引用本文
陈娟, 闫涛. 回收NMP-CS2混合溶剂萃取原煤基本性状研究 [J]. 工业催化, 2019,27(10): 78-81.
Chen Juan, Yan Tao. Study on basic properties of raw coal extracted by recycling NMP-CS2 mixed solvent [J]. Industrial Catalysis, 2019,27(10): 78-81.  
DOI:10.3969/j.issn.1008-1143.2019.10.014
Permissions
Copyright©2019, 《工业催化》编辑部
《工业催化》编辑部 所有
回收NMP-CS2混合溶剂萃取原煤基本性状研究
陈娟1,*, 闫涛2
1.榆林学院化学与化工学院,陕西 榆林719000
2.国家煤及盐化工产品质量监督检验中心(榆林),陕西 榆林719000
通讯联系人:陈 娟。E-mail:chenjuanchen1985@163.com

作者简介:陈 娟,1985年生,女,陕西省神木市人,硕士,主要科研方向为煤炭清洁高效加工利用及煤溶剂萃取。

收稿日期: 2019-05-16
基金资助: 陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(19JS073)
摘要

以平顶山煤和徐州煤为原料,利用回收NMP与CS2混合溶剂和反萃取剂将两种煤全组分分离成萃余煤组分、沥青质组分、精煤组分和轻质组分四大族组分,主要对比原煤及各族组分的真密度、工业分析与元素分析。结果表明,萃余煤组分真密度最大,分别为1.59和1.45,精煤组分与沥青质组分真密度低于原煤。轻质组分具有较多非共价键成键点,易与水分子形成氢键,水分含量最高,分别为6.09%和5.77%,而萃余煤组分水分含量最低,分别为0.96%和0.63%。沥青质组分接近无灰。挥发分含量以轻质组分>沥青质组分>精煤组分>原煤>萃余煤组分顺序降低。C元素含量以精煤组分与沥青质组分相对较高,萃余煤组分C元素含量较两者偏低,分别为80.91%和80.65%。轻质组分中N、O和S元素含量较高,C元素含量最低。

关键词: 三废处理与综合利用; 煤; 萃取; 族组分; 工业分析; 元素分析
中图分类号:TQ533;TQ520.1    文献标志码:A    文章编号:1008-1143(2019)10-0078-04
Study on basic properties of raw coal extracted by recycling NMP-CS2 mixed solvent
Chen Juan1,*, Yan Tao2
1.School of Chemistry and ChemicalEngineering,Yulin University,Yulin 719000,Shannxi,China
2.National Coal and Salt Chemical Product Quality Supervision and Inspection Center(Yulin),Yulin 719000,Shannxi,China
Abstract

CS2/NMP mixed solvent and strippant were used to separate Pingdingshan coal and Xuzhou coal into four groups:residue,asphaltene component,ultra-pure coal and light component.The true density,proximate analysis and ultimate analysis of raw coal and its group components were compared and analyzed.The result shows that the true density of residue are the highest,which are 1.59 and 1.45 respectively.The true density of asphaltene component and ultra-pure coal are lower than raw coal.Light components have many non-covalent bonding points,which are easy to form hydrogen bonds with water molecules.The moisture contents of light component are the highest,which are 6.09% and 5.77% respectively,while the moisture contents of residue components are the lowest, which are 0.96% and 0.63% respectively.Asphaltene components are close to ashless.The content of volatile decreases in the order of light component>asphaltene component>ultra-pure coal>raw coal>residue.The contents of C element are relatively high in ultra-pure coal and asphaltene component,and lower in residue, which are 80.91% and 80.65% respectively.The content of N,O and S element in light component is higher and C element is lowest.

Keyword: three waste treatment and comprehensive utilization; coal; extraction; group component; proximate analysis; ultimate analysis

我国地大物博, 煤炭资源储量丰富, 煤炭作为我国主体能源地位在未来很长时间内不可撼动[1, 2]。煤炭加工利用方式虽然在不断发展, 但一直没有跳出燃烧、炼焦、气化和液化等[3, 4, 5, 6]传统方式。秦志宏等[7, 8, 9, 10]在多年研究基础上, 提出煤全组分族分离方法, 即用CS2/NMP混合溶剂和反萃取剂在温和条件下将煤分离成萃余煤组分、精煤组分、沥青质组分和轻质组分四大族组分。该萃取工艺中新鲜NMP溶剂萃取后, 经常、减压蒸馏分出即得回收NMP, 为了实现萃取溶剂的循环利用, 降低萃取成本, 本文利用回收NMP与新鲜CS2混合溶剂为萃取剂萃取原煤, 研究四组分性能指标, 为回收溶剂循环利用提供理论指导。

