新疆五彩湾煤直接催化液化工艺研究

郭 靖，马凤云

（1. 中国矿业大学银川学院化学工程系，宁夏 银川 750011； 2. 新疆大学石油天然气精细化工教育部和自治区重点实验室， 新疆 乌鲁木齐830046）

新疆五彩湾煤直接催化液化工艺研究

郭 靖1，马凤云2

（1. 中国矿业大学银川学院化学工程系，宁夏 银川 750011； 2. 新疆大学石油天然气精细化工教育部和自治区重点实验室， 新疆 乌鲁木齐830046）

以新疆五彩湾煤为研究对象，氢初压、液化时间和溶煤比为变量，选择三因子两水平的L8(27)正交实验，对加氢液化产物进行直观和方差分析，得出五彩湾煤适宜的液化条件。实验结果表明，五彩湾煤适宜的直接液化条件为：温度400 ℃、氢初压6.0 MPa、时间45 min、溶煤比=2∶1。

直接液化；正交实验；方差分析；溶剂

新疆煤炭资源丰富,储量大、品种齐全, 预测储量约2.19 亿t[1]，且90%属于低变质煤,易于液化,有巨大的开发潜力。本文以新疆天山北坡五彩湾煤为研究对象，采用正交实验，考察了氢初压、液化时间和溶煤比对直接液化效果的影响，从而为五彩湾煤选择了适宜的直接液化条件。

1 实验部分

1.1 实验煤样和药品

煤样：取自新疆天山北坡五彩湾煤矿，将其粉碎研磨至200目，避光密封保存。其工业分析和元素分析结果见表1。

药品：甲苯、正己烷、四氢呋喃、四氢萘、1#油（克拉玛依减压渣油）、2#油（独山子常压重油）。

表1 煤样分析结果Table 1 Analysis results for coal sample

1.2 实验方案

本实验的路线如图1所示。定义溶于正己烷不溶于甲苯是油，溶于甲苯不溶于四氢呋喃是沥青烯，溶于四氢呋喃是前沥青烯，不溶于四氢呋喃是液化残渣。

1.3 实验条件

在煤样、催化剂、液化时间一定情况下，煤液化主要有氢初压、溶煤比、反应温度三个影响因素，本实验选择三因子两水平L8(27)的正交表。每组实验取五彩湾煤30.0 g，催化剂Fe2O31.2 g、S 0.3 g，在400℃进行实验，液化条件如表2所示。

图1 实验路线Fig.1 Experimental process

表2 煤直接液化反应条件Table 2 Reaction conditions for coal liquefaction

1.4 实验步骤

分别称取煤样、催化剂及相应质量的溶剂均入反应釜。氢气置换两次后调初压，开控制器，开加热器，每5 min记录一次釜温和釜压，到釜温升到400 ℃，再开始每5 min记录釜温、釜压，到所需反应时间停止。冷却至室温，记录釜温和釜压。用集气袋收集液化后气体。固液产物分别用正己烷，甲苯，四氢呋喃抽提，至溶剂澄清。抽提残渣分别称重，计算液化产率。

2 结果与讨论

液化结果见表3。液化率包括油产率、沥青烯和前沥青烯产率。据文献[2]，煤液化油产率达30.3%，就有经济可行性，表3中油产率均＞30.3%，进一步知，五彩湾煤适合直接液化。

表3 煤直接液化反应条件煤样实验产率Table 3 Experimental results of coal sample %

2.1 油产率的直观分析与方差分析

如图2所示，压力(A)、液化时间(B)、溶煤比(C)三因子的趋势均是因子越大，油产率越高。其中因子C的点高低相差最大，因子B的点高低相差最小，所以因子C＞A＞B的影响，具体的C2、A2、B2影响显著，因此，初步得出400 ℃时，五彩湾煤液化溶煤比2∶1、液化时间60 min、氢初压6.0 MPa对油产率影响显著。

图2 三因素对油产率的影响Fig.2 Effect of three factors on oil yield

从方差表4知，FC＞FA＞FB。查表知F0.01(1,4) =21.2，F0.05(1,4)= 7.71，F0.1(1,4)=4.54。所以F0.05＜FC＜F0.01，FA＜F0.1，FB＜F0.1，即溶煤比为显著影响因素，氢初压和液化时间影响不显著。实际上，氢初压、液化时间对煤液化均有影响。由于煤液化在高氢初压下影响显著，而在不敏感的低压区由5 MPa增到6 MPa影响小；而对于液化时间来说，时间短会使液化不完全，过长又会发生缩聚反应，所以存在使油产率最大的最佳液化时间。方差分析的45、60 min可能正处于最佳时间两边而表现为影响不显著，所以液化时间的选定可在＜60 min。因此，对油产率而言，五彩湾煤适宜液化条件为400 ℃、溶煤比2∶1、液化时间45 min、氢初压6.0 MPa。

