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复杂多相体系煤加氢液化反应与氢传递的研究
English
Reaction and hydrogen transfer in complex multi-phase system during coal hydro-liquefaction
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Key words:
- low rank coal
- / hydroliquefaction
- / hydrogen transfer process
- / catalysis activity
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煤炭直接液化技术是中国保障能源安全和优化能源结构的重要工程技术。煤直接液化过程中必经历两大化学反应途径-煤热解产生自由基碎片和自由基碎片的加氢稳定, 这两个反应途径的控制成为关键问题[1]。其中, 自由基碎片加氢稳定涉及煤液化复杂多相体系氢传递和催化机理两大科学问题,两大科学问题的揭示对于深入认识煤液化过程,提高氢利用程度以及煤的加氢转化都有重要意义。
自德国人Berguis发现了煤的加氢液化以来,广大科研工作者就开始了煤液化过程中氢转移机理的研究。文献[2, 3]提出了煤液化自由基反应机理,即液化过程中,煤热解生成自由基碎片,再通过供氢体的分子氢稳定生成低分子物质。近代世界各国学者在煤液化基础研究方面进行了大量工作,深入展开了煤液化反应问题的深入研究,并取得了进一步认识,特别是为了探索煤液化过程中的氢转移途径,研究了催化反应和非催化反应过程中分子氢、溶剂和催化剂在液化反应中的作用。
非催化反应中氢转移的研究集中在溶剂供氢作用的认识上。供氢溶剂不仅提供也会传递活性氢,Ikenaga等[4]研究证明了无催化剂反应体系,70%氢转移来自供氢溶剂,30%来自气相分子氢;Godo等[5]研究了气相氢分别与十氢萘、四氢萘和萘的氢交换反应,没有H2S时萘与氢的交换比例最高,有H2S时四氢萘与氢的交换比例最高。Mcmillen等[6-8]最早提出供氢溶剂在促进煤中热力学稳定强健的断裂起着非常重要的作用,400 ℃下进行了供氢溶剂向类煤模型化合物的氢转移反应研究,提出自由基氢转移机理(RHT),RHT常被一些学者引用解释相关实验数据;针对Mcmillen的观点,有些学者[9, 10]提出了不同的看法,认为供氢溶剂能够提供活性氢稳定煤热解产生的自由基,但抑制碳碳键的断裂。在非催化液化反应中,供氢溶剂的供氢和传递氢作用已达成共识,但究竟是促进煤中碳碳键断裂还是抑制氢向芳环取代位上转移,未达成一致。
催化反应中氢转移研究的分歧是过程中的氢转移反应是否经过供氢溶剂传递。传统观点认为,催化剂促进分子氢向供氢溶剂转移,进而由供氢溶剂向煤转移,供氢溶剂稳定煤热解自由基碎片,防止其缩合促进煤液化反应[11, 12]。现代许多研究者指出,液化过程中的氢转移反应主要是分子氢向煤的直接转移,并不借助供氢溶剂,尤其是在高活性催化剂和高压氢气共存的情况下更是如此。Cronauer等[13]认为,分子氢在催化剂表面离解生成活性氢,进攻煤分子从而促进了键的断裂及煤分子加氢。中国以大连理工大学[14, 15]和煤炭科学技术研究院有限公司[16, 17]为代表进行了大量工作,并取得了进一步的认识,特别是为了探索煤液化过程中的氢转移途径,研究了催化反应和非催化反应过程中分子氢、溶剂和催化剂在液化反应中的作用。
由于煤结构的复杂性,加氢液化固体产物定量分析的困难,同时受到实验手段的限制,时至今日,尚未完全揭示液化过程中氢传递与催化机理,对于液化复杂多相体系中,氢气、催化剂和供氢溶剂之间的相互作用关系也缺乏深入系统的认识。为此,针对前人在液化过程中氢转移认识上的分歧和不足,本研究深入研究了不同反应条件下氢原子在复杂多相体系中的传递和反应行为,探讨了供氢溶剂、氢气和催化剂的相互作用关系及氢原子的活化过程,揭示了催化剂对溶剂和氢气的催化作用机理,为煤炭直接液化的过程调控提供科学的理论依据。
1. 实验部分
1.1 实验原料
实验选用新疆淖毛湖煤(NMH)为原料,四氢萘为溶剂,分析纯Fe2O3为催化剂,硫磺为助催化剂。煤样的制备参照GB474—1996,对煤样破碎、缩分并研磨至0.15 mm以下,在100 ℃、真空条件下干燥,经过上述制备的煤样置于干燥器中低温避光保存,煤质分析数据见表 1。
