王強 張冬

摘 要：文章選取新疆準東煤為研究對象，探討了新疆準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：反應溫度提高至440 ℃時，壓力在2 MPa，反應時間60 min，溶煤比為7，以FeS2作為催化劑，加入量為5%時，轉化率為70.9%；選擇四氫萘作為強供氫溶劑，轉化率為70.2%，油氣產(chǎn)率為38.4%，瀝青質為29.8%。

關鍵詞：準東煤田；直接液化；影響因素；轉化率

中圖分類號：TQ529.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）08-0167-03

1 新疆準東煤田概述

新疆準東煤田是我國目前最大的整裝煤田，其煤炭資源預測儲量為3 900億 t，占新疆煤炭儲量（2.19萬億 t）的17.8%，占全國煤炭資源儲量（5.56萬億 t）的7.2%。新疆準東煤煤種較為齊全，以不粘結煤、中低變質的長焰煤和弱粘結煤為主，約占預測資源量的80%。煉焦煤資源相對較少約55.93億 t。

預測資源總量中，煤質灰分低于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發(fā)展既減少環(huán)境污染又可以補償石油資源的短缺，對我國經(jīng)濟發(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過程中各種操作條件對反應的影響及參數(shù)選擇。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

煤液化反應實驗選擇新疆準東煤作為實驗用煤，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驗使用；四氫萘作為強供氫溶劑；選擇FeS2作為催化劑。

2.2 煤樣分析

新疆準東煤的煤質分析，見表1。

2.3 實驗藥品和儀器

試劑：分析純四氫萘、四氫呋喃、甲苯、丙酮、苯、正己烷；設備：煙臺建邦有限責任公司生產(chǎn)的高壓反應釜，有效容積為1 L。

3 結果及討論

3.1 溫度對液化結果的影響

實驗條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溫度范圍為380～440 ℃；

不添加任何催化劑；

反應停留時間為60 min；

溶煤比為4；

氫氣初壓為2 MPa。

實驗結果見表2。

由表2可知：

當反應溫度不斷提升，煤的轉化率也在逐漸上升。

從380 ℃提高到440 ℃時，轉化率也從40.1 %提高到48.6 %。在430 ℃時轉化率提升比較明顯，之后溫度再提高，轉化率提升開始減緩。

同時油氣產(chǎn)率也隨液化反應溫度的提高而增加，最高時達到26.9%，原因可能是溫度提高到440 ℃時大分子開始分解為小分子，比如瀝青質加氫分解。

而瀝青質產(chǎn)率開始隨溫度提高變大，當溫度達到410 ℃時，達到最大值22.8%，之后開始緩慢下降。

但是考慮到本實驗所用反應釜最高操作溫度為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)實驗的煤液化反應溫度。

3.2 反應停留時間對液化結果的影響

該組實驗的目的在于研究反應停留時間對新疆準東煤直接液化結果的影響。

實驗條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

反應停留時間范圍為30～80 min；

不添加任何催化劑；

溶煤比為4；

氫氣初壓為2 MPa。

實驗結果見表3。

由表3可知：

當反應時間不斷增加，煤的轉化率也在逐漸上升。

從30 min提高到80 min時，轉化率也從38.0%提高到48.9%。可以看出，時間的延長對于煤轉化率是有幫助的。并且60 min后，時間再延長時轉化率提升開始減緩。

油氣產(chǎn)率也隨著時間延長而不斷增大，最大值為27.3%。瀝青質產(chǎn)率開始隨時間延長而增大，當反應時間為60 min，達到最大23.0%，之后雖然時間延長但瀝青質產(chǎn)率開始降低，這可能是煤轉化率達到最大值后增加開始減緩以及煤焦化反應加劇的原因。

