合成燃料（Synthetic fuel, 或 synfuel）是指那些通過化學(xué)變化將一種或多種含能體轉(zhuǎn)化而成的新型燃料。國內(nèi)外主要通過兩種途徑制備合成燃料：一、以費(fèi)托合成為代表的將單純煤炭或天然氣通過加碳反應(yīng)生成新型燃料；二、通過對城市污泥中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行熱處理獲得能量。合成燃料也就是化學(xué)能，是把數(shù)種含能體能源通過化學(xué)變化合成的新燃料。合成燃料有許多種，有的是把煤、油母頁巖或油砂轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣墒突蚱停渲凶钜俗⒛康漠?dāng)屬南非等國一直在使用的費(fèi)托合成法。另一種是甲烷，從污水和淤泥中產(chǎn)生；乙醇可以從特別栽培的作物和垃圾里提煉出來。
費(fèi)托合成
發(fā)展簡史
費(fèi)托合成燃料的發(fā)展史大約可追溯到20世紀(jì)20年代。1926年德國Kaiser-Wilhelm煤研所F.Fischer等首先以含堿鐵催化劑由合成氣制醇和烴類，并于1936年在德國建成首套工業(yè)裝置，至1945年全球建成14套工業(yè)裝置，總產(chǎn)能達(dá)828kt/a。之后，由于石油工業(yè)的發(fā)展，致使大部分費(fèi)托合成燃料生產(chǎn)裝置停工。
早期的費(fèi)托合成燃料生產(chǎn)以煤為原料，20世紀(jì)90年代，由于石油資源短缺，天然氣開采量大幅長，以致費(fèi)托合成燃料生產(chǎn)轉(zhuǎn)向以天然氣為原料?，F(xiàn)南非民營的Sasol公司、國營Mossgas公司和Shell公司成為全球主要費(fèi)托合成燃料生產(chǎn)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(chǎn)合成燃料和化工產(chǎn)品分別為4580kt和3100kt12;Mossgas公司在Mossel灣一套米用Sasol技術(shù)的、以天然氣為原料的工廠，產(chǎn)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(chǎn)能為750kt/a。
費(fèi)托合成燃料無硫、無氮、低芳香烴含量，油品質(zhì)量符合環(huán)保要求，與石油基燃料相比是一種對環(huán)境友好的運(yùn)輸燃料。而且合成工藝經(jīng)數(shù)十年的創(chuàng)新和改造，經(jīng)濟(jì)性大大改善，因而發(fā)展前景看好。預(yù)計(jì)2020年全球以天然氣為原料的煉廠能力可望達(dá)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(fā)生、費(fèi)托合成、產(chǎn)品升級及分離等步驟，但每個步驟采用的技術(shù)各有其自身特點(diǎn)。
1、Sasol公司
Sasol公司早期費(fèi)托合成燃料生產(chǎn)，根據(jù)反應(yīng)條件分高溫工藝(330~350、25MPa)和低溫工藝（180~250°C、1.0~4.5MPa)。前者采用循環(huán)流化床反應(yīng)器，稱Synthol法，產(chǎn)物主要是汽油和烯烴；后者采用列管式固定床反應(yīng)器，稱Arge法，產(chǎn)物主要是柴油和石蠟。針對兩種反應(yīng)器的不足之處，Sasol又開發(fā)了先進(jìn)循環(huán)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(huán)流化床反應(yīng)器相比，SAS的優(yōu)點(diǎn)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(fèi)用；（4）床層等溫且溫度易于控制；（5）節(jié)省操作和維修費(fèi)用；（6）高油選擇性；（7）易于大型化。與固定床反應(yīng)器相比，漿床反應(yīng)器的最大優(yōu)點(diǎn)具有良好的物料混合性，并可在等溫下操作，催化劑還可在線裝卸，比同等產(chǎn)能裝置投資費(fèi)用可減少40%。
Sasol的SPD工藝過程包括采用丹麥Haldor Topsψe的自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)（ATR）發(fā)生合成氣；以帶有少量促進(jìn)劑的鈷催化體系將合成氣進(jìn)行費(fèi)托合成；以及米用雪佛龍股份有限公司加氫裂化技術(shù)將費(fèi)托合成產(chǎn)物轉(zhuǎn)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。第一步采用Shell專用汽化技術(shù)高效生產(chǎn)合成氣，可使94%的甲烷轉(zhuǎn)化為CO和H2；第二步是采用固定床費(fèi)托合成技術(shù)產(chǎn)出長鏈烴，其合成氣轉(zhuǎn)化率高達(dá)96%，液體產(chǎn)品選擇性可達(dá)90%~95%；第三步加氫飽和烯烴，然后在各蒸餾塔中蒸出溶劑（5~碳八芳烴）和洗劑原料（C10~C17），部分石蠟與蒸餾殘留物進(jìn)行加氫裂化；第四步是產(chǎn)品分離。產(chǎn)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(jì)先進(jìn)天然氣轉(zhuǎn)化技術(shù)（Advanced Gas Conversion Technology 21st Century），簡稱AGC-21。該工藝的一個重要特點(diǎn)是合成氣發(fā)生是在一個單獨(dú)流化床反應(yīng)器中同時進(jìn)行部分氧化和蒸汽轉(zhuǎn)換反應(yīng)，從而極大地提高了反應(yīng)熱效率。另一個特點(diǎn)是采用高性能“薄層”鈷催化劑及新型漿床反應(yīng)器，從而得到高收率產(chǎn)品。當(dāng)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%（摩爾）下降至低于5.8%（mol），新漿床反應(yīng)器設(shè)計(jì)還減少了氣體返混。