表 1
Ultimate analysis wdaf/% C H N S O 74.97 5.16 1.00 0.20 18.67 Proximate analysis w/% Petrographic analysis φ/% Ad Vdaf V I E M 5.12 49.69 88.8 0.4 7.6 3.2 1.2 液化反应及产物分离
加氢液化反应实验在2 L高压釜中进行,依次取50 g干基淖毛湖煤,150 g加氢溶剂,以及催化剂(Fe%=3%)和硫磺(Fe:S=1:2)分别置入高压釜中,高压釜密封气密合格后,氮气吹扫三次,再用氢气吹扫三次,最后充氢气至指定压力,以4 ℃/min升温至反应温度后恒定60 min,反应结束时,风冷降至室温后终止反应。
用索氏萃取法,将高压釜液固产物分为油品(正己烷可溶物)、沥青烯和前沥青烯(正己烷不溶物、四氢呋喃可溶物)和残渣(四氢呋喃不溶物)三部分。高压釜实验过程的氢耗、气产率、沥青烯和前沥青烯产率、水产率、油产率、转化率计算方法参照煤炭液化反应性的高压釜实验方法GB/T33690—2017。
1.3 产物分析
高压釜气体分析采用安捷伦6890双通道气相色谱仪,通道1为Hayesep-Q柱和5A分子筛柱及热导检测器(TCD); 通道2为PLOT Al2O3 “S”毛细管色谱柱及氢火焰离子化检测器(FID),载气为高纯氦气,流量为38 mL/min,检测器温度均为250 ℃。
高压釜液相产物中的油品(正己烷可溶物)进行GC-MS定性和GC定量分析。GC-MS定性测定采用岛津GC17A/QP5050,色谱柱选用CBP1-S50-050,载气为高纯氦气,质谱采用EI电离方式,电离电压70 eV,扫描速率和扫描范围分别为0.5 s和40-400 m/z;GC测试采用GC7890A,色谱柱选用Agilent DB-Petro,载气为高纯氦气,检测器为氢火焰离子化检测器。
对高压釜液相产物中的四氢呋喃不溶物进行XRD、饱和磁化强度和扫面电镜分析。X射线粉末衍射分析(XRD)采用BRKER D8 ADVANCE型X射线粉晶衍射仪测定。角度:1°-125°;小角衍射(0.5°-10°);广角衍射(5°-125°);铜靶;最小扫描速率0.02 (°)/min;饱和磁化强度采用振动样品磁强计VSM测定,型号Lake Shore VSM7307,最大磁场强度1T,磁性测量灵敏度5×10-6emu;高压釜液固相产物中的残渣表面形态分析采用日立S-4800(冷场),Quanta FEG 250扫描电镜。
1.4 气相氢和溶剂氢传递量与氢反应量的计算
通过液化产物正己烷可溶组分中萘的定量分析,结合四氢萘向萘转化的化学平衡关系式,计算氮气气氛下四氢萘提供的氢反应量;相同反应条件下,与氢气气氛下加氢液化实验液相产物中萘含量的比对,结合四氢萘向萘转化的化学平衡关系式,计算气相氢向四氢萘传递的氢量。煤液化后的液体产物与供氢溶剂四氢萘无法分离,两者比例约为1:6,课题组以往的实验研究及文献[17]均表明,与供氢溶剂四氢萘相比,液化过程中煤生成的四氢萘量可以忽略。
气相氢提供的氢反应量为总氢耗与气相氢向四氢萘传递的氢量的差值。
2. 结果与讨论
2.1 淖毛湖煤加氢液化反应
将淖毛湖煤不同条件下加氢液化反应后产物分为油(O)、气(G)、沥青质(PAA)三部分,其中,沥青质是液化中间产物沥青烯和前沥青烯的总称。开展了煤的转化率与油、气和沥青质产率关系的探究,实验数据见表 2,各反应条件下四氢呋喃不溶物的扫描电镜照片见图 1。
表 2
No. Cat. t/℃ p/MPa Time t/min Conv. x/% O w/% PAA w/% G w/% 1# Fe2O3 440 7.5 60 97.25 70.75 1.13 16.30 2# Fe2O3 420 7.5 0 91.23 56.06 15.85 9.46 3# Fe2O3 420 7.5 30 94.11 65.63 6.74 12.27 4# Fe2O3 420 9.5 60 94.12 68.01 2.55 13.77 5# Fe2O3 420 7.5 60 94.14 67.91 3.57 13.23 6# Mo-Fe 420 7.5 60 95.05 68.56 3.05 13.53 7# - 420 7.5 60 87.87 60.04 5.40 12.01 8# Fe2O3 420 5.5 60 93.66 65.45 6.52 12.53 9# Fe2O3 420 7.5 90 93.85 67.22 3.77 14.17 10# Fe2O3 400 7.5 60 86.20 53.81 12.32 10.06 11# Fe2O3 380 7.5 60 82.55 48.21 10.45 8.89 图 1
