0 引 言
新疆地处中国西部内陆，是我国重要的能源战略基地，预测煤炭资源总量2.19万亿t，占全国煤炭资源总量的40%，居全国煤炭蕴藏量之首[1]。吐鲁番-哈密含煤盆地是东疆煤炭资源最为丰富的区域，其中淖毛湖矿区是该区域的核心，淖毛湖矿区面积约为2 166 km2，可供露天开采的煤炭资源总量32亿t，主要煤种为1号长焰煤，具有高挥发分、富油、高热值和低硫磷的煤质特点[2-3]，该区域煤炭资源的合理开发利用对新疆的社会经济发展起到了至关重要的作用。淖毛湖煤呈现出适宜直接加氢液化的煤质特征，是我国国内适宜直接加氢液化的优良煤种，而直接加氢液化技术是我国实现能源替代，保障能源安全和优化能源结构的重要工程技术，近10年，我国的煤炭直接加氢液化技术有了突飞猛进的发展，在基础理论研究领域，广大学者对液化煤种[4-6]、反应条件[7-9]及催化剂[10-12]等均有了较为深入认识；在工程技术开发领域[13-15]，2008年神华百万吨级煤直接液化示范厂的成功运转标志我国已经掌握煤直接液化的关键技术[16-17]，但神华煤的液化活性组分低，必须采用较为苛刻的反应条件(约450 ℃，19 MPa)，油产率低。本研究基于淖毛湖煤良好的煤质特性，考察了反应温度、反应压力、停留时间以及催化剂对氢耗率、气产率、转化率、油产率、轻质油产率和沥青类物质产率的作用规律，并获得了淖毛湖直接加氢液化最为适宜的工艺参数，以期为淖毛湖煤加氢液化工艺放大的深入研究提供基础数据。
1 试 验
1.1 原料
以新疆淖毛湖煤和四氢萘为原料，分析纯Fe2O3为催化剂，硫磺为助催化剂进行加氢液化试验。煤样的制备参照GB 474—1996《煤样的制备方法》[18]，对煤样破碎、缩分并研磨至粒径0.15 mm(100目)以下，在100 ℃、真空条件下干燥，经过上述制备的煤样置于干燥器中低温避光保存，煤质分析数据见表1。
表1 煤质分析数据
Table 1 Analysis data of coal quality %
元素分析工业分析岩相分析w(C)w(H)w(N)w(S)w(O)Ad VdafVIEM74.975.161.000.2018.675.1249.6988.80.47.63.2
煤质分析结果表明，淖毛湖煤无水无灰基挥发分接近50%，液化活性组分高达96.4%，H/C原子比为0.83，是一种适宜于直接液化的优质原料煤。
1.2 试验过程
1.2.1 加氢液化反应试验
加氢液化反应试验在2 L高压釜中进行，取50 g干基淖毛湖煤，150 g四氢萘，以及催化剂(Fe含量=3%)和硫磺(Fe和S含量配比1∶2)分别置入高压釜中，高压釜密封气密合格后，氮气吹扫3次，再用氢气吹扫3次，最后充氢气至指定压力，以4 ℃/min升温至反应温度后恒定，反应完毕降至室温。
气袋收集釜内气体进行色谱组成分析，釜内液固相产物搅匀取样5 g，依次用正己烷和四氢呋喃进行索式萃取分析。
高压釜试验过程的氢耗率、气产率、沥青类物质的产率、水产率、油产率、转化率计算方法参照标准GB/T 33690—2017《煤炭液化反应性的高压釜试验方法》[19]。
1.2.2 加氢液相产物分离与分析
采用ASTM-D1160对高压釜液固产物进行馏分切割，得到<150 ℃馏分油，150～260 ℃馏分油，260～350 ℃馏分油和>350 ℃重质馏分油，供氢溶剂四氢萘及其液化加氢衍生物富集在150～260 ℃馏分油中，因此，150～260 ℃馏分油收率按照物料平衡修正后扣除原料中四氢萘质量，即液化生成的150～260 ℃馏分油收率。
2 结果与讨论
2.1 反应温度对液化性能的影响
在反应压力19 MPa，停留时间60 min条件下，考察了400、420和440 ℃对淖毛湖煤液化效果和产物分布的影响规律，试验结果如图1—图3所示。
图1 反应温度对液化性能的影响
Fig.1 Influence of reaction temperature on liquefaction characteristics
图2 反应温度对氢耗率及产物分布影响
Fig.2 Influence of reaction temperature on H2 consumption and products distribution
图3 反应温度对轻质馏分油收率的影响
Fig.3 Influence of reaction temperature on light oil yields
试验结果表明，反应温度对淖毛湖煤加氢液化效果影响非常显著，400 ℃煤的转化率为86%，油产率为53%，420 ℃时煤的转化率提高了8%，油产率提高了14%，反应温度进一步升高，煤的转化率和油产率增幅减缓；<150 ℃馏分油，150～260 ℃和260～350 ℃馏分油收率随反应温度升高均有显著的增加，每个反应温度下轻质馏分油收率均呈现出：<150 ℃馏分油小于150～260 ℃馏分油小于260～350 ℃馏分油；反应温度对产物分布影响表明，从400 ℃提升至420 ℃，沥青类物质产率下降了9%，进一步提高至440 ℃，沥青类物质产率降幅减缓，反应温度升高，气产率明显增加，水产率和氢耗率增幅平缓。淖毛湖煤加氢液化结果表明，液化转化率和油产率明显增加的主要原因是反应温度促进了煤和沥青类物质向油和气体小分子产物转化，另外，淖毛湖煤在440 ℃，19 MPa和60 min的转化率高达97%，油产率为70%，证实了淖毛湖煤是一种非常适宜直接加氢液化的良好煤种。
2.2 反应压力对液化性能的影响
