2020 中国煤化工技术交流会暨第九届中国煤化工年会 高温费托合成技术及产业链分析孙启文上海兖矿能源科技研发有限公司煤液化及煤化工国家重点实验室2020年11月13日·内蒙古鄂尔多斯 目 录 一 二 高温费托合成技术及其工业应用 三 高、低温费托合成产物特性 四 以费托合成为核心的煤基高端化工产业链分析 五 400万吨/年煤基高端化工产品案例 六 煤基高端化工产业绿色发展2 一、煤制油技术与产业现状3一、煤制油技术与产业现状1.1 国内煤制油技术发展历程2015年，兖矿集团陕西未来能源100万吨/2016年，神华宁煤400万吨/年煤间2018年，上海兖矿能源科技研发年煤间接液化工业示范装置投产运行接液化工业示范装置投产运行有限公司国内唯一10万/年高温费托合成工业示范装置投产运行15162009年，潞安16万吨/年煤基17合成油示范项目投产14奠定全球最大煤制油生产国地位2009年，伊泰16万吨/年煤炭间接液化工业示范项目投产132008年，全球唯一一条煤直接1924年，山西军阀阎锡山从德国购置液化制油工业化示范装置运行1221世纪开始规1了一套煤液化装置，在左云县吴家窑划煤制油项目建立了育才炼油厂 1998年，山东兖矿集团开始煤制油技术的国内 储备 ，2004年建成5000吨/年低温费托合 11早在民国时期， 成中试装置；2007建成5000 吨/年高温费21930年，国内中原大战，中国第一 托合成中试装置煤制油发展历程 开始对煤制油次煤制油试验历时5年多，未能取技术的探索得成果1993年，山西化工试验装置因经费问题，在试验成功后停了1031933年，山西育才炼油实验厂自造连续外热式炼油炉一组1991年，山西建成年产汽油2000吨、副产城市煤气750万m3工业示范装置941937年，“七七事变”爆发，山西煤制油试验再次夭折1989年，山西代县化肥厂完成两段8法煤制合成油的百吨级中试装置571981年，中科院山西煤化所开始进61943年，日本在锦州石油六厂引进了德国煤制油装置行煤制合成汽油的开发研究，开发出两段法煤制油试验装置1959年，新中国成立后，重新恢复和扩建了锦州煤制油装置达到4.7万吨/年4一、煤制油技术与产业现状1.2 煤间接液化制油工艺过程载气 CO 压缩尾气制氢2CO2未变换气柴油变换气 合成气净化产物石脑油 煤煤气CO变（含冷冻） 净化合费托深加备煤化换成气合成硫磺工液化石油气硫回收化学品等空气蒸气氧气空分动力站公用工程和辅助工程5一、煤制油技术与产业现状 1.3 国内煤间接液化制油现有产能项目名称企业产能（万吨/年）地点运行时间 伊泰鄂尔多斯16万吨煤制油项目内蒙古伊泰煤制油有限16内蒙古鄂尔多斯2009责任公司 潞安山西长治16万吨煤制油项目山西潞安煤基合成油有16山西长治2009限公司 神华鄂尔多斯18万吨煤制油项目中国神华煤制油化工有18内蒙古鄂尔多斯2009限公司 兖矿榆林100万吨煤制油工业示范项目 陕西未来能源化工有限100陕西榆林2015公司 神华宁煤400万吨煤制油工业示范项目 神华宁夏煤业集团有限400宁夏宁东2016责任公司 内蒙古伊泰杭锦旗120万吨煤制油项目内蒙古伊泰集团120内蒙古杭锦旗2017有限公司 山西潞安100万吨煤制油项目山西潞安矿业集团有限100山西长治2018责任公司兖矿10万吨高温煤制油项目上海兖矿能源科技研发10陕西榆林2018有限公司 “十一五”、“十二五”实现国内煤制油产业从无到有，“十三五”完成产能900多万吨（含直接液化 108万吨）。

