煤液化柴油及其在发动机上的应用研究现状

赵 亮 高 章 刘卫林 赵 凯 高海洋 冯玉艳

（1-中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300 2-中国神华煤制油化工有限公司上海研究院）

引言

随着中国经济的快速发展，工业化、城镇化进程将不断推进，人口规模持续扩张，未来能源需求将持续增长。清洁能源是未来能源产业中重要的发展方向，传统的煤炭、石油和天然气仍然在目前的能源结构中扮演着重要角色。我国的现阶段能源结构正处在以煤炭为主体逐渐向石油、天然气优化升级的调整阶段，但煤炭依然在我国能源消费中占有极其重要的地位，未来更要通过技术和产业升级把煤炭作为清洁能源纳入到我国能源消费结构中去[1]。所以，发展先进的煤制油技术是我国能源结构升级的一个重要方向。

1 我国煤制油产业发展现状

我国是煤制油技术的研究和开发较早的国家，早在上世纪30 年代就发展出了早期的煤制油提炼技术，但是一直没有取得成果，从上世纪80 年代开始才逐步形成产能。神华煤制油项目2001 年3 月经国务院批准进行可行性研究。神华煤制油示范工程先期第一条生产线已于2008 年底建成并成功进行了试运行，采用煤直接液化工艺，主要产品为柴油和石脑油。2010 年，下半年实现稳定运行。2011 年，正式投入商业化运行，2013 年全年运行315 d（设计年运行310 d），负荷率达到78.5%。2014 年神华煤制油项目投煤运行302 d，产油90×104t。按照规划该项目建设规模为400×104t，目前投入运行的只是第一条生产线，后续随着工艺流程在实践中不断优化，将为煤制油技术的推广奠定更坚实的基础。2017 年2月国家能源局印发《煤炭深加工产业示范“十三五”规划》的目标，预计2020 年，煤制油产能为1 300×104t/y[2]。

2 煤制油技术工艺特点

2.1 煤直接液化工艺

根据工艺路线不同，煤液化油分为煤直接液化和煤间接液化。煤直接液化过程，就是将煤炭在高温、高压、临氢环境下由固体大分子转化为液态小分子的过程。煤直接液化工艺是将煤磨成粉末后，在高温高压下加入催化剂和氢后发生热解，最终将煤转化成液体的过程[3-4]。

图1 为煤直接液化工艺流程简图，如图所示煤直接液化工艺由三个主要部分组成：

1）煤浆制备：将煤破碎成颗粒与催化剂和溶剂一起制成煤浆；

2）加氢液化：在高温高压下的反应器内进行加氢形成液体，反应后将油渣和产出的液化油分离；

图1 煤直接液化工艺流程

3）加氢改质：对反应生成的液化油进一步加氢精制、裂化，生产出柴油、石脑油、液化气等产品[5]。

煤直接液化燃油具有收油率高、煤消耗量小、设备体积小运行成本低，产品选择性相对较高等优点。其缺点是反应条件相对苛刻，煤种适应范围窄，液化生成物比较复杂，耗氢量比较大，工艺不够成熟等[6]。

2.2 煤间接液化工艺

煤间接液化是以煤经气化反应产生以一氧化碳和氢气为主的合成气为原料，合成气经一些装置脱硫、氮和氧净化后，然后在一定压力、温度、催化剂条件下转化为烃类燃料和其他附属产品。

1923 年德国化学家F.FIcher 和H.Tropsch 首先提出了煤间接液化法，又称Fischer-Tropsch coalliquefaction process，即费托合成（简称为F-T）。F-T 合成技术属于间接液化柴油的一种认知度较高的技术路线，并且因为F-T 合成油对原料宽泛的适应性而受到广泛关注，F-T 柴油的合成工艺为原煤料与水及空气反应生成煤气，合成气净化后，在催化剂的作用下通过F-T 合成反应，即可获得F-T 柴油[7]。F-T合成技术的工艺流程如图2 所示。

图2 煤间接液化工艺流程

F-T 柴油合成的优点为：合成条件温和、转化率高、产品清洁无污染，工艺成熟等。其缺点有：收油率低、投资大且运行费用高，合成副产物较多等。

3 我国煤制油在车辆上应用的试验研究现状

3.1 煤直接液化柴油（DDCL）的试验研究

与石油基柴油相比，DDCL 具有密度高、凝点及冷滤点低的性质，经过深度加氢后几乎不含硫、氮化合物，是理想的清洁柴油，但由于杂原子和芳烃含量较低也会出现油品润滑性较差的问题。同时DDCL环烷烃、链烷烃、十六烷值含量较低，为了改善其燃烧性能通常会添加十六烷值改进剂。

神华集团的胡云剑等人在一台PHASER180Ti柴油机上分别测定了DDCL 和石油基柴油的动力性、燃油经济性，结果表明DDCL 能够提高发动机的动力性，功率提高2.4%～4.1%；燃油经济性方面较石油基柴油略微降低；在常规排放方面，NOx和PM 排放较低，THC 排放稍高，添加十六烷值改进剂后有所改善，烟度排放在非低速工况较好，CO 排放总体差异不明显[8]。

上海交通大学的王真等人在一台四缸高压共轨柴油机上研究了DDCL、石化柴油及二者混合燃料的燃烧和排放特性。结果表明：燃用DDCL 可以达到原机的功率水平，在低负荷时的燃油消耗率略高；由于DDCL的十六烷值较低，低负荷工况比燃用石化柴油时的燃烧始点晚、预混放热率大，但大负荷工况二者基本一致；DDCL 与石化柴油的掺混比较高时，柴油机在低负荷时会使PM 降低，NOx、CO 和HC 排放升高，但在中高负荷时NOx、PM、CO 和HC 排放均变化不大[9]。

