2011CB201300中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品的基礎(chǔ)研究

1、項目名稱：中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品的基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：劉振宇 北京化工大學(xué)起止年限：2011.1至2015.8依托部門：教育部二、預(yù)期目標3.1 總體目標從分子水平上揭示中低階煤的弱鍵合結(jié)構(gòu)及分級轉(zhuǎn)化的科學(xué)規(guī)律，深入認識“三傳一反”工程科學(xué)原理，形成若干高效潔凈低成本的中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)液/氣燃料和化學(xué)品的新技術(shù)和集成系統(tǒng)，將煤綜合利用效率和效益提高10-30%，將污染物和CO2的排放量降低10-20%；推動中低階煤高效、潔凈、低碳化利用科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，緩解我國油氣進口壓力；形成國際一流的煤轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)研發(fā)團隊和基地，使我國在煤轉(zhuǎn)化科學(xué)和技術(shù)方面居世界領(lǐng)先地位。其前面對煤結(jié)構(gòu)和本

2、征反應(yīng)的研究，本項目還3.2 五年預(yù)期目標l 從分子水平上認識中低階煤中非共價鍵和弱共價鍵的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建其集總化學(xué)結(jié)構(gòu)模型；l 形成中低階煤分級轉(zhuǎn)化本征反應(yīng)的表征手段和理論分析方法，揭示非共價鍵和弱共價鍵在熱場中的解離原理和自由基形成規(guī)律，認識自由基反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；l 發(fā)展中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)液/氣燃料和化學(xué)品的過程調(diào)控原理和方法，認識高效催化劑制備原理和復(fù)雜液體產(chǎn)物分離原理，在褐煤熱溶與加氫聯(lián)產(chǎn)油和化學(xué)品方面形成新技術(shù)，在褐/煙煤熱解和催化轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)油/氣方面形成新技術(shù)并完成中試驗證；l 認識煤分級轉(zhuǎn)化殘焦的組成結(jié)構(gòu)，揭示殘焦與氧化鈣的高溫反應(yīng)機理，創(chuàng)建低能耗氧熱法電石生產(chǎn)新技術(shù)，完成中試驗證

3、；l 揭示中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)液/氣燃料和化學(xué)品過程中“化學(xué)反應(yīng)-傳遞-催化轉(zhuǎn)化”等復(fù)雜過程的耦合行為、反應(yīng)器理論、“能量-效率-碳-污染物”的逐級變化規(guī)律，提出過程強化和CO2/污染物減排策略，形成理論和技術(shù)體系，構(gòu)建高效率、高效益、低排放的新工藝路線；l 發(fā)表學(xué)術(shù)刊物論文200篇以上，形成國家發(fā)明專利25項，出版專著2部，培養(yǎng)博士生30名、碩士生50名，力爭獲得國家級獎勵1項。l 經(jīng)過5 年的研究實踐，培養(yǎng)和造就3名國家級中青年人才，形成國內(nèi)外知名的技術(shù)創(chuàng)新群體和國際一流的煤轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)研發(fā)基地。三、研究方案4.1 學(xué)術(shù)思路本項目針對國家對煤高效潔凈利用及低碳液/氣燃料和化學(xué)品生產(chǎn)的重大需求，

4、以及國內(nèi)外對煤結(jié)構(gòu)認識的統(tǒng)觀性，以“煤弱鍵合結(jié)構(gòu)認識-分級轉(zhuǎn)化過程調(diào)控-產(chǎn)物分離與轉(zhuǎn)化”為主線，著力解決與中低階煤分級轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題，指導(dǎo)具有重大應(yīng)用背景的中低階煤分級轉(zhuǎn)化工藝研發(fā)和中試驗證。首先建立從分子水平上認識煤結(jié)構(gòu)的新方法，揭示中低階煤中非共價鍵和弱共價鍵等弱鍵合結(jié)構(gòu)的分布特征；其次，基于煤中不同弱鍵合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性差異，研究其在不同條件下（溫度、氣氛、催化劑）的轉(zhuǎn)化規(guī)律及和解離中間產(chǎn)物（自由基）的形成規(guī)律及反應(yīng)機制；進而發(fā)展中低階煤分級定向轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳液/氣燃料和化學(xué)品的過程調(diào)控原理和催化機理、油/酚高效綠色分離原理和低能耗殘焦制備電石新技術(shù)原理，形成若干中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)

5、產(chǎn)液/氣燃料和化學(xué)品的新技術(shù)和集成工藝。4.2 技術(shù)途徑l 利用常溫/熱溶解聚方法得到中低階煤的大分子團簇混合物，經(jīng)柱層析、制備色譜分離和重結(jié)晶等方法分離純化后，通過核磁共振和單晶X射線衍射等方法確定大分子團簇的分子結(jié)構(gòu)；l 采用同步輻射真空紫外單光子電離分子束質(zhì)譜技術(shù)，原位診斷不同熱轉(zhuǎn)化條件下自由基的形成規(guī)律和產(chǎn)物特征，結(jié)合量子化學(xué)計算，形成中低階煤中弱鍵合結(jié)構(gòu)的集總描述；l 采用高壓釜和連續(xù)試驗裝置研究褐煤選擇性催化轉(zhuǎn)化的機理、關(guān)鍵步驟和催化劑設(shè)計原則；利用相平衡測定儀研究包括有機堿和離子液體在內(nèi)的新型萃取劑與液體產(chǎn)物的相平衡特征和傳質(zhì)規(guī)律，實現(xiàn)油和芳烴/酚的高效綠色分離；采用精餾或萃取精

