中/低温煤焦油悬浮床加氢前后的组成变化

为深入研究中/低温煤焦油全馏分悬浮床加氢行为,对其进行了一系列的高压釜加氢实验,通过常减压蒸馏、组分分离、元素分析来表征其加氢前后组成的变化,并借助平均分子量测定、FT-IR、1H-NMR等手段对加氢前后沥青质的官能团、平均结构参数等方面进行分析。结果表明,煤焦油加氢处理时生焦率低,壁相焦较少,在一定范围内升高反应温度能增加煤焦油的反应深度,但对总生焦量影响不大。加氢产物中的沥青质含量大幅度降低,平均分子量增大,氧含量显著降低,芳碳率增加,缩合度增大;其轻质化效果明显,主要发生环化反应和脱除烷基侧链、羟基氧、醚键氧等反应。     

中低温煤焦油重组分分离与表征

为深入理解煤焦油重组分化学结构,采用正庚烷沉淀与柱色谱分离法将中低温煤焦油重组分分离成饱和分、芳香分、胶质和沥青质。综合采用元素分析、红外光谱、分子量及核磁共振氢谱等分析方法对各组分组成与分子结构进行研究,并进一步推测各组分平均分子结构模型。结果表明：饱和分H/C原子比最高,几乎无杂原子,主要以长链烷烃结构形式存在,芳香分、胶质和沥青质组分,分子量、芳香度和杂原子含量依次增加。通过对比分析平均分子结构参数,发现沥青质比胶质含有较多的环烷环数,而芳香环数一样,说明煤焦油组分中较大分子量物质往往含有较多的杂环和环烷环系统,而不是更多的缩合芳环数。     

煤焦油常渣C7沥青质的结构表征

为了测定煤焦油重组分沥青质的结构参数、杂原子化合物、并构建沥青质的平均分子结构模型,研究了4种不同来源的煤焦油,提取大于350℃的常渣,以C7沉淀沥青质组分,通过元素分析、分子量测试、核磁共振等技术进行分析。结果表明:4种沥青质分子量差异较大,神木煤焦油和SPU原煤煤焦油远低于通辽煤焦油和呼伦贝尔煤焦油;杂原子含量均很高,尤其是O和N,H/C原子比低(0.65～1.07),说明中稠环芳烃含量和非烃类化合物含量较高。通辽煤焦油和呼伦贝尔煤焦油的芳香度明显高于神木煤焦油和SPU原煤煤焦油,但通辽煤焦油沥青质的芳香缩合度小于呼伦贝尔煤焦油;通辽煤焦油和呼伦贝尔煤焦油沥青质分子中烷烃支链要短于另外2种,总环数和芳香环数也显著高于其他2种,环烷环数低。     

煤液化沥青与煤焦油沥青组成结构的比较

通过对煤液化沥青和煤焦油沥青组成结构进行对比分析,发现煤液化沥青和煤焦油沥青组成都以稠环芳烃为主,并含有O、N、S等元素杂环化合物。煤焦油沥青分子结构特征为稠环芳烃接近于迫位构型,脂肪族侧链较少且短,不存在环烷烃。相比之下,煤液化沥青相对分子量更大,组成更为复杂,其主要由环烷烃、稠环芳烃链接烷基侧链、含杂原子的单元组成,结构单元之间形成缔合体。通过进一步对其性能分析,发现煤液化沥青的软化点和结焦值均明显高于煤焦油沥青,究其原因主要是组成和结构的差异性导致。     