另外，煤直接液化油排放法规要求外的有害排放物（比如苯类）也与石化柴油相当，其SO2排放显著降低。

3.2 间接液化柴油（F-T 柴油）的试验研究

F-T 柴油具有十六烷值高、硫和芳烃含量极低的优良特性，在馏程温度方面相对于柴油较低，因此F-T 柴油的燃烧特性较为柔和。在排放方面，极低的硫含量和芳香烃不仅可以有效降低PM 排放，还对降低NOx非常有利，并且能让排气后处理装置和EGR 系统有非常好的工作效果。在燃烧特性方面，FT 柴油的高十六烷值可以使得燃烧过程中的滞燃期缩短约14%～30%，预混燃烧放热峰值较低,燃烧持续期稍长或相当,最高燃烧压力相比普通柴油略低,排气温度与普通柴油相比有所下降，燃烧较柔和。

国内对F-T 柴油在各类柴油发动机上的燃烧与排放进行了研究，天津大学的管文军分别在SCR 和DOC+POC 2 种技术路线的国四车用柴油机上进行了多种F-T 柴油的对比测试，研究发现燃用F-T 柴油后，SCR 催化器对、NOx和PM 排放量的改善效果更为明显；DOC+POC 后处理系统对CO 和PM 排放量的改善效果较为明显[10]。

天津大学的杜宏飞在一台高压共轨车用柴油机上燃用F-T 柴油混合燃料后的柴油机性能、常规排放、非常规排放特性进行了研究。结果表明：发动机的功率随F-T 柴油掺烧比例的增加而降低，燃油消耗率逐渐下降，热效率提高，发动机燃用F-T 柴油时，PM、CO、HC、NOx的排放得到了改善，在负荷特性上PM、CO、HC、NOx的排放随着F-T 柴油的添加量的增加而降低[11]。

吉林大学的孙万臣对一台增压中冷高压共轨柴油发动机燃用F-T 柴油时的燃烧、排放特性和微粒粒度分布特征进行试验研究。结果表明：燃用F-T 柴油时，其较高的十六烷值能改善燃料挥发性，使油气混合充分，同时能够提高着火性。燃用费托合成柴油发动机的比排放显著降低（如表1 所示），烟度显著降低，同时经济性略有改善，动力略有下降，滞燃期明显缩短，燃烧时缸内温度降低，有利于降低NOx排放[12]。

表1 F-T 柴油与国Ⅴ柴油十三工况加权比排放对比

3.3 直接与间接煤制油混合使用的试验研究

直接煤制油具有高密度、低凝点和冷滤点的特性。通过深度加氢降低了硫、氮及芳烃的含量，但其十六烷值偏低，由于较低的链烷烃和硫、氮含量导致其润滑性较差；间接煤制油的密度低、凝点和冷滤点相对高，含链烷烃和十六烷值高，几乎不含硫、氮和芳烃，润滑性差。二者的密度、凝点和冷滤点、十六烷值可以通过调和实现优势互补。

中国神华煤制油化工有限公司上海研究院的李永伦等人在2 种不同后处理形式的发动机上，使用由煤直接液化柴油和煤间接液化柴油调和而成煤制油样进行了排放测试，发现调和油在NOx和PM 方面较石化柴油具有一定优势[13]。

天津大学的张建业等人在一台重型六缸柴油机改造成的单缸机上研究了由煤直接液化柴油和间接液化煤制油的混合煤制油，结果表明在负荷特性上，与欧Ⅳ柴油相比，混合煤制油燃油消耗量略低，平均降低1.4%；指示热效率平均提高了1.6%；常规污染物排放、尤其是碳烟排放明显优于石化柴油[14]。3 种煤液化柴油的特点与石化柴油的对比见表2。

表2 煤间接液化柴油、煤直接液化柴油及其混合品特点及与石化柴油的对比

据悉，以直接液化和间接液化调和而成的煤制油正在中国汽车技术研究中心进行发动机耐久试验，相关试验研究尚未全部完成。

4 煤制油作为代用燃料的发展前景展望

汽车工业的井喷式发展正使我国面临能源需求以及环境保护的双重严峻压力。根据自然资源部编制发布的《中国矿产资源报告2018》显示，2017 年我国煤炭资源查明储量达到16 666.73×108t，若按照每年50×108t 的使用量计算，煤炭储量足够使用300 y，煤炭作为我国主体能源的地位短期内不会改变。据中石油最新公布的《2018 年国内外油气行业发展报告》显示，2018 年中国的原油产量预计为1.89×108t，同比下降1.3%；2018 年1～12 月中国原油进口量达4.62×108t，同比增长10.1%；中国原油对外依存度为70.9%，同比上涨2.5%，呈逐年上涨趋势，能源缺口巨大。从上述两组数据来看，我国能源结构最为明显的特征是富煤少油，利用我国丰富的煤炭资源通过直接或间接液化的方法合成液体燃料也是解决我国对燃油需求的一条重要的途径。

另一方面，在用车排放的尾气已经成为城市污染物的主要来源，如何降低这些污染物的排放已经成为时下的研究热点。而总体来说，煤液化油在发动机上的污染物排放略微比石化柴油低一些，故对环保来说是有利的。

从直接液化油、间接液化油各自的特点来看，两者混合后使用，会做到优势互补，综合来看是最好的利用途径。

随着科学技术进步和科研力度加大，煤液化工艺将不断得到改善，降低反应压力和温度，进一步优化催化工艺，提高出油率是其主要发展方向。虽然煤制油技术还存在原料以及投资成本还较高、需要消耗大量水的缺点，但由于我国煤炭资源储量相对比较丰富，且煤制油生产工艺的不断改善，煤制油必将会成为一种良好发展前景的高效清洁燃料[15]。