由表 2可知,在氢初压7.5 MPa、反应时间60 min的条件下,淖毛湖煤在380-440 ℃,转化率、油产率、气产率随反应温度的升高增幅显著,420 ℃煤的转化率已高达94.14%,油产率67.91%,呈现出良好的液化性能,沥青质产率在400 ℃达到最大值12.32%,随着温度升高至420 ℃,沥青质产率下降到3.57%,温度进一步升至440 ℃时,沥青质产率进一步下降到1.13%。由图 1可以看出,在420(5#)和440 ℃时(1#),四氢呋喃不溶物呈均匀独立的近圆片状,直径小于500 nm,均是催化剂形貌,表明液化反应充分。温度对煤液化的影响是多方面的,温度升高导致氢气在溶剂中溶解度增加,另外反应速率随温度升高呈现指数增加,淖毛湖煤高温液化过程产生更多的自由基,高温和液化强供氢反应体系有效的分散与稳定促进了煤和沥青质向油和气体小分子产物转化。
由表 2还可知,在420 ℃、反应时间60 min的条件下,淖毛湖煤在不同的氢初压5.5、7.5、9.5 MPa,转化率和气产率随氢初压升高增幅缓和,与5.5 MPa氢初压相比,氢初压提至7.5 MPa时,油产率提高了2.5%,沥青质产率从6.52%降至3.57%,氢初压进一步提至9.5 MPa时,油产率几乎不变,而沥青质产率降至2.55%。由图 1扫描电镜可知,不同的氢初压(8#和5#),四氢呋喃不溶物外观均呈薄圆片状,直径小于500 nm,表明压力对液化反应的影响不如温度显著,反应速率仅与氢分压的一次方成正比,提升氢初压有利于提高体系向自由基的供氢性能,有利于沥青质向油和气体小分子转化。
由表 2可知,在420 ℃、氢初压7.5 MPa、反应30 min,淖毛湖煤转化率已达94.11%,油产率高达65.63%,呈现出良好的液化加氢反应态势,60 min的反应时间,转化率变化不大,沥青质产率从6.74%降至3.57%,油产率提高了2.3%,反应时间进一步延长至90 min,转化率、油产率和沥青质产率出现了下降,气产率稳步提高。由图 1扫描电镜可知,90 min(9#)反应时间过长,圆片状催化剂表面发现了重质组分缩合的焦炭。表 3为不同时间Fe的XRD和饱和磁化强度。
表 3
Compound Crystal Time t/min Atmosphere 0 30 60 90 N2 H2 Fe7S8 monoclinic ■ ■ ■ ■ ■ ■ triclinic ■ ■ ■ ■ ■ ■ Fe9S10 hexagonal - ■ ■ ■ ■ ■ Fe0.95S hexagonal ■ ■ ■ ■ ■ ■ FeS hexagonal ■ ■ ■ ■ ■ ■ Fe2O3 cubic ■ ■ ■ ■ ■ ■ Fe3O4 - ■ ■ ■ - ■ ■ Ms/(emu·g) 0.61 0.41 0.24 0.09 0.18 0.24 ■:detected; -:not detected 由表 3中的饱和磁化强度可知,反应时间延长至90 min,催化剂的活性相Fe7S8逐渐转变为Fe9S10,甚至FeS,导致催化活性下降,因此,重质组分缩合附着在催化剂表面。淖毛湖煤60 min的反应时间呈现出良好的液化效果和反应性能,反应时间进一步延长将引发沥青质的缩聚和液化油的过度加氢,导致油产率降低。
由表 2还可知,在420 ℃、氢初压7.5 MPa、60 min,没有催化剂的条件下,淖毛湖煤转化率达到87.87%,油产率60.04%,这与淖毛湖煤液化活性高和四氢萘的强供氢性能有关;Fe2O3的加入使转化率和油产率各提高了7%,沥青质产率从5.40%降至3.57%,气产率提高了1%,催化剂的引入有利于气相氢的活化,明显提高了系统的供氢能力,促进了沥青质重质液化产物的生成和沥青质向油气的轻质转化,铁系催化剂复配活性金属钼,提升了催化剂对气相氢的活化能力,良好的供氢条件对轻质液化产物的生成具有促进作用。由图 1扫描电镜还可知,没有催化剂添加体系生成的四氢呋喃不溶物为边长超过5 μm的块状物,未反应的煤和结焦痕迹明显,添加催化剂体系生成的四氢呋喃不溶物为大小均一的圆片状,反应较为充分。
2.2 供氢溶剂四氢萘反应路径与反应规律解析
