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以神华集团公司两种煤(神华烟煤以及内蒙褐煤)为共炼原料煤,以轮古常渣、Du-84特稠油为共炼原料油。首先将催化剂前体硝酸镍和硝酸铁分别溶于水、甲醇或N-N二甲基甲酰胺(DMF),然后分散在重油中,脱除溶剂后在350℃下以升华硫预硫化成为镍、铁分散型催化剂用于重油-煤加氢共炼。与水溶性镍、铁催化剂相比,有机溶剂化的镍、铁催化剂前体在重油中分散具有较小的黏度,硫化后甲醇化的镍、铁催化剂颗粒分别可达50nm和120nm左右;而在DMF中相应的催化剂颗粒仅为10-40nm和30-50nm,并且催化剂粒径均匀。在420℃、1hr、冷氢压8.0MPa和煤油比1:3的反应条件下,与相应的水溶性镍、铁催化剂相比,在甲醇或DMF,尤其是DMF中制备重油中分散的镍、铁催化剂能明显改善轮古常渣、Du-84特稠油与神华烟煤以及内蒙褐煤的加氢共炼效果。XRD分析表明:有机溶剂化的镍、铁催化剂在硫化和共炼条件下聚结失活的现象明显好于水溶性催化剂,其中DMF中制备的催化剂的聚结失活最不明显。
然后考察了神华烟煤和内蒙褐煤溶胀的影响因素,比较了甲苯、四氢萘、甲醇(Methnol)、二甲亚砜(DMSO)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇胺(MEA)及MEA-DMF混合溶剂对两种煤的溶胀行为,尝试以Fe(NO3)3和Fe2(SO4)3为代表的多种金属盐在添加量为0.5％(以铁占煤质量计)时作为溶胀促进剂的性能。结果表明:煤的溶胀率随着溶胀温度和溶胀时间的提高而增大。极性溶剂DMF、MEA是神华烟煤和内蒙褐煤很好的溶胀剂,MEA-DMF具有超高溶胀效应。发现Fe(NO3)3和Fe2(SO4)3为代表的金属无机盐可以作为溶胀促进剂,铁盐与DMF的协同溶胀效应对烟煤和褐煤的溶胀促进率可达12-18%。红外分析表明:经DMF,DMF-MEA溶胀,以及Fe(NO3)3的协同溶胀后明显削弱了烟煤中某些官能团间的缔合作用。
最后以Fe(NO3)3为前体,以Na2S为原位硫化剂,以Methnol、DMSO、DMF和MEA-DMF为溶胀剂,基于溶剂与促进剂的溶胀效应制备出一系列同步溶胀-担载铁催化剂,考察了催化剂对两种原煤和两种重油共处理反应体系的影响,揭示了溶胀煤与配油共处理的反应机理。制备的同步溶胀-担载铁催化剂在烟煤上呈均匀分散状态,粒径均一,促进液化的效果好于重油中分散型铁催化剂和水溶性担载铁催化剂。HRTEM和XRD分析表明:同步溶胀-担载的铁催化剂是以非晶态、高分散的状态存在于煤表面。其中,在DMF或者DMF-MEA中制备的催化剂具有高分散、高活性,不易团聚等特点。
通过轮古常渣-煤共处理体系对化学探针蒽的供氢研究表明,配煤经DMF的溶胀处理后,可以提高化学探针蒽在重油与煤加氢共炼时的加氢能力,有利于分子氢向多环芳烃实现氢转移过程,从而抑制煤的缩聚反应,减少焦的生成。与传统担载铁催化剂相比,同步溶胀-担载铁催化剂能有效提高共炼体系中化学探针蒽的加氢性能,并且生成深度加氢产物八氢蒽。这表明在同步溶胀-担载铁催化剂存在下加氢能力较好,可以促进煤-重油共炼反应向更高的液化率转化。