新疆準(zhǔn)東煤直接液化影響因素研究

王強(qiáng) 張冬

摘 要：文章選取新疆準(zhǔn)東煤為研究對(duì)象，探討了新疆準(zhǔn)東煤的直接液化性能影響因素；該煤具備良好的液化性能，直接液化的最佳工藝條件是：反應(yīng)溫度提高至440 ℃時(shí)，壓力在2 MPa，反應(yīng)時(shí)間60 min，溶煤比為7，以FeS2作為催化劑，加入量為5%時(shí)，轉(zhuǎn)化率為70.9%；選擇四氫萘作為強(qiáng)供氫溶劑，轉(zhuǎn)化率為70.2%，油氣產(chǎn)率為38.4%，瀝青質(zhì)為29.8%。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)東煤田；直接液化；影響因素；轉(zhuǎn)化率

中圖分類號(hào)：TQ529.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）08-0167-03

1 新疆準(zhǔn)東煤田概述

新疆準(zhǔn)東煤田是我國(guó)目前最大的整裝煤田，其煤炭資源預(yù)測(cè)儲(chǔ)量為3 900億 t，占新疆煤炭?jī)?chǔ)量（2.19萬(wàn)億 t）的17.8%，占全國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量（5.56萬(wàn)億 t）的7.2%。新疆準(zhǔn)東煤煤種較為齊全，以不粘結(jié)煤、中低變質(zhì)的長(zhǎng)焰煤和弱粘結(jié)煤為主，約占預(yù)測(cè)資源量的80%。煉焦煤資源相對(duì)較少約55.93億 t。

預(yù)測(cè)資源總量中，煤質(zhì)灰分低于25%的約占95%；低于10%的約占16%。硫分低于1.5%的約占96%，其中低于1.0%的約占80%；侏羅紀(jì)煤層為中灰-低灰、中硫-特低硫煤，是良好的液化用煤。而煤炭直接液化技術(shù)發(fā)展既減少環(huán)境污染又可以補(bǔ)償石油資源的短缺，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的意義，有著廣泛的發(fā)展前景。

本文主要探討煤液化反應(yīng)過(guò)程中各種操作條件對(duì)反應(yīng)的影響及參數(shù)選擇。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

煤液化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)選擇新疆準(zhǔn)東煤作為實(shí)驗(yàn)用煤，處理后煤樣規(guī)格小于等于200目，將干燥煤樣入樣品袋置于干燥器中供實(shí)驗(yàn)使用；四氫萘作為強(qiáng)供氫溶劑；選擇FeS2作為催化劑。

2.2 煤樣分析

新疆準(zhǔn)東煤的煤質(zhì)分析，見(jiàn)表1。

2.3 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

試劑：分析純四氫萘、四氫呋喃、甲苯、丙酮、苯、正己烷；設(shè)備：煙臺(tái)建邦有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高壓反應(yīng)釜，有效容積為1 L。

3 結(jié)果及討論

3.1 溫度對(duì)液化結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溫度范圍為380～440 ℃；

不添加任何催化劑；

反應(yīng)停留時(shí)間為60 min；

溶煤比為4；

氫氣初壓為2 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知：

當(dāng)反應(yīng)溫度不斷提升，煤的轉(zhuǎn)化率也在逐漸上升。

從380 ℃提高到440 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率也從40.1 %提高到48.6 %。在430 ℃時(shí)轉(zhuǎn)化率提升比較明顯，之后溫度再提高，轉(zhuǎn)化率提升開(kāi)始減緩。

同時(shí)油氣產(chǎn)率也隨液化反應(yīng)溫度的提高而增加，最高時(shí)達(dá)到26.9%，原因可能是溫度提高到440 ℃時(shí)大分子開(kāi)始分解為小分子，比如瀝青質(zhì)加氫分解。

而瀝青質(zhì)產(chǎn)率開(kāi)始隨溫度提高變大，當(dāng)溫度達(dá)到410 ℃時(shí)，達(dá)到最大值22.8%，之后開(kāi)始緩慢下降。

但是考慮到本實(shí)驗(yàn)所用反應(yīng)釜最高操作溫度為450 ℃，而且為防止裝置出現(xiàn)飛溫現(xiàn)象，因此選擇430 ℃作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的煤液化反應(yīng)溫度。

3.2 反應(yīng)停留時(shí)間對(duì)液化結(jié)果的影響

該組實(shí)驗(yàn)的目的在于研究反應(yīng)停留時(shí)間對(duì)新疆準(zhǔn)東煤直接液化結(jié)果的影響。

實(shí)驗(yàn)條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

反應(yīng)停留時(shí)間范圍為30～80 min；

不添加任何催化劑；

溶煤比為4；

氫氣初壓為2 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知：

當(dāng)反應(yīng)時(shí)間不斷增加，煤的轉(zhuǎn)化率也在逐漸上升。

從30 min提高到80 min時(shí)，轉(zhuǎn)化率也從38.0%提高到48.9%。可以看出，時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)于煤轉(zhuǎn)化率是有幫助的。并且60 min后，時(shí)間再延長(zhǎng)時(shí)轉(zhuǎn)化率提升開(kāi)始減緩。

油氣產(chǎn)率也隨著時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增大，最大值為27.3%。瀝青質(zhì)產(chǎn)率開(kāi)始隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為60 min，達(dá)到最大23.0%，之后雖然時(shí)間延長(zhǎng)但瀝青質(zhì)產(chǎn)率開(kāi)始降低，這可能是煤轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大值后增加開(kāi)始減緩以及煤焦化反應(yīng)加劇的原因。

因此選擇60 min作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的煤液化反應(yīng)時(shí)間。

