新疆煤炭清洁转化与化工过程自治区重点实验
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研究概况
2021-02-04 17:37   审核人:

“新疆煤炭清洁转化与化工过程”重点实验室以党的十八大精神为指导,以创新、协调、绿色、开放、共享为理念,以国家和自治区建设清洁低碳、安全高效现代能源体系需求为导向,坚持自主开放创新,强化原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新,跟踪国内外科技前沿,探讨新理论,集中优势力量,以突破煤液化、煤油共液化、煤热解气化、煤焦油深度加工制芳香化学品、煤制天然气、煤制甲醇、煤制芳烃、煤燃烧等面临的重大科学、技术与工程问题,破解企业急需的技术“瓶颈”和难题为重点,为加速新疆现代煤化工产业的健康可持续发展,推进自治区煤炭优势资源转换战略的实施,显著提升新疆现代煤化工技术创新能力和高层次人才培养,实现新疆长治久安总目标做出应有的贡献。

近五年代表性研究成果如下:

1)燃用准东高碱煤结渣机理及防控关键技术开发与应用

新疆准东煤田是全国最大的整装煤田,预测储量高达3900亿吨。但准东煤碱金属含量高,在燃烧、气化过程中,发生严重的结渣和沾污问题,极大地限制其利用。故此,本实验室对准东煤所含碱金属的赋存形态、热烟气强化脱碱特性、燃烧过程中碱金属及微细颗粒物的释放规律、高碱金属含量条件下煤中无机矿物的迁徙转化机制及其灰熔融特性、Na/Ca/Fe在燃烧过程中致渣机理、添加剂对准东煤灰熔融特性的影响机制、渣体高温脱落过程力学特性、加压气化对碱金属释放的抑制和煤灰硅酸盐熔体分子动力学特性等诸多问题深入研究。基于理论研究的基础,结合实际情况,将原煤热烟气脱碱处理、缓解结渣添加剂及其效果评价、调整优化锅炉配煤及燃烧、优化锅炉吹灰系统等成果投入现场应用。与新疆特变电工等疆内外多家单位共同完成国家科技支撑计划项目《燃用新疆准东煤66万千瓦超超临界锅炉关键技术开发及示范》中的《燃用新疆高碱煤60-100万千瓦等级超(超)临界四角切圆燃烧π型锅炉关键技术开发及示范》子课题。经新疆科技成果鉴定,认为该成果“阐明了准东煤结焦机理,揭示了影响准东煤燃烧的运行控制规律并应用于生产,研制出炉渣快速除焦剂和高效添加剂;开发出纯燃准东高碱煤锅炉智能控制运行工艺包,在机理研究、工艺包、装备研制、产品开发、燃烧控制和污染物控制排放等方面有重大突破,自主创新程度很高,技术水平达到国际领先水平”。该成果获2017年度自治区科技进步一等奖。针对新疆新业化工集团煤制1,4-丁二醇装置主体动力装置流化床锅炉爆管频发问题,经过深入研究,提出降低煤粒径和锅炉一次风速的解决方案,优化锅炉燃烧区域的煤粉分布和温度分布,使锅炉安全稳定运行周期大幅度提高,由此保证了化工生产装置的长周期稳定运行。承担国家、自治区和企业各类研究项目6项,经费超过190万元,发表学术论文10余篇,SCI检索6篇,EI检索3篇,授权发明专利1件,实用新型专利6件,向企业提交《260t/h循环流化床锅炉准东煤与煤矸石掺配方案研究及燃烧系统优化》1份。

2)新疆低阶煤低压直接加氢液化研究

自2006年以来,本实验室持之以恒坚持与国内外专家开展广泛合作与交流,从煤化学原理出发,研究了新疆低阶煤的工业分析、元素分析、岩相分析、热重分析、有机质大分子结构特征、孔隙结构、溶胀与溶解性、反应活性、燃烧性、煤灰化学等基础科学问题。一是与国标法相比较,引进俄罗斯国家科学院久利·马利耶夫院士提出的煤化学-结构指数法,针对新疆五大煤田20余个煤样的热解性能和催化加氢液化性能进行深入探索与应用评价。研究结果与国标法和煤化学-结构指数法的预测结果相吻合,为新疆低阶煤直接液化适宜煤种的选择给出了一种更加科学、更加切实可靠和方便的方法。基于此成果,为新疆天业集团拟上马的煤油共液化项目提供了可行的设计依据和可靠的工艺参数,对适宜原料煤和原料油的选择给出了指导性建议,给出了如右图所示的资源综合利用与产品方案。

