煤制油工艺创新的早期历史：从实验室到工业化

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煤制油工艺创新的早期历史：从实验室到工业化

煤制油工艺在当今气候变化、能源短缺、节能减排的背景下，具有重要的战略意义。对中国尤其如此。现回顾煤制油工艺创新的早期历史。

煤氢化是指在高温高压下，用氢气将煤变成汽油、柴油、煤油等液体燃料，简称煤制油。发展煤氢化工业对那些缺乏石油资源而煤炭资源丰富的国家，有重要的意义。液体染料比煤炭燃料燃烧充分、能量高、污染少。
德国是一个贫油而富煤的国家。在1900年以前，德国工业，军事，家庭所需的能源主要来自于煤。20世纪以来，汽车工业兴起，使能源的需求结构发生了变化，石油开始成为主要的能源。第一次世界大战前，德国几乎完全依赖进口石油。
1913年，德国化学家伯吉尤斯在实验室成功地实现了煤氢化为液体燃料。煤氢化的工业化生产经历了坎坷的道路。早期的工厂由于技术上不过关，成本高居不下，难以运转。1925年，法本公司的化学家接手开发煤氢化，1927年建成世界上第一家煤氢化工厂。

伯吉尤斯:煤制油工艺的奠基者

弗里德里希·伯吉尤斯（F.Bergius，1884～1949）孩提时代起就受到化学化工的熏陶，他的父亲经营一家化工厂。中学毕业后，伯吉尤斯被送到一家大型金属制品厂实习，为期六个月。1903年，伯吉尤斯进入breslau大学，不久转入莱比锡大学学习化学，1907年获得博士学位。此后，伯吉尤斯跟随著名化学家能斯脱做研究，为期一年;后来又跟随合成氨的发现者哈伯，做助手半年。伯吉尤斯在跟随能斯脱和哈伯期间，掌握了高压技术和氢化技术，熟练到就象使用试管和烧杯一样。高压氢化技术是一个大有发展前途的新领域，伯吉尤斯决定献身于此。1909年，伯吉尤斯在玻登斯坦学院谋到教职，讲授物理化学。1910年，伯吉尤斯辞去教职，自己建立了一座装备精良的实验室。后来，实验室规模不断扩大，建立了几个试制车间。伯吉尤斯接了很多来自企业的课题，取得了不少重大的应用性研究成果。1931年，伯吉尤斯与博施因为在发展高压氢化技术方面的卓越贡献而荣获诺贝尔化学奖。

1911年6月，伯吉尤斯取得了用水煤气制造氢气的新工艺。伯吉尤斯在研究水煤气时，还实现了煤的人工合成。他在高温高压下，处理植物纤维，结果得到黑色的残留物，貌似煤炭。化验表明，它与天然煤在化学组成上是一致的，类似于不饱和碳氢化合物。进一步研究发现，人工煤和合成煤都可以实现氢化反应。在进行这一实验以前，伯吉尤斯先前研究过天然石油的氢化反应。
德国一家化工企业对石油的氢化很感兴趣，通过这一反应，有可能获得汽油。随着汽车工业的兴起，汽油的市场需求非常大。伯吉尤斯从事石油氢化的开发工作，取得了两个专利，这给那家企业带来了可观的经济效益。

在完成了天然石油的氢化研究之后，伯吉尤斯进而研究煤的氢化。他先研究人工煤的氢化反应。1913年夏天，伯吉尤斯在150个大气压、400C温度下，对2克人工煤进行氢化处理，结果发现：80%的人工煤分解成了小分子产物。伯吉尤斯倍受鼓舞，就拿天然煤来研究。研究表明，天然煤亦可以氢化成小分子。他将150千克煤倒入体积为400升的钢制压热器，加入苯溶剂，搅拌成糊状。通入5千克的氢气。在温度为400C、压力为200个大气压下，反应12个小时。分析产物，发现85%的煤已经完全氢化;分馏产物，得到石油碳氢化合物。这年秋天，伯吉尤斯申请注册了煤高压氢化的专利。这是他在煤氢化领域取得的第一个专利。
大量的实验研究表明，在所有接受试验的煤中，褐煤最适于氢化，这是一个可喜的结论，因为德国拥有十分丰富的褐煤。伯吉尤斯发现，加入少量金属氧化物催化剂，能大大提高氢化反应的速度。伯吉尤斯还发现，煤氢化工艺可以实现连续操作。
伯吉尤斯决心将实验室的煤氢化反应转化为大规模的工业生产。在第一次世界大战以前的若干年里，德国所需的石油几乎完全依赖进口。1913年德国进口175万吨石油，花费1.75亿马克。德国国内生产的石油，全部来自于煤干馏工艺，即隔绝空气加热煤，可以得到少量的液体燃料。这一工艺的转化率非常低，成本很高。伯吉尤斯想用煤氢化工艺取代煤干馏工艺，并将丰富的煤炭资源转化为合成石油，取代进口石油。

