Снижение экологической нагрузки на окружающую среду от углеэнергетики в результате применения процесса каталитического гидропиролиза угля в присутствии наночастиц железа

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Кокшетауский университет им. А.Мырзахметова

Снижение экологической нагрузки на окружающую среду от углеэнергетики в результате применения процесса каталитического гидропиролиза угля в присутствии наночастиц железа

Макеева Л.А. - к.б.н., Боголюбова Э.

А?датпа

Гидропиролиз процесі таби?и к?мірсутекті шикізатты ??деуге ?ажетті аса бір м?мкіндігі жо?ары процесс болып табылады. Гидропиролиз процеcі донор ретінде сутегін ?олдану?а болатын молекулалы? сутекті немесе органикалы? ?осылыстарды пайдалану н?тижесінде ж?зеге асады. Гидрлену ?німіні? шы?ыны 69,00%-?а дейін азаяды, ал ыдырау ?німіні? шы?ыны 56,87%-?а дейін азаяды. ?рекеттеспей ?ал?ан затты? м?лшері 14,45% болады.

Annotation

One of the promising processes of natural hydrocarbons deepening conversion is the process of hydropyrolysis. Hydropyrolysis process is carried out using molecular hydrogen or organic compounds that can act as hydrogen donors. The yield of hydrogenation products decreased to 69.00% and the yield of cleavage was reduced to 56.87%. Unreacted material was 14.45%.

По запасам угля Республика Казахстан занимает восьмое место в числе 12 государств, в которых сосредоточены свыше 96 % мировых запасов угля и третье место - среди стран СНГ. В Казахстане из 155- ти известных угольных месторождений изучено более сорока с промышленными запасами около 35,8 млрд.т (3,6 % мировых запасов).

Углубление процесса переработки природного углеводородного сырья, т.е. повышение степени его использования, является одним из актуальнейших направлений развития технологии переработки природных горючих ископаемых. Повышение глубины извлечения полезных компонентов из углеводородного сырья возможно за счет усовершенствования имеющихся и разработки новых технологий.

Одним из перспективных процессов углубления переработки данного вида сырья является процесс гидропиролиза. В данном методе уголь превращается в «синтетическую нефть», из которой в дальнейшем отбирают все необходимые для производства и энергетики продукты. Процесс гидропиролиза проводится с использованием молекулярного водорода или органических соединений, способных выступать в качестве доноров водорода. каталитический гидропиролиз уголь железо

Увеличение потребления ископаемых углей будет сопровождаться ростом экологической нагрузки на окружающую среду, поскольку при сжигании и переработке угля образуется больше вредных побочных продуктов по сравнению с нефтью и газом. Снижение ущерба окружающей среде от угольной энергетики может быть достигнуто путем перехода к использованию экологически более безопасных видов топлива угольного происхождения. К ним относится облагороженный или "чистый уголь", синтетические газообразные и жидкие топлива, полученные путем химической переработки угля. Выбросы вредных веществ, при использовании этих синтетических топлив значительно ниже, чем в случае применения рядового угля.

Основными недостатками известных технологий химической переработки углей по сравнению с технологиями нефтепереработки и нефтехимии являются относительно низкая производительность и жесткие условия их осуществления (высокие температура и давление). Для устранения указанных недостатков в углепереработке все шире применяются катализаторы и новые каталитические процессы, позволяющие получать из угля разнообразные продукты топливного и химического назначения. К основным из них относятся процессы пиролиза, гидропиролиза, газификации и гидрогенизации угля.

Идея гидропиролиза состоит в том, чтобы, осуществляя нагрев угля в атмосфере водорода, обеспечить реакции свободных радикалов с водородом и тем самым подавить нежелательные вторичные процессы, упомянутые выше.

Целью данного исследования явилось изучение зависимости реакционной способности модельной смеси антрацен-тиофен-дифенил в присутствии катализатора производства фирмы Shenhua в процессе деструктивной гидрогенизации тяжелого углеводородного сырья.

В соответствии с поставленной целью было установлено влияние каталитической добавоки на гидрогенизицию модельной смеси антрацен-тиофен-дифенил.