6、餾方法實現(xiàn)芳烴和粗酚的精制；l 采用多種反應(yīng)器考察煤預(yù)處理方法、催化劑、熱解條件、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對產(chǎn)物組成的影響，以自由基反應(yīng)調(diào)控規(guī)律為指導(dǎo)，形成中低階煤分級轉(zhuǎn)化的過程調(diào)控理論和方法；l 通過反應(yīng)機理和動力學(xué)研究及過程數(shù)學(xué)模擬支撐反應(yīng)器研發(fā)；通過催化劑形態(tài)變化及其與灰分的相互作用研究，形成催化劑分離和回用方法；l 在高溫?zé)崽炱胶托⌒头磻?yīng)器中研究殘焦和CaO的反應(yīng)機理，提出過程強化的有效方法；通過數(shù)值模擬和實驗研究的結(jié)合，構(gòu)建低能耗電石生產(chǎn)新反應(yīng)器和反應(yīng)系統(tǒng)。技術(shù)途徑簡要匯總于圖2。中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品從分子水平上認識煤結(jié)構(gòu)組成認識過程調(diào)控原理催化機理 CO2/污染物減排特征產(chǎn)物分離

7、與轉(zhuǎn)化非共價鍵大分子團簇締合特征弱共價鍵的結(jié)構(gòu)特征和解離規(guī)律原位檢測動力學(xué)分析褐煤溫和加氫聯(lián)產(chǎn)油/芳烴/酚液體產(chǎn)物分離精制殘焦反應(yīng)聯(lián)產(chǎn)電石/CO熱溶解聚多級萃取純化表征催化劑反應(yīng)規(guī)律中低階煤熱解聯(lián)產(chǎn)油/氣煤預(yù)處理催化劑反應(yīng)規(guī)律反應(yīng)器中低階煤催化熱解制甲烷/油催化劑反應(yīng)規(guī)律反應(yīng)器反應(yīng)原理冷態(tài)模擬反應(yīng)器分析表征萃取精餾傳質(zhì)相平衡量子化學(xué)計算弱鍵合結(jié)構(gòu)集總描述百噸級中試驗證過程耦合評價圖2. 技術(shù)路線簡圖4.3 創(chuàng)新與特色本項目從新的視野研究煤分級轉(zhuǎn)化過程，即從分子水平上認識中低階煤中弱鍵合結(jié)構(gòu)特征及其與反應(yīng)性的關(guān)系，揭示過程調(diào)控原理，在研究思路、研究手段以及中低階煤轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面均有重要創(chuàng)新?？茖W(xué)

8、層面：l 在現(xiàn)代物理和化學(xué)分析方法的基礎(chǔ)上，通過逐級溶解、同步輻射真空紫外單光子電離與分子束質(zhì)譜耦合、紅外等原位反應(yīng)技術(shù)及量子化學(xué)計算等方法，認識中低階煤中大分子團簇非共價鍵締合和弱共價鍵鍵合特征及熱轉(zhuǎn)化過程中自由基的形成和反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建集總化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，揭示本征反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律；l 以煤中弱鍵合結(jié)構(gòu)認識為指導(dǎo)，揭示中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)液/氣燃料和化學(xué)品過程中“化學(xué)反應(yīng)-傳遞-催化轉(zhuǎn)化”等復(fù)雜過程的耦合行為、反應(yīng)器理論、“能量-效率-碳-污染物”的逐級變化規(guī)律，提出過程強化和CO2/污染物減排策略；l 認識復(fù)雜液體產(chǎn)物的物化特征及新型萃取分離體系的相平衡和傳質(zhì)規(guī)律；揭示殘焦制備電石的過程強化原理

9、和新反應(yīng)器構(gòu)型原理。技術(shù)層面：l 建立煤非共價鍵溫和解離、產(chǎn)物分離與表征、煤結(jié)構(gòu)反演的方法；采用同步輻射真空紫外單光子電離與分子束質(zhì)譜的耦合等技術(shù)，建立定性與定量診斷煤熱解自由基及產(chǎn)物的分子水平研究方法，突破煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性研究的技術(shù)瓶頸；l 形成中低階煤在不同溫度場中解離和轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)油/芳烴/酚、油/甲烷、低能耗電石生產(chǎn)等創(chuàng)新工藝及高效催化劑、萃取分離和高效反應(yīng)器等新技術(shù)；l 提出降低能耗-物耗和CO2/污染物排放的方法，支撐中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)油/氣、甲烷/油以及殘焦制電石等新工藝的中試研發(fā)，形成自主知識產(chǎn)權(quán)的先進技術(shù)。4.4 取得重大突破的可行性分析l 聯(lián)合申報本項目的11家單位分別在煤

10、炭能源、化學(xué)工程、物理化學(xué)等領(lǐng)域居全國一流水平，擁有7個國家重點實驗室、2個教育部重點實驗室和1個省級重點實驗室，具有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗，能夠清晰地認識煤分級轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵科學(xué)問題和共性基礎(chǔ)問題，完全具備承擔本項目的能力。研究方案可靠，學(xué)術(shù)思路明確，技術(shù)路線可行。l 研究團隊已經(jīng)建成了一批較為系統(tǒng)的實驗裝置，擁有多種先進的大型分析測試儀器，形成了國內(nèi)外一流的基礎(chǔ)研究平臺，掌握了行之有效的研究方法。煤炭科學(xué)研究總院、中科院過程所、中科院山西煤化所和新奧集團的國家重點實驗室已建有小試和中試研發(fā)平臺，北京化工大學(xué)正與企業(yè)合作建設(shè)電石生產(chǎn)新工藝的中試研發(fā)平臺，為“基礎(chǔ)-應(yīng)用基礎(chǔ)-工藝-工程”一

