新疆五彩灣煤直接催化液化工藝研究

郭 靖，馬鳳云

（1. 中國礦業(yè)大學銀川學院化學工程系，寧夏 銀川 750011； 2. 新疆大學石油天然氣精細化工教育部和自治區(qū)重點實驗室， 新疆 烏魯木齊830046）

新疆五彩灣煤直接催化液化工藝研究

郭 靖1，馬鳳云2

（1. 中國礦業(yè)大學銀川學院化學工程系，寧夏 銀川 750011； 2. 新疆大學石油天然氣精細化工教育部和自治區(qū)重點實驗室， 新疆 烏魯木齊830046）

以新疆五彩灣煤為研究對象，氫初壓、液化時間和溶煤比為變量，選擇三因子兩水平的L8(27)正交實驗，對加氫液化產(chǎn)物進行直觀和方差分析，得出五彩灣煤適宜的液化條件。實驗結(jié)果表明，五彩灣煤適宜的直接液化條件為：溫度400 ℃、氫初壓6.0 MPa、時間45 min、溶煤比=2∶1。

直接液化；正交實驗；方差分析；溶劑

新疆煤炭資源豐富,儲量大、品種齊全, 預(yù)測儲量約2.19 億t[1]，且90%屬于低變質(zhì)煤,易于液化,有巨大的開發(fā)潛力。本文以新疆天山北坡五彩灣煤為研究對象，采用正交實驗，考察了氫初壓、液化時間和溶煤比對直接液化效果的影響，從而為五彩灣煤選擇了適宜的直接液化條件。

1 實驗部分

1.1 實驗煤樣和藥品

煤樣：取自新疆天山北坡五彩灣煤礦，將其粉碎研磨至200目，避光密封保存。其工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

藥品：甲苯、正己烷、四氫呋喃、四氫萘、1#油（克拉瑪依減壓渣油）、2#油（獨山子常壓重油）。

表1 煤樣分析結(jié)果Table 1 Analysis results for coal sample

1.2 實驗方案

本實驗的路線如圖1所示。定義溶于正己烷不溶于甲苯是油，溶于甲苯不溶于四氫呋喃是瀝青烯，溶于四氫呋喃是前瀝青烯，不溶于四氫呋喃是液化殘渣。

1.3 實驗條件

在煤樣、催化劑、液化時間一定情況下，煤液化主要有氫初壓、溶煤比、反應(yīng)溫度三個影響因素，本實驗選擇三因子兩水平L8(27)的正交表。每組實驗取五彩灣煤30.0 g，催化劑Fe2O31.2 g、S 0.3 g，在400℃進行實驗，液化條件如表2所示。

圖1 實驗路線Fig.1 Experimental process

表2 煤直接液化反應(yīng)條件Table 2 Reaction conditions for coal liquefaction

1.4 實驗步驟

分別稱取煤樣、催化劑及相應(yīng)質(zhì)量的溶劑均入反應(yīng)釜。氫氣置換兩次后調(diào)初壓，開控制器，開加熱器，每5 min記錄一次釜溫和釜壓，到釜溫升到400 ℃，再開始每5 min記錄釜溫、釜壓，到所需反應(yīng)時間停止。冷卻至室溫，記錄釜溫和釜壓。用集氣袋收集液化后氣體。固液產(chǎn)物分別用正己烷，甲苯，四氫呋喃抽提，至溶劑澄清。抽提殘渣分別稱重，計算液化產(chǎn)率。

2 結(jié)果與討論

液化結(jié)果見表3。液化率包括油產(chǎn)率、瀝青烯和前瀝青烯產(chǎn)率。據(jù)文獻[2]，煤液化油產(chǎn)率達30.3%，就有經(jīng)濟可行性，表3中油產(chǎn)率均＞30.3%，進一步知，五彩灣煤適合直接液化。

表3 煤直接液化反應(yīng)條件煤樣實驗產(chǎn)率Table 3 Experimental results of coal sample %

2.1 油產(chǎn)率的直觀分析與方差分析

如圖2所示，壓力(A)、液化時間(B)、溶煤比(C)三因子的趨勢均是因子越大，油產(chǎn)率越高。其中因子C的點高低相差最大，因子B的點高低相差最小，所以因子C＞A＞B的影響，具體的C2、A2、B2影響顯著，因此，初步得出400 ℃時，五彩灣煤液化溶煤比2∶1、液化時間60 min、氫初壓6.0 MPa對油產(chǎn)率影響顯著。

圖2 三因素對油產(chǎn)率的影響Fig.2 Effect of three factors on oil yield

從方差表4知，F(xiàn)C＞FA＞FB。查表知F0.01(1,4) =21.2，F(xiàn)0.05(1,4)= 7.71，F(xiàn)0.1(1,4)=4.54。所以F0.05＜FC＜F0.01，F(xiàn)A＜F0.1，F(xiàn)B＜F0.1，即溶煤比為顯著影響因素，氫初壓和液化時間影響不顯著。實際上，氫初壓、液化時間對煤液化均有影響。由于煤液化在高氫初壓下影響顯著，而在不敏感的低壓區(qū)由5 MPa增到6 MPa影響??；而對于液化時間來說，時間短會使液化不完全，過長又會發(fā)生縮聚反應(yīng)，所以存在使油產(chǎn)率最大的最佳液化時間。方差分析的45、60 min可能正處于最佳時間兩邊而表現(xiàn)為影響不顯著，所以液化時間的選定可在＜60 min。因此，對油產(chǎn)率而言，五彩灣煤適宜液化條件為400 ℃、溶煤比2∶1、液化時間45 min、氫初壓6.0 MPa。