表4 油产率方差分析表Table 4 Analysis table of variance for oil yield

2.2 沥青烯产率的直观分析与方差分析

图3 三因素对沥青烯产率的影响Fig.3 Effect of three factors on asphaltene yield

沥青烯产率的直观图见图3。影响趋势因子C＞A＞B，具体为C1、A1、B1或B2影响显著。初步得出400℃时，煤液化对沥青烯产率影响显著因素为溶煤比为1∶1、氢初压为5.0 MPa、液化时间45或60 min。

表5 沥青烯产率的方差分析表Table 5 Analysis table of variance for asphaltene yield

由表5知，FC＞FA＞FB。所以F0.1＜FC＜F0.05，FA、FB＜F0.1，即煤溶比有一定影响，氢初压和液化时间影响不显著。所以，对沥青烯产率而言，煤适宜液化条件为400 ℃、溶煤比1∶1、液化时间45 min、氢初压5.0 MPa。

2.3 前沥青烯产率的直观分析与方差分析

前沥青烯产率的直观图见图4。影响趋势因子A＞C＞B，具体为A2、B1和C1影响显著。初步得出400 ℃时，五彩湾煤液化前沥青烯产率显著影响因素为氢初压6.0 MPa、溶煤比1∶1、液化时间45 min。

图4 三因素对前沥青烯产率的影响Fig.4 Effect of three factors on pre-asphaltene yield

从表6知，FA＞FC＞FB。所以FC、FA、FB＜F0.1，即煤溶比、氢初压和液化时间均影响不显著。所以，对前沥青烯产率而言，煤适宜液化条件为400 ℃、溶煤比1∶1、液化时间45 min、氢初压5.0 MPa。

表6 前沥青烯产率方差分析表Table 6 Analysis table of variance for pre-asphaltene yield

2.4 转化率的直观分析与方差分析

总液化率的直观图见图5。影响趋势C＞A＞B，具体为C2、A2和B2影响显著。初步得出在400 ℃时，煤液化液化率的显著影响因素为溶煤比2∶1、氢初压6.0 MPa和液化时间60 min。

由表7知，FC＞FA＞FB。所以FC＞F0.01，F0.05＜FA＜F0.01，FB＜F0.1，即煤溶比表现为高度显著影响，氢初压为显著影响，液化时间影响不显著。所以，对液化率而言，五彩湾煤适宜液化条件为400℃、溶煤比2∶1、液化时间45 min、氢初压6.0 MPa。

图5 三因素对液化率的影响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

综上所述，通过以上分析，五彩湾煤适合直接液化，且适宜的液化条件为温度400 ℃、氢初压6.0 MPa、时间45 min、溶煤比2∶1。

3 结 论

（1）五彩湾煤适合作为直接液化的原料；

（2）五彩湾煤适宜的直接液化条件为：温度400℃，压力6.0 MPa，时间45 min和溶∶煤=2∶1。

［1］杨文春，马凤云,等. 新疆硫磺沟煤直接液化工艺性质初探[J]. 现代化工，2007,27(增刊2）：361-365.

［2］舒歌平,等.煤炭液化技术[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

［3］郭靖，马凤云,等. 微波溶胀对五彩湾煤直接液化影响的研究[J]. 当代化工，2010，39：369-374.

［4］徐会军，刘治中.煤炭直接液化技术的发展[J].煤炭加工与综合利用，2003（4）：36-40.

［5］Olah G, Heredy. A1 Liquefaction of coal at moderate temperatures[J]. Chemical Engineering，1983，90 (16) ：9.

［6］朱之培，高晋生.煤化学[M ].上海：上海科技出版社，1988.

［7］薛贤贞，高仲峰.煤直接液化的技术及经济性评述[J].上海化工,2001(15)：32-351

［8］王永刚,等.先锋煤和神华煤直接液化油的组成[J].煤炭学报,2006(1):2.

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

新疆维吾尔自治区科技攻关项目，项目号：200841130。

2013-08-20

郭靖（1984-），女，湖北黄冈人，讲师，硕士，2010年毕业于新疆大学化学工艺专业，研究方向：从事煤直接液化技术工作。E-mail：guojingsn@163.com。