煤制油工艺的早期开发

德国戈西米德石油精炼厂对伯吉尤斯煤氢化研究成果很感兴趣。伯吉尤斯的早期研究就得到过该厂的资助。1914年初，戈西米德厂新建大型工业研究实验室，将伯吉尤斯及其全部人马招聘过去，伯吉尤斯担任实验室主任。
1914年第一次世界大战爆发，德国急需石油和硝酸等战略物质。巴斯夫公司成功地开发了哈伯的合成氨工艺，建起了合成氨工厂，这就解决了德国制造炸药的原料问题。相比之下，伯吉尤斯他们试图建立煤氢化工厂，制造合成石油，就没有那么顺利了。
1915年，伯吉尤斯开始建造煤氢化工艺的设备，费时很久。1918年一批工业家和金融家发起建立煤氢化工厂。由于煤氢化工艺中尚有许多技术问题没有解决，合成石油的制造成本很高，质量也不好，这就大大制约了煤氢化工厂的发展。在第一次世界大战后期，德国从罗马尼亚掠夺到石油，制造合成石油就不那么重要了。
伯吉尤斯制造合成燃料的一个典型反应是：100千克煤，与40千克苯溶液混合，加入5千克的氧化铁，通入5千克氢气，在高温高压下反应，可以得到20千克的气体、128千克的合成石油和固体。将这些油分馏，可以得到20千克汽油和几十千克其它的油。据统计，在这座工厂，1吨煤可以制得490千克～650千克的液体燃料，生产成本是71马克。而这些汽油，柴油等燃料价值141马克，所以，每吨煤可盈利70马克。可见，发展合成燃料工业还是有潜力的。
伯吉尤斯在建造煤氢化工厂期间，主要面临三大技术问题:其一，如何使工业规模的氢化流程变成连续作业?其二，如何控制氢化反应的温度?第三，如何将煤的氢化和生成物的裂解分离开来?1921年伯吉尤斯解决了第一个问题。第二个问题很关键，因为氢化反应是放热的，温度不断升高。温度太高了，反应中就会生成焦炭，而得不到液体燃料。这个问题和第三个问题，直到1925年伯吉尤斯退出煤氢化研究领域，也没有解决。

博施又实现了煤制油的工业化

1925年，身为I.G.法本公司总裁的博施，认准煤氢化工业有着巨大的商业价值，于是亲自领导众多的化学家对煤氢化进行大会战，不久便取得了突破性进展。一、工业化学家皮尔(M．Pier,1882～1965)成功地改进了伯吉尤斯工艺流程，将它分成两步，第一步，将煤氢化，生成重油;第二步，将重油裂解成小分子。这样就大大提高了生产效率。二、制造出了能控制氢化温度和氢化速度的反应器。三、经过大量的试验，寻找到了高效又价廉的催化剂。
I.G.法本公司煤氢化工艺的程序是:先将煤块粉粹，倒入重油，加催化剂，搅拌至糊状，加热至300C，然后泵至氢化反应器，通入230个大气压的氢气，反应后得到产物，其中含10％～20%的气体，5％～10%的固体，50％～55%的重油，20％～30%中等分子量的油。然后，将中等分子量的油与氢气，催化剂在固定床上反应，温度为400C，压力为200个～300个大气压，就得到50％～70%的沸点在165C以上的汽油。
于是，法本公司着手建设煤氢化工厂，1927年4月竣工。该工厂每年生产30万吨合成燃料。至1944年，德国共建设了12家大型煤氢化工厂。那年，德国共制造了300万吨合成燃料，其中200万吨是高质量的辛烷－100汽油。
煤氢化的成本固然比天然石油要高，然而在二战期间，德国进口石油的渠道被切断，就非发展煤氢化工业不可了。这12家工厂为德国军队提供了大部分所需的燃料。
英国也很重视煤氢化的战略意义。1935年英国帝国化工公司(简称ICI)在政府的支持下，建起了煤氢化工厂，年产汽油10万吨，提供给空军。由于经济原因，1958年工厂停产。
二战结束后，德国12家煤氢化工厂大部分被盟军拆除，有的转向精炼石油，只剩下4家工厂继续从事煤制油的生产。

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这是一篇“煤制油工艺”的文章
任何没有什么技术背景的人都可以读懂
这里讲述了一个简单问题
只要一个国家存在煤炭资源而又缺乏石油资源时
用“煤变油”是完全可行的
就看这个国家是否检出去做！
蒙古  你准备好了吗？