6一、煤制油技术与产业现状 1.4 国内煤制油在建及规划项目项目名称设计产能（万吨/年）技术类型伊泰煤制油有限责任公司年产200万吨煤制油示范项目200间接液化伊泰甘泉堡100万吨煤制油项目100间接液化伊泰伊犁100万吨煤制油项目100间接液化神华宁煤二期400万吨煤制油项目400间接液化榆能集团（鉴定合作协议）400间接液化荆州400万吨煤油共炼项目120煤油共炼潞安忻州煤炭高效利用油化气电热资源一体化项目400间接液化兖矿集团新疆吉州项目（鉴定合作协议）500间接液化贵州毕节200万吨煤制清洁燃料项目（前期筹备）200间接液化新疆中泰巴州400万吨重油和煤炭深加工400煤油共炼陕西榆林高新能源科技新建500万吨煤制油项目（前期筹备）500间接液化合计36007一、煤制油技术与产业现状1.5 煤制油技术与产业现状低温费托合成高温费托合成固定床反应器反应温度低 210～280℃反应温度高 310～350℃流化床反应器 低温费托合成技术浆态床反应器固定床/浆态床工艺流化床工艺费托合成反应气中C + 烯烃占比高费托合成反应气中C +烯烃占比低22约43%反约15%碳链分布短、烯烃含量高约60% 高温费托合成技术应支链、环链烃含量少，约90% 以上（α-烯烃占比＞75%）温度铁基催化剂为直链烷烃含氧化合物含量较高 8～10% （乙Ca含氧化合物含量较低 2～4%醇占比＞50%）taly钴基催化剂st既可生产优质油品，又可生产高附加值适宜生产清洁油品化工产品，产品更加丰富，更有利于下游产品的开发和延伸。

目前国内建成的煤制油工业化装置，均采用低温浆态床费托合成技术，产业发展现状：产品线比较单一，主要生产油品，灵活性不够；难以开发精细化、差异化下游产品；产品附加值较低，低油价下市场竞争力优势不明朗。8 二、高温费托合成技术及其工业应用9二、高温费托合成技术及其工业应用 2.1 高温费托合成技术 在油价长期处于低位的形势下，既能生产优质油品又能生产高端化学品 （可灵活转产），既 能保障国家能源供应安全又能适应市场需求的高温费托合成煤间接液化技术具有显著优势。高温费托合成产物中烯烃和含氧化合物含丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物聚丙烯分子量高，尤其是高附加值的α-烯烃，易实现差异化、精细化和高值化加工利用。润滑油基础油聚乙烯多产α-烯烃/醇类、碳链分布更短的高温费托合成工艺是煤间接液化未来重点比选的技术路线。10二、高温费托合成技术及其工业应用2.2 高温费托合成技术开发历程低温费托合成低温费托合成中试百万吨级工业示范5000吨/年低温费托合100万吨/年煤间接液化示范成中试装置在设计负项目在榆林建成投产，一荷下稳定连续运转次性开车成功。196天。20022004200720152018高温费托合成 关键技术开发高温费托合成中试10万吨/年工业示范 基础理论研究及催化剂、5000 吨/ 年流化床高温费托2018年9月18日一次投料成功, 反应器、工艺过程等。

