Способ получения жидких продуктов из угля
Изобретение относится к способу получения жидких продуктов термическим сжижением углей, что может быть использовано в углехимии. Для получения жидких продуктов уголь подвергают термическому сжижению в течение 30 мин при повышенной температуре в присутствии растворителя и каталитических добавок. В качестве растворителя используют отбензиненную часть нефтяного шлама с температурой кипения более 200°С. В качестве каталитических добавок используют минеральную часть нефтяного шлама или анодной массы алюминиевого производства, взятых в количестве 5,0% от органической массы угля. Дополнительно вводят фусы полукоксования углей в количестве 5,0-10,0% от органической массы угля, а процесс термоожижения ведут при атмосферном давлении, температуре 390°С, причем композицию перед термоожижением гомогенизируют в течение 15-30 мин в аппарате планетарного типа. Техническим результатом изобретения является возможность направленно влиять на качественный состав жидких продуктов превращения. В продуктах превращения ОМУ содержание масел увеличивается в среднем на 18% и одновременно снижается содержание асфальтенов примерно на 10% и смол примерно на 5%. Конверсия ОМУ увеличивается на 20% и более. Также повышается рентабельность производства, решаются энергосберегающие и экологические проблемы. 1 табл.
Изобретение относится к способу получения жидких продуктов термическим сжижением углей, что может быть использовано в углехимии.
Ископаемые угли являются потенциальным сырьем для получения котельных и моторных топлив. Большинство технологий получения жидких продуктов основано на термическом сжижении угольных композиций, в которых предусматривают использование в качестве пастообразователей нерегенерируемых индвидуальных растворителей (тетралин, спирты и др.), целевых продуктов переработки нефти и угля (нефтяные фракции различной температуры выкипания, смол полукоксования углей, рецикловых растворителей и др.), дорогостоящих промышленных катализаторов, включающих Ni, Cr, Mo, Co, Fe и др., и стабилизаторов вторичных радикальных процессов, преимущественно затрудненных фенолов, полисилоксанов и др.
Основным направлением повышения рентабельности существующих технологий является создание композиций для термоожижения на основе углей и забалансовых, не подлежащих вторичной переработке в качестве технического или химического сырья побочных продуктов и отходов нефтехимических и углехимических производств и рудных шламов, дающих наибольший суммарный синергический эффект и решающих вопросы расширения сырьевой базы для технологий термоожижения углей, ресурсосбережения, утилизации отходов и экологической безопасности.
Известен способ гидрогенизации углей (А.с. №355867, C10G 1/06, опубл. 25.07.1974 г.), по которому бурые или малометаморфизованные каменные угли в присутствии растворителя (пастообразователя) - фракции высокосернистой нефти с температурой кипения выше 240°С, катализатора - соединений молибдена, двух- и трехвалентного железа и гидролизного лигнина (0,5-15% на органическую массу пасты) подвергают гидрогенизации в течение 2 часов, при температуре 400-425°С, под давлением водорода 50-150 атм.
Недостатком указанного способа является использование дефицитной нефти, дорогостоящих катализаторов и жесткие условия проведения процесса - температура, давление и длительность. Глубина превращения органической массы угля (ОМУ) при этом увеличивается в среднем на 15-20%.
Известен способ каталитической гидрогенизации (А.с. №443052, C10G 1/06, опубл. 15.09.1975 г.) смеси малосернистого угля путем его терморастворения. По способу малосернистый уголь и пастообразователь - фракция высокосернистой нефти с температурой кипения выше 240°С в присутствии катализатора (соединения молибдена, двух- и трехвалентного железа) и ингибитора процессов полимеризации азотистых оснований подвергают гидрогенизации при температуре 400-450°С, давлении водорода 50-150 атм в течение 2 часов.
Недостатками указанного способа являются жесткие условия проведения процесса (t и H2), использование дорогостоящих катализаторов, дефицитных продуктов нефтепереработки, длительность проведения процесса и относительно низкое увеличение глубины превращения органической массы углей (ОМУ) ~13,1-18%.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения жидких продуктов из угля путем его гидрогенизации (А.с. №1326604, C10G 1/06, 1/04, опубл. 30.07.1987 г.), где в качестве растворителя используют технический тетралин и угольный дополнительно гидрированный пастообразователь и железосодержащий катализатор, процесс проводят в автоклаве при температуре 390-430°С, рабочем давлении 12,0-21,5 МПа в течение 10-180 минут. При этом максимальный процент превращения ОМУ в условиях 30-минутной гидрогенизации при температуре 390°С составляет 59,00%, при 90 минутной - 66,6%, при 180-минутной 75,6%.
