CN103525500A - 一种采用共溶剂解聚中低阶煤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温和条件下在离子液体和有机溶剂构成的共溶剂中解聚中低阶煤的方法，属于中低阶煤综合利用技术领域。本发明通过选择有利于高效解聚中低阶煤的离子液体与有机溶剂构成的共溶剂，将中低阶煤粉与共溶剂加入反应釜中，在100～350oC条件下反应0.5～10h得到反应产物；反应结束后，通过离心分离等将反应产物和残渣分离；再将滤液先蒸发然后水洗可分别得到有机溶剂和离子液体，有机溶剂和离子液体可以循环使用，解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。该方法工艺简单、中低阶煤可高效解聚、解聚产物用途广且附加值高。
Description
技术领域
本发明属于中低阶煤综合利用技术领域，具体涉及中低阶煤在温和条件下于离子液体和有机溶剂组成的共溶剂中解聚、解聚产物与共溶剂分离的方法和工艺。
背景技术
我国中低阶煤资源丰富，尤其是褐煤已探明的保有储量达1303亿t。由于大部分褐煤存在高灰分（约30%）、高水分（20-50%）、低热值（约14 MJ·kg-1）、低灰溶点、热稳定性差和容易风化自燃等问题因而被视为劣质燃料。用热溶的方法从煤中分离有机质得到“HyperCoal”（超净煤）是近年来煤化工界开发的重要洁净煤技术，其目标是获得煤热溶物收率超过60%，灰分低于0.02%的无灰煤，该无灰煤可以直接喷入燃气轮机燃烧发电、实现催化低温气化或制备高性能炭材料原料。同时超净煤在高效可循环使用的催化剂作用下可高效转化为油品或高附加值的化工产品。中低阶煤特别是褐煤在常规有机溶剂热溶过程中热溶物的收率较低，这限制了中低阶煤制备超净煤技术的发展。
目前烟煤热溶所用的溶剂基本为1-甲基萘、甲基萘油和轻质循环油等，向上述溶剂中加入甲醇、水或HCl水溶液、N-甲基吡咯烷酮等可促进烟煤的热溶，但为了达到高萃取率热溶一般是在较高温度（350℃）左右进行。然而在较高温度下的热溶烟煤已经开始热解，其结果必然导致热溶物中产生部分热缩聚产物，因而必然影响了热溶物的转化性能。为了在低温下高收率获得中低阶煤的热溶物，需要开发温和条件下中低阶煤的热溶解聚技术。离子液体具有不挥发、不易燃、催化等特性，有望替代传统的有机溶剂。最近，美国Paul Painter研究小组（Energy Fuels, 2010, 24(3): 1848–1853）报道了离子液体可以溶解、分解煤到一定微细颗粒，相对于煤在NMP和吡啶中的溶解能力，煤在离子液体和NMP、离子液体和吡啶中的溶解能力显著增加。雷智平等发现离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐可高效解离先锋褐煤，在200℃时1-丁基-3-甲基咪唑氯盐对其萃取率可达74%（Fuel, 2012, 95:630-633），但以上萃取过程中离子液体用量较大，限制了其的工业化应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用离子液体和有机溶剂组合成的共溶剂解聚中低阶煤的方法和工艺。将离子液体与有机溶剂相结合而构成的共溶剂体系，不仅对中低价煤具有高效解聚性能，同时可显著降低离子液体用量，提高过程的经济性。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明提供一种采用共溶剂解聚中低阶煤的方法，该方法步骤如下：
（1）选择有利于高效解聚中低阶煤的离子液体与有机溶剂组成共溶剂，将中低阶煤和共溶剂加入到反应釜，其中中低阶煤与共溶剂的质量之比为1:1～100；所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、二甲基咪唑磺酸甲酯盐、丁基咪唑三氟甲磺酸盐、乙基-甲基咪唑乙酸盐、1-甲基-3-烯丙基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑甲酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐，所述有机溶剂为乙酸乙酯、四氢萘、甲醇、乙醇、甲基萘、甲基萘油或N-甲基吡咯烷酮，所述有机溶剂与离子液体的质量之比为
1～100：1；
（2）将步骤（1）的中低阶煤和共溶剂形成的混合物，在100～350oC加热0.5～10小时，反应结束后自然冷却到室温；
（3）将步骤（2）反应所得的混合物通过离心分离和滤膜过滤分离分别得到未反应的残渣和滤液；
（4）将步骤（3）的滤液通过先蒸发然后水洗可得有机溶剂和离子液体，离子液体和有机溶剂可循环使用；
（5）将步骤（4）得到的解聚产物进行真空干燥。
本发明的特征在于利用离子液体与有机溶剂进行不同比例混合形成二元混合溶剂对中低阶煤进行热溶萃取，将离子液体和有机溶剂对中低阶煤中大量的弱键合结构进行高效解离的性能相结合，达到在显著降低离子液体用量的基础上高效解聚中低级煤的目的。
本发明提供的温和条件下中低阶煤在离子液体和有机溶剂共同作用下的解聚和解聚产物与离子液体和有机溶剂分离的方法和工艺具有以下优点：
1、萃取温度低（100～350℃），工艺稳定，易于控制且工艺操作简单；
2、离子液体和有机溶剂可循环使用可有效提高过程的经济性；
3、萃取过程简单、中低阶煤萃取产率高；
