[发明专利]煤直接液化反应动力学模型建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及煤直接液化技术领域，更具体地，涉及一种煤直接液化反应动力学模型建模方法。

背景技术

煤直接液化就是在高温高压下，借助于供氢溶剂和催化剂，使氢元素进入煤及其衍生物的分子结构，从而将固体煤转化为液化燃料的先进的洁净煤技术。通过煤直接液化，不仅可以生产汽油、柴油、液化石油气、喷气燃料油，还可以提取BTX(苯、甲苯、二甲苯)及生产乙烯、丙烯等重要烯烃的原料。

据相关资料统计，2008年，中国的煤炭产量高达27.93亿吨，是1978年6.18亿吨的4.52倍，占2008年世界煤炭产量的42％，而增产占世界的80％以上。多年来，在中国的能源消费结构中，煤约占70％，另外两种化石能源石油和天然气分别约占20％和3.5％；中国的化工原料结构中，煤炭占一半以上。但是，由于煤的高碳性和目前利用技术的落后，煤在作为主要能源和化工原料的同时也是环境的主要污染源。据中国工程院的资料，2006年，我国排放的SO2和NOX的总量达4000万吨以上，源于燃煤的比例分别为85％和60％，燃煤排放的CO2和烟尘也分别站到总排放量的85％和70％，对大气造成了严重污染，同时，其废水、废渣对环境的影响也十分严重。

另一方面，改革开放以来，随着我国经济的不断高速发展，能源(特别是石油)消耗量剧增，我国已成为石油进口大国，而且我国已经成为仅次于美国的世界第二大石油消耗国，据统计2011年全国累计进口原油2.39亿吨，同比增长60％。原油对外依存度达到56.5％(数据来自国际能源网)。由于石油是重要的战略物资，一些发达国家对中东地区的石油资源非常关注，为争夺石油资源不惜动用武力。开发和推广洁净煤技术已成为解决这一问题的重要选择，而煤炭直接液化技术正是一种先进的洁净煤技术。

煤直接液化过程是一个复杂的物理和化学过程的结合，其中包含小分子从煤大分子网络结构中的脱离、煤中大分子键的断裂、活性基碎片的稳定、溶剂的供氢、聚合反应等，图1是煤炭直接液化反应机理网络图。通常煤液化动力学的研究是基于一些特定的分离方法将产物分成结构类似的动力学组份，将这特定的组份定义为一种生成物及液化反应动力学模型中的一个集总。最常用的分离方法是根据液化产物在不同溶剂(正己烷、甲苯、四氢呋喃等)中的溶解能力不同将其分离。煤液化动力学研究是探讨煤液化机理的重要方法，许多的研究者对煤液化反应动力学进行了研究。

1951年，Weller等最早提出了关于煤直接液化动力学的理论，认为煤液化过程是由许多化学反应构成的复杂过程，很难对煤液化反应过程进行简单的描述，并且认为煤转变为油的过程是由两个一级反应串联组成的，以沥青烯为中间产物，建立了3集总反应动力学模型，但是，由于集总组分较少，得到的模型细致程度有限。1967年，Curran等对Pittsburgh煤进行了动力学反应研究，认为煤是由许多结构不同的有机物组成，应该按照化学键断裂的难易程度将煤分为活性不同的两种组分，但是模型中未考虑产物性质的差异，而仅仅将产物归为一个集总。1978年，Cronauer等对Belle Ayr次烟煤进行了煤直接液化反应动力学研究，建立的模型在中间产物沥青烯前增加了一个集总组分(前沥青烯)，对揭示液化反应机理、提高动力学模型精度非常有益。2000年，Kidoguchi,Itoh等对煤直接液化初期的反应进行了研究，将反应物和生成物划分为更细的集总，煤被分为快速反应组分CA(可生成各种产物)、慢速反应组分CB(生成PAAO)和不发生反应组分CI；生成物被分为高于811K的沥青类物质(PAAO)、沸点低于811K的油(Oil)和气体(Gas)。使用实验数据拟合建立了Wandoan和Tanitoharum 煤直接液化初期的反应动力学模型(模型中假设PAAO不会反应转化为Oil和Gas)。同时，Itoh，Hiraide等人建立了煤液化反应后期动力学模型，模型中将反应产物进一步细分为不同的集总，气体产物被若干集总，产物油也被分为C4～沸点493K、沸点493K～623K、沸点623K～811K三类油组分，模型中集总划分比较细致，是一个比较接近实际的模型。2008年，李显等对神华煤直接液化反应动力学进行了研究，研究分为升温阶段和恒温阶段，作者将原料煤按反应活性的不同分为三个部分：易反应组分(M1)、难反应组分(M2)和不反应组分(M3)，将液化产物分为前沥青烯及沥青烯、油、气三个集总组分，虽然模型中将液化反应分为两个阶段，但是，只是分别对其进行参数估计，未考虑两者是连续的整体。