褐煤加氢反应中氧的分布、迁移与转化规律

褐煤中较高的氧元素质量分数在加氢反应过程中极易生成水,从而增加了单位目标产物生成过程中的氢耗。反之,若将氧元素以酚羟基的形式保留在油品中,辅之以提酚工艺可将褐煤中的氧元素得到高值化利用。为了提高褐煤中O元素在液体产物中有机化合物的质量分数,在实验分析的基础上,将褐煤加氢反应过程分为3个阶段,以氧元素物料衡算为约束,通过定量分析各阶段加氢反应产物中含氧官能团物质的量的变化,揭示了褐煤中氧的热转化规律。第1阶段,氧元素的迁移方向为从四氢呋喃不溶物(THFI)转移至H_2O和CO_2,相应温度范围为室温～400℃;第2阶段,沥青质与前沥青质(PAA)和四氢呋喃不溶物中的氧元素主要迁移至正己烷可溶物和H_2O中,同时,该阶段正己烷可溶物中酚类氧出现峰值,对应的温度区间为400～450℃,并在450℃保持30 min;第3阶段,随着加氢液化反应过程持续,氧元素迁移方向转变为由正己烷可溶物转移至沥青质与前沥青质以及四氢呋喃不溶物。同时,由于发生了明显的缩聚反应,正己烷可溶物中的酚类化合物产率逐渐减少,对应的反应阶段为450℃下保持30～60 min。通过上述3个阶段产物中含氧质量化分析,表明褐煤加氢反应产物中含氧官能团赋存形式不仅受化学环境影响,而且还与反应条件直接相关。基于对含氧官能团物质的定性定量分析结果,褐煤中含氧官能团在加氢反应热转化过程中变化规律,将有助于认识和理解煤直接液化工艺过程中的化学问题。     

流化床粉煤快速热解煤焦油的组分分析

对流化床粉煤快速热解工艺产生的煤焦油和陕北兰炭生产的煤焦油进行了组分分析和对比。结果表明,流化床粉煤快速热解焦油化合物种类主要包括脂肪族烃类、多烷基单环或多环芳烃类、酚类化合物和含氮、氧、硫等杂原子化合物。快速热解焦油不论轻油还是重油,芳香烃化合物含量较陕北兰炭焦油高,脂肪烃化合物、酚类化合物较陕北兰炭焦油低,这些差异与热解工艺及采用的煤种有较大的关系。流化床粉煤快速热解工艺产生的煤焦油是一种优质的加氢原料油。     

中低温煤焦油加工利用现状研究

为深入了解中低温煤焦油加工利用领域现状及今后发展趋势,选取2种典型中温煤焦油,对其性质及组分进行分析。分析结果表明,实验用煤焦油初馏点较低(100℃),低温馏分段含量高(300℃段及200℃段馏分分别超过50%、20%),酚含量高,沥青质含量较高(约占20%);结合分析结果,从中低温煤焦油加氢、粗酚提取和精制、沥青的加工利用等方面对中低温煤焦油加工利用现状进行调研,指出中低温煤焦油加工利用领域今后发展应关注3个方向:提高原料油质量;提高催化剂效率,降低原料损耗、水耗,解决污水及其他污染物处理及回收利用问题;加强重质组分高值化利用途径的研究。     

煤液化残渣可溶有机质中杂原子结构片段的赋存特征

煤液化残渣(CLR)是一种典型的煤化工固废。但煤液化残渣中的可溶有机质含量高,且富含缩合芳环结构,又可视为一种宝贵的重质炭资源。基于CLR在有机溶剂中的优良溶解性,选择等体积甲醇/甲苯混合溶剂为萃取剂,采用超声-索氏协同萃取法,实现CLR可溶有机质(CLR-SO)的温和提取,并通过逐级钌离子催化氧化,结合气相色谱/质谱联用分析,揭示CLR-SO中的杂原子结构单元特征,为其清洁转化和高值化利用提供支撑。结果表明,在CLR-SO的氧化产物中,含杂原子的酸类化合物中杂原子主要是氧、氮、硫,所构成的官能团有甲氧基、羰基、醚桥键、硝基、氨基、乙腈、吲哚、吩嗪、硫羰基等。此外,还检测到含氮、硫、氟等杂原子的酯类化合物。除了含氧化合物以外,其他杂原子化合物基本从第3级氧化产物中出现。杂原子结构存在于CLR-SO的大分子骨架内部,在氧化过程中,受到周围芳环的电子云保护,优先氧化CLR-SO分子骨架外围的芳环结构。除了酸和酯类化合物,在CLR-SO氧化产物中还检测到其他含杂原子的化合物,主要分布在第3,4级氧化产物中,且在第4级氧化产物中的种类最多。此外还检测到氯、氟等杂原子,以共价键的形式存在于CLR...     

