专利名称：基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法
技术领域：
本发明涉及煤炭直接液化技术，具体涉及到一种基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法。
背景技术：
煤直接液化是煤洁净技术中的一个重要领域，是煤综合利用的一种有效途径，不仅可以将煤炭转化成洁净的、高热值的燃料油，减轻燃煤型污染，还可以得到许多用人工方法难以合成的化工产品。在全球石油资源逐渐短缺而煤炭资源相对丰富的情况下，高效煤液化技术已成为一个重要课题。为此，各国政府和学术界对煤液化展开了大量的研究，开发了许多新工艺，有的已达到了商业可行的目标。
较为典型的煤液化方法是将干燥粉碎的煤粉与溶剂混合形成煤浆，根据各自工艺的特点加入不同的催化剂，在高温400℃-500℃和高压15MPa-30MPa下通入氢气使煤发生裂解加氢反应。加入的催化剂通常有三类第一类是钴、钼、镍等贵金属催化剂，催化活性大，但价格昂贵，需较高的投入进行回收再生使用，且存在资源短缺的问题；第二类是金属卤化物催化剂，属酸性催化剂，催化能力强，但对设备腐蚀严重；第三类是铁系催化剂，包括各种红泥、铁矿石、工业冶炼废渣、人工合成铁盐等，价格低廉且不必进行回收，但催化活性有限，如果将其制备成超细颗粒，催化活性可以增强，但很难达到纳米级，使用人工合成的方法制备成纳米铁盐，在煤液化的反应过程中产生铁盐颗粒团聚，分散性和稳定性方面存在问题。
正是这些问题的存在，使得煤液化技术一直以来对反应条件的要求十分苛刻。在煤液化的过程中对水电能源的耗费巨大，且转化率和收油率难以提高，产业化对设备、技术要求大，成本难以实现较大幅度的降低，制约了煤液化产业化推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，所述方法一方面工艺简单，降低煤液化对反应条件的苛刻要求，同时提高转化率、收油率；另一方面催化剂价格合理，催化活性高且不需要进行回收，易于实现煤液化产业化生产。
本发明的技术解决方案是该方法包括以下步骤①原煤的预处理，将干燥的原煤置于粉碎设备中粉碎，筛分，制备煤粉，根据原煤种类不同，对需溶胀的煤粉进行溶胀处理，将其与溶胀剂混合搅拌，再在真空或氮气保护下烘干，回收溶胀剂，不需溶胀的煤粉直接备用；②催化剂的预处理，在供氢溶剂中加入催化剂充分搅拌混合；③煤浆的制备，将煤粉与含催化剂的供氢溶剂混合，搅拌制得煤浆；④煤浆的液化反应，将煤浆导入到液化反应设备高压搅拌反应釜中，密封设备，置换或抽空釜内空气后通入氢气或氢气与一氧化碳的混合气体达到反应压力，缓慢加热设备至液化反应温度，保温，在连续或间断搅拌的条件下使煤浆充分完成液化裂解加氢反应；⑤液化反应后产品的分离，将液化反应的气态产物导出后分离，可利用的氢气或一氧化碳循环使用；液态产物导入蒸馏设备中，采用沸点升高法，控制蒸馏温度，进行实沸点蒸馏，得到各种可直接作为燃料使用的液化成品油；剩余的残渣作为液化原料循环使用，重油和渣油作为溶剂循环使用。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，采用五羰基铁或含五羰基铁的混合物作煤液化催化剂，五羰基铁用量以Fe计为煤粉质量的0.1％-5％，含五羰基铁的混合物为五羰基铁与硫磺的混合物，五羰基铁与硫磺的比例为质量比1.2∶1-12∶1。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，所用的原煤为褐煤、烟煤或次烟煤，原煤通常干燥至含水量低于15％，粉碎至80目或更细。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，制备煤浆时煤粉与含催化剂的供氢溶剂混合比例为1∶1-4∶1。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，需溶胀的煤粉所使用的溶胀剂为甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙酮、环己酮、四氢呋喃、吡啶、苯、甲苯中的一种或几种，溶胀时间为4-24小时。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，使用的供氢溶剂为普通溶剂四氢萘、萘、蒽、菲、甲酚、苯酚、醇类物质等，或高沸点溶剂煤焦油、石油渣油、废塑料、废橡胶、废油脂，或以上其中两种或多种混合。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，液化反应采用氢气或氢气与一氧化碳混合提供的反应环境压力在8-20Mpa；液化反应温度在350-400℃范围；液化反应时间10-120min。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，液化反应的加压、加热、保温过程中应连续或间断搅拌；液化反应的反应产物通过分离，氢气、一氧化碳、重油、渣油在下一次的液化反应中循环利用。
