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煤制油技术发明者和发展史

日期:2023-03-23 13:30:22 访问次数:2110

煤制油技术起源于德国,早在19世纪即已开始研究。德国是一个富煤贫油的国家,1913年,德国化学家弗里德里希·卡尔·鲁道夫·贝吉乌斯(德语:Friedrich Karl Rudolf Bergius,1884年10月11日-1949年3月30日),研究出煤炭在高温高压条件下加氢液化反应,生成燃料的煤炭直接液化技术,并获得专利。贝吉乌斯因此获得1931年的诺贝尔化学奖。1923年,德国化学家费歇尔(F.Fischer)和托罗普希(H.Tropsch)试验成功间接液化技术。1927年,德国法本(Farben)公司用贝吉乌斯法,在德国莱比锡附近的洛伊纳(Leuna),建成世界第一座年产10万吨的煤炭直接液化厂。1934年德国鲁尔化学公司用费-托合成工艺,建成世界第一座年产7万吨的煤炭间接液化厂。1935年,英国卜内门化学工业公司,在比灵赫姆建起一座年产15万吨的煤炭直接液化厂。此外,日本、法国、美国、加拿大等国,也先后建过一些实验厂,世界年总产能达到约34万吨。

20世纪30年代后期,在德国的能源消费总量中,煤炭占90%以上。石油及其产品依靠进口。1913年,德国一位化学家弗里德里希·卡尔·鲁道夫·贝吉乌斯(德语:Friedrich Karl Rudolf Bergius,1884年10月11日-1949年3月30日)发明了用氢化法从煤炭中合成出液体燃料的方法。他把煤粉与催化剂混合,在高温(450~500~C)和高压(20.3~30.4MPa)下,与氢气发生反应,使其中的碳分子转化为与原油相似的产物,即合成出烃和烃的含氧化合物。这种产物经过分馏,可以生产出汽油,副产品有石蜡等。


德国著名化学家,弗里德里希·卡尔·鲁道夫·贝吉乌斯(德语:Friedrich Karl Rudolf Bergius,1884年10月11日-1949年3月30日)

10年后,有人发明一种新工艺,用蒸汽把煤分子分解为氢原子和一氧化碳,经过化学反应,生产出人造液体燃料。德国大化工企业法本公司于1926年买下了贝吉乌斯方法的专利,在德国的洛伊纳市建立了一座试验工厂。规模是日产汽油318立方米,于1927年投人生产。这是世界上第一座煤炼油工厂。"EL产的汽油是高辛烷值的,可以作为飞机燃料——航空汽油。不过成本很高,几乎是从美国进口的航空汽油的10倍。

1931年,贝吉乌斯和法本公司董事长卡尔·博施(Carl Bosch;1874年8月27日-1940年4月26日)获得了诺贝尔化学奖。法本公司面临很大的难题。用煤炭生产汽油,技术上是可行的了。但是,要把它大规模商业化应用还比较困难,因为:第一,要有可靠的大用户;第二,需要很大投资,要得到政府的支持。希特勒纳粹政权对此非常重视。它要征服欧洲,要建立一支庞大的空军、海军和机械化陆军,必须有大量燃料的保障。它要求法本公司迅速扩大煤炼石油的生产,而它则保证这种燃料的市场(军方)和价格。


德国工业化学家,卡尔·博施(Carl Bosch;1874年8月27日-1940年4月26日)

1936年年底,德国开始实施它的四年计划。煤炼石油是一个重点。强调,“德国的燃料生产必须全速发展,必须以打仗的决心执行这个任务,因为它的解决决定着未来的战争能力。”“生产成本不是重要问题。”产量要扩大6倍。主体是法本公司。

日本同样是石油资源贫乏的国家。1912年日本石油消耗量仅为4万吨,到1932年已达到200万吨。而同时期日本本土石油产量仅为42.7万吨,台湾产油3.5万吨,不足需求量的五分之一。为了弥补石油产量不足,日本重点发展了所谓人造油,包括油页岩制油、煤制油和松根汽油。1929年12月30日,抚顺页岩油厂落成,利用抚顺煤矿的页岩油层,用内热式干馏法提炼重油,日产4000吨,主要供应海军舰艇使用。但这种方法生产的重油杂质较高,舰艇燃油喷嘴经常被堵塞,海军非常气愤。抚顺页岩油厂负责人长谷川清二因此引咎自杀。1931年日军全面占领中国东北,这里丰富的煤炭资源,使日本开始关心煤炭液化技术。日本曾派考察团去德国和英国考察煤液化工厂,但英德将其视为军事机密,导致日本人无功而返。抚顺页岩油工厂燃料课长阿部良之助等人,经过长期实验后,摸索出一套煤制油流程。即将煤和焦油1:1混合,以氧化铁做催化剂,在100个大气压的氢气下加热到450摄氏度。其遵循的原理是,煤和石油相比,煤的氧多氢少,加高压之后加氢,氧就已水的形式流出。但是试验并不成功,阿部注意到应该先把煤这个大聚合体加以分解,于是把研究重点转移到用以分解聚合体的催化剂上,最后找到了硫化亚铁。其次,为了防止煤在粉碎过程中接触空气氧化,于是采取水中粉碎的方法,可是这样做出来的是胶泥状煤粉,最终采取在水中加入低温焦油的方法提取煤粉。就这样日本的煤炭液化技术取得了进展。