因此選擇60 min作為后續(xù)實驗的煤液化反應時間。

3.3 反應壓力對液化結果的影響

依據(jù)前文針對溫度、時間影響所做實驗，選擇430 ℃、60 min作為實驗反應溫度和停留時間。該組實驗目的在于研究反應壓力對新疆準東煤直接液化結果的影響。

實驗條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溫度為430 ℃；

不添加任何催化劑；

反應停留時間為60 min；

溶煤比為4；

氫氣初壓為0～3.5 MPa。

實驗結果見表4。

由表4可知：

當反應壓力不斷增加，煤的轉化率提升的比較明顯。從0 MPa提高到3.5 MPa時，轉化率也從3.5%提高到50.2 %。并且在2 MPa時達到48.0 %。

而后再提高壓力轉化率提升開始減緩，但高壓又造成對設備的材質要求高，導致設備成本大幅度提高。

而且在以3.5 MPa作為氫氣初壓時，反應壓力最大達到了17 MPa。

綜上考慮，選擇2 MPa作為后續(xù)實驗的煤液化反應壓力。

3.4 溶煤比對液化結果的影響

實驗條件如下：

供氫溶劑選擇四氫萘；

溫度為430 ℃；

不添加任何催化劑；

反應停留時間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa；

溶煤比范圍為2～7。

實驗結果見表5。

由表5可知：

當溶煤比不斷增加，煤的轉化率有比較明顯提升。

當溶煤比從2提高到7時，轉化率也從37.5%提高到51.0%。從實驗成本以及轉化率方面考慮，選擇5作為后續(xù)實驗的煤液化反應的溶煤比。

3.5 催化劑種類對液化結果的影響

實驗條件如下：

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%（質量比）；

反應停留時間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa；

溶煤比為5。

實驗結果見表6。

由表6可知：

催化劑種類不同，對于液化反應轉化率的影響是不一樣的。

相同實驗條件下，當選擇FeS2作為催化劑時，轉化率最大，為65.4%。此時油氣產(chǎn)率也最大，為35.2%。貴重金屬催化劑MoS2、CoCl2對于新疆準東煤的催化效果不太理想，轉化率增大不明顯，而其瀝青質產(chǎn)率明顯比起鐵系催化劑要低。ZnO、ZnCl2對液化反應的催化效果一般。

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)實驗的煤液化反應的催化劑。

3.6 催化劑量對液化結果的影響

實驗條件如下：

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%（與煤的質量比）；

反應停留時間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa。

實驗結果見表7。

由表7可知：

與之前不加催化劑的實驗對比，可見加入催化劑之后對于液化轉化率的提升是非常明顯的。不加任何催化劑時，轉化率最高為51.0 %（溶煤比為7時），當FeS2的加入量為5 %時，轉化率達到70.2 %。但是再增加催化劑用量，轉化率的提升開始變很緩慢。同時隨著催化劑加入量的增加瀝青質的產(chǎn)率不斷下降。這說明加入催化劑不僅促使總轉化率提高，也使得瀝青質向油氣轉化，對于液化結果是有利的。因為5%后再增加催化劑用量，轉化率的提升開始變很緩慢。所以選擇5%作為后續(xù)實驗的煤液化反應的催化劑的添加量。

3.7 供氫溶劑種類對液化結果的影響

實驗條件如下：

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 %（與煤的質量比）；

反應停留時間為60 min；

氫氣初壓為2 MPa。

實驗結果見表8。

由表8可知：

在上述五種供氫溶劑中，NMP的供氫效果最差，轉化率也最低。

四氫萘的供氫能力是最強的，能更好的傳遞氫及提供活性氫。而在煤焦油餾分中230～300 ℃的餾分油的轉化率是最高的，達到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最高。

4 結 語

由上文分析可得出以下結論：

①新疆準東煤具備良好的液化性能。

②新疆準東煤直接液化的最佳條件是：

反應溫度440 ℃；

壓力在2 MPa；

反應時間為60 min，溶煤比為7；

以FeS2作為催化劑時，加入量為5%時，選擇四氫萘作為強供氫溶劑；

總轉化率為70.2%；

油氣產(chǎn)率為38.4%。

參考文獻：

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

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