ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2011, № 4, с. 56-59
УДК 662.642
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ В ПРИСУТСТВИИ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ1
© 2011 г. М. И. Байкенов*, Т. Б. Омарбеков*, Ма Фэн-юнь**, Ш. К. Амерханова*, А. С. Уали*
*Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, Казахстан **Синцзянский университет, КНР E-mail: amerkhanova_sh@mail.ru Поступила в редакцию 22.07.2010 г.
Предложен новый способ гидрогенизации угля в присутствии широкой фракции каменноугольной смолы, который включает кавитационную обработку и перемешивание с каталитическими добавками, нагрев полученной смеси при повышенном давлении в водородной среде. Оценен выход углеводородных фракций до 300° С и газового конденсата.
На территории Китайской Народной Республики (КНР) сосредоточены немалые запасы низкоэнергетических бурых углей, которые до настоящего времени не имеют широкого применения в качестве исходного сырья для многотоннажной химической переработки в жидкие углеводородные продукты топливного и иного назначения [1]. В связи с этим основная задача углеперерабатывающего комплекса заключается в повышении эффективности технологии переработки углей, в возможности получения жидких углеводородов. Исследователями в области углеводородов предлагаются различные способы, технологии, позволяющие увеличить выход светлых продуктов [2—6].
Перспективы создания новых и интенсификации уже известных процессов переработки горючих ископаемых связывают с разработкой эффективных методов предварительной активации исходного сырья, что позволит снижать энергетические затраты производства или получать более ценную продукцию [7].
Кавитационная обработка ускоряет деструкцию органической массы углеводородного сырья, интенсифицирует процесс его разрушения. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая связи между отдельными частями молекул, влияет на изменение структурной вязкости, т.е. на временный разрыв ван-дер-ваальсовых связей. В процессе импульсной кавитационной обработки нефти и нефтепродуктов энергия, выделяющаяся
1 Данная работа выполнялась по проекту "Технология пере-
работки углей Центрального Казахстана и северного подножия горы Тянь-Шань Синьцзяна Китая в жидкие и газообразные продукты путем кавитационной активации органической массы пастоообразователя угля" (№ СК4-09) в
рамках двухстороннего научно-технического сотрудничества Республики Казахстан с Китайской Народной Республикой.
при схлопывании кавитационных пузырьков, используется для разрыва химических связей между атомами больших молекул углеводородных соединений [8]. Дальнейшее гидрогенизационное облагораживание с применением активных каталитических добавок и широкой фракции каменноугольной смолы позволяет получить больший выход легкой и средней фракций по сравнению с классической гидрогенизационной переработкой
[9].
В статье приведены данные по исследованию совокупного применения предварительной кавитационной обработки и Н-донорных свойств широкой фракции каменноугольной смолы в гидро-генизационной переработке органической массы угля.
Экспериментальная часть
Объектом исследования служил бурый уголь, добываемый в северном подножии горы Тянь-Шань Синьцзяна (КНР), техническая характеристика, элементный состав и петрографический состав которого приведены в табл. 1—2.
Эксперименты по гидрогенизации проводили на автоклавной установке, объем химического реактора 0.5 л. В качестве катализатора использовали порошкообразный отход металлургического производства, состав которого приведен в табл. 3, размером 0.1 мм (по результатам ситового анализа).
Уголь подвергали каталитической гидрогенизации, добавляли катализатор и широкую фракцию каменноугольной смолы в количестве 20% в качестве донора водорода со следующим элементным составом (%): С 91.1, Н 7.5, 8 0.2, N 0.5,
О 0.7 и плотностью ^420 = 0.9341 г/см3. Фракционный состав каменноугольной смолы приведен в
Таблица 1. Техническая характеристика и элементный, минеральный состав бурого угля
Техническая характеристика Элементный состав на йа/, % Минеральный состав угля, мас. %
Б?, % 0.31 С, % 65.27 С 82.68 Б1О2 26.76 МБО 2.16
маа, % 3.08 CRC 3.00 Н 4.54 Fe2Oз 19.88 БО3 7.08
Ай, % 4.02 ОуаФ МДж/кг 31.66 О 12.02 А12Оз 25.35 К2О 0.88
Уйа/, % 34.01 Н/С 0.67 N 0.76 ТЮ2 1.78 №2О 1.68
СаО 8.18 Б1О2 6.25
Таблица 2. Петрографический состав китайского бу- Таблица 3. Химический состав катализатора рого угля
Витринит, % Экзинит, % Инертинит
18.5 0.0 81.5
Минерал МО2 А12О3 СаО МБО МпО FeO
ю, % 5.00 0.50 65.00 1.00 0.7 0.1 26
работе [10], в состав исходной смолы тетралин не входил. Каменноугольная смола предварительному обезвоживанию не подвергалась, влажность составляет 10.04%. Степень чистоты тетралина (технического) составляет 99.9%.
Предварительное кавитационное воздействие на каменноугольную смолу проводили с помощью роторно-пульсационного кавитатора [10] при следующих условиях: ? = 40°С, т обр = 5 мин, V вращ = 300000 об/мин.