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蒙古国煤炭资源丰富，地质储量约150Gt，其中勘探储量有10Gt，约占地质储量的6.5%。已探明储量5Gt。煤炭资源分布在全国各地，但主要集中在中部地区，其中2/3为褐煤，发热量为12.54～16.72MJ/kg。焦煤集中在南部戈壁地区，在南部的塔本陶勒盖煤田，预计高品质原煤的蕴藏量在6亿吨左右。蒙古国将全国21个省和首都乌兰巴托市划分为中央、山林、戈壁、西部、东部等五个经济区。蒙古15个煤田、85处煤矿点分布于五个经济区域各省，蒙古探明煤炭总储量为1624亿吨。煤矿点按经济区划分，中央经济区有13处，储量为265.281亿吨，占全国总储量的16.5%；山林经济区有13处，储量为77.041亿吨，占全国总储量的4.7%；戈壁经济区有20处，储量为497.853亿吨，占全国总储量的30.6%；西部经济区有23处，储量为271.579亿吨，占全国总储量的16.7%；东部经济区有16处，储量为511.651亿吨，占全国总储量的31.5%；全国煤炭生产企业共有26家，其中动力煤生产企业4家，地方民用煤生产企业19家，出口煤生产企业13家。以上企业计划产煤1256.17万吨，实际完成产煤1408.78万吨。计划销售1388.63万吨，实际销售1356.04万吨。其中：4家动力煤生产企业计划产煤332.6万吨原煤，实际产煤355.43万吨，计划销售334.8万吨，实际销售355.78万吨；13家出口煤生产企业计划产煤915.94万吨，实际产煤1047.73万吨，计划出口1047.7万吨，实际完成出口994.7万吨；19家地方民用煤生产企业计划产煤6.13万吨，实际产煤6.61，计划销售6.13万吨，实际销售61.1万吨。

其中2/3为褐煤仅仅这一句，蒙古客观的自然条件这一项就已经具备了！

henanhujaa

非常好的资料，写的很不错。。。

除了煤炭氢化工艺（就是俗称的“煤变油”）之外，还有一个工艺对于蒙古来说也是非常重要的，具有战略意义，它就是煤制烯烃技术。

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4# henanhujaa

河南兄，过誉了谢谢! 文章真的不是我写的
是我从网上down来的
这是网上比较少的，写得好，写的逻辑严密
而又让人能够“读得懂”的文章  
希望在这个问题上能聊的深一点
我的意思是
对于蒙古而言

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希望这个话题不要沉掉，大家努力啊！

teme

对于蒙古这是政治问题，不是技术问题。就算把全套技术设备无偿放到蒙古人前面，那些无赖政客也会给你拆了卖铁。

henanhujaa

建议icooltop再来找找关于日本石油进口的资料，然后再来估算蒙古的煤变油需要什么样的规模，接着再来估算蒙古的煤变油需要多少煤炭。。。

类似的粗估，对于正确衡量经济体的发展来说，是非常有益的。

另外，TEME说到点子上了。。。事实上，在蒙古国也许我们永远都也看不到一家蒙古人自己的煤变油工厂。。。

今天的蒙古，外债正在迅猛增长，再过十年，外债就可能上涨到六百亿美元甚至是八百亿美元乃至更多。到了那个时候，不要说耗费巨资来搞煤变油产业，就是还那些外债的利息，都也是还不起的。

henanhujaa

工业发达国家，基本上是人均年耗油1-2吨，比如说日本是人均1吨，美国则差不多是人均2吨。

蒙古地区缺乏石油资源，但是具有丰富的煤炭储量，因此，假设蒙古能够做到年合成300万吨液体燃料，那么就能够使得自己的液体燃料供应水平达到近乎日本的水准。要完成300万吨液体燃料的年产量，每年用于煤炭氢化工艺的煤炭消耗量应该是600-700万吨左右。

不过，蒙古地区将来的规划似乎应该是大力发展轨道交通。

原本我设想的未来蒙古地区的主要人口集中在从乌兰巴托到达尔罕的这一带，这里将变成主要的工业区，然后再来在这一带发展由电力所推进的轨道交通，比如说轻轨、有轨电车和电气化铁道交通。这样一来，就可以将很大一部分对液体燃料的消耗转变为对电力的消耗，而直接使用煤炭来发电以驱动交通工具，效率将比煤变油更高。

未来蒙古地区的农业带主要是蒙古北部地区，从库苏古尔湖到东方省，这些农业区主要以小型农业定居点为主，兼有舍饲，并且配合上一些可供游牧民所使用的冬季越冬点。小型农业定居点，主要使用农机、化肥、滴灌、农膜、大棚等技术，来搞节水农业，然后还制造青贮，并且还有沼气设施（可以提供气体燃料，并且还可以为增强土地肥力而产生大量有机肥）以及大型越冬棚圈，当然还有相应的自来水供应以及兽医站等。

届时，蒙古地区农业从业人口不会超过50-60万。其余的人口，则主要是集中在从乌兰巴托到达尔罕的这一带。

从乌兰巴托到达尔罕的这一带，将建成完整的工业体系，包括钢铁、有色金属、化工、建材、电气、机械、电子、光学、医药等工业部门，这些工业部门将生产出从集成化住宅到交通工具等一系列现代社会所需的各种产品。

比较粗略的估计，蒙古国的工业部门从业人口能够达到30-40万就足够了。比如说，蒙古国的汽车工业部门，从业人口2-3万就足矣（可以参考德国欧宝或者是长春一汽的规模）。再比如说，蒙古国的电子工业部门，从业人口1万多也足矣（可以参考日本索尼或者德国AEG的规模）。

最后，要达成的效果就是，一个比较发达富裕的现代化国家。这个国家可以自产从高炉到数控机床等一系列基础工业产品以维持自身工业体系的运行，这才算得上是真正的现代化。