神华煤直接液化残渣中沥青烯组分的分子结构研究

对神华煤直接液化残渣的己烷不溶苯可溶物--沥青烯组分--进行了分子结构特性的研究.分析得到其平均分子量为1 387，平均分子式可写成为C₁₀₁H_90.7O_3.6N₂.从其分子内部结构来看：它的主要结构由多环稠合芳香烃和芳环上存在的烷基取代基组成，其中少量芳香烃已部分饱和，取代基的链长不一，平均为13个碳原子.此外，沥青烯还含有少量氧和氮原子处在环上形成杂环，并存在少量羟基和醚基.     

高温煤焦油中的固体颗粒对其临氢热反应生焦的影响

以一种高温煤焦油为原料,添加不同含量的固体颗粒在高压釜中进行临氢热反应,提取反应后的焦炭。通过XRD,XPS,FT-IR,UV-VIS,SEM等手段对固体颗粒和焦炭进行表征分析,考察了固体颗粒对其临氢热反应生焦的影响。结果表明,添加适量的固体颗粒后,高温煤焦油临氢热反应后的沥青质含量相对较高,生成的次生甲苯不溶物显著降低。固体颗粒的表层含有约为7%的极性含氧基团和1.4%的硫、氮极性基团,对沥青质具有较强的吸附能力。煤焦油中的沥青质在被固体颗粒吸附后,在反应体系中呈现出高分散状态,不容易聚集缩合生焦,生成的悬浮焦的颗粒粒径也相对较小,主要以高分散状态存在于反应体系中,在高压釜底部的沉积焦较少。     

中温煤焦油加氢生产清洁燃料油试验研究

利用中低温煤焦油烃类构成与天然石油相似的特点开展煤焦油加氢试验研究,以生产硫、氮含量低、安定性好的清洁燃料油组分。以中温煤焦油500 ℃以下馏分为原料,在小型加氢反应装置上对其进行加氢精制试验制备清洁燃料油,着重考察反应温度、压力和液体体积空速对加氢效果的影响。精制油进一步蒸馏切割得到石脑油馏分（＜160 ℃）、柴油馏分（160～330 ℃）和尾油馏分（＞330 ℃）,其中石脑油馏分和柴油馏分分别占总体积的15.16％和60.38％,尾油馏分是很好的加氢裂化原料,在反应装置上增加加氢裂化段组成加氢裂化-加氢精制反序串联工艺流程,煤焦油实现全部转化,石脑油馏分和柴油馏分达到23.17%和72.41%,并对产品油馏分族组成和硫、氮等含量分析,结果表明生成的产品油可以达到清洁燃料油的标准。     

温度对煤矸石动态淋溶特性的影响

煤矸石长期堆存将对周边环境造成酸性污染和重金属含量超标。为研究煤矸石山发生氧化自热对酸性污染物降雨淋溶释放特性的影响机理,以山西省阳煤集团煤矸石为研究对象,建立了自动温控喷淋系统,通过对不同温度煤矸石进行动态淋溶实验,研究了淋溶液中pH值、电导率(EC)值、氧化还原电位(ORP)和硫酸盐(SO_4~(2-))含量的淋溶规律,并对淋溶前后煤矸石矿物组成进行半定量分析。结果表明:风化煤矸石中含有大量硫酸盐等可溶性组分,且酸性组分含量大于碱性组分和黏土矿物组分中和量总和,初期润湿液SO_4~(2-)含量超过地下Ⅲ类水指标,可看作高度矿化水,呈弱酸性和氧化状态,但氧化性未超过一般界定氧化性土壤的值(400 mV);随着累计淋溶时间延长,淋溶液pH值先增大后减小并最终趋于稳定,在t=3 h达到最大值为7. 34～8. 03,SO_4~(2-)含量和EC值先急剧减小后趋于稳定,稳态值分别约为2 500 mg/L和2 mS/cm,ORP在325. 9～435. 2 mV波动;随着温度升高(50～200℃),淋溶液稳态pH值(pH_s)和煤矸石剩余黄铁矿含量先减小后增大,150～200的pH_s值小于5.79,SO_4~(2-)含量和石膏相对质量分数先增大后减小,ORP波动性增强,相对标准偏差RSD由9. 54%增大到10.06%,EC值受温度影响不显著;淋溶液各项指标均在150℃条件下取得极值,pH_(s,min)为4. 98,呈较强酸性;ORP_(max)为435. 2 mV,呈强氧化态。由此可得:煤矸石中产酸物质氧化作用可分为风化氧化和自热氧化,主要受环境温度、含水量和与空气接触程度的综合影响;煤矸石自热氧化造成的酸性污染演变过程是由碱性组分、含氮物质和氧化产生的酸性组分共同决定的,且3种组分淋溶释放速率经长期堆存后逐渐趋于稳定。本研究解释了煤矸石中黄铁矿氧化产酸受环境温度的影响机制,为自热煤矸石山降雨淋溶造成酸性污染动力学演变预测提供依据。     