1 实验部分

现场采制河南平顶山煤(PDSM)及徐州庞庄煤(XZM)经空气干燥后破碎至200目以下储于广口瓶中备用。用PDSM* 和XZM* 分别表示回收NMP与CS2混合溶剂萃取河南平顶山煤和徐州庞庄煤。

原煤全组分分离过程如图1所示。

图1 煤全组分分离过程Figure 1 Separation process of coal all-components

首先向原煤样中加入混合溶剂萃取离心得萃余煤组分和萃取液, 然后向萃取液中加入反萃取剂并离心, 离心后样品分成三层:上层为NMP和反萃取剂组成的反萃取液层, 中间为CS2和沥青质组分组成的中间层, 下层析出的固体颗粒即为精煤族组分; 对反萃取液层依次经常、减压蒸馏蒸除反萃取剂和溶剂NMP, 得到轻质组分; 而中间层在旋转蒸发仪上蒸出CS2即得沥青质组分。

煤的真密度测定按照国标GB/T 217-2008《煤的真相对密度测定方法》进行, 工业分析按照GB/T 212-2008《煤的工业分析方法》进行, 元素分析按照GB/T 30733-2014《煤中碳氢氮的测定仪器法》进行, 全硫含量按照GB/T 214-2007《煤中全硫的测定方法》进行。

2 结果与讨论
2.1 真密度

两种原煤及各族组分在24 ℃下测得的真密度如表1所示。

表1 原煤及族组分的真密度 Table 1 True density of coal and group components

从表1可以看出, 萃余煤组分真密度最大, 分别为1.59和1.45, 大于原煤; 精煤组分与沥青质组分真密度低且低于原煤。萃余煤组分为原煤中不能被溶剂溶解的成分, 矿物质含量较高, 灰分较高, 故真密度最大。精煤组分和沥青质组分是靠溶剂的浮沉作用悬浮到溶剂中[7], 两者分子量大小相当且小于萃余煤组分, 但性质差异明显。

2.2 工业分析

两种原煤及各族组分的工业分析如表2所示。

表2 原煤及族组分的工业分析 Table 2 Proximate analysis of coal and group components

从表2可以看出, 四个组分中, 轻质组分的水分含量最高, 分别为6.09%和5.77%, 萃余煤组分水分含量最低, 分别为0.96%和0.63%。轻质组分为以N和O元素为主的杂原子小分子, 具有较多非共价键成键点, 易与水分子形成氢键。萃余煤组分和轻质组分中灰分含量较高, 精煤组分与沥青质组分中灰分含量较低, 尤其是沥青质组分接近无灰, 灰分含量分别为0.36%和0.91%。可见, 混合萃取溶剂对矿物质的溶解能力较弱, 大部分矿物质未被萃取, 残留于萃余煤组分, 而被萃取的少部分矿物质集中在轻质组分中。挥发分含量均以轻质组分> 沥青质组分> 精煤组分> 原煤> 萃余煤组分顺序降低。可溶解成分被萃取出剩余的大分子骨架性质稳定, 以大分子芳环为主, 挥发分含量最低, 分别为29.32%和27.97%。轻质组分的挥发分较高, 主要是由于轻质组分中残留有一定量的萃取溶剂。原煤及四个族组分固定碳含量与挥发分含量刚好呈相反趋势。原煤和萃余煤组分的挥发分和固定碳数值差别较小, 充分说明萃余煤组分继承了原煤结构的基本骨架。

2.3 元素分析

两种原煤及各族组分的元素分析如表3所示。

表3 原煤及族组分的元素分析 Table 3 Ultimate analysis of coal and group components

从表3可以看出, 原煤及族组分中C元素含量最高, 而H是第二大元素, 各组分H元素含量约6%, C、H元素是煤加工利用最主要的元素。O元素含量也较高, 加工利用过程既不产生热量也不消耗热量, N和S元素含量相对较低。原煤及族组分中, 轻质组分的C元素含量最低, 分别为55.32%和55.18%, 因为轻质组分是以N和O杂原子为主的小分子化合物, 显著的特点是N和O含量较高, 故C元素含量较低。精煤组分与沥青质组分C元素含量相对较高, 萃余煤组分C元素含量较精煤与沥青质组分偏低, 分别为80.91%和80.65%, 轻质组分是小分子化合物, 故C元素含量最低, 约55%。萃余煤组分为不能被溶剂萃取的大分子C骨架结构, 理应C元素含量较高, 作者认为萃余煤组分较高的矿物质含量是导致单位质量的萃余煤组分C含量偏低最主要原因。H元素含量在精煤组分、沥青质组分和轻质组分相当, 精煤组分与沥青质组分中含有较多脂肪族成分化合物, 而H主要存在于脂肪烃侧链和官能团上, 萃余煤组分以大分子芳环结构为主, H含量最低, 分别为4.60%和4.38%。N元素含量在轻质组分中最高, 分别为8.90%和10.49%, 在其他几个组分中没有明显的分布规律。O元素含量以轻质组分最高, 分别为25.97%和25.73%, 精煤组分O含量普遍高于沥青质组分, 因为精煤组分富集酚、醇、醚及醌基与芳香酮等含氧组分的化合物较沥青质组分多。原煤及各族组分的H/C原子比以轻质组分> 沥青质组分> 精煤组分> 萃余煤组分的顺序降低。可知, 轻质组分的N、O和S元素含量较高, 轻质组分主要是含N和O杂原子的较小分子化合物, 再加上NMP溶剂的残留, 造成N和O元素含量较高。