本发明具有以下优点①五羰基铁常温常压下为液态，可完全溶解于汽油、苯、四氯化萘、苯醛、丙酮、溴化苯、二氯化苯等溶剂；Fe(CO)5高温时分解生成Fe和CO，该反应是一个可逆反应，在高压下Fe和CO又可以合成Fe(CO)5；煤液化反应条件达到前，Fe(CO)5以气态的形式与H2、气化的供氢溶剂混合，进入到煤的微孔中，或吸附到煤颗粒表面；液化反应条件达到后，微孔中的和吸附态的Fe(CO)5蒸汽分解生成极具活性的新生态铁原子；由于Fe(CO)5用量少，形成的蒸汽浓度低，热解过程中，吸附在煤颗粒表面的Fe(CO)5分解出的Fe原子浓度低，仅在煤颗粒表面形成纳米级或不足纳米级的包覆层；而进入微孔中的Fe(CO)5由于煤颗粒的间隔阻碍，使铁原子无法长大，也形成不大于纳米级的铁颗粒，两种形式的铁微粒其原子d电子空余的杂化轨道与煤形成化学吸附键，在供氢溶剂的共同作用下，对煤结构中芳核的氢化、开环、桥键的裂解、脱烷基和脱杂原子反应起促进作用，同时使裂解反应中产生的大量游离基碎片及时得到活性氢原子，从而形成稳定的液化油分子，这种原位吸附分解的新生态铁与纳米铁盐相比，更具活性且分散性、稳定性好，因此弥补了其它煤液化催化剂的不足。②溶胀剂使煤中小分子相与网络结构之间存在的氢键断裂，从而降低煤的交联度，形成疏松的煤结构。③工艺简单，降低了煤液化反应的苛刻条件，提高了转化率和收油率。
图1为本发明的工艺流程图。
图中①-⑤为工艺步骤，I为煤液化反应设备高压搅拌反应釜，II为蒸馏设备。
具体实施例方式
本发明的煤液化方法包括以下步骤①原煤的预处理，将干燥的原煤置于粉碎设备中粉碎，筛分，制备煤粉，根据原煤种类不同，对需溶胀的煤粉进行溶胀处理，将其与溶胀剂混合搅拌，再在真空或氮气保护下烘干，回收溶胀剂，不需溶胀的煤粉直接备用；②催化剂的预处理，在供氢溶剂中加入催化剂充分搅拌混合；③煤浆的制备，将煤粉与含催化剂的供氢溶剂混合，搅拌制得煤浆；④煤浆的液化反应，将煤浆导入到液化反应设备高压搅拌反应釜中，密封设备，置换或抽空反应釜内空气后通入氢气或氢气与一氧化碳的混合气体达到反应压力，缓慢加热设备至液化反应温度，保温，在连续或间断搅拌的条件下使煤浆充分完成液化裂解加氢反应；⑤液化反应后产品的分离，将液化反应的气态产物导出后分离，可利用的氢气或一氧化碳循环使用；液态产物导入蒸馏设备中，采用沸点升高法，控制蒸馏温度，进行实沸点蒸馏，得到各种可直接作为燃料使用的液化成品油；剩余的残渣作为液化原料循环使用，重油和渣油作为溶剂循环使用。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，采用五羰基铁或含五羰基铁的混合物作煤液化催化剂，五羰基铁用量以Fe计为煤粉质量的0.1％-5％，含五羰基铁的混合物为五羰基铁与硫磺的混合物，五羰基铁与硫磺的比例为质量比1.2∶1-12∶1。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，所用的原煤为褐煤、烟煤或次烟煤，原煤通常干燥至含水量低于15％，粉碎至80目或更细。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，制备煤浆时煤粉与含催化剂的供氢溶剂混合比例为1∶1-4∶1。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，需溶胀的煤粉所使用的溶胀剂为甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙酮、环己酮、四氢呋喃、吡啶、苯、甲苯中的一种或几种，溶胀时间为4-24小时。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，使用的供氢溶剂是一般溶剂四氢萘、萘、蒽、菲、酚类如甲酚和苯酚、醇类物质，或高沸点溶剂煤焦油、石油渣油、废塑料、废橡胶、废油脂，或以上其中两种或多种混合。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，液化反应采用氢气或氢气与一氧化碳混合提供的反应环境压力在8-20Mpa；液化反应温度在350-400℃；液化反应时间10-120min。
本发明的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法中，液化反应的加压、加热、保温过程中应连续或间断搅拌；液化反应的反应产物通过分离，氢气、一氧化碳、重油、渣油在下一次的液化反应中循环利用。