11、體化研發(fā)提供了強有力保障。4.5 課題設(shè)置針對中低階煤分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)過程的共性基礎(chǔ)問題和若干特定工藝中化學(xué)反應(yīng)和傳遞過程耦合的關(guān)鍵科學(xué)問題，本項目設(shè)置6個課題進行研究，其中：課題1. 中低階煤中弱共價鍵和熱解自由基的表征及反應(yīng)原理研究內(nèi)容： (1) 煤熱解自由基的表征及本征動力學(xué)研究研究不同煤種在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中自由基、中間產(chǎn)物和反應(yīng)產(chǎn)物的形成規(guī)律與作用機制，考察煤在不同加熱條件下的解離和自由基產(chǎn)生行為（種類和量）；建立煤組成結(jié)構(gòu)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化本征動力學(xué)的研究手段和理論分析方法；研究褐煤溫和加氫熱解條件下自由基、中間體與反應(yīng)產(chǎn)物的形成規(guī)律，認識該過程中液態(tài)產(chǎn)物的形成過程與基本規(guī)律。(2) 煤弱共

12、價鍵結(jié)構(gòu)認識及其與自由基形成的關(guān)系運用IR、NMR和化學(xué)分析等手段，結(jié)合同步輻射真空電離分子束質(zhì)譜診斷以及量子化學(xué)計算，選擇多種煤結(jié)構(gòu)相關(guān)的模型化合物，探討煤中非共價鍵和弱共價鍵的結(jié)合特性以及煤在熱解過程中可能的解離方式及產(chǎn)物的形成機制；結(jié)合研究內(nèi)容（1）獲取的實驗結(jié)果，認識煤弱共價鍵結(jié)構(gòu)與自由基形成的關(guān)系。(3) 煤集總化學(xué)結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建結(jié)合同步輻射真空紫外電離診斷，運用量子化學(xué)計算，推測煤在熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中的解離行為并構(gòu)建煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)模型。預(yù)期目標：(1) 采用同步輻射真空紫外單光子電離與分子束質(zhì)譜技術(shù)，發(fā)展在分子水平上研究煤組成結(jié)構(gòu)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化本征動力學(xué)表征手段和理論分析方法；(2) 闡

13、明煤在熱轉(zhuǎn)化過程中的自由基、過渡態(tài)形成規(guī)律和反應(yīng)機制；認識煤在熱場中的解離與自由基產(chǎn)生行為（種類和量）的關(guān)系；(3) 構(gòu)建煤的集總化學(xué)結(jié)構(gòu)模型、自由基反應(yīng)與反應(yīng)過程網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)煤定向和選擇性轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化過程和產(chǎn)物的多元化提供理論支持；(4) 發(fā)表論文38篇，形成國家發(fā)明專利2-3項，培養(yǎng)國家級中青年人才1-2名，培養(yǎng)博士生5名、碩士生10名。承擔單位：大連理工大學(xué)，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所課題負責(zé)人：胡浩權(quán)課題參加人員：唐紫超、李鋼、樊紅軍、熊光經(jīng)費比例：16.5%課題2. 中低階煤中大分子團簇的締合特征及熱溶解聚過程調(diào)控研究內(nèi)容：(1) 煤中可溶性大分子團簇中芳環(huán)、橋鍵和側(cè)鏈類型考察煤在

14、不同溶劑中的常溫萃取行為，篩選出有效分離煤中常溫可溶成分的溶劑和方法；考察溫度、二元有機溶劑種類對煤熱溶行為的影響；研究常溫可溶成分和熱溶不同餾分的結(jié)構(gòu)特征。(2) 煤中可溶性大分子團簇與難溶大分子網(wǎng)絡(luò)骨架的締合特征研究煤溫和催化加氫后的熱溶行為，以期選擇性地解聚煤中難溶大分子為 可溶成分；研究煤溫和催化氧化后的熱溶行為；表征煤經(jīng)不同預(yù)處理后的可溶成分的結(jié)構(gòu)特征和難溶大分子網(wǎng)絡(luò)的骨架結(jié)構(gòu)。(3) 煤中可溶性大分子團簇的熱溶解聚過程調(diào)控在上述研究基礎(chǔ)上，揭示在不同溫度下煤熱溶-解聚過程中環(huán)烷和芳烴等可溶性成分的析出規(guī)律，為調(diào)控煤的熱溶解聚過程提供理論依據(jù)。預(yù)期目標： (1) 從分子水平上揭示代表

15、性煙煤和褐煤中典型的可溶性大分子團簇的締合特征及其在不同溫度下熱溶過程中的析出規(guī)律，為通過熱溶法有效分離煤中有機質(zhì)為低碳成分和富碳成分提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐；(2) 發(fā)表國內(nèi)外刊物論文37篇，申請國家發(fā)明專利3件，出版專著1部，培養(yǎng)1名青年教師入選教育部新世紀人才計劃或獲得國家杰出青年科學(xué)基金，培養(yǎng)博士生6名、碩士生12名，力爭1項成果獲得國家級獎勵。承擔單位：中國礦業(yè)大學(xué)，安徽工業(yè)大學(xué)課題負責(zé)人：魏賢勇課題參加人員：倪中海、韓相恩、水恒福、王知彩經(jīng)費比例：16.5%課題3. 褐煤溫和加氫機理及產(chǎn)物油和芳烴/酚的分離精制研究內(nèi)容：(1) 褐煤溫和加氫催化劑的制備及催化機理研究提高高分散鐵系催化