中低温煤焦油化学组成及结构的分子水平表征

以内蒙褐煤提质装置生产的中低温煤焦油为原料,研究建立了中低温煤焦油自身结构-组成-性质的分子水平表征方法,从宏观水平描述了中低温煤焦油的物理化学性质,在分子层次上详细研究了中低温煤焦油及其不同馏程、不同性质亚组分的化学组成。首先将中低温煤焦油全馏分进行实沸点蒸馏分离为16个窄馏分并进行性质分析,其次对180℃重质馏分通过酸碱萃取分离出酸性组分、碱性组分和中性组分,并且中性组分在萃取色谱装置上分离获取6个特征亚组分;利用GC/MS分析了其全馏分、窄馏分及各亚组分的分子结构特征。结果表明,该煤焦油全馏分的水含量为28%,20℃时密度1 003.7 kg/m~3,氧含量为7.4%,180℃馏分含量为14.24%,360℃馏分含量为63.4%,属一种典型的中低温煤焦油。中低温煤焦油的180℃轻质馏分的分子组成以苯、甲苯和二甲苯为主,含有部分小分子烷烃和烯烃。在 180℃重质馏分中,其酸性组分占27.6%,碱性组分占2.46%,中性组分占69.94%。中性组分中饱和分为33.60%,芳香分为38.70%,胶质占为25.10%,沥青质为2.60%。且中间馏分和重质馏分中含有大量酚类化合物,其分子结构类型以芳烃为主,同时存在长链正构烷烃。中低温煤焦油中含有大量含氧化合物,主要是酚类化合物,以烷基苯酚类为主,在160～280℃相对丰度较高,少部分以酮类化合物存在。     

低温氧化处理对低变质粉煤制备型焦的影响

以低变质粉煤与煤焦油、沥青、焦煤等黏结剂为原料采用成型热解技术制备型焦,主要研究了型煤低温氧化处理对型焦产品组成结构的影响。采用TG-DTG,FT-IR,SEM等对型煤氧化过程及热解产品结构性能进行分析表征。研究表明,空气氧化过程中,型煤中的羰基、羧基等官能团会发生氧化反应生成CO和CO_2,同时脂肪烃和环烷烃的含量有所降低;重质油和沥青与氧气作用发生脱氢聚合反应,生成了芳香程度较高的稠环芳烃大分子物质。氧化处理后型煤中重质组分含量大幅减少,而沥青烯与前沥青烯含量的明显增加是型焦抗压强度提升的主要原因。低变质煤与黏结剂混合样品在空气气氛下的氧化分为两个阶段,室温~120℃主要是原料中水及少量吸附气体的逸出,120℃以后原料中的芳香类物质与氧气发生脱氢聚合反应,生成部分芳香程度较高的稠环芳烃大分子,此阶段的失重率可达到11.08%,最大失重速率峰出现在217.77℃附近。     

