基于煤分质分级利用的煤油共炼研究

作     者：张宏文 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄伟;张乾;刘佳

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：煤油共炼 煤显微组分分离 重液浮沉法 相互作用 煤焦油 油煤匹配性 

摘      要：以煤炭作为我国能源供应的主体是我国化石能源资源禀赋的客观选择。随着我国经济的高速发展,对液体燃料的需求与日俱增,煤制液体燃料成为相关基础研究和工业示范的热点。煤油共炼技术是结合了煤直接液化和重油加工工艺的新型煤制油技术,该技术在将煤转化为液体燃料的同时,又能促进重油的加工利用,但适宜的煤种和共炼油的选择是限制该技术稳定运行、推广应用的主要技术壁垒。基于此,本课题组提出基于煤岩显微组分组成特征的煤分质液化方法,通过将煤样预分质和将煤热解焦油部分或全部用于替代共炼油的方法,拓展煤种、油样的可选择范围并提高煤油共炼效率。在此理念指导下,本研究以陕西延长煤为研究对象,利用重液浮沉分离法,进行了单次5 kg原煤分质分离实验,获得了高纯度的显微组分富集煤样,并对其结构特性进行了系统分析;进而考察了显微组分富集煤样和FCC油浆共炼反应特性,对其产物组成和分布进行了研究探讨;进一步进行了显微组分富集煤样及FCC油浆单独加氢实验,探究了显微组分富集煤和FCC油浆之间的相互作用;在此基础上,考察了原煤及惰质组富集煤热解中低温煤焦油作为共炼油与镜质组富集煤共炼的反应特性。具体研究内容如下:（1）煤显微组分宏量分离研究:依据课题组前期研究基础,采用重液浮沉分离法,完成了单次5 kg原煤分质分离实验,将原煤分质获得了镜质组、惰质组和矿物质富集煤样。其中,镜质组富集煤中镜质组含量从原煤的48.05%提高到76.02%,惰质组富集煤中惰质组含量从原煤的43.96%提高到63.98%,矿物质富集煤中矿物质含量从原煤的6.23%提高到61.99%。（2）显微组分富集煤和FCC油浆共炼反应特性研究:镜质组富集煤的氢碳原子比高、挥发分含量高、氧含量高,在煤油共炼反应中气、液相产率较高,煤转化率高,且氢耗低,产物油品质好,脂肪烃含量较高。惰质组富集煤的石墨化程度高,芳香结构稳定,缩合度高,故其在煤油共炼反应中气体产率、液体产率和煤转化率均较低,焦炭产率高,耗氢量大,产物油中芳香烃含量高,油品整体较重。矿物质富集煤中富含黄铁矿等具有催化加氢活性的金属化合物,但其中有机质含量较低,故其在煤油共炼反应中的气、液产率均较低,但产物油品质亦较好。利用显微组分富集煤样及FCC油浆单独加氢实验与煤油共炼实验对比发现,在煤油共炼反应中,煤和FCC油浆之间存在着显著的协同作用,能够显著促进煤向液体产物的转化,而且镜质组富集煤和FCC共炼过程能促进脂肪烃的生成;惰质组富集煤和FCC共炼过程能显著促进芳香烃的生成。（3）原煤及惰质组富集煤热解中低温煤焦油与煤共炼反应特性研究:相比于原煤热解所得中低温煤焦油,惰质组富集煤热解所得的中低温煤焦油中脂肪烃类化合物和酚类化合物相对含量较低,芳香烃类化合物含量较高。在煤与这两种煤焦油共炼过程中,液体产率和煤转化率均较FCC油浆作共炼油时低,而气体产率和焦炭产率则较高;两种煤焦油中,多环芳烃含量均较低,氢传递能力弱,导致反应过程中煤裂解所得的自由基和煤焦油裂解所得的自由基对反应体系中活性氢原子进行争夺。将煤焦油和氢传递能力较强的FCC油浆掺混作为共炼油进行反应共炼研究发现,惰质组富集煤热解所得煤焦油与FCC油浆之间出现了较强的协同作用,说明煤焦油中的芳香族化合物和煤中结构相似度高,互溶度好,煤焦油强化了煤在反应体系溶解和分散,FCC油浆中多环芳烃则强化了反应体系的供氢能力,两者相互协同促进煤的转化。本论文研究了煤显微组分分离及所得不同显微组分富集煤在煤油共炼中的应用,为充分发挥煤炭的资源价值,实现煤分质分级与煤油共炼技术的耦合,创新煤油共炼工艺提供了基础实验数据和理论指导。