16、劑的表面酸性的方法；認識催化劑表面酸性與液體產(chǎn)物產(chǎn)率和組成間的關(guān)系；結(jié)合自由基形成規(guī)律和產(chǎn)物特征，揭示催化反應(yīng)機理和反應(yīng)動力學(xué)。(2) 褐煤溫和加氫的過程調(diào)控考察工藝條件（包括溫度、壓力、時間、催化劑等）對產(chǎn)物油組成及芳烴和酚含量的影響規(guī)律及過程調(diào)控原理；通過0.1 t/d規(guī)模的連續(xù)實驗，形成褐煤加氫轉(zhuǎn)化過程的調(diào)控方法；分析能量-效率-碳-污染物的變化規(guī)律。 (3) 褐煤加氫液體產(chǎn)物（油/芳烴/酚）的分離基礎(chǔ)通過餾分切割考察芳烴/酚在產(chǎn)物粗油中的類型和分布特征，研究二者在不同萃取劑中的相平衡規(guī)律，研發(fā)高效綠色萃取劑；考察萃取劑/油比、萃取溫度、萃取級數(shù)等對芳烴和酚類化合物收率的影響，研究萃取過

17、程的傳質(zhì)動力學(xué)，甄別控制步驟，形成萃取過程強化機制，提高萃取速率和分離效率。(4) 芳烴和粗酚的分離和精制研究芳烴和粗酚的組成特征，研究精餾及萃取精餾等方法，構(gòu)建芳烴和酚類化合物精制新技術(shù)。預(yù)期目標：（1） 闡明褐煤溫和加氫熱解機理，建立催化反應(yīng)動力學(xué)模型，掌握新型高效催化劑制備原理，形成褐煤緩和加氫聯(lián)產(chǎn)化學(xué)品的新工藝；（2） 形成芳烴/酚液液萃取分離理論和清潔高效分離工藝，獲得45種工業(yè)純芳烴和酚類化合物；（3） 構(gòu)建褐煤溫和加氫聯(lián)產(chǎn)油/芳烴/酚新工藝，與單產(chǎn)油工藝相比經(jīng)濟效益提高30%；（4） 發(fā)表學(xué)術(shù)刊物論文25 篇，申請國家發(fā)明專利23 項，培養(yǎng)博士生3 名、碩士生8 名。承擔單位：煤

18、炭科學(xué)研究總院，太原理工大學(xué)課題負責(zé)人：李文博課題參加人員：馮杰、張曉靜、毛學(xué)鋒、王勇經(jīng)費比例：16.5%課題4. 中低階煤熱解自由基反應(yīng)調(diào)控與油氣品質(zhì)的關(guān)系研究內(nèi)容：(1) 預(yù)處理對煤結(jié)構(gòu)及熱解產(chǎn)物組成的影響考察不同預(yù)處理方法（如水熱蒸汽、輕度加氫、溶劑溶脹和負載催化劑等）對煤物理性質(zhì)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響、對熱解自由基生成速率和油氣產(chǎn)物組成的影響，建立提高輕質(zhì)油氣產(chǎn)率的新方法。(2) 煤熱解定向轉(zhuǎn)化的過程調(diào)控 根據(jù)熱場中煤自由基的形成規(guī)律，考察加熱介質(zhì)（氣/固熱載體、外場）、反應(yīng)氣氛（氫氣、水蒸汽、熱解氣）、催化劑和壓力等對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率和組成的影響；研究反應(yīng)器中氣固兩相流動和傳遞行為對熱解產(chǎn)物分

19、布的影響；根據(jù)已獲取的煤熱解優(yōu)化條件，構(gòu)建反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)熱解反應(yīng)器中的流動、傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)速率的匹配調(diào)控；分析能量-效率-碳-污染物的變化規(guī)律。(3) 煤定向熱解轉(zhuǎn)化制備油氣產(chǎn)品新過程與模試驗證構(gòu)建實現(xiàn)中低階煤定向熱解轉(zhuǎn)化制備輕質(zhì)油氣的新工藝，支撐700 t/a的熱解中試研發(fā)。預(yù)期目標： (1) 揭示煤預(yù)處理影響熱解產(chǎn)物性質(zhì)的本質(zhì)，掌握有效的預(yù)處理方法；掌握煤熱解反應(yīng)中的過程調(diào)控原理，形成調(diào)控方法，實現(xiàn)提高油氣品質(zhì)和產(chǎn)率、抑制重質(zhì)組分生成的定向熱解轉(zhuǎn)化目標；完成煤處理量700 t/a的熱解裝置的中試驗證；與傳統(tǒng)技術(shù)路線相比提高能效10-20%，降低水耗20-30%，減少CO2排放0.3-0

20、.9噸/噸煤；(2) 發(fā)表國內(nèi)外刊物論文40篇，申請國家發(fā)明專利5項，撰寫中文專著1本，培養(yǎng)國家級中青年煤化工專家1名，培養(yǎng)博士生10名、碩士生10名。承擔單位：中國科學(xué)院過程工程研究所，華東理工大學(xué)課題負責(zé)人：高士秋課題參加人員：許光文、張德祥、田亞峻、潘鐵英經(jīng)費比例：16.5%課題5. 中低階煤催化轉(zhuǎn)化制甲烷和油的反應(yīng)過程原理及調(diào)控研究內(nèi)容：(1) 煤與催化劑的相互作用機理及催化劑回收原理研究催化劑與煤表面的相互作用、煤低溫氧化或熱浸漬等預(yù)處理方法的影響；認識多組分催化劑的協(xié)同作用機理及其對煤中硫、氮化合物變遷規(guī)律的影響；考察不同狀態(tài)下催化劑的形態(tài)及失活和損失機理，研究催化劑回收方法。(2

