Mtodos catalticos en el procesamiento de carbn a gas de sntesis, carboneous y combustibles lquidos contribuir al desarrollo sostenible.AbstractoSe han estudiado los procesos de carbonizacin marrn autotrmico carbn y la gasificacin de vapor en un lecho fluidizado de materiales catalticamente activos, hidrogenacin cataltica de lignito y sus mezclas con poliolefinas de desecho y licuefaccin de carbn sapropelitic. La aplicacin de lecho fluidizado de materiales que contienen hierro, que son capaces de catalizar la oxidacin volatives proporciona las condiciones autotrmicas de carbonizacin de carbn sin la formacin de compuestos policclicos nocivos y alquitranes de pirlisis.Basado en el mtodo cataltica de la carbonizacin de carbn, se sugiri el proceso integrado de gas combustible y syn-gas produccin sincrnica del lignito. La circulacin de partculas de carbn a productos calientes entre carbonizacin y gasificacin reactores suministros por el calor del proceso de gasificacin de vapor. Por lo tanto, va en el bajo consumo de oxgeno y produce gas de sntesis ms limpio en comparacin con los procesos de gasificacin convencionales.Se utilizaron los diversos enfoques con el fin de aumentar el rendimiento y la calidad de los lquidos producido a partir de lignito. Ellos incluyendo la aplicacin de catalizadores de mineral de hierro de bajo costo, disolventes orgnicos donador de hidrgeno, tratamiento de activacin de carbn por el ozono, co-procesamiento de carbn con residuos de polmeros. Se encontr que el carbn sapropelitic se puede convertir a los lquidos con el rendimiento por 7 veces mayor en comparacin con el carbn marrn.

IntroduccinEl aumento del consumo de carbn en el futuro se conecta con una agotadora permanente de ms recursos cualitativos de combustibles fsiles [1]. Sin embargo, el uso de los resultados de carbn en una mayor contaminacin de la atmsfera, en comparacin con el petrleo y el gas natural.Con el fin de reducir el dao ecolgico de la energtica de carbn de los combustibles sintticos son producidos a partir del carbn [2]: gas de sntesis, hidrgeno y gas combustible, lquidos y combustibles carboneous slidos, etc.El uso de procesos catalticos da la oportunidad de mejorar la produccin de combustibles sintticos a partir del carbn [3,4]. En la actualidad los mtodos catalticos se utilizan en la produccin de syn-gas y de hidrgeno a partir de hidrocarburos gaseosos y lquidos [5-8], lignito y la biomasa [9,10], a partir de soluciones acuosas de borohidruro de sodio [11]. Pero el procesamiento de carbn difiere en algunos aspectos de fase gaseosa y la fase lquida procesos catalticos de la petroqumica. Los principales principios y mtodos tecnolgicos para el procesamiento cataltica de carbn an no han sido bien desarrollado, aunque se ha logrado cierto progreso.Los dos grupos principales de mtodos de transformacin cataltica de carbn pueden distinguir [12]. Uno de ellos incluye conversiones catalticas en las interfaces '' superficie de carbn - catalizador slido '', '' la superficie del carbn - catalizador disuelto '', '' el carbn superficie - catalizador fundido '', '' el carbn superficie - catalizador en la fase de gas ''.El segundo grupo de transformaciones catalticas va a travs del mecanismo de la catlisis mediada por medio de la transferencia de catalizador (Cat) accin a travs del medio de reaccin:Gato / componentes de los reactionmedium / carbn / productos de transformacinEn el caso de la va de catlisis directa, los productos finales se forman a travs de reacciones catalticas en la "interfaz"-catalizador superficie de carbn ''. La va de la catlisis mediada implica etapas de transformaciones catalticas de componentes lquidos o gaseosos del medio de reaccin. Estos componentes se forman ya sea durante las reacciones termoqumicas de carbn o estn presentes como un reactivo inicial.La catlisis mediada aumenta la eficiencia del proceso cataltico, cuando se utilizan las mezclas mecnicas de catalizador pulverizado o disperso y carbn, as como de lecho fijo o de lecho fluidizado de catalizadores. El presente documento describe algunos mtodos catalticos de gas de sntesis, carboneous y produccin de combustibles lquidos a partir de carbn marrn, desarrollado en el Instituto de Qumica y Tecnologa Qumica SB RAS.2.