3、Syntroleum&Rentech公司
Syntroleum和Rentech公司也開發(fā)了各自的技術(shù)。其中Syntroleum公司的工藝特點(diǎn)是合成氣發(fā)生采用專用ART反應(yīng)器的催化轉(zhuǎn)化技術(shù)氧化劑用空氣而不是氧，因而節(jié)約了空氣分離部分的投資；費(fèi)托合成采用多管式固定床反應(yīng)器和一次通過技術(shù)；產(chǎn)品改質(zhì)包括加氫異構(gòu)和石蠟分離等。Rentech公司技術(shù)的特點(diǎn)是合成氣發(fā)生米用純氧部分氧化；費(fèi)托合成采用專用鐵基催化劑，產(chǎn)物分為軟蠟（C20~C34）、柴油燃料（C10~C19）和石腦油（C5~C9）。過程中產(chǎn)生的氫氣作加氫裂化用，C1~C4烴部分送至氧化反應(yīng)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(fā)展前景
中國天然氣工業(yè)近年來己有較大發(fā)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(jì)探明煤炭保有儲量超過1萬億噸，經(jīng)濟(jì)開采儲量達(dá)1145億噸，因而發(fā)展以煤為原料的費(fèi)托合成燃料工業(yè)有較大潛力。當(dāng)然在西部個別天然氣資源豐富地區(qū)發(fā)展以天然氣為原料的費(fèi)托合成油工業(yè)也是可取的。
盡管從某些技術(shù)指標(biāo)看，發(fā)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(shù)條件比較苛刻，對設(shè)備要求也高，更主要的是至今國外還沒有一套大規(guī)模生產(chǎn)裝置。所以，相比之下，間接法的費(fèi)托合成燃料技術(shù)相對成熟，并具一定競爭力。而且經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)，今后在投資費(fèi)用和生產(chǎn)成本方面還會有進(jìn)一步改善，因而，在中國發(fā)展直接液化技術(shù)的同時，間接液化的費(fèi)托合成油工藝同樣應(yīng)置于重要地位。此外，發(fā)展合成燃料工業(yè)還應(yīng)借鑒國外發(fā)展策略，如提高產(chǎn)品加工深度和副產(chǎn)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(jīng)濟(jì)效益。
車用燃料
現(xiàn)狀
車用燃料屬于二次能源,在討論節(jié)能和GHGs減排時,不能僅僅計(jì)算燃料在使用過程中的能耗和排放,還應(yīng)考慮上游各階段的情況。歐美科學(xué)家在這方面的最新研究成果普遍采用Well-to-Wheel（從礦井到車輪）分析法。根據(jù)下面的數(shù)據(jù)可以看出：
從節(jié)能和承擔(dān)國際減排義務(wù)的角度出發(fā)，在找到更高效率的合成技術(shù)路線之前，中國政府不宜大規(guī)模推廣天然氣基和煤基車用液體燃料，而發(fā)展柴油轎車和混合動力轎車可能是更好的選擇。根據(jù)資源的區(qū)域分布特點(diǎn)，在某些地區(qū)可以開展煤基和天然氣基車用燃料的研究和示范工作，但是需要加強(qiáng)對配套碳貯存技術(shù)的開發(fā)，以便解決溫室氣體排放問題。
中國車用燃料Well-to-Wheel階段對比圖 [4]
從消耗能源和溫室氣體排放角度看，煤基合成燃料遠(yuǎn)高于天然氣基合成燃料，使用現(xiàn)有碳貯存技術(shù)后，溫室氣體排放降低，但仍然高于后者。天然氣基合成燃料又高于汽油和柴油。然而，計(jì)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(tǒng)石油基燃料本身也考慮在內(nèi)，煤基和天然氣基合成燃料的石油消耗僅為汽柴油的1%～4%。
發(fā)展?jié)撡|(zhì)
從節(jié)能和承擔(dān)國際減排義務(wù)的角度出發(fā),在找到更高效率的合成技術(shù)路線之前,中國政府不宜大規(guī)模推廣天然氣基和煤基車用液體燃料,而發(fā)展柴油轎車和混合動力轎車可能是更好的選擇。根據(jù)資源的區(qū)域分布特點(diǎn),在某些地區(qū)可以開展煤基和天然氣基車用燃料的研究和示范工作,但是需要加強(qiáng)對配套碳貯存技術(shù)的開發(fā),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(jī)化合物,脫水污泥的發(fā)熱量約為8360kJ/kg。如能將其充分利用，研制出一種能供鍋爐燃用的“污泥合成燃料”，代替燃煤用于污水廠或其他工業(yè)、生活鍋爐,這將具有十分重大的意義。
通過一下數(shù)據(jù)可以知道，城市污泥中的有機(jī)質(zhì)含量相對很高，做堆肥產(chǎn)甲烷或者添加適當(dāng)固化劑做燃煤使用均具有較好的經(jīng)濟(jì)價值及環(huán)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。
*拌和時加入10%的水未扣除。
參考資料 >