煤直接液化与残渣热解联合加工技术

为解决煤直接液化技术中残渣收率偏高和溶剂油短缺等问题,开发了煤直接液化与残渣热解联合加工技术,通过试验研究了神华煤直接液化技术所得液化残渣的热解过程的反应规律,得到了适宜的工艺条件以及该条件下的产品分布和产品性质,研究了残渣热解油在加氢处理过程中产品的芳碳率与反应条件的关系,确定了产品芳碳率在0.40～0.45范围内的工艺条件。试验结果表明,残渣热解油经适当的加氢后可以为煤直接液化装置提供理想的供氢性溶剂油,说明煤直接液化与残渣热解联合加工从技术上是可行的。与煤直接液化单独加工技术相比,联合加工技术可以增加液体产品收率5.8%（对煤直接液化原料煤）,并且可以补充4%（对煤直接液化原料煤）的理想的供氢性溶剂油。     

CH4气氛在煤中低温热解阶段对焦油产率和品质的影响

富氢气体可调控煤热解产物组成,深入认识这一过程中产物的调控机制可有效促进工艺的优化及其产业化。笔者以淖毛湖固定床反应装置在N₂,H₂和CH₄气氛下,不同温度条件进行煤热解实验,通过对比煤热解反应气氛和温度对焦油产率、焦油的馏分分布和焦油的组成的影响,充分认识CH₄气氛对煤中低温热解阶段(400~700℃)焦油产物的影响。结果表明:当煤热解温度高于600℃时,CH₄气氛可提高煤热解的焦油产率。在600℃时,CH₄气氛下焦油产率略高于N2气氛下的焦油产率。在650℃时,CH₄气氛下焦油产率明显高于N2气氛下的焦油产率,低于H2气氛下的焦油产率。模拟蒸馏结果表明煤热解过程中,轻油和萘油的生成集中在450℃以下,洗油和沥青的生成集中在600℃以下,酚油和蒽油的生成分别集中在500和550℃以下。当温度高于600℃时,CH₄气氛有利于蒽油的生成;当温度高于650℃时,CH₄气氛有利于焦油中各个馏分的生成,其中轻油和酚油馏分的提高最为显著,轻油的含量高于H2气氛下轻油的含量,而酚油的含量与H2气氛下酚油的含量基本相同。GC/MS结果表明煤热解过程中,脂肪烃、烯烃、脂类和醇类化合物的生成主要集中在450℃以下,芳烃和酚类化合物的生成主要集中在600℃以下。当温度高于600℃时,CH₄气氛有利于酚类和醇类化合物生成;当温度高于650℃时,CH₄气氛有利于脂肪烃、芳烃、烯烃、酯类和醇类化合物的生成,其中酚类化合物的含量提高最为显著,但稍低于H₂气氛下酚类化合物的含量。当温度高于600℃时,CH₄可以为煤热解自由基提供氢和CHx自由基,参与到煤热解自由基的稳定和初级挥发分的二次反应。     

新疆和丰煤分段热解过程中产物组成的演变规律

采用热重分析仪和固定床反应器,对典型新疆煤(和丰煤)的单段热解(定义为过程1)和不同温度停留的分段热解过程进行了较详细研究。结果发现不同热解过程的煤样总失重率差异较小。不同温度段停留时均导致焦油产率下降和气体产率增加。与仅在350℃停留30 min(过程2)相比,继续于450℃(过程3)停留使得焦油产率进一步下降15.42%,且此温度区间的H_2生成量仅为1.94 mL/g,较过程2降低94.47%,而450~600℃的气体产率占过程3总产率的60.87%,其中H_2,CH_4和C_2-C_4产率分别占各自总产率的95.02%,77.27%和66.08%,说明450~600℃以产气为主。不同温度段获得的半焦的红外分析发现350℃的半焦中官能团变化较小;而450℃的半焦中大部分官能团的振动峰几乎消失。模拟蒸馏和核磁结果表明,不同温度段停留均使得焦油中沥青质分率下降,焦油品质提升,焦油的芳香度降低,且两段停留段停留所得焦油的芳香度最低。通过上述研究,可以对新疆低阶煤的分级分质转化利用提供理论基础。