4、萃取产物直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工原料。
具体实施方式
以下结合实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
实施例1
称取1 g的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和80毫升甲醇与1g的云南先锋褐煤并放入微波萃取仪器中于温度100℃下、萃取30 min，萃取结束后冷却至室温。用甲醇将微波反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次，然后80℃下真空干燥24h。收集的滤液用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，褐煤的转化率通过残渣计入为40 %。滤液旋转蒸发回收甲醇，然后用蒸馏水洗出旋转蒸发所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体；甲醇和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例2
称取5g的1-丁基-3-甲基咪唑溴盐和1g的云南先锋褐煤与5g四氢萘作共溶剂，放入微波萃取仪器中于温度250℃下、萃取4小时，萃取结束后冷却至室温。用四氢萘将微波反应釜中的混合物洗出并移至离心管内，以14000 rpm/min的速度离心，并将上层液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次，并在80℃下真空干燥24h。云南先锋褐煤的转化率通过残煤计入为80%。减压蒸馏回收四氢萘，然后用蒸馏水洗出所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体；四氢萘和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例3
称取10g的1-丁基-3-甲基咪唑甲酸盐和1g的神华次烟煤与50g的甲基萘作共溶剂，于300℃下萃取2 小时，萃取结束后冷却至室温。用甲基萘将反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次， 80℃下真空干燥24h。收集的滤液体用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，神华次烟煤的转化率通过残渣计入为60%。减压蒸馏回收甲基萘，在所得的解聚产物和离子液体中加入蒸馏水，静置48h，用蒸馏水洗出旋转蒸发所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体；甲基萘和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例4
称取10g的二甲基咪唑磺酸甲酯盐和1g的胜利褐煤与90g乙酸乙酯作共溶剂，放入微波萃取仪器中于温度200℃下、萃取30 min，萃取结束后冷却至室温。用乙酸乙酯将微波反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用乙酸乙酯超声15min清洗并离心三次，残煤用丙酮清洗然后80℃下真空干燥24h。收集的滤液用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，褐煤的转化率通过残渣计入为65 %。滤液旋转蒸发回收乙酸乙酯，然后用蒸馏水洗出旋转蒸发所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体；乙酸乙酯和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24 h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例5
称取5g的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和1g的云南先锋褐煤与90g乙醇作共溶剂，放入微波萃取仪器中于温度200℃下、萃取5小时，萃取结束后冷却至室温。用乙醇将微波反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次，然后80℃下真空干燥24h。收集的滤液用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，褐煤的转化率通过残渣计入为80 %。滤液旋转蒸发回收乙醇，然后用蒸馏水洗出旋转蒸发所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体；乙醇和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例6