Недостатком указанного способа является то, что в качестве растворителя используют технический тетралин - токсичный органический растворитель, ограниченно применяемый в модельных опытах, и процесс проводят в присутствии водорода при рабочем давлении 12,0-21,5 МПа. Максимальная конверсия ОМУ - 75,6% достигается только в результате довольно длительного гидроожижения, равного 180 мин, что делает предлагаемый процесс экономически нерентабельным.
Для устранения указанных недостатков предлагается к качестве растворителя (пастообразователя) использовать отбензиненную углеводородную часть нефтяного шлама с температурой кипения выше 200°С, в качестве каталитических добавок - минеральную часть нефтяного шлама или отходы анодной массы в количестве 5,0% от органической массы угля и дополнительно композиция включает фусы полукоксования углей в количестве 5,0-10,0% от органической массы угля и процесс термического сжижения ведут при атмосферном давлении, температуре 390°С в течение 30 мин, причем сырье перед термоожижением гомогенизируют в течение 15-30 мин в аппарате планетарного типа.
Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что в качестве растворителя используют остаток после отбора бензиновой фракции (до 200°С) от углеводородной части нефтешлама (НШ), отделенной от сырого НШ центрифугированием при частоте вращения 3000 об/мин в течение 10 мин и имеющей следующий фракционный состав: до 200°С выкипает 9,0 мас.%, 200-350°С - 60,8 мас.%, выше 350°С - 30,2 мас.% - и углеводородный состав: 65,0 мас.% - парафины, моно- и бициклические ароматические соединения, в качестве каталитической добавки (К-1) используют отмытый органическим растворителем и озоленный при 600°С остаток минеральной тяжелой части НШ, отделенной от сырого НШ центрифугированием и включающей следующие каталитически активные компоненты, мас.%: Cu - 0,062, Cr - 0,013, Fe - 16,00, Со - 0,009, Ni - 0,018 - или в качестве каталитической добавки (К-2) используют отходы анодной массы Саяногорского алюминиевого комбината, содержащей следующие каталитически активные компоненты, мас.%: Na - 20,0, К - 0,30, Cu - 0,003, Cd - 0,001, Al - 20,0, Pb - 0,001, V - 0,06, Cr - 0,008, Mo - 0,001, W - 0,001, Fe - 1,50, Со - 0,001, Ni - 0,10. Каталитические добавки составляют 5,0% от ОМУ. Для термоожижения композиция дополнительно включает фусы - побочные продукты полукоксования углей, содержащие: твердые угольные частицы, равные 0,22 мм - 55,6 мас.%, включающие каталитически активные компоненты Fe2О3 (8,30 мас.%) и MgO (2,30 мас.%), смолу 43,75 мас.% и воду 0,65 мас.% и имеющие следующий фракционный состав смоляной части: до 200°С выкипает 15,0 мас.%, до 300°С - 25,5 мас.%, до 400°С - 30,7 мас.%, более 400°С - 28,8 мас.% - и углеводородный состав: масла - 15,5 мас.%, парафины - 8,36 мас.%, асфальтены - 4,46 мас.%, фенолы - более 7,00 мас.%. Смоляная часть является активным угольным растворителем, а содержащиеся в смоляной части до 7% фенолы играют роль природных стабилизаторов радикальных превращений. Добавка фусов составляет 5,0-10,0% от ОМУ.
Процесс термоожижения ведут при 390°С в течение 30 мин, причем перед термоожижением сырье гомогенизируют в течение 15-30 минут в аппарате планетарного типа.
Пасту готовят смешением угля, растворителя, катализатора и фусов. Приготовленную пасту перед термоожижением подвергают интенсивной гомогенизации в аппарате планетарного типа в течение 15-30 мин, при соотношении паста: мелющие шары 1:20 (мас.). Режим работы стационарный, число оборотов вокруг общей оси равно 60 с-1, теоретическая скорость мелющего тела (шаров) равна 18 м/сек. Термоожижение ведут во вращающемся автоклаве лабораторного типа объемом 35 мл. Скорость нагревания автоклава 15°С/мин, температура растворения 390°С, выдержка при максимальной температуре 30 мин. Процесс ведут без подвода внешнего водорода.
