液化条件.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流液化条件.精品文档. 液化条件对煤直接液化反应的影响组长:赵 琳 (20号) 组员:韩 阳 (27号) 徐 娜 (21号) 金 龙 (17号) 蒋宗志 (26号) 黑 龙 江 科 技 学 院液化条件对煤直接液化反应的影响煤炭液化通常是将动力煤经化学加工转化成洁净的便于运输和使用的液体燃料、化学品或化工原料的一种先进的洁净煤技术。煤炭液化有两种完全不同的技术路线,一种是直接液化,另一种是间接液化。本文重点介绍影响煤炭直接液化的工艺条件。煤炭直接液化是指通过加氢使低阶煤中复杂的有机化学结构直接转化为液体燃料,转化过程是在含煤粉和溶剂的浆液系统中进
2、行加氢,需要较高的压力和温度。直接液化的优点是热效率高、液体产品收率高;主要缺点是煤浆加氢工艺过程各步骤的总体操作条件相对严格。煤炭直接液化的工艺条件主要包括温度、压力、煤浆浓度、气/液比、停留时间等。一、温度煤化学结构的基本单元是以缩合芳环为主体的带有侧链和多种官能团的大分子,煤是由这些结构相似但不完全相同的结构单元通过桥键连接而成。由于煤结构的复杂性和煤液化产物的难分离性和分析性,煤科学家们认为煤的直接液化原理是基于煤炭在高温高压的热分解反应和加氢反应,煤在一定温度、压力下的加氢液化过程分为三步:1、当温度升至一定高度时,煤受热分解,即煤的大分子中较弱的桥键开始断裂,打破煤的分子结构,从而
3、产生大量的以结构单元分子为基体的自由基碎片,自由基的相对分子质量在数百范围;2、在具有供氢能力的溶剂环境和较高氢压力的条件下,自由基被加氢得到稳定,成为沥青烯及液化油分子;3、沥青烯及液化油分子被继续加氢裂化生成更小的分子。由此可以看出在煤液化反应中,热分解是非常重要的一步,而温度是影响键裂解的重要因素。因此温度是煤液化反应中一个非常重要的因素。不同温度下褐煤、长焰煤和气煤液化实验结果/试样编号耗氧量水产率沥青烯产率前沥青烯产率气产率油产率转化率霍林河(430)5.0014.356.280.4025.9852.6594.66霍林河(440)4.0514.594.240.0023.2760.62
4、98.67霍林河(450)4.2614.473.670.3726.5257.7898.28补连塔(440)3.958.656.210.1721.7553.8786.87补连塔(450)4.239.305.060.5923.8555.1689.74补连塔(460)4.379.654.600.7126.3653.1990.13新疆41(450)4.467.506.530.2423.8753.4087.08新疆41(460)4.548.074.630.3826.1355.5890.25新疆41(470)4.697.903.620.5228.9354.5090.80上表是在相同实验条件下,温度对褐煤、
5、长焰煤和气煤液化反应性能的影响规律。从表中可得知,对于霍林河煤(褐煤),当温度由430升高到450时,总转化率和油产率均随温度的升高先增加,在降低,在440是达到最大值,分别为98.675%和60.12%;对于补连塔煤(长焰煤),当温度由440升高到460,总转化率由86.70%增加到90.13%,油产率在450达到最大(55.16%);对于新疆41煤(气煤),当温度由450上升到470,转化率由87.08%增加到90.80%,油产率在460是达到最大(55.58%)。此外,三种煤的沥青烯产率均随温度的升高而下降,水产率基本保持不变,气产率和氢耗率均随着温度的升高而增加。由此可以得出当液化温度
6、变化时,煤的总转化率和各项液化产物均发生变化。当液化温度较低时,煤化学结构中较弱的键开始断裂,成为自由基碎片。随着温度升高,较强的键也开始随着温度的升高断裂,当达到一定温度时,较强的键和较弱的键同时断裂,导致裂解速度加快,体系中存在大量的自由基碎片,并且有足够的活性氢与之组合,因此转化率和油收率随之增加。但是随着温度的进一步升高,煤裂解程度继续加深,活性氢急剧减少,裂解产生的自由基碎片得不到活性氢的组合,无法合成小分子,导致油产率和转化率降低。这也就是转化率和油产率先上升后下降的原因。因此褐煤,长焰煤和气煤分别在440、450和460左右时,液化反应条件下其环结构打开,加氢反应即可完成。气煤和
7、长焰煤煤化程度较高,大分子环结构中的碳原子比较多,因此气煤和长焰煤液化反应温度比较高。二、反应压力煤炭液化的活性氢源主要来自四个方面:供氢溶剂在液化反应条件下可供给或传递的活性氢;煤有机大分子热解后自身生成的活性氢;煤液化过程中因反应物发生化学反应所生成的活性氢;溶解于溶剂中的氢气在催化剂作用下转化成的活性氢。由此可见,煤液化过程中需要的活性氢主要来自外界向反应体系提供的,而煤自身热解产生的活性氢数量很少。为使煤大分子结构转化成低相对分子质量的液体产物,增加煤液体的H/C原子比,还必须在较高的氢压下才能满足这一过程的转化要求。由煤液化的反应机理可知,煤热溶解或热裂解过程中产生的自由基“碎片”可
8、以通过液化体系中存在的活性氢原子而稳定。因此提高氢压有利于提高反应体系中活性氢的浓度,同时氢气的存在也有利于抑制反应过程中发生的自由基缩聚和结焦等逆反应过程,促进煤的液化反应。氢压主要影响反应体系中氢气在溶剂中的溶解度,也直接影响液化系统中活性氢的浓度。大量实验研究证明一般氢气在溶剂中的溶解度服从亨利定律,煤液化反应速度与氢气分压的一次方成正比,所以氢分压越高越有利于煤的液化反应。氢分压等于总压乘以气体中氢气的体积浓度:所以要使氢分压提高,可以提高系统总压或提高氢气在循环气中的浓度。提高系统的总压使整个液化装置的压力等级提高,反应器和其他高压容器以及工艺配管的壁厚就需要增加。高压圆柱形筒体的厚
9、度计算公式如下:式中圆筒的壁厚圆筒的内径设计压力设计温度下材料的允许应力焊缝系数,根据焊接工艺不同取值在0.851.0范围内从上式可以看出,壁厚几乎与压力成正比,所以提高系统压力对装置投资的增加影响很大。另外,压力的增加使氢气压缩和煤浆加压消耗的能量也增加,因此选择煤液化装置的压力需要综合各方面的因素慎重考虑。目前,煤液化反应的氢气压力正向中低压工艺发展,适宜的煤液化反应压力一般为1725MPa。三、煤浆浓度从理论上讲,煤浆浓度对液化反应的影响应该是浓度越稀越有利于煤热解自由基碎片的分散和稳定。但为了提高反应器的空间利用率,煤浆浓度应尽可能提高。实验研究证明,高浓度煤浆在适当调整反应条件的前提
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