实现硫化物、氮氧化物、重烃类和重金属含量的合格排放。但是，费托合成技术的大规模应用也存在着诸多制约因素。例如，即目前研究最多还是利用无烟煤、烟煤等品质较好，能量密度较高的煤种进行气化和合成，而煤地质储藏中比例最高的低阶煤（通常指褐煤和次烟煤）进行费托合成制合成的低阶煤间接煤液化路线还很少见报道。这主要是由于多数低阶煤中含有较高的易挥发份、硫份、湿份和灰份，以及较低的热值等不利因素约了其直接大规模气化技术的商业应用。

煤解耦热转化技术的系统研究为低阶煤的规模化利用开辟了新路途。解耦热转化技术则可通过过程强化或剥离煤气化过程中某个/某些特定的子反应（例如，焦化、裂解、重整、气化和燃烧）而解除反应网络的耦合，进而对被解耦子反应进行重组和再集成。目前，煤的热解耦技术可以形成多样化的新型煤转化工艺，这主要包括双床气化、双床焦化/气化、煤拔头技术、两段式气化、化学循环气化等。解耦热转化技术的成功实践意味着，根据低阶煤挥发份高、含油率高的特点，可以剥离煤转化反应网络中的焦化过程，利用煤中低温焦化（热解）技术强化煤中轻质烃类、氢气、液体产物（煤焦油或煤合成油）的独立析出，同时得到提质的高品质半焦固体。一般情况下，虽然煤焦油占焦化产物的质量比例只有9.0%～15.0%，但其能量密度和经济性却远高于其它半焦和热解煤气。煤焦化液体产物可以经过下游的精制提炼生产汽油、柴油和煤油等运输燃料；而固体产物半焦不但是高附加值的冶金燃料和化工原料，也是优良的气化原料，可以通过半焦气化来构建以合成气为核心的能源化工平台，生产液体燃料、电力、化工品等高附加值的下游产品，从而实现低阶煤热化学转化过程的高效率、低污染、高产品品质和多产品的梯级联产。

另外一方面，对于直接利用煤基合成气为原料生产合成液体燃料的煤间接液化技术，如果不进行温室气体减排处理，其广义燃料循环过程的温室气排放量将会是传统原油炼制液体燃料路线的两倍左右，从而对环境造成较大的负面影响。如果应用温室气体减排技术，能量和经济性代价又大大削弱了它与传统石油制液体燃料路线的竞争力。需要注意的是，由于煤炭资源开采过程的显著的温室气体排放等原因，即使在煤制液体燃料过程中采用最新的二氧化碳捕获和贮存技术，其总温室气体排放量仍然比原油路线高25%以上。降低费托合成油生产过程中的温室气体排放量的可行地替代方案是将煤制液体燃料和生物质制液体燃料两个过程耦合，这包括了生物质和煤共气化和分别单独气化两种方案。生物质制合成油技术可以明显降低费托合成路线的温室气体排放量。原因在于，生物质能源来自植物生长过程中的光合作用实现对CO₂的自然捕获，生物燃料对气候的净影响（收割、运输、储藏和转化）能达到本质上的较低CO₂排放，其加工处理过程也对环境更加温和友好。例如，有研究结果表明相比传统化石能源路线，玉米乙醇的生产过程能实现全生命周期温室气体减排50%以上的效果。

同时，低阶煤焦化产生的煤焦油和费托合成产生的费托合成油需要在烃类精制单元升级为符合运输燃料标准的汽油、柴油以及副产物沥青。虽然这两种原料油的性质和组成稍有一些不同。但两者共同精制的优点超过技术上的不确定性带来的弊端，例如，共精制可大大节省设备投资，减少调和过程的复杂性，不同性质油品互补利用，等等。以上观点已经由商业性的费托合成油工厂的实践证明。目前，针对高温费托合成油和低温费托合成油的共炼制生产柴油过程，南非Sasol公司已经在南非建立了商业性工厂。在大量文献上，特别是对于生物质、天然气和煤的液体炼厂，都涉及到了利用了费托合成油生产车用汽油、柴油、航空煤油和液化石油气的过程。但是，绝大部分模型还是利用经验产率或生产中间粗产品（如石脑油和馏分油等）。而对于合成油精制的详细过程模型和设计策略，过去三十年中这方面的文献还相当少。有必要使油品炼制方案的终端产品达到初步的车用燃油各项基本标准，在提高产品汽油的辛烷值的同时降低其中的芳香烃含量以达到欧洲四号油品标准EU-4。