煤炭间接液化生产喷气燃料的发展现状与展望*

段永亮，王慧琴，张 静，张安贵，安良成

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤炭化学工业技术研究院，宁夏 银川 750411）

随着航空业的快速发展，航空喷气燃料的需求不断增加，国内的喷气燃料消费以每年13%左右的速率快速增长，远高于国际水平[1]。而在炼油过程中，喷气燃料馏分仅占原油总量的4%～8%，即使加氢裂化后航空煤油馏分也仅占20%左右[2]；石油的短缺必将造成喷气燃料的供应不足，燃料的高消费带来的环境问题引起了社会的广泛关注，开发替代喷气燃料已提到日程上，寻求替代喷气燃料成为研究热点。从目前替代喷气燃料的发展来看，未来20年内，传统石油基喷气燃料仍占据主导地位，所以替代喷气燃料必须与传统石油基喷气燃料性质相近，能够相容，可以任何比例混合及共同运输。

费托合成是以煤或天然气为原料，转化为合成气(H2+CO)后生成液体烃类燃料的技术，费托合成作为煤间接液化技术的核心，是一种生产清洁替代燃料的技术。煤炭间接液化是将煤炭转化为汽油、柴油、煤油、燃料油、液化石油气和其他化学品等液体产品的过程，主要包括煤炭气化、合成气变换/净化、费托合成及费托合成油加工等工艺过程，煤间接液化合成喷气燃料是指将费托合成油经过加氢精制、加氢裂化、加氢异构化及分馏等工艺过程转化为喷气燃料油的过程。

1 煤炭间接液化液化

费托合成油是煤炭间接液化核心技术费托合成的主要产物，是生产煤基燃料和提炼化工产品的重要原料，可生产汽油、柴油、航空煤油等油品以及多种高附加值的化工产品。因费托合成油与石油相差较大，其加工过程也有所不同，但石油加工过程中的基础工艺如加氢精制、加氢裂化、异构化等同样适用于费托合成油加工，费托合成油加工工艺取决于原料组成特性，而原料的组成由费托合成催化剂和工艺条件决定，低温费托合成油加工工艺与高温费托合成油加工工艺有较大不同。

1.1 低温费托合成油加工工艺

低温费托合成反应温度为200～250 ℃，反应压力为2.0～5.0 MPa，采用固定床管式反应器或浆态床反应器，可采用铁基或钴基催化剂，主要产品为柴油、石脑油及LPG[3]。低温费托合成工艺最早的是德国钴基低温费托合成油加工工艺，并于1935年建成世界首套工业化费托合成装置，该工艺将费托合成反应生成的低碳烯烃通过齐聚转化为液体烃类产品，同时还生成直馏石脑油(C5～180℃)、合成油Ⅰ(180～230 ℃)、合成油Ⅱ(230～320 ℃)中蜡、硬蜡、氧化蜡等产品。Sasol-Chevron共同开发的低温费托合成油加工工艺采用沉淀铁催化剂，并于1993年实现工业化，该工艺催化剂可实现在线添加和卸出，保证了反应器中催化剂的活性比较稳定，使费托合成油保持了连续稳定的的选择性[4]。Shell公司的SMDS钴基低温费托合成油加工工艺流程比较简单，仅有加氢精制和加氢裂化两个单元，加氢精制用来生产烷烃油和石蜡等化学品，而加氢裂化用于生产煤油和柴油产品[5]。产品组成见表1。

表1 Shell SMDS 低温费托合成油组成Table 1 Shell SMDS low temperature Fischer-Tropsch synthetic oil composition

国内低温费托合成油加工工艺主要是上海兖矿铁基浆态床低温费托合成油加工工艺和中科院山西煤化所的低温费托合成油加工工艺。上海兖矿铁基浆态床低温费托合成油加工工艺采用全馏分费托合成油进行稳定加氢处理，处理后的重质馏分油全循环进行异构加氢裂化，生产石脑油、低凝柴油及少量液化气；该工艺已在榆林100万吨/年间接液化工业示范项目上应用。中科院山西煤化所的低温费托合成油加工工艺产出的高温油气经过逐步冷凝成重质石蜡、轻质馏分油和重质馏分油，经过加氢精制、加氢裂化、低温油洗等处理单元，产出柴油、石脑油、液化石油气等产品[6]。

