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社会的发展离不开能源，而随着人类过度消耗地球资源，能源危机成为世界各国思考的问题。我国在三大能源的分布上并不均衡，是一个典型的“煤多油少”型国家，其中，近三分之二的石油资源长期依赖进口，未来预计进口率将高达80%。与此同时，过去20年间，对于煤炭的开采利用，也产生了诸多环境问题，例如光化学烟雾以及温室效应等[1]。我们不禁就会思考，既然一多一少且都属于不可再生能源，能否将煤炭转变为石油进而扬长补短呢？这样的思考在过去看来，似乎难以实现，但在21世纪的今天，勤劳的中国科学家们已经将它变成了现实，跟紧脚步，让我们一探究竟吧。
图1 煤炭与石油
（图源于
https://www.jiemian.com/article/5487902.html和https://www.huitu.com/photo/vcg/detail/000053361172.html）
一、斩不断的自然基因
发展煤制油意义重大，这是保障国家能源安全的战略性举措。发展煤制油产业可有效缓解因富煤缺油给我国能源安全带来的挑战，将煤炭通过深加工转化为清洁的油品，过程中产生的二氧化碳、二氧化硫、废渣等都可以实现有效回收和清洁利用，更为重要的是，煤制油作为现代新型煤化工的重要内容，具有技术含量高、管理要求高、布局门槛高与产业链地位高的特点，其产业的发展必将有利于我国煤炭产业结构、布局结构、组织结构和技术结构的全面调整与进一步优化升级。
煤炭被称为“工业的粮食”，石油被称为“工业的血液”，一种是固态燃料，一种是液态燃料。要将二者进行转变，一定得基于一定的物质基础才行，起码也得具备相似的化学成分与结构，这就不得不说二者具备的相似自然基因。煤炭和石油都属于混合物，其本质都属于有机化合物，在化学成分上具有相似性。煤炭的诞生源于上古时代植物沉积在土壤中经过数万年的自然生化反应与物理变化形成。而石油类似的是，它的起源也可追溯至上古时代浮游生物残骸以及藻类、植物等残留在水体中经过不断演化所致[2]。煤炭与石油的主要组成元素为C、H、O，因此，无论从自然基因还是化学组成来讲，这为煤炭向石油的转变创造了可能。
图2 煤炭和石油的形成过程
（图源自
https://www.meitanxinxi.com/news/20220525204058.html与https://www.shuomingshu.cn/changshi/200884.html）
二、煤制油的工艺途径
先让我们简单了解以下，煤炭以及石油的元素含量对比。在煤炭中，C、H、O三种元素的含量高达95%，如图2所示，随着煤炭煤化程度的增加，碳的含量逐渐增多，氧的含量随煤质的不同含量变化较大，氢的含量最少。而在石油中，主要为C、H元素，由此产生了各种烃类物质，主要有烷烃、环烷烃以及芳香烃类物质等，碳元素含量最多，氢元素次之，而氧元素最少。相较于煤炭，石油中H/C（氢碳比）更高，例如烟煤H/C约为0.8，而原油则为1.76。因此，从这里不难理解，煤转油的基本原理就是现将煤质大分子裂解为小分子，然后遵循H/C含量的差异，提升H的水平或降低C的水平，促使煤炭H/C达到石油的水准，进而实现转换。听起来似乎非常简单，但实际探索可谓是困难重重。固态转变为液态的过程称为液化过程，在煤的液化过程中，将其转变为石油需要多种措施的合力配合，例如选择合适的反应温度、催化剂、压力等，当然最重要的是将复杂的化学反应打造成工艺路线，进行生产。目前进行上述转换的工艺主要有两种，一种是直接液化，另一种是间接液化。前者直接加氢进行裂化，反应热效率出色、油质较好，但对煤的种类以及化学反应的要求非常严格。而后者通过分步实验，先将煤气化生成H2和CO，再经过费托合成路线生成石油，该路线对煤的种类要求广泛，避免了复杂的实验条件，应用较为广泛。下面我们将重点讨论费托合成。
费托合成简称为F-T合成，该方法于1923年由德国科学家Frans Fischer与Hans Tropsch联合研究发现[3]。简单来讲F-T合成是指将煤先气化制备成H2和CO，再选择合适的催化剂，进行催化反应，见图3。通常分为三个步骤：1、将煤送入气化炉，在合适温度下，引入气化剂（空气+O2+蒸气），使煤无法充分燃烧，如此，反应过后，煤就会变成H2和CO等物质。2、催化反应。产生的H2和CO会进一步净化，在催化剂的作用下进一步合成液态烃类物质。3、对液态烃类物质进行提纯，制出石油。不过煤制油也是气态、液态和固态的烃类混合物，因此，想要制备出市面加油站售卖的不同类型的油，还得经过精制以及改质，通过分馏等手段得到主要化学成分为辛烷的汽油以及多碳原子数混合烷烃的柴油、煤油、液化天然气以及其它化工产品。
图3 费托合成工艺流程（图源于https://coal.in-en.com/html/coal-2385922.shtml）
三、煤制油的化学反应原理
煤制油的过程是通过化学反应进行的。在上文F-T的基础上，我们进一步讨论其中涉及的化学反应，将煤气化后，生成的合成气进一步净化，得到H2和CO，随后将它们置于高温高压下，并加入相应的催化剂，从而实现液态混合烃的制备，也就是石油的原材料。其中涉及的化学反应机理如下：
