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陕北锦界煤和府谷煤的催化加氢热解研究

马燕星  
【摘要】:我国是煤炭资源消耗大国,而低变质煤是理想的化工用煤;以陕北地区为特色的陕宁蒙地区低变质煤储量丰富,煤的中低温干馏和煤液化在当地发展已颇具规模。面对提高资源转化率和发展洁净煤技术的需求,通过煤热解达到煤炭分级利用已成为加快煤化工产业升级的重要措施。而煤的热分解是煤炭燃烧、气化、液化等一切热转化利用过程所必经的初始反应阶段,针对煤的中低温干馏,对低变质煤中低温热解反应性的研究具有重要的理论意义和实用意义。 本研究以陕北锦界煤和府谷煤为实验煤样,采用等体积浸渍法制备了热稳定性、机械性能良好的Co-Mo/Al2O3、Ni-Mo/Al2O3催化剂。分别采用TG-FTIR联用仪和粉-粒流化床热解装置考察了热解反应气氛(氮气和加氢气氛)、催化剂(MCM-41分子筛、Co-Mo/Al2O3、Ni-Mo/Al2O3)等因素对两种煤的中低温热解行为、热解气体主要组分(CO、CO2、CH4、CnHm及NH3等)析出特征以及热解焦油组成分布的影响。主要内容如下: (1)煤质和煤微观结构的不同,其热解行为存在差异,锦界煤热解二次脱气阶段(550~800℃)发生缩聚反应的同时,还伴随着剧烈的热裂解反应,失重峰较明显;而府谷煤热解二次脱气阶段并没有出现明显的失重峰,以缩聚反应为主。随着升温速率的增加,两种煤热解转化率均降低。而加氢气氛明显促进了煤热解过程自由基的稳定过程的发生,提高了热解转化率。MCM-41、Co (Ni)-Mo/Al2O3均提高了加氢热解转化率,对二次脱气阶段的催化作用显著。 (2)基于锦界煤二次脱气阶段发生了剧烈的热分解反应,相应的CO2在该温度区出现了一个较大析出峰值,除此之外,两种煤热解主要气体组分(CO、CO2、CH4、CnHm及NH3等)的析出规律基本一致。加氢条件下,两种煤热解过程中存在大量水煤气变换逆反应的发生,促使CO的相对含量增加。在催化剂存在时,MCM-41对煤热解脱羧基反应具有催化剂作用;氢气气氛下,MCM-41、Co (Ni)-Mo/Al2O3对煤加氢热解过程中交联键的断裂、芳香环侧链的断裂以及C2以上脂肪烃CnHm的加氢裂解具有催化作用,此外,Co (Ni)-Mo/Al2O3还促进了热解脱氮反应的进行。 (3)煤在粉-粒流化床中热解,其焦油的组分主要包括轻质芳烃(如BTX等)、酚类(如PCX等)、萘类、含氧杂环类、脂肪烃类以及稠环芳烃类化合物(PAC)等。当热解温度由600℃提高到750℃时,焦油中轻质芳烃、萘类、杂环类、PAC的相对含量明显增加,而酚类物质明显减少。加氢热解明显改善了焦油的品质,BTX、PCX等轻质产物增加;同时,加氢作用促进了PAC的稳定化,高附加值的茚、芴、菲等稠环芳烃增多,而且生成了少量的氢化茚等氢化产物,萘的相对含量减少。Co (Ni)-Mo/Al2O3催化煤热解与加氢热解促进了煤热解初级产物的加氢裂解和加氢稳定,促使稳定性较好、键能较高的轻质芳烃、萘类等产物的产率增加,脂肪烃的相对含量降低了。


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