1.2 高温费托合成油加工工艺

高温费托合成反应温度为300～350 ℃，反应压力为2.0～2.5 MPa，采用循环流化床反应器或固定流化床反应器，可采用熔融法铁基或沉降法铁基催化剂，主要产品为柴油、汽油、喷气燃料、烯烃化学品、含氧有机化合物[7]。高温费托合成油加工工艺最早于20世纪四五十年代由美国Hydrocol公司开发出来，并于1951年在德克萨斯州实现工业化，该工艺采用铁基催化剂，主要产物是汽油馏分和气相组分，产品组成见表2。产物中含有大量烯烃(尤其是α烯烃)链状化合物。该工艺以生产汽油为目标，产物中直馏石脑油馏分超过50%，烯烃通过齐聚进一步增加汽油产量，使汽油产量达到80%以上[7]。

表2 Hydrocol高温费托合成油组成Table 2 Composition of Hydrocol high temperature Fischer-Tropsch synthetic oil

南非SosalⅡ和SosalⅢ厂采用铁基高温费托合成油加工工艺，该工艺早期反应器采用循环流化床反应器，目标生产运输燃料油，同时副产化学品，运输燃料油主要包括汽油、柴油，SPA齐聚产物经过分离后得到煤油馏分，通过加氢处理可达到喷气燃料油的指标。南非SosalⅡ和SosalⅢ厂改进后的工艺采用固定流化床反应器，降低了费托合成生产成本，重视化学品的生产，从反应水中回收正丙醇，增加了高温催化裂化装置，提高了乙烯和丙烯产量，添加了α烯烃提取单元，包括了1-戊烯、1-己烯和1-辛烯的分离提纯。

1.3 高、低温费托合成油耦合加工工艺

目前，高低温费托合成油耦合加工工艺实现工业化的是SosalⅠ厂，SosalⅠ厂采用德国Arge铁基低温费托合成工艺和美国Kellogg铁基高温费托合成工艺，其中低温费托合成工艺占1/3，高温费托合成工艺占2/3，费托合成产品加工进行了部分耦合：一是将高温和低温费托合成水合并一起处理，二是将低温费托合成的C3-C4产物并入高温费托合成产物中一起处理[8]。

2 煤炭间接液化喷气燃料发展状况

2.1 国外煤炭间接液化喷气燃料发展状况

煤炭间接液化制航空煤油技术已在国外实现了大规模商业应用，如南非Sasol公司拥有半合成航空煤油(Semi-SyntheticJetFuel)与全合成航空煤油(FullySyntheticJetFuel)技术。国外也已建立相对健全的煤基半合成航空煤油标准，国际商业航空协会经过多年研究，逐步将煤气化费托合成喷气燃料列入标准中，英国国防部标准委员会发布的DEF～STAN91～091标准和美国材料与试验协会发布的ASTM D7566标准，均允许安全使用由50%的经费托工艺生产的合成燃料与50%的JetA或JetA-1组成的混合燃料[9]。2007年的英国国防部标准DEFSTAN91-91第5版，允许100%使用Sasol煤间接液化全合成喷气燃料[10]。南非SASOL公司采用费托合成技术，主要产品为汽油、柴油、喷气燃料、蜡等多种油品，保证了全南非28%的汽油和柴油以及大部分的喷气燃料的供给量[11]。

2.1.1 半合成喷气燃料

1999年，南非国际航空开始使用半合成喷气燃料，南非萨索尔公司将煤间接液化制取的合成燃料与石油基喷气燃料以体积比1：1混合制备了半合成煤基喷气燃料，这种半合成煤基喷气燃料获得了英国国防部标准和美国ASTM国际标准的认可，并且也被约翰内斯堡的国际机场使用，说明半合成燃料能够应用于现有的航空设施及涡轮发动机的要求[12]。1993年，Shell公司在马来西亚Bintulu设立的费托合成油厂，采用以天然气为原料生产液体燃料(GTL)的低温费托合成油加工工艺(SMDS)，费托合成过程采用钴基催化剂，反应器为固定床反应器，产物主要中间馏分油，经过合成油改质流程中的重质烷烃转化(HPC)工艺，可以选择性地将钴基固定床费托合成油转化为石脑油、中间馏分油、煤油和石蜡。HPC工艺流程相对简单，采用Shell公司专有的双功能催化剂，反应过程主要包括烯烃加氢、加氢脱氧、加氢裂化和加氢异构化反应。生产方案分为煤油模式和蜡油模式。煤油模式下石脑油、煤油和蜡油收率分别为25%、50%和25%。SMDS 工艺所得煤油产品的性质见表3[13]。