另一方面,从液化工艺优化、催化剂、预处理方法、供氢溶剂、液化产物分离等方面,深入开展新疆低阶煤直接催化加氢液化、煤/油共液化、等研究工作,对新疆低阶煤的煤质性能、中温热解、加氢液化等工艺特性,克拉玛依油田减压渣油、塔河油田稠油和常压渣油的族组分、加氢热裂解性能、煤/油共液化反应控制规律,考察纳米级油溶性包覆型铁基、铁钼、铁镍等催化剂的催化活性和对过程的强化,探索催化剂油溶性、粒度、分散度与油产率、气产率和转化率间的构效关系,以及对油品馏分分布的影响及其机理,建立反应动力学模型和速控步骤,提出原则技术路线和关键工艺参数。在此过程中,承担和完成国家、自治区和企业各类项目6项,总经费达到200余万元。在Catalysis Communications、Industrial Engineering Chemistry Research、Fuel Processing Technology、煤炭学报、煤炭转化等期刊发表论文30余篇,授权国家发明专利6件,获自治区优秀论文三等奖2项,向企业提交《煤油共加工原料煤与原料油性质评价报告》和《新疆低阶煤与塔河油共加工反应性能评价报告》各1份。

3)煤制天然气甲烷化过程国产化研究与应用

自2013年12月新疆庆华集团国内首套煤制天然气示范装置(国家发改委确定的)开车运行以来,本实验室与企业密切合作,对该装置的煤气化炉稳定控制、污染物控制、甲烷化工艺优化、甲烷化镍基催化剂国产化、甲烷化反应器结构安全、多场耦合煤制天然气甲烷化多尺度模拟与过程强化等企业急需解决的问题开展了深入的研究工作。在催化剂国产化方面,基于Ni-Al2O3系催化剂研究基础,借鉴FCC催化剂与氧化铝微球的喷雾成型技术,开发高耐磨、高活性合成气输送床甲烷化催化剂成型配方与成型工艺参数。

对随机堆积球形、柱型催化剂颗粒床层进行了冷态和甲烷化热态模拟,获得管径比、原料气入口速度对甲烷化反应温度场、速度场、产率场的影响和床层内速度场、压力场分布,床层径向、轴向空隙率分布的影响,得到了基于床层直径的最优催化剂颗粒,获得了伊犁庆华在用甲烷化反应柱状MCR-2X催化剂的样本特征参数的概率分布。研究了催化剂颗粒特性参数对床层径向、轴向空隙率分布和最终产率的影响,得到了基于床层直径的最优催化剂颗粒,完成了对规整填料甲烷化固定床反应器进行了结构优化。通过对煤制气甲烷化工艺优化与稳定运行控制研究,获得了皮里青、沙尔湖、准东等煤田煤样气化条件与产物的关联性,确定了原料合成气中CO2含量、氢碳比和反应器温度波动时的调控方式,保证在最优条件下,产品气符合GB17820-1999一类标准和GB/T17820-2012二类标准。并对甲烷化工艺进行能效评价,提出节能措施。研究结果为庆华装置优化操作参数,增强操作弹性,稳定装置运行等提供了理论和技术指导。

另外,通过反应器模拟与输送床甲烷化技术研究,优化了输送床甲烷化条件与反应器结构。结合过程模拟,对200立方/小时两段甲烷化工艺小试与输送床、固定床甲烷化反应特性,建立了两段新工艺匹配关系,为开发输送床-固定床两段甲烷化制备合成天然气SNG的工艺集成技术与成套工艺提供了技术依据。承担国家、自治区各类项目6项,总经费287万元,发表论文30余篇,授权发明专利3件,获自治区自然科学优秀论文三等奖2项。