По окончании процесса и охлаждения автоклава пасту выгружают и отмывают в аппарате Сокслета экстракцией бензолом. Остаточный уголь сушат до постоянного веса в вакуумном шкафу и по изменению в нем количества зольного остатка рассчитывают конверсию ОМУ по формуле:
где
К - конверсия ОМУ,
Ad - зольность остаточного угля,
ad - зольность исходного угля.
В жидких продуктах (ЖП) превращения после отгонки растворителя (бензола) определяют групповой состав: масла, асфальтены, смолы, карбенов и карбоидов (по разнице).
Пример 1. Состав сырья включает бурый уголь, имеющий следующий состав, мас.%: Wa 3,41, Аd 25,27, Vdaf 0,73, Сdaf 68,34, Нdaf 6,10, Sd 0,77, (O+S)daf 25,79, (н/с)am 1,06, (o/c)am 0,27, растворитель (пастообразователь) - легкую углеводородную часть НШ, от которой отобрана бензиновая фракция с Ткип до 200°С. Фракционный состав пастообразователя: до 350°С выкипает 60,8 мас.%, до 400°С - 30,2 мас.%, выше 400°С - 9,0 мас.%. Соотношение уголь: растворитель 1:3.
Терморастворение осуществляют во вращающемся автоклаве лабораторного типа. Объем реакционной камеры 35 мл. В автоклав загружают 20 г пастообразного сырья. Скорость нагрева автоклава 15°С/мин. Температура термостатирования 390°С, продолжительность процесса (выдержка) 30 минут. Процесс осуществляют без подвода внешнего водорода.
По окончании процесса и охлаждения автоклава пасту выгружают и отмывают экстракцией бензолом. Полученный в результате отмывки остаточный уголь сушат в вакуумном шкафу. По изменению в нем содержания зольного остатка рассчитывают конверсию ОМУ по формуле:
где К - конверсия ОМУ,
Аd - зольность остаточного угля,
ad - зольность исходного угля.
В жидких продуктах превращения после отгонки растворителя (бензола) определяют групповой состав: масла, асфальтены и смолы.
Конверсия ОМУ составляет 46,0 мас.%.
Пример 2-3. По примеру 1 с тем отличием, что сырье включает каталитически активные добавки К-1 и К-2, количество которых составляет 5,0 мас.% от ОМУ.
Конверсия ОМУ в опыте с К-1 составляет 51,4 мас.%.
Конверсия ОМУ в опыте с К-2 составляет 46,9 мас.%.
Пример 4-5. По примеру 2-3 с тем отличием, что сырье дополнительно включает фусы, количество которых составляет 5,0 мас.% от ОМУ.
Конверсия ОМУ в опыте с К-1 составляет 55,2 мас.%.
Конверсия ОМУ в опыте с К-2 составляет 53,4 мас.%.
Пример 6-7. По примеру 2-3 с тем отличием, что сырье дополнительно включает фусы, количество которых составляет 10,0 мас.% от ОМУ.
Конверсия ОМУ в опыте с К-1 составляет 47,4 мас.%.
Конверсия ОМУ в опыте с К-2 составляет 49,1 мас.%.
Пример 8. По примеру 1 с тем отличием, что пастообразное сырье гомогенизируют в течение 15 минут.
Конверсия ОМУ гомогенизированного угля составляет 53,3 мас.%.
Пример 9-10. По примеру 2-3 с тем отличием, что пастообразное сырье гомогенизируют в течение 15 минут.
Конверсия ОМУ в опыте с К-1 составляет 59,8 мас.%.
Конверсия ОМУ в опыте с К-2 составляет 57,2 мас.%.
Пример 11-12. По примеру 2-3 с тем отличием, что пастообразное сырье гомогенизируют в течение 15 минут.
Конверсия ОМУ в опыте с К-1 составляет 63,1 мас.%.
Конверсия ОМУ в опыте с К-2 составляет 66,3 мас.%.
Пример 13-14. По примеру 6-7 с тем отличием, что пастообразное сырье гомогенизируют в течение 15 минут.
Конверсия ОМУ в опыте с К-1 составляет 57,3 мас.%.
Конверсия ОМУ в опыте с К-2 составляет 68,2 мас.%.
Пример 15-16. По примеру 13-14 с тем отличием, что пастообразное сырье гомогенизируют в течение 30 минут.
Конверсия ОМУ в опыте с К-1 составляет 59,7 мас.%.
