国家重点基础研究发展计划(973计划)项目申报书-中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的基础研究_第1页
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项目名称:中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的基础研究首席科学家:刘振宇 北京化工大学起止年限:2011.1至2015.8依托部门:教育部二、预期目标3.1 总体目标从分子水平上揭示中低阶煤的弱键合结构及分级转化的科学规律,深入认识“三传一反”工程科学原理,形成若干高效洁净低成本的中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品的新技术和集成系统,将煤综合利用效率和效益提高10-30%,将污染物和CO2的排放量降低10-20%;推动中低阶煤高效、洁净、低碳化利用科学和技术的发展,缓解我国油气进口压力;形成国际一流的煤转化基础研发团队和基地,使我国在煤转化科学和技术方面居世界领先地位。其前面对煤结构和本征反应的研究,本项目还3.2 五年预期目标l 从分子水平上认识中低阶煤中非共价键和弱共价键的结构特征,构建其集总化学结构模型;l 形成中低阶煤分级转化本征反应的表征手段和理论分析方法,揭示非共价键和弱共价键在热场中的解离原理和自由基形成规律,认识自由基反应网络结构;l 发展中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品的过程调控原理和方法,认识高效催化剂制备原理和复杂液体产物分离原理,在褐煤热溶与加氢联产油和化学品方面形成新技术,在褐/烟煤热解和催化转化联产油/气方面形成新技术并完成中试验证;l 认识煤分级转化残焦的组成结构,揭示残焦与氧化钙的高温反应机理,创建低能耗氧热法电石生产新技术,完成中试验证;l 揭示中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品过程中“化学反应-传递-催化转化”等复杂过程的耦合行为、反应器理论、“能量-效率-碳-污染物”的逐级变化规律,提出过程强化和CO2/污染物减排策略,形成理论和技术体系,构建高效率、高效益、低排放的新工艺路线;l 发表学术刊物论文200篇以上,形成国家发明专利25项,出版专著2部,培养博士生30名、硕士生50名,力争获得国家级奖励1项。l 经过5 年的研究实践,培养和造就3名国家级中青年人才,形成国内外知名的技术创新群体和国际一流的煤转化基础研发基地。三、研究方案4.1 学术思路本项目针对国家对煤高效洁净利用及低碳液/气燃料和化学品生产的重大需求,以及国内外对煤结构认识的统观性,以“煤弱键合结构认识-分级转化过程调控-产物分离与转化”为主线,着力解决与中低阶煤分级转化密切相关的关键科学问题,指导具有重大应用背景的中低阶煤分级转化工艺研发和中试验证。首先建立从分子水平上认识煤结构的新方法,揭示中低阶煤中非共价键和弱共价键等弱键合结构的分布特征;其次,基于煤中不同弱键合结构的稳定性差异,研究其在不同条件下(温度、气氛、催化剂)的转化规律及和解离中间产物(自由基)的形成规律及反应机制;进而发展中低阶煤分级定向转化联产低碳液/气燃料和化学品的过程调控原理和催化机理、油/酚高效绿色分离原理和低能耗残焦制备电石新技术原理,形成若干中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品的新技术和集成工艺。