21、) 流化床中流場與催化反應(yīng)及灰熔融行為的關(guān)系考察流化床中溫度、氣速、反應(yīng)氣氛、碳轉(zhuǎn)化率對顆粒流化及灰熔融行為的影響。(3) 催化轉(zhuǎn)化過程及反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模擬建立本征反應(yīng)動力學(xué)和宏觀反應(yīng)動力學(xué)模型，揭示反應(yīng)和流動對轉(zhuǎn)化率和選擇性的影響規(guī)律；研究系統(tǒng)中流動和傳遞規(guī)律，建立質(zhì)量-動量-熱量-催化反應(yīng)的耦合模型；分析能量-效率-碳-污染物的逐級變化規(guī)律。預(yù)期目標： (1) 揭示決定催化劑性能的關(guān)鍵因素及催化劑的協(xié)同作用機理，指導(dǎo)催化劑的設(shè)計；闡明流場與催化轉(zhuǎn)化、催化劑與灰熔融間的關(guān)系，揭示催化劑失活和損失的機理，掌握催化劑回收的有效方法；形成煤反應(yīng)模型，指導(dǎo)反應(yīng)器放大和優(yōu)化；達到甲烷收率30%、油收率1

22、0%，與氣化合成路線相比熱效率提高10%；(2) 發(fā)表國內(nèi)外刊物論文25篇，申請國家發(fā)明專利6-8項，培養(yǎng)博士生4名、碩士生6名。承擔單位：新奧科技發(fā)展有限公司、中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所課題負責(zé)人：張紅梅課題參加人員：畢繼誠、李金來、張榮、李克忠經(jīng)費比例：16.5%課題6. 煤轉(zhuǎn)化殘焦制備電石的低能耗新技術(shù)原理研究內(nèi)容：(1) 煤分級轉(zhuǎn)化殘焦的物理化學(xué)性質(zhì)及其與CaO的高溫反應(yīng)原理研究各種分級轉(zhuǎn)化殘焦的組成和性質(zhì)，考察其對電石生成溫度和產(chǎn)率的影響、反應(yīng)溫度和氣氛對電石產(chǎn)率和反應(yīng)速率的影響；考察氧熱條件下傳遞、相變和反應(yīng)的復(fù)雜耦合關(guān)系及灰分的作用，認識多相反應(yīng)機理；提出反應(yīng)過程強化的有效方法

23、。(2) 創(chuàng)建新工藝和新反應(yīng)器構(gòu)型構(gòu)建低能耗電石生產(chǎn)新工藝，分析能量-效率-碳-污染物的變化規(guī)律及CO生成和CO2減排特征；通過實驗研究和計算機模擬，考察反應(yīng)器構(gòu)型和操作參數(shù)與物料流動和混合特性的關(guān)系，提出高效反應(yīng)器設(shè)計概念。在中試裝置（600 t/a）上進行試驗評價，優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計和工藝系統(tǒng)。(3) 分級轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中“能量-效率-碳-污染物”變化規(guī)律分析與評價基于本項目其它課題的進展，構(gòu)建中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品系統(tǒng)，分析評價各個系統(tǒng)中“能量-效率-碳-污染物”的變化規(guī)律。預(yù)期目標： (1) 揭示殘焦與CaO的高溫反應(yīng)機理，提出過程強化的有效方法；認識反應(yīng)器中復(fù)雜反應(yīng)和傳遞過程的耦

24、合特征，形成電石生產(chǎn)新工藝和新型反應(yīng)器，支撐中試驗證；與傳統(tǒng)電弧法相比，提高熱效率30%；(2) 發(fā)表國內(nèi)外刊物論文35篇，申請和授權(quán)發(fā)明專利4項，培養(yǎng)博士生5名、碩士生10名。承擔單位：北京化工大學(xué)課題負責(zé)人：劉振宇課題參加人員：吳衛(wèi)澤、鄭丹星、劉清雅、劉輝經(jīng)費比例：17.5%4.6 課題間的關(guān)系課題以及課題之間的關(guān)系如圖3和4所示。其中課題1和2（部分）屬于共性基礎(chǔ)問題研究，重點從分子水平上認識中低階煤中非共價鍵和弱共價鍵的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建其集總化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，形成中低階煤分級轉(zhuǎn)化本征反應(yīng)的表征手段和理論分析方法，揭示非共價鍵和弱共價鍵在熱場中的解離原理和自由基形成規(guī)律，認識自由基反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

25、；課題2-5重點研究不同溫度下中低階煤中弱鍵合結(jié)構(gòu)的變化及其與低碳組分提取過程中的核心化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系，認識傳遞過程的影響，發(fā)展中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)液/氣燃料和化學(xué)品的過程調(diào)控原理和方法，認識高效催化劑制備和復(fù)雜液體產(chǎn)物分離原理，在褐煤熱溶與加氫聯(lián)產(chǎn)油和化學(xué)品方面形成新技術(shù)，在褐/煙煤熱解和催化轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)油/氣方面形成新技術(shù)并完成中試驗證；課題6重點認識煤分級轉(zhuǎn)化殘焦的組成結(jié)構(gòu)，揭示殘焦與氧化鈣的高溫反應(yīng)機理，創(chuàng)建低能耗氧熱法電石生產(chǎn)新技術(shù)，揭示中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)液/氣燃料和化學(xué)品過程中“化學(xué)反應(yīng)-傳遞-催化轉(zhuǎn)化”等復(fù)雜過程的耦合行為、反應(yīng)器理論、“能量-效率-碳-污染物”的逐級變化規(guī)律，提出過