3 结 论

(1) 萃余煤组分真密度最大, 分别为1.59和1.45, 精煤组分与沥青质组分真密度低且低于原煤。

(2) 轻质组分的水分含量最高, 分别为6.09%和5.77%, 萃余煤组分水分含量最低, 分别为0.96%和0.63%。沥青质组分接近无灰, 灰分含量分别为0.36%和0.91%。挥发分含量以轻质组分> 沥青质组分> 精煤组分> 原煤> 萃余煤组分顺序降低。

(3) 精煤组分与沥青质组分C元素含量相对比较高, 萃余煤组分C元素含量较两者偏低, 分别为80.91%和80.65%。H/C原子比以轻质组分> 沥青质组分> 精煤组分> 萃余煤组分的顺序降低。轻质组分的N、O和S元素含量较高。

参考文献
[1] 陈娟, 闫海军, 刘皓, 等. 煤的族组分基本特性研究[J]. 当代化工, 2019, 48(3): 453-458.
Chen Juan, Yan Haijun, Liu Hao, et al. Study on Basic characteristics of coal group component[J]. Contemporary Chemical Industry, 2019, 48(3): 453-458. [本文引用:1]
[2] 倪维斗, 陈贞. 煤的清洁高效利用是中国低碳经济的关键[J]. 太原理工大学学报, 2010, 41(5): 444-458.
Ni Weidou, Chen Zhen. Clean and efficient utilization of coal-key to china's low carbon economy[J]. Journal of Taiyuan University of Technology, 2010, 41(5): 444-458. [本文引用:1]
[3] Elliott M A. Chemistry of coal utilization: Second supplementary volume[M]. New York: Wiley-Inter-Science, 1981. [本文引用:1]
[4] 焦树建. IGCC技术发展的回顾与展望[J]. 电力建设, 2009, 30(1): 1-7.
Jiao Shujian. Review and prospect on development of IGCC technology[J]. Electric Power Construction, 2009, 30(1): 1-7. [本文引用:1]
[5] 倪维斗, 李政, 薛元. 以煤气化为核心的多联产能源系统: 资源/能源/环境整体优化与可持续发展[J]. 中国工程科学, 2000, 2(8): 59-68.
Ni Weidou, Li Zheng, Xue Yuan. Multi-generation energy system from coal gasification process[J]. Engineering Sciences, 2000, 2(8): 59-68. [本文引用:1]
[6] 岑建孟, 方梦祥, 王勤辉, 等. 煤分级利用多联产技术及其发展前景[J]. 化工进展, 2011, 30(1): 88-94.
Cen Jianmeng, Fang Mengxiang, Wang Qinhui, et al. Development and prospect of coal staged conversion poly-generation technology[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2011, 30(1): 88-94. [本文引用:1]
[7] 秦志宏. 煤有机质溶出行为与煤嵌布结构模型[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2008. [本文引用:2]
[8] Iino M, Takanohashi T, Obara H, et al. Characterization of the extracts and residues from CS2-N-methyl- 2-2-pyrrolidinone mixed solvent[J]. Fuel, 1989, 68: 1588 [本文引用:1]
[9] 秦志宏, 巩涛, 李兴顺, 等. 煤萃取过程的TEM分析与煤嵌布结构模型[J]. 中国矿业大学学报, 2008, 37(4): 443-449.
Qin Zhihong, Gong Tao, Li Xingshun, et al. TEM Analysis of coal extraction and coal inbuilt state structural model[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 37(4): 443-449. [本文引用:1]
[10] 陈娟, 秦志宏, 刘皓, 等. 煤的族组分形成机理研究[J]. 煤炭转化, 2013, 36(1): 1-4.
Chen Juan, Qin Zhihong, Liu Hao, et al. Study on formation mechanism in coal group component[J]. Coal Conversion, 2013, 36(1): 1-4. [本文引用:1]