4.2 技术途径l 利用常温/热溶解聚方法得到中低阶煤的大分子团簇混合物,经柱层析、制备色谱分离和重结晶等方法分离纯化后,通过核磁共振和单晶X射线衍射等方法确定大分子团簇的分子结构;l 采用同步辐射真空紫外单光子电离分子束质谱技术,原位诊断不同热转化条件下自由基的形成规律和产物特征,结合量子化学计算,形成中低阶煤中弱键合结构的集总描述;l 采用高压釜和连续试验装置研究褐煤选择性催化转化的机理、关键步骤和催化剂设计原则;利用相平衡测定仪研究包括有机碱和离子液体在内的新型萃取剂与液体产物的相平衡特征和传质规律,实现油和芳烃/酚的高效绿色分离;采用精馏或萃取精馏方法实现芳烃和粗酚的精制;l 采用多种反应器考察煤预处理方法、催化剂、热解条件、反应器结构对产物组成的影响,以自由基反应调控规律为指导,形成中低阶煤分级转化的过程调控理论和方法;l 通过反应机理和动力学研究及过程数学模拟支撑反应器研发;通过催化剂形态变化及其与灰分的相互作用研究,形成催化剂分离和回用方法;l 在高温热天平和小型反应器中研究残焦和CaO的反应机理,提出过程强化的有效方法;通过数值模拟和实验研究的结合,构建低能耗电石生产新反应器和反应系统。技术途径简要汇总于图2。中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品从分子水平上认识煤结构组成认识过程调控原理催化机理 CO2/污染物减排特征产物分离与转化非共价键大分子团簇缔合特征弱共价键的结构特征和解离规律原位检测动力学分析褐煤温和加氢联产油/芳烃/酚液体产物分离精制残焦反应联产电石/CO热溶解聚多级萃取纯化表征催化剂反应规律中低阶煤热解联产油/气煤预处理催化剂反应规律反应器中低阶煤催化热解制甲烷/油催化剂反应规律反应器反应原理冷态模拟反应器分析表征萃取精馏传质相平衡量子化学计算弱键合结构集总描述百吨级中试验证过程耦合评价图2. 技术路线简图4.3 创新与特色本项目从新的视野研究煤分级转化过程,即从分子水平上认识中低阶煤中弱键合结构特征及其与反应性的关系,揭示过程调控原理,在研究思路、研究手段以及中低阶煤转化技术等方面均有重要创新。科学层面:l 在现代物理和化学分析方法的基础上,通过逐级溶解、同步辐射真空紫外单光子电离与分子束质谱耦合、红外等原位反应技术及量子化学计算等方法,认识中低阶煤中大分子团簇非共价键缔合和弱共价键键合特征及热转化过程中自由基的形成和反应网络,构建集总化学结构模型,揭示本征反应动力学规律;l 以煤中弱键合结构认识为指导,揭示中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品过程中“化学反应-传递-催化转化”等复杂过程的耦合行为、反应器理论、“能量-效率-碳-污染物”的逐级变化规律,提出过程强化和CO2/污染物减排策略;l 认识复杂液体产物的物化特征及新型萃取分离体系的相平衡和传质规律;揭示残焦制备电石的过程强化原理和新反应器构型原理。技术层面:l 建立煤非共价键温和解离、产物分离与表征、煤结构反演的方法;采用同步辐射真空紫外单光子电离与分子束质谱的耦合等技术,建立定性与定量诊断煤热解自由基及产物的分子水平研究方法,突破煤结构和反应性研究的技术瓶颈;l 形成中低阶煤在不同温度场中解离和转化联产油/芳烃/酚、油/甲烷、低能耗电石生产等创新工艺及高效催化剂、萃取分离和高效反应器等新技术;l 提出降低能耗-物耗和CO2/污染物排放的方法,支撑中低阶煤分级转化联产生产油/气、甲烷/油以及残焦制电石等新工艺的中试研发,形成自主知识产权的先进技术。