26、程強化和CO2/污染物減排策略，形成理論和技術(shù)體系，構(gòu)建高效率、高效益、低排放的新工藝路線?？梢钥闯?，課題設(shè)置在全面貫穿共性基礎(chǔ)理論研究的同時，解決中低階煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和化學(xué)品及殘焦利用過程中的具體問題，形成了理論知識支持技術(shù)研發(fā)的有機體。圖3. 課題之間的關(guān)系圖4. 課題間的有機聯(lián)系及創(chuàng)新性四、年度計劃年度研究內(nèi)容預(yù)期目標第一年1） 實驗設(shè)施的建立和完善，實驗方法的驗證；2） 多種中低階煤的組成結(jié)構(gòu)分析，形貌及光譜特征，表面性質(zhì)與催化劑分散的關(guān)系；3） 煤常溫分級萃取、溫和加氫及熱解等過程特征及產(chǎn)物分析；4） 多種過程的催化劑性能調(diào)控，反應(yīng)過程、反應(yīng)動力學(xué)和機理、灰的組成及熔融行為；

27、5） 液體產(chǎn)物分析和評價方法，油和酚的相平衡，新型萃取劑合成；6） 1t/d規(guī)模氣化爐的數(shù)值模擬，考察爐內(nèi)溫度場、流場和物料分布7） 殘焦組成和性質(zhì)與電石生產(chǎn)反應(yīng)的關(guān)系，電石制備反應(yīng)器的概念設(shè)計及過程分析。1） 完成相關(guān)儀器設(shè)備和反應(yīng)系統(tǒng)的建立、調(diào)試和驗證；建立在分子水平研究煤轉(zhuǎn)化本征動力學(xué)的手段和方法，2） 完成煤樣的選擇，認識所用煤種在多種分級轉(zhuǎn)化過程中的轉(zhuǎn)化行為及產(chǎn)物分析；3） 完成溫和加氫液化催化劑的設(shè)計，揭示催化劑性質(zhì)與活性的關(guān)系；4） 認識催化氣化中單組分催化劑的反應(yīng)動力學(xué)，建立堿金屬鹽與煤灰三相熔融相圖；5） 獲得1t/d規(guī)模氣化爐中流場、溫度場、氣體組分信息；6） 認識電石制備

28、原料物性與反應(yīng)的關(guān)系，建立反應(yīng)器概念設(shè)計模型，完成電石生產(chǎn)新工藝中能量-碳-污染物-CO2的變化分析。第二年1） 多種煤樣的大分子團簇分離和表征；研究分析煤結(jié)構(gòu)的成鍵情況和熱解條件的關(guān)系；2） 萃余煤的變溫?zé)崛芗岸軇┑妮腿⌒袨?，熱溶物和不溶物的分析?） 褐煤加氫催化劑活性的調(diào)控，條件優(yōu)化，反應(yīng)機理和動力學(xué)；4） 酚分離的萃取劑及萃取體系混合物的物理化學(xué)特性和穩(wěn)定性；5） 多段分級熱解過程，輕度加氫和溶劑溶脹對煤結(jié)構(gòu)和熱解行為的影響；6） 催化劑分散性和氣氛對催化熱解的作用，催化劑在熱解中的轉(zhuǎn)化及回收方法，不同條件下灰的熔融行為；7） 殘焦和氧化鈣反應(yīng)生成電石過程中物料的相態(tài)變化及其與轉(zhuǎn)化

29、率和選擇性的關(guān)系，反應(yīng)機理，傳遞參數(shù)；8） 百噸級煤制天然氣的反應(yīng)器模擬；煤熱解制油過程分析。1） 得到多種煤樣的大分子團簇，進行同步輻射-分子束質(zhì)譜以及動力學(xué)分析實驗，認識煤結(jié)構(gòu)在熱解過程中的變化規(guī)律；2） 揭示萃余煤的熱溶規(guī)律，了解熱溶物和不溶物的組成結(jié)構(gòu)信息，認識不溶物的轉(zhuǎn)化行為；3） 確定褐煤加氫液化新催化劑的制備工藝和條件，揭示反應(yīng)機理；掌握酚萃取劑配方、構(gòu)建離子液體與油/酚物理性質(zhì)預(yù)測模型；4） 揭示多段熱解、煤預(yù)處理、催化劑等對油氣產(chǎn)率和品質(zhì)的影響規(guī)律；認識多段反應(yīng)間的相互影響、催化劑的變遷與回收條件，完成鉀鹽與煤灰熔融特性研究；認識多級流化床中的流場分布，提出和驗證流化床放大理