实施例1用球磨机将干燥的煤粉碎后，经100目过筛，将煤粉与溶胀剂甲醇混合，充分搅拌，溶胀时间24小时，通过低温蒸馏回收溶胀剂，经溶胀处理的煤粉在氮气保护下烘干；在供氢溶剂四氢萘中加入催化剂五羰基铁液体，加入量以铁原子计为煤质量的0.5％，在避光的条件下搅拌，使之充分混合；将上述经溶胀处理的煤粉和含催化剂的供氢溶剂依1∶1的比例混合，充分搅拌形成煤浆，随后将煤浆导入高压搅拌反应釜，置换空气后密封，加入氢气由2MPa初压达8MPa，设定反应温度为350℃，缓慢加热设备至设定温度后保温60min进行液化反应，此过程中持续搅拌；液化产物用环己烷溶解萃取，用5层滤纸抽滤分离，反复萃取至溶剂无色为止，得到的不溶物用四氢呋喃(THF)溶解，将四氢呋喃未溶解成分烘干，称取质量，并将其定义为未反应煤，催化剂根据用量换算成铁的质量后从中除去，通过已反应煤对液化反应前煤的质量比计算煤的转化率，四氢呋喃可溶物通过蒸馏分离出溶剂，剩余物为沥青烯；将环己烷可溶物导入到蒸馏设备中，用50℃以下的温度低温蒸馏除去溶剂，再采用沸点升高法，严格控制蒸馏温度，进行沸点蒸馏和成分分析，采用的分析标准为100-205℃为汽油，205-300℃为轻柴油，301-360℃为轻润滑油，360℃以上为重油，称量各种蒸馏产物的质量，并计算其在液化反应产物中所占的百分比。
实施例280目的煤粉与丙酮溶胀4小时，煤粉和含催化剂的甲酚供氢溶剂依2.5∶1的比例混合，催化剂五羰基铁液体的加入量以铁原子计为煤质量的0.1％，采用与实施例1相同的方法进行液化，液化反应的温度380℃，液化反应压力14Mpa，液化反应时间10min。反应产物采用同样的分析方法，计算液化转化率，并称取各种蒸馏产物的质量，计算其在液化反应产物中所占的百分比。
实施例380目的煤粉与吡啶溶胀14小时，煤粉和含催化剂的煤焦油供氢溶剂依4∶1的比例混合，催化剂五羰基铁液体的加入量以铁原子计为煤质量的5.0％，采用与实施例1相同的方法进行液化，液化反应的温度为400℃，液化反应压力16Mpa，液化反应时间120min。反应产物采用同样的分析方法，计算液化转化率，并称取各种蒸馏产物的质量，计算其在液化反应产物中所占的百分比。
实施例4除将加入高压搅拌反应釜中的氢压由4Mpa达20MPa外，采用与实施例1相同的方法进行液化。反应产物采用同样的分析方法，计算液化转化率，并称取各种蒸馏产物的质量，计算其在液化反应产物中所占的百分比。
实施例5在供氢溶剂四氢萘中加入五羰基铁液体和硫磺粉作催化剂，五羰基铁的加入量以铁原子计为煤质量的0.5％，硫磺粉的加入量为五羰基铁质量的8.33％，即五羰基铁与硫磺的质量比12∶1，其他方法与实施例4相同，进行液化。反应产物采用同样的分析方法，计算液化转化率，并称取各种蒸馏产物的质量，计算其在液化反应产物中所占的百分比。
实施例6在供氢溶剂四氢萘中加入五羰基铁液体和硫磺粉作催化剂，五羰基铁的加入量以铁原子计为煤质量的0.5％，硫磺粉的加入量为五羰基铁质量的16.33％，即五羰基铁与硫磺的质量比6.12∶1，其他方法与实施例4相同，进行液化。反应产物采用同样的分析方法，计算液化转化率，并称取各种蒸馏产物的质量，计算其在液化反应产物中所占的百分比。
实施例7
采用与实施例6相同的方法，催化剂五羰基铁的加入量以铁原子计为煤质量的0.5％，硫磺粉的加入量为五羰基铁质量的24.50％，即五羰基铁与硫磺的质量比4∶1。反应产物采用同样的分析方法，计算液化转化率，并称取各种蒸馏产物的质量，计算其在液化反应产物中所占的百分比。
实施例8采用与实施例6相同的方法，但催化剂五羰基铁的加入量以铁原子计为煤质量的0.5％，硫磺粉的加入量为五羰基铁质量的83.33％，即五羰基铁与硫磺的质量比1.2∶1。反应产物采用同样的分析方法，计算液化转化率，并称取各种蒸馏产物的质量，计算其在液化反应产物中所占的百分比。
以上各实施例所得到的结果汇成表1。
由表1中的实施例1与实施例2比较，可知催化剂五羰基铁的加入量与催化能力有一定的关系，当五羰基铁的加入量为煤质量的0.1％时，收油率为45.8％，而五羰基铁的加入量增加到实施例1的0.5％时，收油率相应增加到48.7％，但五羰基铁的加入量再增加，收油率没有太大的提高，当加入量达到实施例3的5％时，收油率仅提高了0.8％。
由表1中的实施例1与实施例4比较，反映出煤液化转化率随着反应压力的升高而增大，实施例1所用的初始氢压为2MPa，随着温度升高至设定的液化反应温度压力达到8MPa，转化率为75.8％，收油率为48.7％；实施例4所用的初始氢压为4MPa，液化反应温度下压力达到20MPa，转化率达到82.5％，收油率达到54.3％。