4.4 取得重大突破的可行性分析l 联合申报本项目的11家单位分别在煤炭能源、化学工程、物理化学等领域居全国一流水平,拥有7个国家重点实验室、2个教育部重点实验室和1个省级重点实验室,具有扎实的理论基础和丰富的工程经验,能够清晰地认识煤分级转化的关键科学问题和共性基础问题,完全具备承担本项目的能力。研究方案可靠,学术思路明确,技术路线可行。l 研究团队已经建成了一批较为系统的实验装置,拥有多种先进的大型分析测试仪器,形成了国内外一流的基础研究平台,掌握了行之有效的研究方法。煤炭科学研究总院、中科院过程所、中科院山西煤化所和新奥集团的国家重点实验室已建有小试和中试研发平台,北京化工大学正与企业合作建设电石生产新工艺的中试研发平台,为“基础-应用基础-工艺-工程”一体化研发提供了强有力保障。4.5 课题设置针对中低阶煤分级转化多联产过程的共性基础问题和若干特定工艺中化学反应和传递过程耦合的关键科学问题,本项目设置6个课题进行研究,其中:课题1. 中低阶煤中弱共价键和热解自由基的表征及反应原理研究内容: (1) 煤热解自由基的表征及本征动力学研究研究不同煤种在热化学转化过程中自由基、中间产物和反应产物的形成规律与作用机制,考察煤在不同加热条件下的解离和自由基产生行为(种类和量);建立煤组成结构的热化学转化本征动力学的研究手段和理论分析方法;研究褐煤温和加氢热解条件下自由基、中间体与反应产物的形成规律,认识该过程中液态产物的形成过程与基本规律。(2) 煤弱共价键结构认识及其与自由基形成的关系运用IR、NMR和化学分析等手段,结合同步辐射真空电离分子束质谱诊断以及量子化学计算,选择多种煤结构相关的模型化合物,探讨煤中非共价键和弱共价键的结合特性以及煤在热解过程中可能的解离方式及产物的形成机制;结合研究内容(1)获取的实验结果,认识煤弱共价键结构与自由基形成的关系。(3) 煤集总化学结构模型的构建结合同步辐射真空紫外电离诊断,运用量子化学计算,推测煤在热化学转化过程中的解离行为并构建煤的化学结构模型。预期目标:(1) 采用同步辐射真空紫外单光子电离与分子束质谱技术,发展在分子水平上研究煤组成结构的热化学转化本征动力学表征手段和理论分析方法;(2) 阐明煤在热转化过程中的自由基、过渡态形成规律和反应机制;认识煤在热场中的解离与自由基产生行为(种类和量)的关系;(3) 构建煤的集总化学结构模型、自由基反应与反应过程网络,为实现煤定向和选择性转化以及转化过程和产物的多元化提供理论支持;(4) 发表论文38篇,形成国家发明专利2-3项,培养国家级中青年人才1-2名,培养博士生5名、硕士生10名。承担单位:大连理工大学,中国科学院大连化学物理研究所课题负责人:胡浩权课题参加人员:唐紫超、李钢、樊红军、熊光经费比例:16.5%课题2. 中低阶煤中大分子团簇的缔合特征及热溶解聚过程调控研究内容:(1) 煤中可溶性大分子团簇中芳环、桥键和侧链类型考察煤在不同溶剂中的常温萃取行为,筛选出有效分离煤中常温可溶成分的溶剂和方法;考察温度、二元有机溶剂种类对煤热溶行为的影响;研究常温可溶成分和热溶不同馏分的结构特征。(2) 煤中可溶性大分子团簇与难溶大分子网络骨架的缔合特征研究煤温和催化加氢后的热溶行为,以期选择性地解聚煤中难溶大分子为 可溶成分;研究煤温和催化氧化后的热溶行为;表征煤经不同预处理后的可溶成分的结构特征和难溶大分子网络的骨架结构。(3) 煤中可溶性大分子团簇的热溶解聚过程调控在上述研究基础上,揭示在不同温度下煤热溶-解聚过程中环烷和芳烃等可溶性成分的析出规律,为调控煤的热溶解聚过程提供理论依据。