煤中小分子化合物对煤高温快速液化反应性影响的研究

【摘要】小分子化合物是煤有机质整体结构中的一部分,而且是煤中的富氢组分,它的存在对煤高温快速液化反应会产生何影响,并不十分清楚。本文对其进行了较为系统的研究。主要研究结论如下：采用四氢呋喃溶剂对兖州煤和神府煤进行索氏抽提,获得了小分子化合物和抽余煤(定义为经四氢呋喃溶剂抽提后的残余煤)。在抽提实验中发现抽提12h即可达到抽提终点,此时兖州煤的抽提率为14.0%,神府煤的抽提率为10.7%。由红外光谱分析可知小分子化合物主要含有脂肪烃、芳香烃和酚、醇、醚类等官能团结构,抽余煤中的脂肪烃类减少,但抽余煤的大分子网络结构没有发生根本性的改变；通过凝胶色谱法测得兖州煤小分子化合物的重均分子量主要集中在400左右,由比重瓶法测得其密度为1.1924g/cm3。抽出小分子化合物后煤的表面疏松多孔,孔结构由微孔变成了相对大一些的介孔,平均孔径增大；煤的H/C较原煤降低了,表明小分子化合物确实是煤中的富氢组分。从原煤和抽余煤的热重实验得知,抽出小分子化合物后,煤的总失重量降低,失重速率也减小,神府煤的最大失重温度稍微向高温段移动了一点。原煤及其抽余煤的热解动力学显示,脱除小分子化合物后煤结构中的部分化学键虽被削弱,但煤的主体结构并未发生根本性的改变；抽余煤在煤热解过程的三个阶段中的热解反应均为一级反应,各个阶段的热解活化能较之原煤均有所减小,这进一步表明了脱除小分子化合物后煤的热解更充分了。兖州原煤及其抽余煤在高温快速液化反应条件下的实验表明,抽余煤的液化转化率与原煤的相比得到了进一步提高,且液化产物组成向轻质化方向移动。一系列的分析数据和表征结果说明：①采用溶剂抽提出小分子化合物后,煤的主体结构并没有被破坏,抽余煤的高温快速液化反应仍然是通过热解破坏煤中的桥键进而发生加氢液化反应。②通过溶剂抽提过程,可使煤的结构变得疏松,某些交联健的键能有所下降,在液化反应时,热解反应更加充分,并且在高温快速液化反应条件下,活性氢充足,进而有利于煤的液化。③经溶剂抽提后,煤的孔结构由微孔转变为介孔,孔径变大,减小了供氢溶剂的移动阻力,进而供氢效果得到了进一步改善。这些都是抽余煤液化转化率提高的内在因素。从原煤与其抽余煤高温快速液化的对比实验得知,小分子化合物是煤中的富氢组分,在液化过程中可以起到提供活性氢的作用,但与强供氢溶剂四氢萘相比,其供氢能力是十分有限的。抽余煤在不同操作条件下的高温快速液化实验表明,抽余煤高温快速液化的最佳反应时间也是5min,与原煤的相同。这进一步表明了煤高温快速液化的反应时间选择5min是合理的；抽余煤高温快速液化在高的氢气冷初压下,其转化率会更大；适宜的溶煤比为2.5：1；高分散铁系催化剂对抽余煤高温快速液化的催化效果显著；抽提时间为7h的抽余煤高温快速液化转化率最高,油和沥青烯产率也较高。
【作者】王迎春；
【导师】凌开成；
【作者基本信息】太原理工大学，化学工程与技术，2014，博士
【关键词】煤炭液化；煤高温快速液化；煤中小分子化合物；分子量；

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