在420 ℃，停留时间60 min条件下，考察了15 MPa和19 MPa对淖毛湖煤液化效果和产物分布的影响规律，试验结果如图4—图6所示。
由图4和图5可知，15 MPa煤的转化率93%，油产率65%，反应压力提高至19 MPa，转化率变化不大，油产率提高了2.5%，<150 ℃馏分油和150～260 ℃馏分油收率变化不大，260～350 ℃馏分油收率提高了1.5%；反应压力对产物分布影响规律发现，反应压力升高导致沥青类物质产率下降了3%，气产率、水产率和氢耗率均略有增加。淖毛湖煤加氢液化结果表明，提高反应压力对煤的转化率影响不大，有利于液化沥青类物质向油和气转化，有利于<350 ℃液化轻质馏分油生成，淖毛湖煤在15 MPa仍然呈现出与19 MPa相当的反应效果。
图4 反应压力对液化性能的影响
Fig.4 Influence of reaction pressure on liquefaction characteristics
图5 反应压力对氢耗率及产物分布影响
Fig.5 Influence of reaction pressure on H2 consumption and products distribution
图6 反应压力对轻质馏分油收率的影响
Fig.6 Influence of reaction pressure on light oil yields
2.3 停留时间对液化性能的影响
在420 ℃，反应压力19 MPa条件下，考察了0、30、60和90 min不同停留时间对淖毛湖煤液化效果和产物分布的影响规律，试验结果如图7—图9所示。
图7 停留时间对液化性能的影响
Fig.7 Influence of residence time on liquefaction characteristics
图8 停留时间对氢耗率及产物分布的影响
Fig.8 Influence of residence time on H2 consumption and products distribution
图9 停留时间对轻质馏分油收率的影响
Fig.9 Influence of residence time on light oil yields
图7和图8表明，30 min煤的转化率已达到94%，油产率65%，停留时间延长，转化率和油产率变化不大；停留时间延长，<150 ℃馏分油收率缓慢增加，150～260 ℃和260～350 ℃馏分油收率在60 min出现最大值，随后150～260 ℃和260～350 ℃馏分油收率出现小幅回落；停留时间延长，气产率、水产率和氢耗率缓慢增加，沥青类物质产率从0～30 min下降了8%，60 min又降低了3%，停留时间进一步延长至90 min，沥青类物质产率略有增加。淖毛湖煤加氢液化结果均表明，30 min的停留时间，淖毛湖煤呈现出良好的液化效果和反应性能，60 min有利于沥青类物质向气和<350 ℃的轻质馏分油转化，停留时间进一步延长将引发沥青类物质的缩聚反应和液化油的过度加氢，导致油产率降低。
2.4 催化剂对液化性能的影响
在420 ℃，反应压力19 MPa和停留时间60 min条件下，考察了普通铁系催化剂对淖毛湖煤液化效果和产物分布的影响规律，试验结果如图10—图12所示。
图10 催化剂对液化性能的影响
Fig.10 Influence of catalyst on liquefaction characteristics
图11 催化剂对氢耗率及产物分布的影响
Fig.11 Influence of catalyst on H2 consumption and products distribution
图12 催化剂对轻质馏分油收率的影响
Fig.12 Influence of catalyst on light oil yields
图10和图11表明，添加催化剂，煤的转化率提高6%，油产率提高8%，<150 ℃，150～260 ℃和260～350 ℃轻质馏分油收率均有不同程度的提高，特别是260～350 ℃馏分油收率提高了约4%，气产率、水产率和氢耗率小幅增加，沥青类物质产率降幅明显。催化剂对淖毛湖煤液化效果和产物分布的影响规律表明，催化剂的添加促进了煤的转化，有利于<350 ℃轻质馏分油生成。
3 结 论
1)新疆淖毛湖煤具有挥发分高和H/C原子比高的煤质特征，液化活性组分高达96.4%，在420 ℃、15 MPa和60 min的反应条件下煤的转化率可达93%，油产率65%，是一类适宜直接液化的优良煤种。
2)淖毛湖煤直接加氢液化过程中，反应温度低于420 ℃，温度升高明显促进煤和沥青类物质向油和气体小分子产物转化，有利于<350 ℃轻质油生成，反应温度高于420 ℃，温度的影响减弱。
3)反应压力对淖毛湖煤液化特性的影响较为缓和。高氢压有利于液化中间产物沥青类物质向油和气转化，有利于<350 ℃液化轻质馏分油生成。
4)30 min的停留时间，淖毛湖煤呈现出良好的液化效果和反应性能，60 min有利于沥青类物质向气和<350 ℃的轻质馏分油转化，停留时间进一步延长将引发沥青类物质的缩聚和液化油的过度加氢，导致油产率降低。
5)普通铁系催化剂也能明显促进淖毛湖煤的转化，有利于<350 ℃轻质馏分油生成。
6)新疆淖毛湖煤液化特性的研究为工艺放大提供了基础数据，但还需进行连续运转的长周期考察与验证，包括后续液化粗油油品特性的研究，才能全面获得淖毛湖煤用于直接加氢液化的可靠详实的基础数据。
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