预期目标: (1) 从分子水平上揭示代表性烟煤和褐煤中典型的可溶性大分子团簇的缔合特征及其在不同温度下热溶过程中的析出规律,为通过热溶法有效分离煤中有机质为低碳成分和富碳成分提供理论依据和技术支撑;(2) 发表国内外刊物论文37篇,申请国家发明专利3件,出版专著1部,培养1名青年教师入选教育部新世纪人才计划或获得国家杰出青年科学基金,培养博士生6名、硕士生12名,力争1项成果获得国家级奖励。承担单位:中国矿业大学,安徽工业大学课题负责人:魏贤勇课题参加人员:倪中海、韩相恩、水恒福、王知彩经费比例:16.5%课题3. 褐煤温和加氢机理及产物油和芳烃/酚的分离精制研究内容:(1) 褐煤温和加氢催化剂的制备及催化机理研究提高高分散铁系催化剂的表面酸性的方法;认识催化剂表面酸性与液体产物产率和组成间的关系;结合自由基形成规律和产物特征,揭示催化反应机理和反应动力学。(2) 褐煤温和加氢的过程调控考察工艺条件(包括温度、压力、时间、催化剂等)对产物油组成及芳烃和酚含量的影响规律及过程调控原理;通过0.1 t/d规模的连续实验,形成褐煤加氢转化过程的调控方法;分析能量-效率-碳-污染物的变化规律。 (3) 褐煤加氢液体产物(油/芳烃/酚)的分离基础通过馏分切割考察芳烃/酚在产物粗油中的类型和分布特征,研究二者在不同萃取剂中的相平衡规律,研发高效绿色萃取剂;考察萃取剂/油比、萃取温度、萃取级数等对芳烃和酚类化合物收率的影响,研究萃取过程的传质动力学,甄别控制步骤,形成萃取过程强化机制,提高萃取速率和分离效率。(4) 芳烃和粗酚的分离和精制研究芳烃和粗酚的组成特征,研究精馏及萃取精馏等方法,构建芳烃和酚类化合物精制新技术。预期目标:(1) 阐明褐煤温和加氢热解机理,建立催化反应动力学模型,掌握新型高效催化剂制备原理,形成褐煤缓和加氢联产化学品的新工艺;(2) 形成芳烃/酚液液萃取分离理论和清洁高效分离工艺,获得45种工业纯芳烃和酚类化合物;(3) 构建褐煤温和加氢联产油/芳烃/酚新工艺,与单产油工艺相比经济效益提高30%;(4) 发表学术刊物论文25 篇,申请国家发明专利23 项,培养博士生3 名、硕士生8 名。承担单位:煤炭科学研究总院,太原理工大学课题负责人:李文博课题参加人员:冯杰、张晓静、毛学锋、王勇经费比例:16.5%课题4. 中低阶煤热解自由基反应调控与油气品质的关系研究内容:(1) 预处理对煤结构及热解产物组成的影响考察不同预处理方法(如水热蒸汽、轻度加氢、溶剂溶胀和负载催化剂等)对煤物理性质和化学结构的影响、对热解自由基生成速率和油气产物组成的影响,建立提高轻质油气产率的新方法。(2) 煤热解定向转化的过程调控 根据热场中煤自由基的形成规律,考察加热介质(气/固热载体、外场)、反应气氛(氢气、水蒸汽、热解气)、催化剂和压力等对热解产物产率和组成的影响;研究反应器中气固两相流动和传递行为对热解产物分布的影响;根据已获取的煤热解优化条件,构建反应器结构,实现热解反应器中的流动、传热、传质和反应速率的匹配调控;分析能量-效率-碳-污染物的变化规律。(3) 煤定向热解转化制备油气产品新过程与模试验证构建实现中低阶煤定向热解转化制备轻质油气的新工艺,支撑700 t/a的热解中试研发。预期目标: (1) 揭示煤预处理影响热解产物性质的本质,掌握有效的预处理方法;掌握煤热解反应中的过程调控原理,形成调控方法,实现提高油气品质和产率、抑制重质组分生成的定向热解转化目标;完成煤处理量700 t/a的热解装置的中试验证;与传统技术路线相比提高能效10-20%,降低水耗20-30%,减少CO2排放0.3-0.9吨/吨煤;(2) 发表国内外刊物论文40篇,申请国家发明专利5项,撰写中文专著1本,培养国家级中青年煤化工专家1名,培养博士生10名、硕士生10名。