Конверсия ОМУ в опыте с К-2 составляет 70,7 мас.%. Результаты опытов объединены в таблице 1.
| Таблица 1. | ||||||||
| Влияние условий проведения термоожижения на глубину превращения ОМУ и состав жидких продуктов превращения (состав пасты, мас.%: бурый уголь 25, растворитель 75, t - 390°С, 30 мин, без внешнего Н2) | ||||||||
| № опытов | Катализаторы, мас.% от ОМУ | Фусы, мас.% от ОМУ | Гомогенизация, мин. | Конверсия К % от ОМУ | Жидкие продукты превращения ОМУ | |||
| Масла, % от ЖП | Асфальтены, % от ЖП | Смолы, % от ЖП | Карбены, карбоиды по разнице | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 1 | - | - | - | 46,0 | 61,0 | 24,3 | 11,7 | 4,0 |
| 2 | К-1 5,0 | - | - | 51,4 | 68,9 | 17,3 | 9,4 | 4,4 |
| 3 | К-2 5,0 | - | - | 46,9 | 71,0 | 15,4 | 9,8 | 4,6 |
| 4 | К-1 5,0 | 5,0 | - | 55,2 | 74,6 | 13,7 | 8,2 | 3,5 |
| 5 | К-2 5,0 | 5,0 | - | 53,4 | 68,8 | 15,6 | 9,9 | 5,7 |
| 6 | К-1 5,0 | 10,0 | - | 47,4 | 70,9 | 13,2 | 8,9 | 6,0 |
| 7 | К-2 5,0 | 10,0 | - | 49,1 | 69,0 | 10,6 | 10,3 | 10,1 |
| 8 | - | - | 15 | 53,3 | 66,4 | 13,0 | 10,4 | 4,2 |
| 9 | К-1 5,0 | - | 15 | 59,8 | 72,5 | 15,6 | 7,0 | 4,9 |
| 10 | К-2 5,0 | - | 15 | 57,2 | 72,6 | 14,7 | 8,0 | 4,7 |
| 11 | К-1 5,0 | - | 15 | 63,1 | 76,9 | 10,0 | 6,3 | 6,8 |
| 12 | К-2 5,0 | - | 15 | 66,3 | 85,3 | 8,0 | 3,5 | 3,3 |
| 13 | К-1 5,0 | 10,0 | 15 | 57,3 | 75,8 | 12,9 | 6,5 | 4,8 |
| 14 | К-2 5,0 | 10,0 | 15 | 68,2 | 88,8 | 6,9 | 3,0 | 1,3 |
| 15 | К-1 5,0 | 10,0 | 30 | 59,7 | 84,7 | 8,2 | 4,0 | 3,1 |
| 16 | К-2 5,0 | 10,0 | 30 | 70,7 | 88,9 | 5,8 | 2,8 | 2,5 |
Реализация заявляемого изобретения позволяет направленно влиять на качественный состав жидких продуктов превращения. В примерах с предварительной гомогенизацией пастообразного сырья реализуется механодеструкция как ОМУ, так и сложных структур в составе НШ и фусов, что в присутствии стабилизирующих компонентов фусов позволяет увеличивать в продуктах превращения ОМУ содержание масел в среднем на 18% при одновременном снижении содержания асфальтенов примерно на 10% и смол примерно на 5%, а также позволяет увеличить конверсию ОМУ на 20 и более %, в то время, как по прототипу это увеличение составляет всего 7%.
Использование более низких температурных и временных параметров по сравнению с традиционными и вовлечение в процесс термоожижения углей, бросовых, остаточных продуктов нефте- и углехимической переработки значительно удешевляет существующие технологии, делает их более рентабельными и одновременно решает энергосберегающие и экологические проблемы.
Способ получения жидких продуктов из угля путем его термического сжижения при повышенной температуре в течение 30 мин в присутствии растворителя и каталитических добавок, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют отбензиненную часть нефтяного шлама с температурой кипения более 200°С, а в качестве каталитических добавок используют минеральную часть нефтяного шлама или анодной массы алюминиевого производства, взятых в количестве 5,0% от органической массы угля, и дополнительно вводят фусы полукоксования углей в количестве 5,0-10,0% от органической массы угля, а процесс термоожижения ведут при атмосферном давлении, температуре 390°С, причем композицию перед термоожижением гомогенизируют в течение 15-30 мин в аппарате планетарного типа.