表4 油產(chǎn)率方差分析表Table 4 Analysis table of variance for oil yield

2.2 瀝青烯產(chǎn)率的直觀分析與方差分析

圖3 三因素對瀝青烯產(chǎn)率的影響Fig.3 Effect of three factors on asphaltene yield

瀝青烯產(chǎn)率的直觀圖見圖3。影響趨勢因子C＞A＞B，具體為C1、A1、B1或B2影響顯著。初步得出400℃時，煤液化對瀝青烯產(chǎn)率影響顯著因素為溶煤比為1∶1、氫初壓為5.0 MPa、液化時間45或60 min。

表5 瀝青烯產(chǎn)率的方差分析表Table 5 Analysis table of variance for asphaltene yield

由表5知，F(xiàn)C＞FA＞FB。所以F0.1＜FC＜F0.05，F(xiàn)A、FB＜F0.1，即煤溶比有一定影響，氫初壓和液化時間影響不顯著。所以，對瀝青烯產(chǎn)率而言，煤適宜液化條件為400 ℃、溶煤比1∶1、液化時間45 min、氫初壓5.0 MPa。

2.3 前瀝青烯產(chǎn)率的直觀分析與方差分析

前瀝青烯產(chǎn)率的直觀圖見圖4。影響趨勢因子A＞C＞B，具體為A2、B1和C1影響顯著。初步得出400 ℃時，五彩灣煤液化前瀝青烯產(chǎn)率顯著影響因素為氫初壓6.0 MPa、溶煤比1∶1、液化時間45 min。

圖4 三因素對前瀝青烯產(chǎn)率的影響Fig.4 Effect of three factors on pre-asphaltene yield

從表6知，F(xiàn)A＞FC＞FB。所以FC、FA、FB＜F0.1，即煤溶比、氫初壓和液化時間均影響不顯著。所以，對前瀝青烯產(chǎn)率而言，煤適宜液化條件為400 ℃、溶煤比1∶1、液化時間45 min、氫初壓5.0 MPa。

表6 前瀝青烯產(chǎn)率方差分析表Table 6 Analysis table of variance for pre-asphaltene yield

2.4 轉(zhuǎn)化率的直觀分析與方差分析

總液化率的直觀圖見圖5。影響趨勢C＞A＞B，具體為C2、A2和B2影響顯著。初步得出在400 ℃時，煤液化液化率的顯著影響因素為溶煤比2∶1、氫初壓6.0 MPa和液化時間60 min。

由表7知，F(xiàn)C＞FA＞FB。所以FC＞F0.01，F(xiàn)0.05＜FA＜F0.01，F(xiàn)B＜F0.1，即煤溶比表現(xiàn)為高度顯著影響，氫初壓為顯著影響，液化時間影響不顯著。所以，對液化率而言，五彩灣煤適宜液化條件為400℃、溶煤比2∶1、液化時間45 min、氫初壓6.0 MPa。

圖5 三因素對液化率的影響Fig.5 Effect of three factors on liquefaction yield

表7 液化率方差分析表Table 7 Analysis table of variance for liquefaction yield

綜上所述，通過以上分析，五彩灣煤適合直接液化，且適宜的液化條件為溫度400 ℃、氫初壓6.0 MPa、時間45 min、溶煤比2∶1。

3 結(jié) 論

（1）五彩灣煤適合作為直接液化的原料；

（2）五彩灣煤適宜的直接液化條件為：溫度400℃，壓力6.0 MPa，時間45 min和溶∶煤=2∶1。

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Study on Direct Catalytic Liquefaction Technology of Xinjiang Wucaiwan Coal

GUO Jing1,MA Feng-yun2
(1. Yinchuan College, China University of Mining and Technology, Ningxia Yinchuan 750011, China; 2. Key Lab. of Oil & Gas Fine Chemicals, Ministry of Education & Xinjiang Uyghur Autonomous Region, Xinjiang University, Xinjiang Urumqi 830046, China)

Taking Xinjiang Wucaiwan coal as the research subject, effects of initial H2pressure, liquefaction time and solvent/coal ratio on the coal liquefaction were investigated by orthogonal experiments. The optimum conditions for Wucaiwan coal liquefaction were determined. The results indicate that the optimum condition for Wucaiwan coal liquefaction are as follows：liquefaction temperature 400 ℃, initial hydrogen pressure 6.0 MPa, liquefaction time 45min ,and solvent/coal ratio 2.

Direct liquefaction; Orthogonal experiment; Intersect variance analysis; Solvent

TQ 529

A

1671-0460（2013）11-1495-03

新疆維吾爾自治區(qū)科技攻關(guān)項目，項目號：200841130。

2013-08-20

郭靖（1984-），女，湖北黃岡人，講師，碩士，2010年畢業(yè)于新疆大學化學工藝專業(yè)，研究方向：從事煤直接液化技術(shù)工作。E-mail：guojingsn@163.com。