В качестве объекта исследования выбран каменный уголь Тянь-Шаньского месторождения Китайской Народной Республики, т.к. выбранный уголь как по химическим свойствам, так и петрографическим свидетельствует о невысокой степени углефикации и судя по имеющимся данным может быть использован не только как энергетическое сырье, но и для получения синтетических жидких продуктов (таблица 1).

Предметом исследования является процесс каталитического гидропиролиза угля в присутствии наночастиц железа.

Заслуживает особого внимания изучение угольных месторождений, которые могли рассматриваться как перспективные для получения из них синтетического жидкого топлива. Одним из показателей оценки пригодности угля для гидрогенизации является стадия метаморфизма (углефикации) и петрографический состав. В выборе объекта исследования первоочередное значение уделялось углям с невысокой зольностью (13 масс. %) и небольшим содержанием фюзенированных компонентов [1-4]. Для проведения экспериментов мы взяли три модельных соединения антрацен, тиофен и дифенил. В качестве каталитических добавок использовали пиритный концентрат, оксид железа, катализатор производства фирмы Shenhua. Катализатор разработанный фирмой Shenhua является нанокатализатором. Качественные и количественные характеристики данного катализатора в литературе отсутствуют. Для модифицирования в катализатор вводили серу.

По проведенным исследованиям установлено, что выбранный уголь по петрографическому составу и физико-химическим свойствам имеет большое сходство с каменным углем Шубаркольского бассейна, расположенным в Тенгизском районе Карагандинской области Республики Казахстан.

В качестве пастообразователя использовали высоковязкую нефть месторождения Каражамбас. Тяжелые нефти и нефтебитумы отличаются от обычных нефтей повышенным содержанием металлов (ванадия, никеля, железа, молибдена, меди, натрия), серы, азота и асфальтенов.

Таблица 1 Характеристика китайских углей Тянь-Шаньской группы (КНР)

Примечание - [составлено автором]

Элементный состав золы предоставленных образцов углей приведён в таблице 2.

Таблица 2 Элементный состав золы углей Тянь-Шаньской группы (КНР)

Примечание - [составлено автором]

В 1974 г. на полуострове Бузачи Республики Казахстан было открыто месторождение тяжелой нефти Каражамбас. Каражамбас - месторождение многопластовое, залежи нефти обнаружены в шести пластах нижнего мела (А1, А2, Б, В, Г, Д) и двух горизонтах (Ю-1,Ю-2).

Нефть высокосмолистая, высокосернистая, характеризуется низким выходом легких фракций. Физико-химическая характеристика нефти юрского (интервал 362-376 м - скв. №108) и неокомского (интервал 251-258 м скв.№101) горизонтов такова р4-0,9431 и 0,9395 соответственно; М-409 и 309; кинематическая вязкость при 20єС- 539 и 920 мм2/с, при 50єС - 117 и 150 мм2/с; температура вспышки - 108 и 60єС, застывания - минус 17 и минус 26єС; содержание парафина - 1,40 и 1,49%; температура его плавления - 42 и 59єС; содержание серы - 2,51 и 2,15%; азота - 0,88 и 0,55; смол сернокислотных - 64 и 60; асфальтенов - 4,1 и 6,5; коксуемость - 7,20 и 7,44 [5].

Как видно из этих данных, нефть характеризуется малым содержанием дистиллятной части (скв. №108). Каражамбасская нефть наиболее вязкая среди известных нефтей Западного Казахстана, элементный состав нефти ( скв. №108) таков (№): С 84,09; Н 12,5; N 14,0; О 0,88; S 0,39. Высокое содержание серы отмечено и в других пробах: 1,75% (скв.№135); 2,03% (скв.№122). выход фракций, выкипающих до 200єС невысок: 3,5%(скв.№135); 2,03%(скв.№122); 6,5% (скв.№101).

Каражамбасскую нефть можно использовать в качестве сернистого топочного мазута и для производства дорожных вяжущих. Прямая переработка известными методами сдерживается не только высоким содержанием сернистых и азотистых соединений, но также из-за присутствия ванадия и никеля. Присутствие этих металлов способствует образованию при сгорании легкоплавких шлаков. Ванадий и никель отрицательно влияют на селективность и активность крекинга, вызывают коррозию оборудования.