30、論；5） 認識電石制備過程中物料的相態(tài)變化規(guī)律、副反應(yīng)發(fā)生的條件和控制方法，提出反應(yīng)機理；獲取一種反應(yīng)器中的傳遞參數(shù)，完成熱解與電石生產(chǎn)耦合工藝的能量-碳-污染物變遷的分析；6） 前兩年發(fā)表學(xué)術(shù)刊物論文45-60篇，申請/授權(quán)發(fā)明專利11-13件，培養(yǎng)研究生12-16名。第三年1） 煤及熱解中間產(chǎn)物在不同條件下反應(yīng)的原位定量分析，自由基、中間體與反應(yīng)產(chǎn)物的形成規(guī)律，煤中C-N和C-O鍵熱解機理的量子化學(xué)計算；2） 煤熱萃取不溶物的催化加氫裂解和溫和氧化解聚行為；3） 連續(xù)裝置中褐煤的溫和加氫液化及催化劑的評價；芳烴萃取劑的篩選、萃取相平衡；連續(xù)化酚萃取分離、粗酚萃取溶劑回收及過程熱效應(yīng)研究；4

31、） 煤熱解產(chǎn)物的二次催化裂解及催化劑對熱解產(chǎn)物分布的影響；催化反應(yīng)動力學(xué)研究及催化劑回收方法； 5） 1 t/d規(guī)模的熱態(tài)實驗平臺上考察多組分催化劑對灰熔融行為的影響；工業(yè)示范流化床的結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)優(yōu)化； 6） 設(shè)計建設(shè)新型熱解中試實驗裝置，進行調(diào)試。7） 氧熱條件下電石制備過程中的傳遞、相變和反應(yīng)的復(fù)雜耦合關(guān)系及灰分的作用、多相反應(yīng)機理及反應(yīng)過程強化、傳遞性能及傳遞參數(shù)，中試反應(yīng)器結(jié)構(gòu)評價；8） 煤熱溶解聚過程的流程模擬及聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的分析與評價。1） 認識煤熱轉(zhuǎn)化自由基及過渡態(tài)產(chǎn)物的形成規(guī)律和反應(yīng)機制，揭示煤熱解機理及產(chǎn)物的形成機制及C-N和C-O鍵解離與熱解行為的關(guān)系；2） 揭示不溶物催化加

32、氫裂解和溫和氧化解聚影響的規(guī)律，了解加氫裂解和氧化解聚產(chǎn)物的組成結(jié)構(gòu)信息，優(yōu)化反應(yīng)過程；3） 獲得連續(xù)化褐煤溫和加氫的工藝參數(shù)和物料平衡數(shù)據(jù)，揭示液液芳烴萃取相平衡規(guī)律和傳質(zhì)動力學(xué)特性，優(yōu)化萃取劑分離回收條件，構(gòu)建傳質(zhì)模型；4） 獲得煤預(yù)處理和過程條件對煤熱解產(chǎn)物分布的影響規(guī)律，完成煤處理量700 t/a中試實驗裝置的建設(shè)和調(diào)試工作；5） 揭示催化劑組分之間的協(xié)同作用機理，完成灰熔融特性研究，優(yōu)化流化床結(jié)構(gòu)與操作參數(shù)；6） 認識電石生產(chǎn)多相反應(yīng)過程中的傳遞規(guī)律及灰分的作用，提出強化傳遞和反應(yīng)的方法，認識中試反應(yīng)器的構(gòu)效關(guān)系，完成熱溶解聚過程聯(lián)合電石新工藝的能量-碳-污染物變遷的分析。第四年1）

33、 煤及熱解中間產(chǎn)物在不同條件下反應(yīng)的原位定量分析，研究煤中其它弱鍵的熱解機理；2） 各種萃取產(chǎn)物的制備色譜分離及純化產(chǎn)物的組成結(jié)構(gòu)分析；3） 連續(xù)化芳烴萃取分離，超臨界CO2萃取，粗酚精制分離工藝及芳烴精制分離工藝；4） 繼續(xù)進行煤預(yù)處理對熱解行為的影響研究，考察700 t/a中試反應(yīng)器中流動、傳遞、反應(yīng)條件對熱解產(chǎn)物分布的影響；5） 催化劑回收工藝及回收催化劑的活性評價，流化床流場對灰熔融的影響，灰熔融機理，工業(yè)流化床的數(shù)值模擬，甲烷/焦油聯(lián)產(chǎn)過程中能量-效率-碳的逐級變化規(guī)律；6） 電石制備中傳遞、相變和反應(yīng)的復(fù)雜耦合關(guān)系調(diào)控，多相反應(yīng)機理及反應(yīng)過程強化，模擬及600 t/a規(guī)模反應(yīng)器的結(jié)

34、構(gòu)分析和運行評價，褐煤溫和加氫新工藝流程模擬系統(tǒng)的建立及聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的分析與評價。1） 推測煤熱轉(zhuǎn)化的動力學(xué)模型，認識煤中弱共價鍵在熱場中的解離與自由基產(chǎn)生行為的關(guān)系，獲得煤的熱解機理及產(chǎn)物的形成機制；2） 確定萃取所得純化合物的結(jié)構(gòu)和所得單晶的空間結(jié)構(gòu)；3） 確定芳烴萃取分離的工藝條件，構(gòu)建萃取體系芳烴溶解的傳質(zhì)模型，確認CO2超臨界萃取分離離子液體和粗酚技術(shù)的可行性；4） 闡明煤預(yù)處理及熱解反應(yīng)調(diào)控對產(chǎn)物分布的影響規(guī)律，獲得提高輕質(zhì)油氣產(chǎn)率和品質(zhì)的最佳條件，獲得700 t/a的熱解中試實驗數(shù)據(jù)；5） 確定煤中主要陰離子對反應(yīng)的影響，設(shè)計合理的催化劑回收工藝及設(shè)備方案，確定堿金屬鹽與煤灰的熔融機