承担单位:中国科学院过程工程研究所,华东理工大学课题负责人:高士秋课题参加人员:许光文、张德祥、田亚峻、潘铁英经费比例:16.5%课题5. 中低阶煤催化转化制甲烷和油的反应过程原理及调控研究内容:(1) 煤与催化剂的相互作用机理及催化剂回收原理研究催化剂与煤表面的相互作用、煤低温氧化或热浸渍等预处理方法的影响;认识多组分催化剂的协同作用机理及其对煤中硫、氮化合物变迁规律的影响;考察不同状态下催化剂的形态及失活和损失机理,研究催化剂回收方法。(2) 流化床中流场与催化反应及灰熔融行为的关系考察流化床中温度、气速、反应气氛、碳转化率对颗粒流化及灰熔融行为的影响。(3) 催化转化过程及反应器的数学模拟建立本征反应动力学和宏观反应动力学模型,揭示反应和流动对转化率和选择性的影响规律;研究系统中流动和传递规律,建立质量-动量-热量-催化反应的耦合模型;分析能量-效率-碳-污染物的逐级变化规律。预期目标: (1) 揭示决定催化剂性能的关键因素及催化剂的协同作用机理,指导催化剂的设计;阐明流场与催化转化、催化剂与灰熔融间的关系,揭示催化剂失活和损失的机理,掌握催化剂回收的有效方法;形成煤反应模型,指导反应器放大和优化;达到甲烷收率30%、油收率10%,与气化合成路线相比热效率提高10%;(2) 发表国内外刊物论文25篇,申请国家发明专利6-8项,培养博士生4名、硕士生6名。承担单位:新奥科技发展有限公司、中国科学院山西煤炭化学研究所课题负责人:张红梅课题参加人员:毕继诚、李金来、张荣、李克忠经费比例:16.5%课题6. 煤转化残焦制备电石的低能耗新技术原理研究内容:(1) 煤分级转化残焦的物理化学性质及其与CaO的高温反应原理研究各种分级转化残焦的组成和性质,考察其对电石生成温度和产率的影响、反应温度和气氛对电石产率和反应速率的影响;考察氧热条件下传递、相变和反应的复杂耦合关系及灰分的作用,认识多相反应机理;提出反应过程强化的有效方法。(2) 创建新工艺和新反应器构型构建低能耗电石生产新工艺,分析能量-效率-碳-污染物的变化规律及CO生成和CO2减排特征;通过实验研究和计算机模拟,考察反应器构型和操作参数与物料流动和混合特性的关系,提出高效反应器设计概念。在中试装置(600 t/a)上进行试验评价,优化反应器设计和工艺系统。(3) 分级转化系统中“能量-效率-碳-污染物”变化规律分析与评价基于本项目其它课题的进展,构建中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品系统,分析评价各个系统中“能量-效率-碳-污染物”的变化规律。预期目标: (1) 揭示残焦与CaO的高温反应机理,提出过程强化的有效方法;认识反应器中复杂反应和传递过程的耦合特征,形成电石生产新工艺和新型反应器,支撑中试验证;与传统电弧法相比,提高热效率30%;(2) 发表国内外刊物论文35篇,申请和授权发明专利4项,培养博士生5名、硕士生10名。承担单位:北京化工大学课题负责人:刘振宇课题参加人员:吴卫泽、郑丹星、刘清雅、刘辉经费比例:17.5%4.6 课题间的关系课题以及课题之间的关系如图3和4所示。