日本引进德国技术,在中国的锦州、锦西和吉林,建设以煤炭为原料的合成油厂。1942年产量2.4万吨。在日本本土也建设了此类工厂。1943年,日本控制的煤制石油总产量才100万桶(约14万吨)。

1937年日本的七年规划,对于煤液化寄予了很大希望,计划在1944年前,建成87个合成油装置,总生产能力达到年产1300万桶,满足大约三分之一的需求,成为原油的重要补充。在这个计划中,有10个是直接液化装置,每个年产10万吨,11个是间接液化的费托合成装置,总产量50万吨,其余的都是低温焦化。1937年5月4日,日本海军德山燃料厂决定采取阿部方式生产煤制油,由满铁出资1800万日元建设新厂。1939年7月21日,工厂投产,生产出日本第一批煤液化油,但产量少得可怜,只装满3个玻璃瓶。其中1瓶献给了皇宫,另1瓶送给伊势神宫,第3瓶送给阿部的母校,北海道轻臼小学。

此后受工业基础限制,日本的煤制油始终不成气候。最终,直接液化装置在中国抚顺和韩国各建了一个,只有抚顺的投产,到战争结束的时候总产量只有1000多吨。费托合成装置在日本本土建立了三个,分别在1940、1942和1943年投产。在中国吉林和锦州还建成了两套费托合成装置,到战争结束时没有完工。五个装置的总设计生产能力是年产18万吨,但实际上整个战争期间的总产量还不到6万吨。成功的是低温焦化,建设了8个,实际年产量也只有几万吨,与规划相去甚远。太平洋战争后,美英对日本实施全面物资禁运。原油供应不足加速了日军战败。为了省油,日军飞行员几乎没有训练的机会就被派到了战场,损失可想而知。军舰无油可烧,大部分被困在港里。于是,日本又发展了生物油技术,各种各样的油品都被用于军事,豆油、菜籽油、松树油等等只要是液体的就都成了好东西。曾经有被击沉的船只全部使用豆油的例子。这些都使得日本军方的实力大受挫折,迅速崩溃。帝国海军的象征——长期缺少油料的大和舰,在最后一次出海中被美军击沉。日本本土的合成油厂,大部分在1945年的大轰炸中被摧毁。

二战期间,德国由于石油进口受到封锁,在1936-1943年间重点发展煤制油技术,先后建成9套煤炭间接液化装置和18套煤炭直接液化装置。1936年,德国的煤制油产量只有62万吨,1939年达到220万吨,1940年320万吨,1941年390万吨,1942年420万吨,1943年达到战时最高峰的560万吨,1944年由于盟军轰炸,产量降到约390万吨,1945年降到110万吨。在二战期间,德国近三分之二的飞机燃料和50%的汽车及装甲车用油,都由煤制油供应,产量远远高于天然石油。


(二战德军烧木炭的坦克)

二战后,这些工厂在同盟国的干预下,全部停产或者转产,部分设备被瓜分。1952年,前苏联利用德国煤直接液化技术和设备,建成投产11座单台产能4-5万吨/年的装置,运行7年后停产改作他用。由于中东石油的大规模开发,石油价格下降,煤液化产品无法与石油竞争。这使得投资巨大、工艺流程复杂的煤制油技术产业化进程嘎然而止。随后,西方发达国家对煤制油技术研究陷入低潮,甚至实验装置也都停止试验。

当时,世界上只有南非重视煤炭液化技术。南非因种族隔离政策,长期遭到贸易禁运,而南非又是富煤贫油的国家,煤炭探明储量587.5亿吨,约占全非洲的三分之二,因此希望将其丰富的煤炭资源转化成石油燃料。早在1927年,南非就开始探索煤液化技术,由于南非的煤为高挥发高灰分的劣质煤,所以当时选择了间接液化工艺。

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