由表3可知，SMDS工艺所得煤油的密度、芳泾含量等主要性质不符合喷气燃料的要求，特别是芳烃含量几乎为零，远低于8%～25%的要求。

表3 SMDS 工艺所得煤油产品性质Table 3 Properties of kerosene products obtained from SMDS process

很明显，对于采用简单加工流程所得的煤油，无论哪种生产模式都无法直接满足喷气燃料的要求，只能用作调合组分，但半合成型喷气燃料加工方案具有流程简单、成本较低的优势。将费托合成厂与石油基炼油厂相结合，与石油基喷气燃料调和，可生产出满足标准的喷气燃料产品。低温费托合成产品半合成喷气燃料工艺路线如图1所示。

图1 低温费托合成产品半合成喷气燃料工艺路线Fig.1 Low-temperature Fischer-Tropsch synthesis product semi-synthetic jet fuel process route

美国Rentech公司从事煤制液体燃料和天然气制液体燃料的技术开发，其费托合成采用的是低温铁系催化剂浆态床费托合成技术，并拓展以废煤和生物垃圾为原料经费托合成生产液体燃料的工艺技术。美国空军从Rentech公司购买费托合成喷气燃料用于试验，作为其替代能源计划的组成部分，计划将美国丰富储量的煤变成清洁的航空燃油。为此研究了费托异构烷烃煤油(IPK)与石油基煤油混合的可能性，研究表明混合费托(IPK)与JP-8满足大量生产要求，同时可以与任何传统煤油混合。

2.1.2 全合成喷气燃料

因生产半合成喷气燃料易受到石油基喷气燃料生产能力的干扰，为保证燃料供应，Sasol公司制备了高温费托合成产品全合成喷气燃料。这种全合成喷气燃料可以满足国际上对于喷气燃料所有的性能要求，包括储存、操作和飞行安全等。Sasol公司生产煤基全合成喷气燃料的技术路线如图2所示。煤基全合成喷气燃料合成的第一步是将原煤气化为合成气(H2和CO)。合成气经过费托合成工艺由铁基催化剂催化转化为宽沸程的液化粗油。液化粗油分为烯泾馏分、石脑油馏分和柴油馏分。3种馏分油分别经过不同的加工处理过程制取出异构链烷泾航空煤油、重石脑油1号和轻馏分油1号。原煤气化过程中，除了产生合成气，还会有副产品煤焦油。煤焦油可分为石脑油馏分和柴油馏分。将这2种馏分油通过不同加工工艺制备出重石脑油2号和轻馏分油2号。最后，将制取的5种油按照不同比例混合制备煤基全合成喷气燃料[14]。高温费托合成产品全合成喷气燃料与2008年生产成功并获得国际商用航空认证，全合成喷气燃料由SPA催化剂的齐聚产物及芳烃的烷基化产物调和而成。

图2 Sasol高温费托合成产品全合成喷气燃料工艺路线Fig.2 Sasol high-temperature Fischer-Tropsch synthesis product fully synthetic jet fuel process route

煤基全合成喷气燃料的理化性能、热稳定性、燃烧性能见表4。理化性能测试结果表明，与传统石油基喷气燃料JetA-1相比，煤间接液化全合成喷气燃料在馏程、热值、闪点、低温流动性等方面的性质与传统石油基喷气燃料基本相近甚至更优。此外，热安定性试验表明，煤间接液化全合成喷气燃料不但在260℃标准试验条件下具有优异的热安定性，在300℃高温下也表现出比JetA-1更好的热稳定性。润滑性测试表明，煤间接液化全合成喷气燃料的润滑性与JetA-1相近。材料相容性分别测试了容积变化、硬度和抗张强度，煤间接液化全合成喷气燃料在这3项上与JetA-1一致。在发动机耐久性、低温雾化、寒冷天气点火和高海拔点火、废气排放和贫油熄火等试验中，煤间接液化全合成喷气燃料表现出的性能与JetA-1相似，甚至更优[14]。