其中课题1和2(部分)属于共性基础问题研究,重点从分子水平上认识中低阶煤中非共价键和弱共价键的结构特征,构建其集总化学结构模型,形成中低阶煤分级转化本征反应的表征手段和理论分析方法,揭示非共价键和弱共价键在热场中的解离原理和自由基形成规律,认识自由基反应网络结构;课题2-5重点研究不同温度下中低阶煤中弱键合结构的变化及其与低碳组分提取过程中的核心化学反应的关系,认识传递过程的影响,发展中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品的过程调控原理和方法,认识高效催化剂制备和复杂液体产物分离原理,在褐煤热溶与加氢联产油和化学品方面形成新技术,在褐/烟煤热解和催化转化联产油/气方面形成新技术并完成中试验证;课题6重点认识煤分级转化残焦的组成结构,揭示残焦与氧化钙的高温反应机理,创建低能耗氧热法电石生产新技术,揭示中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品过程中“化学反应-传递-催化转化”等复杂过程的耦合行为、反应器理论、“能量-效率-碳-污染物”的逐级变化规律,提出过程强化和CO2/污染物减排策略,形成理论和技术体系,构建高效率、高效益、低排放的新工艺路线。可以看出,课题设置在全面贯穿共性基础理论研究的同时,解决中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品及残焦利用过程中的具体问题,形成了理论知识支持技术研发的有机体。图3. 课题之间的关系图4. 课题间的有机联系及创新性四、年度计划年度研究内容预期目标第一年1) 实验设施的建立和完善,实验方法的验证;2) 多种中低阶煤的组成结构分析,形貌及光谱特征,表面性质与催化剂分散的关系;3) 煤常温分级萃取、温和加氢及热解等过程特征及产物分析;4) 多种过程的催化剂性能调控,反应过程、反应动力学和机理、灰的组成及熔融行为;5) 液体产物分析和评价方法,油和酚的相平衡,新型萃取剂合成;6) 1t/d规模气化炉的数值模拟,考察炉内温度场、流场和物料分布7) 残焦组成和性质与电石生产反应的关系,电石制备反应器的概念设计及过程分析。1) 完成相关仪器设备和反应系统的建立、调试和验证;建立在分子水平研究煤转化本征动力学的手段和方法,2) 完成煤样的选择,认识所用煤种在多种分级转化过程中的转化行为及产物分析;3) 完成温和加氢液化催化剂的设计,揭示催化剂性质与活性的关系;4) 认识催化气化中单组分催化剂的反应动力学,建立碱金属盐与煤灰三相熔融相图;5) 获得1t/d规模气化炉中流场、温度场、气体组分信息;6) 认识电石制备原料物性与反应的关系,建立反应器概念设计模型,完成电石生产新工艺中能量-碳-污染物-CO2的变化分析。第二年1) 多种煤样的大分子团簇分离和表征;研究分析煤结构的成键情况和热解条件的关系;2) 萃余煤的变温热溶及二元溶剂的萃取行为,热溶物和不溶物的分析;3) 褐煤加氢催化剂活性的调控,条件优化,反应机理和动力学;4) 酚分离的萃取剂及萃取体系混合物的物理化学特性和稳定性;5) 多段分级热解过程,轻度加氢和溶剂溶胀对煤结构和热解行为的影响;6) 催化剂分散性和气氛对催化热解的作用,催化剂在热解中的转化及回收方法,不同条件下灰的熔融行为;7) 残焦和氧化钙反应生成电石过程中物料的相态变化及其与转化率和选择性的关系,反应机理,传递参数;8) 百吨级煤制天然气的反应器模拟;煤热解制油过程分析。1) 得到多种煤样的大分子团簇,进行同步辐射-分子束质谱以及动力学分析实验,认识煤结构在热解过程中的变化规律;2) 揭示萃余煤的热溶规律,了解热溶物和不溶物的组成结构信息,认识不溶物的转化行为;3) 确定褐煤加氢液化新催化剂的制备工艺和条件,揭示反应机理;掌握酚萃取剂配方、构建离子液体与油/酚物理性质预测模型;4) 揭示多段热解、煤预处理、催化剂等对油气产率和品质的影响规律;认识多段反应间的相互影响、催化剂的变迁与回收条件,完成钾盐与煤灰熔融特性研究;认识多级流化床中的流场分布,提出和验证流化床放大理论;5) 认识电石制备过程中物料的相态变化规律、副反应发生的条件和控制方法,提出反应机理;获取一种反应器中的传递参数,完成热解与电石生产耦合工艺的能量-碳-污染物变迁的分析;6) 前两年发表学术刊物论文45-60篇,申请/授权发明专利11-13件,培养研究生12-16名。