-Productos Carboneous de lignito para produccin syn-gasEl proceso original de Kansk-Achinsk carbn marrn autotrmico carbonizacin fue desarrollado sobre la base de aparato con lecho fluidizado de catalizador de xido de Al-Cu-Cr [13,14]. Las ventajas de proceso autotrmico estn conectados con una integracin de las etapas de combustin y carbonizacin en presencia de catalizador de oxidacin.Algunas caractersticas de autotrmico carbonizacin de Kansk- Achinsk lignito en un lecho fluidizado de Martin escoria se han estudiado en este trabajo.Lignito se obtuvo del campo carbn Kansk-Achinsk (Irsha-Borodinski pit); sus caractersticas bsicas yacan en las siguientes gamas: la humedad, 7,2-28,2%; ceniza (base seca) (Ad), 6.8- 9.6%; materia voltil (daf) (Vdaf), 48,4-55,0%; tamao de partcula promedio, 0,06 a 0,30 mm; C, 65,6 a 68,1, H, 4.1 a 5.3, O N, 26,4 a 29,4% (daf); poder calorfico (Qi r), 16,0-20,9 MJ kg1.El tamao de partcula de carbn triturado era el mismo que el utilizado en el poder industrial - la generacin de calderas que trabajan en el carbn en polvo: el residuo en 0,2 mm tamiz ascendi a 34,0% y en un tamiz de 0,09 mm - a 66,0%. Dos fracciones de 0,8 a 1,22 mm y 0,10-0,25 mm de partculas-hogar abierto (Marting) las escorias se utilizaron como material de lecho fluidizado. La composicin qumica de la escoria Marting (%): 19,4 SiO2, CaO 38,6, MgO 14,3, 5,7 MnO2, Fe 6.7. Marting escoria es un material barato y fcilmente disponible. Tiene una alta resistencia trmica y mecnica. Adems de algunos componentes de la escoria se conocen como catalizadores de oxidacin reactions.Before de comenzar los experimentos del lecho de catalizador se calienta por aire caliente a 720 a 770 K, y la mezcla carbn-aire era entonces alimentado desde abajo. Se encontr que las conversiones trmicas de carbn en polvo en un lecho cataltico fluidizado incluir la siguiente secuencia de pasos: secado partculas de carbn, la emisin de sustancias voltiles de partculas de combustible, los voltiles de oxidacin por catalizador, el resto de carbonizacin slida y activacin.La oxidacin cataltica de compuestos voltiles, derivados de las partculas de carbn en las etapas iniciales del tratamiento trmico, se traduce en el suministro de calor adicional. Por lo tanto, la carbonizacin procede en condiciones autotrmicas. En comparacin con los mtodos de pirlisis convencionales, la carbonizacin cataltica en un lecho fluidizado hace que sea posible aumentar el proceso de la productividad y reducir de manera significativa la formacin de compuestos nocivos. Este ltimo se logra mediante la oxidacin de productos de la pirlisis gaseosos por catalizador.Cuando se utiliz partculas de carbn con alto contenido de humedad, se observ la menor velocidad de prdida de materia voltil (Fig. 1). Esto demuestra que en los mismos parmetros del proceso de pirlisis las tasas de proceso de transferencia de calor y transformaciones qumicas se cambian de manera diferente cuando el contenido de humedad se incrementa en partculas de carbn.El grado de tratamiento trmico se calcul por la ecuacin:h 1 DWS Qr ISTH = DWC Qr ic100% donde Wc, Ws peso del carbn inicial y semicoques, en kg; Qr ic, Qr es - valor calorfico del carbn y semicoque, 106 J / kg.Partculas de lignito pueden reducir su tamao durante el proceso de pirlisis. Esto resulta en el cambio de la distribucin del tamao de las partculas de carbonilla en comparacin con el carbn inicial (Fig. 2). Se encontr que el contenido de ceniza en partculas de carbonilla depende de su tamao.La ceniza se encuentra principalmente en pequeas partculas. Esto hace posible separar las partculas ms grandes