3.3 反應(yīng)壓力對(duì)液化結(jié)果的影響

依據(jù)前文針對(duì)溫度、時(shí)間影響所做實(shí)驗(yàn)，選擇430 ℃、60 min作為實(shí)驗(yàn)反應(yīng)溫度和停留時(shí)間。該組實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谘芯糠磻?yīng)壓力對(duì)新疆準(zhǔn)東煤直接液化結(jié)果的影響。

實(shí)驗(yàn)條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溫度為430 ℃；

不添加任何催化劑；

反應(yīng)停留時(shí)間為60 min；

溶煤比為4；

氫氣初壓為0～3.5 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知：

當(dāng)反應(yīng)壓力不斷增加，煤的轉(zhuǎn)化率提升的比較明顯。從0 MPa提高到3.5 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)化率也從3.5%提高到50.2 %。并且在2 MPa時(shí)達(dá)到48.0 %。

而后再提高壓力轉(zhuǎn)化率提升開(kāi)始減緩，但高壓又造成對(duì)設(shè)備的材質(zhì)要求高，導(dǎo)致設(shè)備成本大幅度提高。

而且在以3.5 MPa作為氫氣初壓時(shí)，反應(yīng)壓力最大達(dá)到了17 MPa。

綜上考慮，選擇2 MPa作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的煤液化反應(yīng)壓力。

3.4 溶煤比對(duì)液化結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溫度為430 ℃；

不添加任何催化劑；

反應(yīng)停留時(shí)間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa；

溶煤比范圍為2～7。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知：

當(dāng)溶煤比不斷增加，煤的轉(zhuǎn)化率有比較明顯提升。

當(dāng)溶煤比從2提高到7時(shí)，轉(zhuǎn)化率也從37.5%提高到51.0%。從實(shí)驗(yàn)成本以及轉(zhuǎn)化率方面考慮，選擇5作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的煤液化反應(yīng)的溶煤比。

3.5 催化劑種類對(duì)液化結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溫度為430 ℃；

催化劑選擇Fe2O3、FeS2、ZnO、ZnCl2、MoS2、CoCl2；

催化劑用量為3%（質(zhì)量比）；

反應(yīng)停留時(shí)間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa；

溶煤比為5。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

由表6可知：

催化劑種類不同，對(duì)于液化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響是不一樣的。

相同實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)選擇FeS2作為催化劑時(shí)，轉(zhuǎn)化率最大，為65.4%。此時(shí)油氣產(chǎn)率也最大，為35.2%。貴重金屬催化劑MoS2、CoCl2對(duì)于新疆準(zhǔn)東煤的催化效果不太理想，轉(zhuǎn)化率增大不明顯，而其瀝青質(zhì)產(chǎn)率明顯比起鐵系催化劑要低。ZnO、ZnCl2對(duì)液化反應(yīng)的催化效果一般。

因此，綜合催化劑的催化效果和催化劑成本的考慮，選擇FeS2作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的煤液化反應(yīng)的催化劑。

3.6 催化劑量對(duì)液化結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溶煤比為5；

溫度為430 ℃；

選擇FeS2作為催化劑；

催化劑用量范圍為2～7%（與煤的質(zhì)量比）；

反應(yīng)停留時(shí)間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知：

與之前不加催化劑的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可見(jiàn)加入催化劑之后對(duì)于液化轉(zhuǎn)化率的提升是非常明顯的。不加任何催化劑時(shí)，轉(zhuǎn)化率最高為51.0 %（溶煤比為7時(shí)），當(dāng)FeS2的加入量為5 %時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)到70.2 %。但是再增加催化劑用量，轉(zhuǎn)化率的提升開(kāi)始變很緩慢。同時(shí)隨著催化劑加入量的增加瀝青質(zhì)的產(chǎn)率不斷下降。這說(shuō)明加入催化劑不僅促使總轉(zhuǎn)化率提高，也使得瀝青質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化，對(duì)于液化結(jié)果是有利的。因?yàn)?%后再增加催化劑用量，轉(zhuǎn)化率的提升開(kāi)始變很緩慢。所以選擇5%作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的煤液化反應(yīng)的催化劑的添加量。

3.7 供氫溶劑種類對(duì)液化結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘、煤焦油餾分、NMP（N-甲基吡咯烷酮）；

溶煤比為5；

溫度為430 ℃；

選擇FeS2作為催化劑；

催化劑用量為5 %（與煤的質(zhì)量比）；

反應(yīng)停留時(shí)間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知：

在上述五種供氫溶劑中，NMP的供氫效果最差，轉(zhuǎn)化率也最低。

四氫萘的供氫能力是最強(qiáng)的，能更好的傳遞氫及提供活性氫。而在煤焦油餾分中230～300 ℃的餾分油的轉(zhuǎn)化率是最高的，達(dá)到57.6%。其余兩種餾分油的供氫效果稍差，而油氣產(chǎn)率也是在四氫萘作為溶劑時(shí)最高。

4 結(jié) 語(yǔ)

由上文分析可得出以下結(jié)論：

①新疆準(zhǔn)東煤具備良好的液化性能。

②新疆準(zhǔn)東煤直接液化的最佳條件是：

反應(yīng)溫度440 ℃；

壓力在2 MPa；

反應(yīng)時(shí)間為60 min，溶煤比為7；

以FeS2作為催化劑時(shí)，加入量為5%時(shí)，選擇四氫萘作為強(qiáng)供氫溶劑；

總轉(zhuǎn)化率為70.2%；

油氣產(chǎn)率為38.4%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 倪雙躍，高晉生，朱之培.我國(guó)年輕煤加氫液化研究[J].燃料化報(bào)，1985，（4）.

[2] 劉俊寶.石油替代分析—煤液化[J].石油科技論壇，2007，（3）.