由表1中的实施例5至实施例8比较，得到硫磺粉的加入有利于五羰基铁的催化能力，且实施例7中硫磺粉加入量的Fe/S原子比2∶3较之实施例6中的1∶1高，转化率由84.3％增加到85.6％，说明Fe/S原子比为2∶3时，催化剂体系的催化活性更大。但由实施例8可知催化剂活性并不完全随着Fe/S原子比增加而增大。
本发明的具体实施方式
参照实施例1-8，本发明并不仅限于这些实例，只要不超出本发明的技术方案内容，都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，该方法包括以下步骤①原煤的预处理，将干燥的原煤置于粉碎设备中粉碎，筛分，制备煤粉，根据原煤种类不同，对需溶胀的煤粉进行溶胀处理，将其与溶胀剂混合搅拌，再在真空或氮气保护下烘干，回收溶胀剂，不需溶胀的煤粉直接备用；②催化剂的预处理，在供氢溶剂中加入催化剂充分搅拌混合；③煤浆的制备，将煤粉与含催化剂的供氢溶剂混合，搅拌制得煤浆；④煤浆的液化反应，将煤浆导入到液化反应设备高压搅拌反应釜中，密封设备，置换或抽空反应釜内空气后加入氢气或氢气与一氧化碳的混合气体达到反应压力，缓慢加热设备至液化反应温度，保温，在连续或间断搅拌的条件下使煤浆充分完成液化裂解加氢反应。⑤液化反应后产品的分离，将液化反应的气态产物导出后分离，可利用的氢气或一氧化碳循环使用；液态产物导入蒸馏设备中，采用沸点升高法，控制蒸馏温度，进行实沸点蒸馏，得到各种可直接作为燃料使用的液化成品油；剩余的残渣作为液化原料循环使用，重油和渣油作为溶剂循环使用。
2.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于采用五羰基铁或含五羰基铁的混合物作煤液化催化剂，催化剂五羰基铁用量以Fe计为煤粉质量的0.1％-5％，含五羰基铁的混合物为五羰基铁与硫磺的混合物，五羰基铁与硫磺的质量比为1.2∶1-12∶1。
3.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于所用的原煤为褐煤、烟煤或次烟煤，原煤干燥至含水量低于15％，粉碎至80目或更细。
4.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于制备煤浆时煤粉与含催化剂的供氢溶剂混合比例为1∶1-4∶1。
5.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于需溶胀处理的煤粉所使用的溶胀剂为甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙酮、环己酮、四氢呋喃、吡啶、苯、甲苯中的一种或几种，溶胀时间为4-24小时。
6.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于使用的供氢溶剂为普通溶剂四氢萘、萘、蒽、菲、甲酚、苯酚、醇类物质，或高沸点溶剂煤焦油、石油渣油、废塑料、废橡胶、废油脂，或以上其中两种或多种混合。
7.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于液化反应采用氢气或氢气与一氧化碳混合提供的反应环境压力为8-20MPa。
8.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于液化反应温度350-400℃。
9.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于液化反应时间10-120min。
10.根据权利要求1所述的基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，其特征在于液化反应的加压、加热、保温过程中应连续或间断搅拌；液化反应的反应产物通过分离，氢气、一氧化碳、重油、渣油在下一次的液化反应中循环利用。
全文摘要
本发明公开了基于五羰基铁作催化剂的煤液化方法，首先将干燥的原煤置于粉碎设备中粉碎，筛分，制备煤粉，对需溶胀的煤粉进行溶胀处理，供氢溶剂中加入催化剂充分搅拌混合，煤粉与含催化剂的供氢溶剂按比例混合搅拌得煤浆；然后将煤浆导入高压搅拌反应釜中，加入氢气达到反应压力，加热至液化反应温度，保温，在搅拌条件下煤浆充分完成液化裂解加氢反应；最后液化反应后产品分离，得到各种可直接作为燃料使用的液化成品油。本发明的工艺简单，降低了煤液化对反应条件的苛刻要求，同时达到高转化率和高收油率，而且催化剂价格合理、催化活性高且不需要进行回收。
文档编号B01J31/12GK101020834SQ20071002026
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月10日 优先权日2007年3月10日
发明者高为鑫, 张蓉艳, 柯尊斌 申请人:江苏天一超细金属粉末有限公司