4)新疆低阶煤热解气化及焦油裂解提质研究

围绕煤热解领域的核心问题-热解自由基的反应与调控,通过添加不同类型的金属硝酸盐及镍盐催化强化自由基的产生过程,抑制沥青组分的生成,其中,Fe3+的作用最为显著,使得轻质组分含量增加了约22%。同时,探究了催化剂的演化特征,阐明了抑制沥青组分生成的各金属组分形态,其中碱金属Na+/K+的主要形态为盐类,低温热解时残留于半焦中,对热解炉基本无影响,这为准东高挥发分煤高效分级利用提供了理论依据。以新疆和丰低阶煤热解挥发分为研究对象,以多孔性USY、HZSM-5、γ-Al2O3等为载体,制备高活性Ni基催化剂,选取甲苯-芘为焦油模型化合物,阐明催化剂组成和结构与焦油组分选择性、定向裂解的关联规律。对比不同方法制得催化剂的裂解性能,阐明机械化学法的作用机制,确定适宜的催化剂组成为Ni-Ce/Al2O3。该法因操作简便、易放大、活性组分分散均匀、催化剂的介孔分布范围窄等特点,适于工业化。为优化反应过程,引入水蒸气及Zr基催化剂,阐明了Zr与Ni作用下的产物定向转化路径,最终提出提高轻质油含量的调控方法,为新疆低阶煤的高值利用提供科学依据。承担了国家自然科学基金“中低阶煤热解-气化分级转化利用过程中的关键基础问题”、“低阶煤挥发分二次反应与焦油组成协同调控机制”、“中低温煤焦油沥青质的组成和结构调控及加氢定向转化机制研究”、“基于解耦三床气化系统生物质化学链气化制合成气研究”等课题十余项,总经费300余万元。在Fuel、Fuel Processing Technology、Bioresource Technology、化工学报、燃料化学学报、化工进展等期刊发表文章30余篇。

5)水力空化技术在煤化工领域的应用研究

自2008年以来,在哈萨克斯坦国卡拉干达国立大学教授拜克诺夫·穆·伊的介绍下,将俄罗斯“水力空化反应器”引进本实验室,由前期的消化吸收到后来的再创新,持续深入开展其在现代煤化工领域如下方面的应用研究。一是将该技术用于煤焦油-洗油的高附加值利用。研究表明,在水力空化场强化下,洗油与水在60-75℃下便可发生如下反应。以Ni2+为诱导剂,洗油中的2-甲基萘、1,6-二甲基萘和苊等组分发生自由基反应生成萘,氧芴和芴生成菲;以Fe2+为诱导剂,洗油中的萘、1-甲基萘、1,6-二甲基萘、芴、氧芴和菲等组分发生自由基反应生成苊和2-甲基萘,即通过加入不同的诱导剂,低温下选择性提高洗油中萘或苊的相对含量,降低能耗和后期分离成本,为实现煤焦油绿色制备芳香化学品开辟了一条新途径。二是将该技术应用于煤液化过程。研究表明,洗油经水力空化处理后,即空化洗油,不仅看作为溶胀剂,对煤进行溶胀预处理,还可作为煤液化反应的混合供氢溶剂,显著提高煤液化的油产率和液化率。三是将空化技术与芬顿试剂耦合,或与超声技术耦合,应用于煤气化废水处理,取得较好效果。四是将水力空化技术应用于低碳烷基苯等芳香化学品的制备。研究发现,经水力空化场强化,甲苯与水可在50-55℃下发生歧化反应,生成苯、PX、OX、乙苯和环烷烃等;苯与甲醇在40-45℃下发生烷基化反应,生成甲苯、PX、OX、乙苯和环烷烃;苯、双氧水和乙酸在40℃下发生苯直接羟基化反应,生成苯酚和苯醌。众所周知,上述反应在目前传统的固定床反应器中,不仅工艺复杂,条件苛刻,反应温度高达400-600℃,能耗高,且存在催化剂价格昂贵、活性低、易失活等“瓶颈”问题。另外,在进行工艺研究的同时,结合CFD模拟计算软件模拟,对水力空化装置的设计进行研究,不断改进、完善、优化,前后搭建水力空化装置6套,深入考察了空化管结构(如文丘里型、孔板型和文丘里-孔板复合型等)和装置的处理规模(处理体积有1 L/次和4 L/次的小型装置和10 L/次、30 L/次的中型装置)对反应器空化强度以及对化学反应的影响。目前,该成果已获得一家企业的经费支持,合作进行中试研究。在此过程中,完成国家、自治区各类项目5项,总经费190余万元。发表文章10余篇,授权发明专利2件。

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