2.1.3. Гидрогенизация угля

Для получения ценных химических соединений из угля используют процессы термической обработки (полукоксование, коксование) или терми-ческой обработки в присутствии водорода под давлением (гидрогенизация).

Термическое разложение угля сопровождается образованием кокса, смолы и газов (главным образом метан). Смолы полукоксования каменных углей в основном содержат ароматические соединения. Смолы полукоксова-ния бурых углей наряду с ароматическими соединениями содержат также значительное количество насыщенных циклоалканов и алканов. Кокс являет-ся целевым продуктом полукоксования. При термической переработке угля в присутствии водорода можно почти полностью перевести органическую мас-су угля в жидкие и газообразные углеводороды.

Таким образом, гидрогенизация углей может применяться для получе-ния не только моторных и авиационных топлив, но и основного нефтехими-ческого сырья.

Гидрогенизационное сжижение угля - сложный процесс, включающий, с одной стороны разуукрупнение структуры органической массы угля с раз-рывом наименее прочных валентных связей под действием температуры , а с другой - гидрирование разорванных и ненасыщенных связей. Использование водорода необходимо как для увеличения соотношения Н:С в продуктах за счет прямого гидрирования, так и для стабилизации продуктов деструкции элиминированных макромолекул.

Реализация процесса гидрогенизации угля под относительно невысо-ким давлением - до 10 MПa - возможна с применением донора-пастообразователя водорода нефтяного или угольного происхождения и ис-пользованием эффективных катализаторов.

Одной из главных проблем при сжижении угля является оптимизация процесса передачи водорода от доноров-пастообразователей к угольному веществу. Существует оптимальная степень насыщенности водородом моле-кул доноров. Пастообразователь должен содержать на 1-2% водорода боль-ше, чем в продуктах сжижения угля. Введение в структуру доноров различ-ного типа заместителей влияет как на термодинамические, так и на кинетиче-ские характеристики. Передача водорода от доноров к переносчикам - моле-кулам ароматических соединений - протекает ступенчато по свободноради-кальному механизму.

При невысоком давлении (до 10 МПа) использование доноров позволя-ет углю присоединить не более 1,5% водорода, а для глубокого сжижения уг-ля (90% и более) необходимо присоединить до 3% водорода, что можно осуществить введением его из газовой фазы.

Молибденовый катализатор, применяемый в комбинации с железом и другими элементами, существенно интенсифицирует процесс, увеличивает глубину сжижения угля и уменьшает молекулярную массу продуктов.

Основными первичными продуктами гидрогенизации угля являются гидрогенизат и шлам, содержащий ~ 15% твердых продуктов (, непре-

зола

вращенный уголь, катализатор). Газообразные продукты гидрогенизации, со-держащие углеводороды С1-С4, аммиак, сероводород, оксиды углерода в сме-си с водородом, направляются на очистку методом короткоцикловой адсорб-ции, а газ с 80-85%-м содержанием водорода возвращается в процесс.

При конденсации гидрогенизата отделяется вода, которая содержит растворенный аммиак, сероводород и фенолы (смесь одно- и многоатомных).

Ниже приведена принципиальная схема химической переработки угля (схема 2.3).

Схема 2.3

Уголь

Катализатор

Уголь

Подготовка угля и

Пастообразователь

пасты

Водород Водород

Сера

Производство Производство

Гидрогенизация угля

водорода серы

H2S

Газ С1-С4, СО

Разделение продуктов

NH3, Фенолы С6-С8,

пиридины

Жидкие продукты Шлам Вода

Вода Выделение фенолов

Дистилляция Переработка шлама и пиридиновых ос-

нований

Фрак-Шлак Катализатор Фрак ция

с т. кип.

ция

с т. ^373-513 К

Коксовыйкип.

дистиллят выше 698 K

Водород

H2S

Коксование Гидроочистка Дистилляция

H2O

Газ

Дистилляты

Бензин

Водород с т. кип. до

Кокс

593 К

Каталитический Гидрирование

Пиролиз

риформинг

Газ

Ароматические уг-

Этилен, пропилен леводороды С6-С8 Авиатопливо

В водном конденсате содержится 12-14 г/л фенолов следующего соста-ва (в % (мас.):

Метилпирокатехины…... 0,9 Прочие двухатомные фенолы…. 10,9

Для получения фенолов, ароматических углеводородов и олефинов раз-работана схема химической переработки продуктов сжижения угля, которая включает: дистилляцию для выделения фракции с т. кип. до 513 К; выделе-ние и переработку сырых фенолов; гидроочистку обесфеноленной широкой фракции с т. кип. до 698 К; дистилляцию гидроочищенного продукта на фракции с т. кип. до 333, 333-453, 453-573 и 573-673 К; гидрокрекинг сред-них фракций с целью увеличения выхода бензиновых фракций; каталитиче-ский риформинг фракций с т. кип. до 453 К; экстракцию ароматических угле-водородов; пиролиз бензина-рафината.

При переработке бурого угля Бородинского месторождения Канско-Ачинского угольного бассейна в пересчете на сухую массу угля можно полу-чить следующие соединения (в % мас.)):

Фенолы С6-С8…………………... 1,6

Ароматические углеводороды… 26,3

в том числе:

бензол……………. 2,9

толуол……………. 5,6

ксилолы………….. 10,4

Олефиновые углеводороды…… 7,2

в том числе:

этилен……………. 3,8

пропилен…………. 1,7

Кроме того, можно выделить 14,9% углеводородных газов С1-С2; 13,4% – сжиженных углеводородных газов С3-С4, а также 0,7% аммиака и 1,6% се-роводорода.