煤的液化（Coal liquefaction）

煤的液化（Coal liquefaction）
國立新莊高級中學陳偉民退休教師

利用煤生產液態燃料的製程就稱為煤的液化。適合以液態消費的能源，可以用煤的液化處理。此項技術必須加熱煤炭，通常和許多種反應物（如氫氣）共同加熱，而得到液體。因為會產生大量廢棄物，此項技術可能引發爭議。煤的液化是否具有經濟誘因，與石油的價格息息相關。相關且相互競爭的技術為煤的氣化。

方法

液化的方法分為直接轉化成液態及間接轉化成液態兩種方法。直接法包括碳化及氫化。

熱裂解與碳化

碳化法有許多種。碳化發生在熱裂解（或稱為破壞性蒸餾），能產生煤溚、油及水蒸氣，還有合成氣，以及固態殘餘物──焦炭。接下來，煤溚和油被進一步氫化處理（hydrotreating），以除去含硫和氮的物質，接下來再製成燃料。

典型的碳化反應就是卡瑞克法（Karrick process）。在這個低溫碳化法中，煤炭在缺少空氣的情況下被加熱至360℃至750℃。這樣的溫度可以使產生的煤溚較優質，其中烴類的平均分子量比正常的煤溚低。然而產生的液體只是副產品，主要產品是半焦炭，一種固態的無煙燃料。

氫化

把煤直接轉化為液體的主要方法之一是氫化法，又稱為貝吉斯法（Bergius process），是貝吉斯（F. Bergius）在1913年發明的。在這個方法中，乾燥的煤炭與在此法中循環使用的重油混合。典型的做法是把催化劑加入混合物中，反應在400℃至500℃之間進行，氫氣的分壓為20~70 Mpa。反應可以總結為下式：

n C + (n + 1) H₂ → C_nH_{2 n + 2}

德國在一次大戰之後建立了許多這類的工廠，這些工廠在二次大戰期間被廣泛使用，以供應德國所需的燃料與潤滑油。Kohleoel法是德國煤礦公司Ruhrkohle及聯合電力及礦業公司（Elektrizitäts und Bergwerks Aktiengesellschaft，簡稱為VEBA）發明的，被一間位於德國Bottrop市的示範工廠採用，每天可處理200噸的褐煤。這家工廠在1981至1987年之間營運。在此種製法中，煤炭與循環利用的溶劑及鐵催化劑混合。在預熱與加壓之後，再加H₂。此種製法在管狀反應器中進行，壓力為300巴，溫度為470℃。南非的能源化工廠SASOL也曾研究此種方法。

在1970-1980年代，日本公司，包括Nippon Kokan、住友金屬工業與三菱重工發明了NEDOL製法。在此種製法中，煤炭與循環利用的溶劑及合成的鐵催化劑混合。在預熱與加壓之後，再加入H₂。反應在管狀反應器中進行，溫度維持在430到465℃之間，壓力為150-200巴。產生的油品質不良，必須再加精製。

間接轉化法

煤可以被氣化，製成合成氣（CO與H₂之氣體混合物）。以此種混合物為原料，費雪－闕布希法（Fischer-Tropsch process）可把合成氣轉化為分子量較小的烴（如乙烷），接著再進一步處理，製成汽油及柴油。

環境上的顧慮

煤的熱裂解會產生多環芳香烴，已知這類物質是致癌物。在全球暖化方面也有所顧慮，尤其是當煤的液化過程中若未使用二氧化碳捕獲與封存技術時，危害更大。

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參考資料：

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Coal_liquefaction

2. http://www.netl.doe.gov/technologies/hydrogen_clean_fuels/refshelf/presentations/20090409_LTI_DCL%20Presentation%20-%20Comprehensive%20Overview.pdf