35、理，初步完成中低階煤催化氣化制甲烷/油技術(shù)經(jīng)濟分析；6） 揭示電石制備多相反應(yīng)體系中傳遞、相變和反應(yīng)的耦合規(guī)律，確定反應(yīng)機理和過程強化方法，認識中試反應(yīng)器的運行特征，提出反應(yīng)器構(gòu)型優(yōu)化和運行條件優(yōu)化方案；完成褐煤溫和加氫新工藝聯(lián)合電石新工藝的能量-碳-污染物變遷的分析。第五年1） 構(gòu)建煤的集總化學(xué)結(jié)構(gòu)模型；繼續(xù)深入研究熱解行為與產(chǎn)物分布的關(guān)系；2） 測定各級熱溶物的性質(zhì)，繼續(xù)進行熱溶過程調(diào)控研究；3） 粗酚精制分離及芳烴精制分離工藝優(yōu)化；4） 繼續(xù)進行流化床放大理論研究；5） 中試規(guī)模（600 t/a）的電石工藝驗證和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的流程模擬及全系統(tǒng)分析與評價；6） 研究工作進行全面

36、總結(jié)，進行試驗數(shù)據(jù)的補充和驗證工作。1） 獲得煤的集總化學(xué)結(jié)構(gòu)模型，認識自由基反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，提出煤熱溶調(diào)控優(yōu)化條件和弱共價鍵的反應(yīng)機理；2） 確定粗酚及芳烴精制分離工藝，形成褐煤加氫聯(lián)產(chǎn)酚/芳烴/油的工藝技術(shù)；3） 形成煤熱解定向轉(zhuǎn)化的過程調(diào)控手段，完成700 t/a中試驗證；4） 建立流化床放大理論；5） 確立電石制備反應(yīng)器構(gòu)型及工業(yè)反應(yīng)器設(shè)計方案，完成聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量-碳-污染物變遷的分析。6） 五年發(fā)表學(xué)術(shù)刊物論文200篇以上，形成國家發(fā)明專利25項，出版專著2部，培養(yǎng)博士生30名、碩士生50名，力爭獲得國家級獎勵1項；培養(yǎng)3名國家級中青年人才。一、研究內(nèi)容前面分析表明，煤分級轉(zhuǎn)化聯(lián)產(chǎn)低碳燃料和

37、化學(xué)品路線充分利用了中低階煤的結(jié)構(gòu)特征，以低的投入和能耗實現(xiàn)高的效率和效益。國內(nèi)外在中低階煤的優(yōu)化轉(zhuǎn)化方面雖然已有較好積累，但對分子水平上的結(jié)構(gòu)特征和核心化學(xué)反應(yīng)規(guī)律的認識還處于統(tǒng)觀和模糊的水平，對傳遞和反應(yīng)工程及過程調(diào)控原理的認識還處于經(jīng)驗層面，對復(fù)雜產(chǎn)物的組成特征還了解不夠，因而過去的工藝大都止步于粗放開發(fā)，產(chǎn)品附加值不高。鑒于此，本項目將在分子水平研究中低階煤的優(yōu)化利用，重點解決如下關(guān)鍵科學(xué)問題（以下中低階煤簡稱為煤）：l 煤中弱鍵合結(jié)構(gòu)的認識及其與分級轉(zhuǎn)化反應(yīng)性和產(chǎn)物組成的關(guān)系；l 煤分級轉(zhuǎn)化復(fù)雜反應(yīng)體系中的傳遞行為、反應(yīng)工程及過程調(diào)控原理；l 煤分級轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的物化性質(zhì)認識及分離和轉(zhuǎn)化

38、原理。下面詳細分述這些科學(xué)問題的內(nèi)涵及主要研究內(nèi)容。2.1煤弱鍵合結(jié)構(gòu)的認識和集總描述從分子水平上深入認識煤的結(jié)構(gòu)特征及熱轉(zhuǎn)化本質(zhì)是煤分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)突破的理論源泉。已有的煤結(jié)構(gòu)探索均是基于終態(tài)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的光譜分析或取樣分析進行的宏觀推測，對轉(zhuǎn)化過程的中間體、連續(xù)反應(yīng)、關(guān)鍵控制因素不能進行科學(xué)準確的探測。因此，必須發(fā)展在分子水平上研究煤組成結(jié)構(gòu)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化本征動力學(xué)表征手段和理論分析方法。由于煤在分子水平上的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，首先認識與煤分級轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)的非共價鍵和弱共價鍵的特征、解離行為及解離產(chǎn)物的連續(xù)反應(yīng)性就變得至關(guān)重要。針對國內(nèi)外在此方面研究手段有限、認識不足的現(xiàn)況，本項目將在新思路的指導(dǎo)下采用全新的物理化學(xué)分析方法和先進分析儀器并輔之以量子化學(xué)計算進行煤中“非共價鍵及其解離”和“弱共價鍵及其解離”這兩個方面的研究，全面解析煤在溫和條件下分級轉(zhuǎn)化的“構(gòu)-效關(guān)系”，主要研究內(nèi)容包括：l 煤溫和多級萃取及萃取產(chǎn)物的分離與表征，煤中大分子團簇間的締合特征和骨架結(jié)構(gòu)，煤熱溶-解聚過程調(diào)控理論;l 建立檢測和原位鑒別煤中大分子團簇、熱解自由基和過渡態(tài)的同步輻射真空紫外單光子電離分子束質(zhì)譜技術(shù)和理論分析方法，研究不同煤種在不同熱解條件下自由基和反應(yīng)產(chǎn)物的形成規(guī)律與作用機制及本征動力學(xué)，考察硫