表4 煤基全合成喷气燃料性质Table 4 Properties of coal-based fully synthetic jet fuel

2.2 国内煤炭间接液化喷气燃料发展状况

国内于1956年开始试生产航空煤油，均为石油基产品，而煤炭间接液化制航空煤油技术发展较为落后，均处于研究阶段，如天津大学、石油化工科学研究院、中国民用航空局、山西潞安集团、内蒙古伊泰集团和神华宁夏煤业集团等单位均已开展了相关基础研究工作，但文献报道较少。借鉴国外已有标准，近几年我国也逐渐建立了自己的煤炭间接液化制航空煤油的相关标准，如2013年中国民用航空局批准《含合成烃的民用航空喷气燃料》(CTSO-2C701)技术标准规定和2018年7月13日发布《3号喷气燃料》(GB 6537-2018)标准，均增加了半合成航空煤油内容[15]。

依托国家能源集团宁夏煤业公司400万吨/年煤炭间接液化项目的有利条件，以及宁东地区丰富的煤炭资源、水资源、土地资源和优越交通运输条件等优势，采用国内自主知识产权的中科合成油技术有限公司的低温浆态床F-T合成工艺技术，是国内首个大型煤炭间接液化示范项目。在该项目的基础上，目前已经开展了由煤基F-T合成油制备喷气燃料的新工艺、新技术，为实现煤基半合成航空煤油商业化奠定基础。同时，该研究不仅能够丰富产品路线，适应产品多元化的发展趋势，而且对加快宁夏煤炭资源向经济优势转化、促进民族地区经济全面发展起到积极推动作用。此外，煤基F-T合成制喷气燃料的开发可缓解国内喷气燃料日益增长的需求及降低对石油基喷气燃料的过度依赖，是煤炭清洁高效利用及保障国家能源战略安全的重要途径。

3 展望

煤炭直接液化油品煤油馏分富含环烷烃和芳烃的特点使得其煤油馏分具有制备高密度、高热值、高热安定性等喷气燃料的优势。煤炭直接液化国家工程实验室对煤直接液化油生产大密度喷气燃料进行的理化性能测定和台架试验证明，用煤炭直接液化原料油制备的喷气燃料其理化性能均满足《3号喷气燃料》旧版国家标准(GB 6537-2006)要求。但2018年修订的新版国家标准(GB 6537-2018)规定航煤中不得直接掺入煤直接液化油品组分[15]。从煤基燃料油品产业链来看，煤炭直接液化生产喷气燃料油和煤间接液化生产喷气燃料油在密度、低温流动性及芳烃含量等性质存在良好的互补关系，如能实现资源互补，应该是煤制油行业生产油品的很好配置。

通过煤炭间接液化生产的煤基全合成喷气燃料已经实现了工业化应用，而煤炭间接液化生产的煤基半合成喷气燃料原料油与航空燃料馏分相当，其部分指标不符合航空燃料规范要求，不能直接作为航空燃料使用，但其具有不含硫、氮杂质、低芳烃、低冰点、高闪点、良好的热安定性能等特点，可作为开发高性能航空燃料的原料油且具有良好的发展前景。因此，尽快推出中国自主知识产权的煤基半合成或全合成航空煤油服务于民用航空运输业、服务于国家“大飞机”战略，开发煤基半合成或全合成航空煤油有利于推进国家中长期能源发展战略，对增强国家能源安全保障能力，保障航空运输业的快速发展具有重要的意义。

4 结语

随着我国航空业的快速发展，航空煤油的短缺将日益严重，煤间接液化制油工艺能够直接生产优质柴油和航空喷气燃料油组分，而且能生产特种溶剂油、石蜡、表面活性剂等高附加值产品，是煤制油大规模可持续发展的主要技术路线。通过煤炭间接液化制备航空领域燃料的研究与开发，可实现煤基半合成航空煤油的国产化，填补国内空白，推进国产煤基半合成航空燃料的应用，既能够保障国家能源安全，也为煤炭间接液化产品多元化、产业链拓展提供了有益的探索。