称取1 g的1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐和80毫升甲醇与1g的云南先锋褐煤并放入微波萃取仪器中于温度150℃下、萃取3 小时，萃取结束后冷却至室温。用甲醇将微波反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次，然后80℃下真空干燥24h。收集的滤液用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，褐煤的转化率通过残渣计入为45 %。滤液旋转蒸发回收甲醇，然后用蒸馏水洗出旋转蒸发所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体；甲醇和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例7
称取5g的1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐和1g的神华次烟煤与20g甲基萘油作共溶剂，于300℃下萃取5小时，萃取结束后冷却至室温。用甲基萘油将反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次， 然后80℃下真空干燥24h。收集的滤液体用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，神华次烟煤的转化率通过残渣计入为69%。减压蒸馏回收甲基萘油，在所得的解聚产物和离子液体中加入蒸馏水，静置48h，用蒸馏水清洗析出物的解聚产物；甲基萘和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例8
称取20g的1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和1g的云南先锋褐煤与80g乙醇作共溶剂，于200℃下、萃取5小时，萃取结束后冷却至室温。用乙醇将微波反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次，然后80℃下真空干燥24h。收集的滤液用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，褐煤的转化率通过残渣计入为75%。滤液旋转蒸发回收乙醇，然后用蒸馏水洗出旋转蒸发所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体；乙醇和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例9
称取5g的1-丁基-3-甲基咪唑甲酸盐和1g的云南先锋褐煤与50 g N-甲基吡咯烷酮作共溶剂，于200℃下萃取3小时，萃取结束后冷却至室温。用N-甲基吡咯烷酮将微波反应釜中的混合物稀释并移至抽滤装置内过滤，并将所得液体收集，残煤用丙酮超声15min清洗并离心三次，80℃下真空干燥24h。收集的滤液用0.45μm的滤膜过滤，残渣计入残煤以计算抽提率，云南先锋褐煤的转化率通过残渣计入为72%。对离心分离所收集的滤液旋转蒸发回收N-甲基吡咯烷酮，然后用蒸馏水洗出旋转蒸发所得的解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体。N-甲基吡咯烷酮和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
实施例10
称取10g的丁基咪唑三氟甲磺酸盐和1g的胜利褐煤与20 g四氢萘作共溶剂，于320℃下萃取8小时，萃取结束后冷却至室温。用四氢萘将微波反应釜中的混合物洗出并移至离心管内，以14000 rpm/min的速度离心，并将上层液体收集，残煤用丙酮超声15 min清洗并离心三次，并在80℃下真空干燥24h。云南先锋褐煤的转化率通过残煤计入为79%。对离心分离所收集的滤液减压蒸馏回收四氢萘，然后用蒸馏水洗出解聚产物和离子液体的混合物中的离子液体。四氢萘和通过蒸馏水回收的离子液体可循环使用。解聚产物最后在80℃下真空干燥24h。解聚产物富含芳烃，可直接或延伸作为生产多种高附加值的有机化合物或重要的化工产品的原料。
Claims (1)
1.一种采用共溶剂解聚中低阶煤的方法，其特征在于，该方法步骤如下：
（1）选择离子液体与有机溶剂组成共溶剂，将中低阶煤和共溶剂加入到反应釜，其中中低阶煤与共溶剂的质量之比为1:1～100；所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐、二甲基咪唑磺酸甲酯盐、丁基咪唑三氟甲磺酸盐、乙基-甲基咪唑乙酸盐、1-甲基-3-烯丙基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑乙酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑甲酸盐或1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐，所述有机溶剂为乙酸乙酯、四氢萘、甲醇、乙醇、甲基萘、甲基萘油或N-甲基吡咯烷酮，所述有机溶剂与离子液体的质量之比为1～100：1；
（2）将步骤（1）的中低阶煤和共溶剂形成的混合物，在100～350oC加热0.5～10 h，反应结束后自然冷却到室温；
（3）将步骤（2）反应所得的混合物通过离心分离分别得到未反应的残渣和滤液；
（4）将步骤（3）的滤液通过先蒸发然后水洗可得有机溶剂和离子液体；
（5）将步骤（4）得到的解聚产物进行真空干燥。
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