第三年1) 煤及热解中间产物在不同条件下反应的原位定量分析,自由基、中间体与反应产物的形成规律,煤中C-N和C-O键热解机理的量子化学计算;2) 煤热萃取不溶物的催化加氢裂解和温和氧化解聚行为;3) 连续装置中褐煤的温和加氢液化及催化剂的评价;芳烃萃取剂的筛选、萃取相平衡;连续化酚萃取分离、粗酚萃取溶剂回收及过程热效应研究;4) 煤热解产物的二次催化裂解及催化剂对热解产物分布的影响;催化反应动力学研究及催化剂回收方法; 5) 1 t/d规模的热态实验平台上考察多组分催化剂对灰熔融行为的影响;工业示范流化床的结构与操作参数优化; 6) 设计建设新型热解中试实验装置,进行调试。7) 氧热条件下电石制备过程中的传递、相变和反应的复杂耦合关系及灰分的作用、多相反应机理及反应过程强化、传递性能及传递参数,中试反应器结构评价;8) 煤热溶解聚过程的流程模拟及联产系统的分析与评价。1) 认识煤热转化自由基及过渡态产物的形成规律和反应机制,揭示煤热解机理及产物的形成机制及C-N和C-O键解离与热解行为的关系;2) 揭示不溶物催化加氢裂解和温和氧化解聚影响的规律,了解加氢裂解和氧化解聚产物的组成结构信息,优化反应过程;3) 获得连续化褐煤温和加氢的工艺参数和物料平衡数据,揭示液液芳烃萃取相平衡规律和传质动力学特性,优化萃取剂分离回收条件,构建传质模型;4) 获得煤预处理和过程条件对煤热解产物分布的影响规律,完成煤处理量700 t/a中试实验装置的建设和调试工作;5) 揭示催化剂组分之间的协同作用机理,完成灰熔融特性研究,优化流化床结构与操作参数;6) 认识电石生产多相反应过程中的传递规律及灰分的作用,提出强化传递和反应的方法,认识中试反应器的构效关系,完成热溶解聚过程联合电石新工艺的能量-碳-污染物变迁的分析。第四年1) 煤及热解中间产物在不同条件下反应的原位定量分析,研究煤中其它弱键的热解机理;2) 各种萃取产物的制备色谱分离及纯化产物的组成结构分析;3) 连续化芳烃萃取分离,超临界CO2萃取,粗酚精制分离工艺及芳烃精制分离工艺;4) 继续进行煤预处理对热解行为的影响研究,考察700 t/a中试反应器中流动、传递、反应条件对热解产物分布的影响;5) 催化剂回收工艺及回收催化剂的活性评价,流化床流场对灰熔融的影响,灰熔融机理,工业流化床的数值模拟,甲烷/焦油联产过程中能量-效率-碳的逐级变化规律;6) 电石制备中传递、相变和反应的复杂耦合关系调控,多相反应机理及反应过程强化,模拟及600 t/a规模反应器的结构分析和运行评价,褐煤温和加氢新工艺流程模拟系统的建立及联产系统的分析与评价。1) 推测煤热转化的动力学模型,认识煤中弱共价键在热场中的解离与自由基产生行为的关系,获得煤的热解机理及产物的形成机制;2) 确定萃取所得纯化合物的结构和所得单晶的空间结构;3) 确定芳烃萃取分离的工艺条件,构建萃取体系芳烃溶解的传质模型,确认CO2超临界萃取分离离子液体和粗酚技术的可行性;4) 阐明煤预处理及热解反应调控对产物分布的影响规律,获得提高轻质油气产率和品质的最佳条件,获得700 t/a的热解中试实验数据;5) 确定煤中主要阴离子对反应的影响,设计合理的催化剂回收工艺及设备方案,确定碱金属盐与煤灰的熔融机理,初步完成中低阶煤催化气化制甲烷/油技术经济分析;6) 揭示电石制备多相反应体系中传递、相变和反应的耦合规律,确定反应机理和过程强化方法,认识中试反应器的运行特征,提出反应器构型优化和运行条件优化方案;完成褐煤温和加氢新工艺联合电石新工艺的能量-碳-污染物变迁的分析。