Глубина протекания гидрогенизационных процессов будет зависеть от природы пастообразователя (растворителя) и катализатора. Пастообразователь выполняет роль донора водорода в процессе гидрогенизации. В качестве доноров водорода используются вещества, склонные к процессам межмолекулярного перераспределения водорода, приводящим в результате к гидрированию угольного вещества.

Тяжелые нефтяные остатки (ТНО) содержат фрагменты структуры, легко подвергаются дегидрированию при взаимодействии с углем. Применение ТНО в качестве пастообразователя в процессе гидрогенизации позволяет снизить капитальные затраты. Использование в качестве растворителя тетралина делает процесс дорогостоящим, в связи, с чем проблема поиска дешевого и активного растворителя является актуальной.

Процесс гидрогенизации угля в водорододонорном растворителе может протекать по механизму опосредованного катализа. При этом деполимеризация угольного вещества осуществляется путем передачи атомов водорода от молекул растворителя, ускоряя его гидрирование молекулярным водородом.

Растворяющая роль пастообразователя оказывает заметное влияние на коксование, а также на состав и реакционную способность промежуточных продуктов [5-7].

Наибольший выход гидрогенизата мы получили при добавлении катализатора фирмы Shenhua.

Опыт проводили в лабораторных условиях (кафедры химической технологии и экологии при Карагандинский государственный университет им. академика Е.А.Букетова). Исследованы каталитические свойства нанокатализатора фирмы Shenhua в присутствии растворителя и их влияние на процесс гидрирования модельной смеси антрацен-тиофен-дифенил, а также каталитические свойства оксида железа с добавками элементарной серы и сульфида железа. Выход продуктов гидрирования сократился до 69,00%, а выход продуктов расщепления уменьшился до 56,87%. Количество непрореагировавшего вещества составило 14,45% (рисунок 1).

Таким образом, Катализатор разработанный фирмой Shenhua является нанокатализатором. На основе договора о проведении научно-исследовательских работ (НИР) с Синьзянским и Харбинским политехническим университетом, нами был использован нанокатализатор Shenhua для гидрогенизации модельной смеси антрацен-тиофен-дифенил. Нанокатализатор Shenhua в настоящее время проходит промышленные испытания во Внутренней Монголии (КНР), на заводе производительностью 6 млн. тонн в год моторных топлив из угля.

При применении ТНО в качестве пастообразователя при гидрогенизации позволило нам снизить капитальные затраты.

Рисунок 1 Выход продуктов гидрогенизации модельной смеси антрацен-тиофен-дифенил в присутствии нанокатализатора фирмы Shenhua и растворителя: 1 - продукты крекинга, 2 - продукты гидрирования, 3 - продукты конденсации, 4 - непрореагировавшее вещество

Примечание - [составлено автором]

Литература

1. Липович В.Г. Химия и переработка угля. М. Химия 1988.

2. Еремин И.В., Лебедев В.В., Цикарев Д.А. Петрография и физические свойства углей. М, изд-во «Недра», 1980

3. Платонов В.В., Клявина О.А. Химическая структура и реакционная способность углей // Химия твердого топлива. - 2089. - №6. - С.3-10.

4. Цикарев Д.А., Шулековская Л.В., Еремин И.В. Петролого-генетические признаки пригодности углей для получения синтетического жидкого топлива // Химия твердого топлива. - 1989. - №2. - С.3-8.

5. Григорьева Е.А., Лесникова Е.Б. и др. Стуктурно-химический показатель оценки пригодности угля к гидрогенизации // Химия твердого топлива. - 1989. - №4. - С.75-79.

6. Ривера-Утрелья Ж., Малжонадо- Одар Ф.Ж., Морено-Кастилья К. и др. Влияние пористой структуры и минеральных веществ на показатели гидрогенизации углей // Химия твердого топлива. - 1999. - №1. - С.45-59.

7. Каирбекова Ж.К., Зорикова Н.В., Якупова Э.Н., Ахметтаев К.Д., Оразбаев М. Е. Исследование физико-химических свойств Мамытского угля // Тез. Межд. науч. конф. по аналит. химии. - Алматы, 2001.

Размещено на Allbest.ru