以高压釜液相产物中正己烷可溶物为对象,采用相关色谱文献比对,标准化合物EI谱库检索和GC保留时间对液化产物组成进行了GC-MS定性分析,鉴定出萘、十氢萘、1-甲基茚满、丁苯、甲苯和庚烷六种四氢萘的衍生物;针对GC-MS发现的四氢萘及其六种衍生物,采用不同浓度色谱纯标准物质建立多点校正曲线,对油样进行GC定量分析测定,最终得到四氢萘在加氢液化体系中反应后自身及其衍生物的定量分析数据。表 4为在420 ℃、7.5 MPa、60 min条件下,四氢萘加氢液化的产物组成,图 2为在420 ℃、7.5 MPa、60 min条件下,四氢萘加氢液化产物定量分析气相色谱图。
表 4
Compound name Toluene Decalin Tetralin Naphthalene Content w/% 2.98 0.5 78.57 12.92 Compound name 1-methylindan butylbenzene n-heptane Content w/% 1.81 1.26 1.95 由表 4和图 2可知,不同液化条件下,四氢萘的衍生物均以四氢萘和萘为主,另有少量的十氢萘、1-甲基茚满、丁苯、甲苯和庚烷,而相似的反应条件下,文献[4, 18]没有发现丁苯、甲苯和庚烷。
图 2
由此反演出液化反应体系中,四氢萘沿着三种化学反应路径(具体见图 3),进行一系列平行、串联的化学反应,反应路径包括加氢饱和开环、异构裂解、脱氢稳定煤热解自由基碎片,见图 3。为淖毛湖煤加氢液化氢传递规律的研究提供理论依据。
图 3
2.3 淖毛湖煤加氢液化的氢传递规律
不同加氢液化条件对淖毛湖煤液化性能的影响呈现出一定的反应规律,预示着在液化复杂多相反应体系中也必呈现出一定的转移传递和分布规律。
图 4为不同温度条件下不同氢源的氢贡献量及转移量。由图 4可知,不同的温度条件,与煤热解自由基碎片反应的氢量主要来源于供氢溶剂;380-440 ℃对不同氢源的氢贡献量及转移量影响明显,当反应温度达到420 ℃时,气相氢向煤热解自由基碎片提供的活性氢陡增了两倍,供氢溶剂向煤热解自由基碎片提供的活性氢提高了12%,温度进一步升高至440 ℃,气相氢向煤热解自由基碎片提供的活性氢增加了24%,供氢溶剂向煤热解自由基碎片提供的活性氢提高了15%,提高反应温度,有利于增强氢气在溶剂中的溶解度,气相氢提供的反应氢量呈现出比供氢溶剂更为明显增加的趋势;气相氢向溶剂转移的氢量随着温度的升高缓慢升高。
图 4
图 5为不同氢初压条件下不同氢源的氢贡献量及转移量。由图 5可知,不同的氢初压条件,与煤热解自由基碎片反应的氢量约60%来源于供氢溶剂;提高氢初压,供氢溶剂向煤热解自由基碎片提供的活性氢量略有提高,氢初压由5.5 MPa升高至7.5 MPa时,气相氢向煤热解自由基碎片提供的活性氢量提高了15%,氢初压由7.5 MPa升高至9.5 MPa时,气相氢向煤热解自由基碎片提供的活性氢量微增了3%,与供氢溶剂提供的活性氢量相比,气相氢提供的活性氢量呈现出较为显著的增加;提高氢初压,气相氢向供氢溶剂传递的氢量变化不大。
图 5
图 6为不同反应时间条件下不同氢源的氢贡献量及转移量。由图 6可知,不同的反应时间,向煤热解自由基碎片提供的活性氢量65%-75%来源于供氢溶剂,但供氢溶剂提供的活性氢量在考察的反应时间内增幅不明显,这是由于四氢萘为强供氢溶剂,在加氢液化复杂反应体系中,活性氢的提供已经不是液化过程的控制因素;气相氢向煤热解自由基碎片提供的活性氢量在30 min时增加了47%,随着反应时间延长至60 min,达到最大值,氢气向煤热解自由基碎片传递时,气-液、液-固间的传质很快,传质不是氢气参与反应的控制因素,受动力学控制;气相氢向供氢溶剂传递的氢量在0-90 min一直处于稳步上升状态。
图 6
图 7为不同催化条件下不同氢源的氢贡献量及转移量。
图 7
由图 7可知,不同催化体系,向煤热解自由基碎片提供的活性氢量约65%来源于供氢溶剂,但供氢溶剂提供的活性氢量在不同催化体系内增幅不明显,这与四氢萘为强供氢溶剂有关;催化剂体系有利于活化气相氢,特别是Mo-Fe复合催化剂体系,活性加氢催化组分钼更显著地促进气相氢向活性氢转化,稳定煤热解的自由基碎片,与Fe2O3催化体系相比,Mo-Fe复合催化剂体系气相氢的供氢量增幅18%;催化剂中活性催化加氢组分钼的复合,气相氢向溶剂转移的氢量增加了8%。
3. 结论