第五年1) 构建煤的集总化学结构模型;继续深入研究热解行为与产物分布的关系;2) 测定各级热溶物的性质,继续进行热溶过程调控研究;3) 粗酚精制分离及芳烃精制分离工艺优化;4) 继续进行流化床放大理论研究;5) 中试规模(600 t/a)的电石工艺验证和反应器结构优化,联产系统的流程模拟及全系统分析与评价;6) 研究工作进行全面总结,进行试验数据的补充和验证工作。1) 获得煤的集总化学结构模型,认识自由基反应网络,提出煤热溶调控优化条件和弱共价键的反应机理;2) 确定粗酚及芳烃精制分离工艺,形成褐煤加氢联产酚/芳烃/油的工艺技术;3) 形成煤热解定向转化的过程调控手段,完成700 t/a中试验证;4) 建立流化床放大理论;5) 确立电石制备反应器构型及工业反应器设计方案,完成联产系统能量-碳-污染物变迁的分析。6) 五年发表学术刊物论文200篇以上,形成国家发明专利25项,出版专著2部,培养博士生30名、硕士生50名,力争获得国家级奖励1项;培养3名国家级中青年人才。一、研究内容前面分析表明,煤分级转化联产低碳燃料和化学品路线充分利用了中低阶煤的结构特征,以低的投入和能耗实现高的效率和效益。国内外在中低阶煤的优化转化方面虽然已有较好积累,但对分子水平上的结构特征和核心化学反应规律的认识还处于统观和模糊的水平,对传递和反应工程及过程调控原理的认识还处于经验层面,对复杂产物的组成特征还了解不够,因而过去的工艺大都止步于粗放开发,产品附加值不高。鉴于此,本项目将在分子水平研究中低阶煤的优化利用,重点解决如下关键科学问题(以下中低阶煤简称为煤):l 煤中弱键合结构的认识及其与分级转化反应性和产物组成的关系;l 煤分级转化复杂反应体系中的传递行为、反应工程及过程调控原理;l 煤分级转化产物的物化性质认识及分离和转化原理。下面详细分述这些科学问题的内涵及主要研究内容。2.1煤弱键合结构的认识和集总描述从分子水平上深入认识煤的结构特征及热转化本质是煤分级转化多联产技术突破的理论源泉。已有的煤结构探索均是基于终态转化产物的光谱分析或取样分析进行的宏观推测,对转化过程的中间体、连续反应、关键控制因素不能进行科学准确的探测。因此,必须发展在分子水平上研究煤组成结构的热化学转化本征动力学表征手段和理论分析方法。由于煤在分子水平上的结构非常复杂,首先认识与煤分级转化过程密切相关的非共价键和弱共价键的特征、解离行为及解离产物的连续反应性就变得至关重要。针对国内外在此方面研究手段有限、认识不足的现况,本项目将在新思路的指导下采用全新的物理化学分析方法和先进分析仪器并辅之以量子化学计算进行煤中“非共价键及其解离”和“弱共价键及其解离”这两个方面的研究,全面解析煤在温和条件下分级转化的“构-效关系”,主要研究内容包括:l 煤温和多级萃取及萃取产物的分离与表征,煤中大分子团簇间的缔合特征和骨架结构,煤热溶-解聚过程调控理论;l 建立检测和原位鉴别煤中大分子团簇、热解自由基和过渡态的同步辐射真空紫外单光子电离分子束质谱技术和理论分析方法,研究不同煤种在不同热解条件下自由基和反应产物的形成规律与作用机制及本征动力学,考察硫

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