合成中试装置，在设计负实现满负荷连续稳定运行,填荷下连续运行232天。补国内技术应用空白。上海兖矿能源科技高温费托合成技术开发历程11二、高温费托合成技术及其工业应用 2.3高温费托合成催化剂 采用催化剂活性好、烯烃和含氧化合物选择性高、抗冲击和抗磨损性能优异的熔融型铁基催化剂（YHFT®-C01 ） XH2+CO≥91%，X CO≥99%，SCH4≤10%、SC2-C4≥20%、S总烯烃≥55%助剂粗粉 磁铁 矿粉熔融冷却破碎分级合格产品细粉催化剂工业化生产工艺流程图催化剂形貌催化剂配方与物性Fe : 65-75wt%;物性参数实验室催化剂中试放大催化剂工业催化剂Fe3+/2Fe2+ : 0.8-1.220.1~0.7K O : 0.2-1.2 g/100gFe 比表面积，m /g0.460.1~0.8230.00010.001Na O : 0.1-2 g/100gFe 孔体积，cm /g0.00120.001~0.0082Al O : 0.1-1.5 g/100gFe 骨架密度，g/cm35.15.0~5.35.05.32 3SiO2 : 0.5-2 g/100gFe 堆密度，g/cm32.782.5~2.82.52.8MgO : 0.1-1.5 g/100gFe 平均粒径，μm607050~704070CaO : 0.1-1.5 g/100gFeAI %/h1.95磨损指数 ，2.412.081500吨/年高温费托合成催化剂生产装置12二、高温费托合成技术及其工业应用2.3高温费托合成催化剂工业催化剂首次应用到国内首套10万吨/年高温费托合成工业示范装置上，完成现场72小时连续运行性 能考核，在工业示范装置上实现了满负荷长周期连续稳定运行。

工业催化剂在工业示范装置上的反应性能项目运行数据总转化率：工业催化剂转化率高、烯烃和含氧化H +CO ，%91.882CO+CO2 ，%92.09合物选择性高；H2 ，%88.46CO，%99.06产物选择性，%与低温催化剂产物选择性相比 ，CH48.94C2～C4烯烃25.23C2～C4烯烷比5.22YHFT®-C01 催 化 剂 具 有 低 碳 烯 烃液体烃60.02总烯烃57.60（C ~C ）、总烯烃、α-烯烃及含氧化C +52.862 45含氧化合物8.1410万吨/年高温费托合成工业示范装置合物选择性高等明显优势；与低温催化剂的对比与国外同类催化剂的对比YHFT®-C01 低温催化剂YHFT®-C01 SASOL催化剂YHFT®-C01催化剂的CO+H 总转化性能指标性能指标2工业数据工业数据工业数据工业数据温度，℃344243温度，℃344340率、C ~C 烯烃选择性、含氧化合物选2 4压力，MPa2.222.25CH 选择性，％8.943.504CO+H 转化率，％91.8885++2择性、C5选择性、C4产率均高于国外 C ~C 烯烃选择性，％25.237.22CH 选择性，％8.9410 2 44C ~C 烯烃选择性，％25.2324 总烯烃选择性 ，%57.6019.502 4同类催化剂工业数据，CH 选择性略低4C5+选择性，％52.8650α-烯烃选择性，%30.9618.44含氧化合物选择性，％8.147 含氧化合物选择性，％8.142.51C4+产率，g/Nm3(CO+H2) 133.1011913二、高温费托合成技术及其工业应用2.4高温费托合成反应器2.4.1高温固定流化床费托合成反应器稳态数学模拟模型计算值与实际转化率指标比较 基于两相模型，①气泡相完全由气泡组成，密相由固体颗模型反应器相对偏 粒和气体组成；②反应只在密相中进行；③相间存在传质； 物料平衡方程工况计算值运行值差，%dU Cb b ,i +k a (C −C ) 0 ④气泡相为活塞流，密相存在返混；⑤催化剂分布均匀；dzb ,i b b ,i d ,iH +CO总转2.442283.6281.63 ⑥催化剂表面传质阻力忽略；⑦轴向压降呈线性。