de carbn con bajo contenido de ceniza.Fig. 1 - Influencia del contenido de humedad en la prdida de materia voltil durante la carbonizacin cataltica de lignito a 780 8C. 1 - experimentos con partculas (63-125) 10L6 m y Wr [19-22%; 2 - experimentos con partculas (63-125) 10L6 m y Wr [9-12%.Fig. 2 - Variacin del tamao de partculas durante la carbonizacin de lignito cataltica a diferentes condiciones. A - 610 8C, carbn 1.75 kg marrn por 1 m3 de aire; B - 780 8C, carbn 0.18 kg marrn por 1 m3 de aire; C - 780 8C, 0,46 kg de lignito por 1 m3 de aire. tamao de partculas (10L6 m): 1 - 500.Puesto que el carbn de pirlisis cataltica relativamente ha extendido estructura de poros, su temperatura de ignicin es menor en 20-40 C en comparacin con el carbn de pirlisis de lecho fijo.Adems de la benz (a) pireno en los caracteres concentracin de carbonizacin autotrmico era por 5-100 veces menos, a continuacin, en los carbones de lea, obtenido por mtodos de pirlisis convencionales.3. Syn-gas del lignitoEs bien sabido que algunos catalizadores aumentan la tasa de gasificacin del carbn y cambian la composicin de los productos gaseosos. Sin embargo, el uso de catalizadores en el proceso de gasificacin genera problemas adicionales relacionados con la seleccin de un catalizador apropiado y un mtodo simple de su aplicacin, con la estabilidad del catalizador, su re-utilizado, etc. La gasificacin de carbn en lecho fluidizado circulante o de catalticamente material activo hace posible superar algunos de estos problemas. La reaccin endotrmica de agua con carbono exige el suministro de calor adicional. Por lo tanto las tecnologas conocidas de la gasificacin del carbn a gas de sntesis utilizan la mezcla de agua-vapor y oxgeno como agente de gasificacin [15]. Suministros de oxgeno por el calor del proceso de gasificacin, debido a la combustin de una parte de carbn. El esquema de la instalacin piloto, que se utiliza para el lignito de gasificacin con aire de vapor, fue descrito en la Ref. [16]. El reactor de gasificacin y combustin es un tubo rectangular vertical, hecho de acero inoxidable con el tamao interno 0.22? 0,22 m y la altura de 4,2 m. El grado de distribucin de aire con una seccin transversal libre de 3% se coloc en la parte inferior del reactor. Vapor, calienta hasta 150, y el aire se alimenta bajo la rejilla de distribucin. La mezcla de lignito al aire polvoriento se inyect por encima de la rejilla de distribucin. Dos mtodos de gasificacin de aire vapor de lignito a se estudiaron combustible gas en lecho fluidizado circulante y [17,18] .Una de ellas incluye la gasificacin parcial de lignito por aire mezcla de vapor de agua en un lecho fluidizado de partculas de escoria catalticamente activos Openhearth al grado de conversin de carbn de 40 a 70%. En este caso slo la parte ms reactiva del carbn se gasifica con formacin simultnea de un char poroso con una buena capacidad de adsorcin. El otro mtodo se basa en la conversin integrada delignito en combustible-gas y syn-gas. La primera etapa incluye la carbonizacin de carbn en polvo en el reactor con lecho fluidizado de la escoria de horno de reverbero. El segundo paso es la gasificacin de agua-vapor de char, producido en el reactor de carbonizacin. Debido a la recirculacin de las partculas de carbonilla calientes entre pirlisis y gasificacin reactores el proceso de gasificacin se puede ir sin suministro de oxgeno. Pero el uso de pequeas cantidades de oxgeno hace que sea posible aumentar el grado de conversin del carbn y el rendimiento de syn-gas. Las demandas de proceso estudiadas por al menos 5-7 veces menos oxgeno en la produccin de 1 m3 de gas de sntesis en comparacin con los procesos industriales de Lurgi, Winkler, Kopperc-Totsek [19]. Las tecnologas tradicionales producen a partir de lignito un gas de sntesis contaminada por alquitranes. Pero gas de sntesis producido por proceso integrado tiene mucho menos impurezas de alquitrn (Tabla 1).