新疆淖毛湖煤液化活性组分含量(镜质组和壳质组)高达95%,是一种优良的直接液化煤种,在420 ℃、氢初压7.5 MPa、反应时间60 min的条件下,煤的转化率95%,油产率68%。煤直接液化初期,催化剂的活性态发挥了催化作用,液化后期的催化剂由活性态Fe7S8,转变为非活性态的Fe9S10,甚至是FeS,因此,提高催化剂加氢活性有利于沥青烯和前沥青烯加氢轻质化,为煤液化富产芳烃的催化剂设计提供依据。
催化剂促进了气相氢的活化,促进了活性氢分别向煤的热解产物和溶剂转移,也促进了溶剂中的氢向煤的热解产物转移,实验证实了液化过程中氢转移反应经过供氢溶剂传递,活性氢在反应体系中有利于稳定煤热解产生的自由基碎片,这是提高油产率的关键。
供氢溶剂和气相氢均能提供稳定煤热解自由基碎片的活性氢,与气相氢相比,溶剂的贡献更大,约为气相氢贡献的两倍;气相氢向溶剂转移的氢量随温度的升高,压力的增加和时间的延长变化不大;气相氢和供氢溶剂供氢与煤和沥青质向油气转化呈正向相关。
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表 1 新疆淖毛湖煤质分析数据
Table 1. Analysis data of NMH coal
Ultimate analysis wdaf/% C H N S O 74.97 5.16 1.00 0.20 18.67 Proximate analysis w/% Petrographic analysis φ/% Ad Vdaf V I E M 5.12 49.69 88.8 0.4 7.6 3.2 表 2 不同条件下淖毛湖煤加氢液化实验数据
Table 2. NMH coal liquefaction results under different conditions
No. Cat. t/℃ p/MPa Time t/min Conv. x/% O w/% PAA w/% G w/% 1# Fe2O3 440 7.5 60 97.25 70.75 1.13 16.30 2# Fe2O3 420 7.5 0 91.23 56.06 15.85 9.46 3# Fe2O3 420 7.5 30 94.11 65.63 6.74 12.27 4# Fe2O3 420 9.5 60 94.12 68.01 2.55 13.77 5# Fe2O3 420 7.5 60 94.14 67.91 3.57 13.23 6# Mo-Fe 420 7.5 60 95.05 68.56 3.05 13.53 7# - 420 7.5 60 87.87 60.04 5.40 12.01 8# Fe2O3 420 5.5 60 93.66 65.45 6.52 12.53 9# Fe2O3 420 7.5 90 93.85 67.22 3.77 14.17 10# Fe2O3 400 7.5 60 86.20 53.81 12.32 10.06 11# Fe2O3 380 7.5 60 82.55 48.21 10.45 8.89 表 3 不同时间Fe的XRD和饱和磁化强度
Table 3. XRD and saturation magnetization under different times
Compound Crystal Time t/min Atmosphere 0 30 60 90 N2 H2 Fe7S8 monoclinic ■ ■ ■ ■ ■ ■ triclinic ■ ■ ■ ■ ■ ■ Fe9S10 hexagonal - ■ ■ ■ ■ ■ Fe0.95S hexagonal ■ ■ ■ ■ ■ ■ FeS hexagonal ■ ■ ■ ■ ■ ■ Fe2O3 cubic ■ ■ ■ ■ ■ ■ Fe3O4 - ■ ■ ■ - ■ ■ Ms/(emu·g) 0.61 0.41 0.24 0.09 0.18 0.24 ■:detected; -:not detected 表 4 四氢萘的加氢液化产物组成
Table 4. Composition of tetralin hydroliquefaction product
Compound name Toluene Decalin Tetralin Naphthalene Content w/% 2.98 0.5 78.57 12.92 Compound name 1-methylindan butylbenzene n-heptane Content w/% 1.81 1.26 1.95 -
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