d Cd ,i d (U C ) D−d d ,i +k a (C −C ) − r = 0化率，%d d dz2dzb,i b b,i d ,i s p iCO+CO 总转2.55出口dU U C dp2Cb + b b +k  a(C −C ) = 085.9883.84主要模型参数：b dzp dzb,i b b,i d ,i化率，%dU U C dpH 总转化率，3.49Cd + d d −k  a(C −C ) +  r = 02气含率与气泡直径db,i b b,i d ,i  s p i77.7875.16dzp dz%气泡相 密相（考虑了分布板区域对气含率及气泡直径的影响）边界条件：C C 0 U 0 =UCO总转化率，98.9198.720.19dl扩散系数入口即Z=0时b,i b,i b b dC%0 0d ,i0U C −(U C − D) = 0 U U1.11Cb Ce传质系数d d ,i d d ,i d dd dH +CO单程dz260.8760.2dC动力学模型出口即Z=L时d ,i = 0转化率，%dz0.33产物分布模型dp pCO+CO 单程进口 Ci…….压降：=264.0763.86dz L转化率，%流化床两相模型示意图动力学模型H 单程转化率，1.662−E /T51.5950.75k e 1 P P% C 以上碳数分布符合ASF分布模型：r1H 2 CO2FT (1+BP +CP+DP0.5 )0.30.191COH O HCO单程转化SW2 n−1 22[(mol/(gcats)]96.5196.33n ndE()21− cP− P P率，%n n1+H2rk e RT P =− H2 CO2 (1+aP +bP )0.5WGS 2 CO k P P COH Oeq H O CO1422 二、高温费托合成技术及其工业应用2.4.2 高温固定流化床费托合成反应器CFD模拟 反应器的冷态流场模拟反应器的传质与反应模拟 基于Bubble-Emulsion双流体模型，对反应器内冷态流场进行三维模拟，得到了床层中催化剂颗在采用BBTP （Bubble Based Triple Phase）模型耦合传质和反应模 粒浓度沿轴向分布、气/固两相轴向和径向速度分布等理论基础数据。

型的情况下，不论空塔还是有内构件的情况，反应器出口组分质量分数均与实验结果吻合良好，保持在20%的误差范围左右。反应器模型全景图（t=30s ，由左到右分别为中心截面和距其纵向0.1m 、0.15m的截面）H 和CO的传质速率C H 和CHO的生成速率2n m床层轴向截面的固含率分布 反应器网格全景图 冷却盘管网格图 横截面网格图时均气泡轴向速度云图床层径向横截面的固含率分布(t=30s)15(t=50~100 s H = 3, 4, 5, 7 m)二、高温费托合成技术及其工业应用2.4.3高温固定流化床费托合成反应器及其内构件 采用高温固定流化床费托合成反应器 （内构件：旋风分离器、换热装置、气体分布装置等）。P1P2P3双层气体分布器迂回式换热装置内置双进口旋风分离器反应器适用的操作条件为：固体颗粒粒度为1～200 μm；催化剂浓度为10～50 wt%；气体线速为0.2～0.8 m/s ；温度270～380 ℃ ；压力1.5～5.0 MPa 。温度控制稳定，催化剂在线排放和添加操作自如；移热元件设计合理，汽包系统副产高品位蒸汽稳定；内置旋风分离器分离效率能达到99.95%以上；反应器内反应效果好，H +CO总转化率保持在90 ％以上，CO转化率超过299%，总烯烃选择性大于55％。

16二、高温费托合成技术及其工业应用 反应器工业应用直径3米、高度约40米、净重340t的固定流化床费托合成反应器成功应用于10万/吨年高温费托合成工业示范装置。直径3米的固定流化床费托合成反应器工业运行典型数据性能指标反应器工业数据国外工业数据温度，℃344340压力，MPa2.222.25CO+H 转化率，％91.88852CH 选择性，％8.94104C ~C 烯烃选择性，％25.23242 4C5+选择性，％52.8650含氧化合物选择性，％8.147C4+产率，g/Nm3(CO+H2)133.10119反应器CO+H 总转化率、C -C 烯烃选择性、含氧化合物选择性、C +选择性、C +22 454 直径3米的固定流化床费托合成反应器产率均高于国外工业生产数据17二、高温费托合成技术及其工业应用2.5 高温费托合成工艺 大型高温固定流化床费托合成工艺包括催化剂活化单元、高温费托合成单元和反应水精馏单元。催化剂活化系统压缩机原料气 催化剂活化单元低碳烃回收乙烯/丙烯等气相产物 汽 包固定流化床费激冷塔分离器反应水中间槽托合成反应器废催化剂处理高温冷凝物槽低温冷凝物槽反应水精馏塔富醇含氧化反应水学品反应水