4. Los combustibles lquidos a partir de carbn marrnLos diferentes mtodos se utilizaron con el fin de aumentar el rendimiento y la calidad de los lquidos producidos a partir de lignito [20]. La hidrogenacin del carbn por el hidrgeno molecular en presencia de catalizadores activos (por catalizador a base de molibdeno-ejemplo) da el alto rendimiento de productos lquidos. En principio, muchos catalizadores de metal, como paladio sobre carbonsupports [21] se puede utilizar en los procesos de hidrogenacin del carbn. Pero la aplicacin de menos costosos catalizadores de mineral de hierro hace que sea posible excluir la etapa de aislamiento catalizador para su regeneracin. Se encontr, que la eficacia de la accin catalizador de hierro es comparable con catalizador de molibdeno en el presencia de disolventes donador de hidrgeno, como tetralina o compuestos de naftaleno-aromtico [2]. En los medios de comunicacin de estos tipos de disolventes, el proceso de licuefaccin se produce a travs del mecanismo de la catlisis mediada. El disolvente orgnico dona tomos de hidrgeno para el carbn. La transferencia de tomos de hidrgeno de una molcula de un disolvente orgnico (por ejemplo, tetralina) a los resultados de carbn en la despolimerizacin de la masa orgnica en carbn y deshidrogenacin tetralina a la naftalina. El catalizador de hierro promueve la regeneracin de propiedades H-donantes del disolvente, en particular, por hidrogenacin de naftaleno para tetralina. Para un cumplimiento efi-ciente de esta funcin, el catalizador puede poseer an una actividad de hidrogenacin moderada, inherente a los materiales de mineral que contienen hierro.Materiales de mineral se pueden dispersar en pequeas partculas mediante molienda en un aparato de traccin-energa. Tal tratamiento mecnico no slo aumenta el rea de superficie de los materiales, pero puede cambiar sus propiedades. Se ha encontrado que el grado de conversin del carbn marrn se increment como resultado de la trituracin mecnica de los catalizadores de mineral. El efecto de la significativo aumento de la actividad cataltica especfica, se hace referencia por unidad de rea de la superficie, se detect para las muestras de mineral de hierro modificados mecnicamente, en comparacin con los no tratados [22].Algunas propiedades de los catalizadores de mineral de hierro con diferente composicin mineralgica (hematita, magnetita, pirita, pirrotita) modificado por tratamiento mecnico y por las adiciones de azufre se estudiaron en marrn proceso de hidrogenacin del carbn.Los experimentos de hidrogenacin del carbn se llevaron a cabo en 0,25 l autoclaves giratorios. Una mezcla de partculas de lignito secas de tamao 0,05-0,01 cm (8,0 g), disolvente (12,0 g) y suspensin de catalizador modificado mineral se carg en el autoclave, presuriza con hidrgeno hasta 5,0 MPa y se calent hasta 430 C. El lquido coalderived, que contiene 70% en peso. de la fraccin con punto de ebullicin mayor que 400 C y 30% en peso. de la fraccin de destilado con p.e. 300-400 C despus de su hidrogenacin a 400 C se us como un disolvente. La activacin mecnica de la mezcla de azufre elemental agua mineral catalizador se llev a cabo en la energa de traccin molino planetario activador (PAM). Esta mezcla activado se introdujo en suspensin de la reaccin por emulsificacin con el disolvente derivado del carbn.Se observ un aumento del rea superficial BET con el tiempo de tratamiento mecnico para muestras que contienen pirita, pirrotita y magnetita. La disminucin en el rea superficial para muestras de hematita y magnetita despus de tiempos de tratamiento mucho tiempo en el PAM est conectado con el fenmeno de agregacin de las partculas pequeas. Se encontr que el proceso de pequeas partculas agregacin puede ser pasivado