Таблица 4. Условия эксперимента (объем реактора 0.5 л)
№ кспери-мента т, мин т А ЗвЬ °С Р, МПа Н2 : СО Уголь Катализатор, г Б*, г Общее
т, г тйа/, г %** % на йа/***
1 60 430 6.0 1 : 0 18.00 15.41 0 0 0.0 0.0
2 60 430 6.0 1 : 0 18.20 15.57 0.72 0.18 4.9 5.8
3 60 430 6.0 1 : 0 18.05 15.45 0.86 0.22 6.0 7.0
4 60 430 6.0 1 : 0 18.00 15.40 1.00 0.25 6.9 8.1
5 60 430 6.0 1 : 0 18.00 15.40 1.15 0.29 8.0 9.3
6 60 430 6.0 1 : 0 18.02 15.42 1.44 0.36 10.0 11.7
7 60 430 6.0 1 : 0 18.01 15.41 0.42 0.11 3.0 3.4
8 60 430 6.0 1 : 0 18.00 15.40 0.29 0.07 2.0 2.3
9 60 430 6.0 1 : 0 18.00 15.40 0.29 0.07 2.0 2.3
Растворитель или пастообразователь
каменноугольная смола, г
тетра-лин, г
8 : С
8 : (Сйа/)
0 0 0 26.8 27.85 27.00 26.68 27.00 28.00
0 0
18.00 0 0 0 0 0 0
0 0 1.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
* Добавка элементарной серы.
** Отношение общей массы катализатора и серы на органическую массу угля.
*** Отношение общей массы катализатора и серы на сухую массу угля.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
8
58
БАЙКЕНОВ и др.
Таблица 5. Результаты эксперимента (объем реактора 0.5 л), %
№ эксперимента Фракция <300°C Газ Твердый остаток Итого Степень превращения
в ходе реакции в процессе дистилляции общий
1 -5.9 22.5 16.8 39.3 100.0 33.40
2 -6.0 26.3 21.4 47.7 33.40 100.0 41.70
3 35.7 13.9 22.3 36.2 41.70 100.0 71.90
4 13.7 34.2 10.5 44.7 71.90 100.9 58.40
5 20.4 28.2 15.6 43.7 58.40 100.4 64.10
6 25.6 18.0 15.6 33.6 64.10 99.0 59.20
7 18.4 29.3 13.6 42.9 59.20 100.2 61.30
8 14.6 36.2 12.9 49.1 61.30 100.6 63.70
9 22.5 20.5 12.7 33.2 63.70 99.3 55.70
Более детальные условия процессов переработки приведены в табл. 4.
Обсуждение результатов
Проведенные исследования подтверждают эффективность применения отходов металлургического производства для ожижения китайских углей в среде водорододонорного растворителя. По своей активности они сопоставимы с промышленным алюмокобальтмолибденовым катализатором, применяемым в нефтепереработке.
В данном случае процесс гидрогенизации угля в среде водорододонорного растворителя протекает по механизму опосредованного катализа: ожижение угля осуществляется преимущественно не молекулярным водородом, а путем переноса атомов водорода от молекул органического растворителя, в этом случае — широкой фракции каменноугольной смолы. При этом каталитические добавки параллельно восстанавливают про-тон-донорные свойства смолы. По-видимому, при повышении температуры в реакционной системе доноры-переносчики водорода предотвращают прохождение реакции конденсации ассо-циатов угольных составляющих.
Результаты проведенных экспериментов (табл. 5) по кавитационно-гидрогенизацион-ной переработке угля показали, что в случае применения растворителя (тетралина и широкой фракции каменноугольной смолы) (см. № 2) степень выхода жидких продуктов с температурой кипения <300°С составляет 35.7%, общий объем выделенного газа — 36.25%, твердая фракция — 28.1%. Однако увеличение количества серы в составе катализатора приводит к возрастанию выхода светлых фракций; видимо, сера усиливает
донорные свойства катализатора по отношению к водороду.
Низкая степень выхода фракций до <300°С (см. № 1—2) вызвано предположительно отсутствием пастоообразователя при облагораживании; при этом выход газового конденсата составляет 39.3—47.7%. Высокая степень выхода (№ 8) газового конденсата достигается при более низких количествах серы в каталитической смеси.
Заключение
Таким образом, введение в систему энергии посредством кавитационного воздействия и широкой фракции каменноугольной смолы с Н-до-норными свойствами способствует более глубокой химической модификации и деструкции органической массы углеводородного сырья, и приводит к значительно более высокому выходу светлых продуктов. Вследствие этого поиск и применение нетрадиционных способов переработки и альтернативных доноров водорода позволяют повысить эффективность известных в данной области технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гагарин С.Г. // Кокс и химия. 2008. № 3. С. 13.
2. Бейлина Н.Ю., Заманов В.В., Кричко А.А. и др. // Кокс и химия. 2006. № 7. С. 35.
3. Бейлина Н.Ю., Заманов В.В., Кричко А.А. и др. // ХТТ. 2006. № 5. С. 22.
4. Кузнецов Л.А., Торгашин А.С., Кузнецова Л.Н. и др. // ХТТ. 2006. № 5. С. 3.
5. Лоскутова Ю.В., Юдина Н.В.//Нефтехимия. 2004. № 1. С. 63.
6. Зайкина Р.Ф., Фахрутдинов И.М., Ягудин Ш.Г. // Нефть и газ. 2004. № 1. С. 59.
7. Шамрин С.Д. //Инновации, технологии, решения. 2005. № 5. С. 27.
8. Патраков Ю.Ф., Федорова Н.И., Семенова С.А. // ХТТ. 2007. № 4. С. 3.
9. Юлин М.К., Гагарин С.Г., Кричко А.А., Кудрявцева Т.А. // ХТТ. 1995. № 2. С. 22.
10. Байкенов М.И., Омарбеков Т.Б., Амерханова Ш.К. и др. // ХТТ. 2008. № 1. С. 41.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.