2H2 +CO=-CH2-+H2O
-CH2-→-H2C-CH2-→CH2=CH2
H+-CH2-→CH3CH2CH3
在催化剂的作用下，H2和CO会裂变为原子，并生成亚甲基物质和H2O。在反应中，如果H2含量较少，则亚甲基类物质会聚合为烯烃，如果H2含量充足，亚甲基类物质则会进一步反应生成混合饱和烃。而在F-T合成中，催化剂的研究与开发一直是科学家们关注的焦点，因为这会提升反应的效率[5]。金属钌的催化性能出色，但价格昂贵，不适用放大生产。此外，像Ni基催化剂、Fe基催化剂、Co基催化剂等都相应登上过历史舞台，做出了相应的贡献。近期，青岛联信催化材料有限公司设计的QDB-05/QDB-07催化剂在F-T合成中展现出了良好的催化性能，引起了人们的关注[6]。
四、煤制油傲人成绩
我国在煤制油行业的探索已经有多年，相比于西方国家，我国起步较晚，但经过前辈以及现在广大科研工作者的辛苦付出。我国在煤制油领域，已经跻身于世界领先行列。此前，尤为瞩目的一项成就经人民日报发文，迅速引起了国人的广泛关注，那就是经过不断地技术攻关，国家能源集团宁夏煤业煤制油分公司，完成了世界上规模最大的煤间接液化项目，400万吨/年煤间接液化示范项目可年转化煤炭2400万吨[7]，项目场景图见图4。这次项目的成功践行，得益于自主研发与技术的不断创新，工艺设备99%国产化，是一项自主研发取得的新成就，不仅实现了煤向油的转化，还实现了多种副产品的开发与利用，展现出巨大的研发潜力。除了国家能源集团宁夏煤业400万吨/年煤制油项目外，我国大型煤制油项目还有伊泰杭锦旗120万吨/年与山西潞安100万吨/年。根据盈收情况来看，宁煤项目装置满负荷运转，按当前油价估算，年利润可超过50亿元，伊泰杭锦旗120万吨/年项目可达10亿元，山西潞安100万吨/年项目正在积极发展中。值得注意的是，《中国煤制油行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》预测指出，到2026年中国煤制油产品产量将达到2278万吨。目前，世界煤制油主产地集中在南非地区，分析表明，到2035年中国或将实现世界领先地位。在煤制油的成本分析中，中国煤化工专委会副秘书长王秀江介绍道，在煤价区间约500-600元/吨的情况下，国际油价保持在60-70美元/桶，煤制油项目才可达到盈亏平衡点。因此，煤制油项目的发展一定要提升核心竞争力，同时国家也应该予以大力支持，适当减少税收，帮助企业畅通生产以及销售渠道。
图4国家能源集团宁夏煤业公司400万吨煤制油项目夜景
（图源于
https://xueqiu.com/8239910267/234364815）
五、结语
煤制油为国家能源安全提供了新的保障，也为基于煤制油的其它化工产品开发提供了渠道。应该切实提供有效的保障，让这一关乎万家灯火的保障事业取得更加出色的成绩，同时，应该进行工艺的持续优化与探索，设计性能优异的催化剂进行放大实验，逐步打造世界一流的煤制油生产企业。希望本篇科普能够带领更多的读者了解这一行业，关注这一行业的发展。
参考文献
[1] 苏更林. 煤变油,让“丑煤”变“靓丽”[J]. 百科知识, 2019, (19):18-20.
[2] 张林. 走近石油：探索“黑色的金子”起源[J]. 中国矿业, 2018, 27(S1):426-428.
[3] 杜娟. 煤转油合成技术概述及研究进展[J]. 内蒙古石油化工, 2011, 37(04):7-8.
[4] 田丽蓉. 煤制油的化学原理及其应用[J]. 化学工程与装备, 2023, (05):203-204+219.
[5] 韩旭辉, 王治帅, 穆国君, 等. 金凤选煤厂加工“洗混煤”､适应煤制油改造方案的研究与实践[J]. 煤炭加工与综合利用, 2022, (06): 31-33+37.
[6] 纵秋云, 李清刚, 李建林, 等. QDB-05/QDB-07催化剂在180万t/a煤制油装置中的应用[J]. 氮肥与合成气, 2024, 52(06):9-12+49.
[7] 徐元锋, 张文. 煤制油助力保障能源安全[N]. 人民日报, 2024-05-23(006).
审稿人意见：
读了本文，感觉文笔流畅，条理清晰，知识性可读性都较好，仍建议补充相关内容。
1.煤制备石油的必要性？制成品石油也是一种混合物，是否通过煤来制备乙烯或者辛烷等特定的烃类物质会更合适？
2.分析通过煤来制备石油的经济效益分析？大概制成的石油成本如何？与进口的石油的价格进行比较？
3.文中提到了一些利用催化剂法来实现煤制石油的办法，也举例说明了宁夏煤业的例子，但是并不知道整个世界上总产量大概有多少，中国的产量多少？
另外可以介绍一下，目前中国的煤制备石油年产量与石油年产量所占百分比。
作者：寻雾
作者单位：西北师范大学
审稿人：徐海
编辑：朱真逸
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