mediante la adicin de agua (aproximadamente 40% en peso. del peso de catalizador). La adicin de agua durante el tratamiento de muestras de mineral en el PAM result en un incremento del rea superficial hasta 80 m2 g1 para hematita, hasta 26 m2 para g1 pirrotita, y 20 m2 g1 de pirita. La molienda mecnica de los catalizadores de mineral junto con el azufre elemental promueve la formacin de un alto dispersa fase catalticamente activa de pirrotita. La influencia de catalizadores de mineral activadas y no activadas en marrn proceso de hidrogenacin del carbn se ilustra en la figura. 3. El uso de catalizadores activados result en un aumento significativo (por 2-4 veces) en la conversin de carbn. A la adicin del catalizador de 1,8% en peso. (1% en peso. Muestra mineral, 0,8% en peso. Azufre elemental) a la pasta de carbn-aceite result en la conversin de carbn de aproximadamente 88-92% para todos los tipos de muestras de mineral. De acuerdo a la Fig. 3 el rendimiento de la fraccin de hidrocarburos ligeros (con menos de 180 pb C) fue notablemente mayor en los experimentos con catalizadores que contienen mineral de sulfuros de hierro. De acuerdo con puntos de vista comunes de la ruptura de los enlaces oxygencontaining juega un papel importante en la despolimerizacin de la materia orgnica de carbn durante la hidrogenacin [23]. La concentracin de grupos que contienen oxgeno en los carbones se puede cambiar por oxidacin suave [24]. El ozono puede reaccionar con casi todos los grupos funcionales de carbn, incluso con fragmentos poliaromticos a temperatura ambiente. Despus del tratamiento de carbn marrn por el ozono y el aire o helio a 100 C la cantidad importante de oxgeno en la materia orgnica del carbn se presenta en la forma Ob, que no est identificada por los mtodos qumicos usuales de anlisis. Esta forma de oxgeno se puede atribuir a teres simples y complejos, heterociclos de oxgeno, etc.Los resultados del anlisis espectral de rayos X en la regin de la banda de 002 demuestran el aflojamiento de la estructura molecular de lignito general despus de ozonizacin tratamiento. LengetaFig. 3 - Influencia de catalizador mineral (. 1% en peso y suphur 0,8% en peso con respecto al peso de la pasta de aceite de carbn D.) Modificacin en la hidrogenacin de carbn marrn en 430 8C y presin de H2 de 12,0 MPa. 1 - grado de conversin; 2 - gas sin H2S; 3 - fraccin bajo 180 8C; 4 - fraccin ms de 180 8C; 5 - asfaltenos (% wt.).Los resultados de la hidrogenacin de los carbones modificados en tetralina en presencia de catalizador de pirita se presentan en la Fig. 4. carbones ozonizado tienen una mayor reactividad en procesos de hidrogenacin en presencia de disolventes donador de hidrgeno (tetralina y derivado del carbn disolvente) y catalizador de pirita. Las principales caractersticas de los procesos de hidrogenacin del carbn ozonizados son el mayor grado de conversin, el aumento del rendimiento de hidrocarburos lquidos con pb hasta 300 C y el bajo contenido de hidrocarburos C1-C3 en productos gaseosos. Los polmeros sintticos pueden desempear un papel de reactivo donador de hidrgeno para la hidrogenacin del carbn. Se observaron algunos efectos sinrgicos positivos en la hidrogenacin cataltica de mezclas de poliolefina de carbn [25].Se estudi Co-licuefaccin de Kansk-Achinsk carbn marrn con polietileno en presencia de catalizadores de mineral de hierro activados mecnicamente. Para el co-procesamiento de mezcla de carbn / PE se aplicaron los siguientes procesos catalticos: pirlisis en una atmsfera, hydropyrolysis y agua-vapor agrietamiento inerte. Se logr el ms alto grado de conversin del carbn en el proceso hydropyrolysis a 430 C y la presin de 6 MPa de trabajo. El rendimiento mximo de productos destilados ligeros con pb