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煤直接液化反应器的综述与展望
摘要：煤直接液化反应器是液化工艺中的核心设备,其工况复杂,条件苛刻,工程放大难度很大。结合几种典型的的煤直接液化工艺，总结了煤直接液化反应器的发展沿革、技术现状和研究进展，分析了煤直接液化反应器的发展趋势,阐述了有待研究的问题,探讨了今后研究工作的方向。
关键词：煤直接液化，工艺，反应器

1引言
随着世界经济的发展，人类对能源的需求日益增加，特别是对以石油为主的清洁液体燃料的需求增长较快。石油作为一种不可再生资源，储量有限，据英国BP公司2009年7月公布的石油产量和油气储量2008年终统计，全球石油及凝析油产量预计为39亿吨，石油估算探明储量为1708亿吨，采出比为42【1】。石油储量的有限，再加上国际政治和经济形势的影响，造成近年来石油价格长期居高不下，国际社会越来越认识到寻找石油替代能源的迫切性。
预计到2020年，中国石油消费量将超过4.5亿吨，届时石油对外依存度可能达到60%～62%。中国经济的稳定增长、能源消费的增加以及国内石油产量增长远远落后于石油消费的增长,将使中国石油进口增加的趋势在相当一段时间内会继续保持。中国作为最大的发展中国家,能源依赖于大规模地、长期地从国际市场上购进石油是危险的。石油资源匮乏和石油供应不足已成影响中国和全球经济发展的重要因素。随着世界经济的发展，石油供需矛盾将会日趋加剧。在未来可预测的时间段内，化石能源之外的能源比例还难以到达人们理想的目标。在新能源和可再生能源大规模经济应用之前，未来石油和天然气的最佳替代品还是煤炭，煤直接液化技术作为煤炭的清洁转化和高效利用的重要手段之一，将是煤直接液化技术是缓解我国石油紧缺的重要技术和保证经济高速发展对能源需求的重要途径。
2煤直接液化技术
2.1煤直接液化概念
煤直接液化就是在高温高压下，借助于供氢溶剂和催化剂，使氢元素进入煤及其衍生物的分子结构，从而将煤转化为液体运输燃料或化工原料的先进洁净煤技术。【2】
2.2煤直接液化过程
煤加氢液化的反应过程可分为两个步骤:(1)第一步是通过加热使煤的结构单元之间的桥键断裂,形成以单个结构单元为主体的自由基;(2)第二步是在催化剂的作用下通过加氢使自由基在溶剂中保持稳定,因此溶剂应具有较好的重质芳烃溶解性,并能够提供氢给自由基以阻止自由基聚合。另外,通过加氢还可使各结构单元继续脱除氧、氮、硫等杂原子,并使结构单元进一步裂解,使芳烃部分饱和以降低相对分子质量、提高氢碳原子比,从而得到与石油馏分十分相似的低相对分子质量的油品。
煤和石油主要都是由C、H、O等元素组成,不同的是:煤的氢含量和H/C原子比比石油低,氧含量比石油高;煤的分子量大,一般大于5000,而石油约为200;煤的化学结构复杂,一般认为煤有机质是具有不规则构造的空间聚合体,它的基本结构单元是缩合芳环为主体的带有侧链和官能团的大分子,而石油则为烷烃、环烷烃和芳烃的混合物。煤还含有相当数量的以细分散组分的形式存在的无机矿物质和吸附水,煤也含有数量不定的杂原子(氧、氮、硫)、碱金属和微量元素。
要把固体煤转化为液体油,就必须采用增加温度或其他化学方法以打碎煤的分子结构,使大分子物质变成小分子物质,同时外界要供给足够量的氢,提高其H/C原子比。如果煤在热解过程中外界不提供氢,煤热解产生的自由基碎片只能靠自身的氢再分配,使少量的自由基碎片形成低分子油和气,而大量的自由基碎片则发生缩聚反应生成固体焦。如果煤在热解过程中外界供给氢,而且煤热解产生的自由基碎片马上与周围的氢结合成稳定的H/C原子比较高的低分子物(油和气),这样就能抑制缩聚反应,使煤全部或绝大部分转化成油和气。一次加氢液化的实质是用高温切断化学结构中的C—C键,在断裂处用氢来饱和,从而使分子量减少和H/C原子比提高。反应温度要控制合适,温度太低,不能打碎煤分子结构或打碎的太少,油产率低。一般液化工艺的温度为400℃～470℃.
保证系统中有一定的氢浓度,使氢容易与碎片结合,必须有一定的压力(氢分压)。目前的液化工艺的一般压力为5MPa～30MPa。
2.3煤直接液化技术的4个历史发展阶段
参照文献[3]的划分方法,煤液化(主要是直接液化)技术自诞生以来经历了这样的4个历史发展阶段：
(1)从Bergius发明到二战结束的大发明和大生产时期(1913～1945);
(2)二战结束到中东廉价石油大规模开采的重新思索时期(1946～1960);
(3)1973年石油危机所导致的煤液化基础研究在发达国家复兴的时期(1973～1995);
(4)2003年美伊战争和地球上石油资源日趋紧张所导致的在中国工业化生产复兴的时期(2003～)。
典型工艺及反应器的类型
自从1913年德国的Bergius发明煤直接液化技术以来,德国、美国、日本、前苏联等国家已经相继开发