【基金标书】2011CB201300-中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的基础研究

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： 托部门： 教育部 二、预期目标 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将 污染物 和 放 量降低 10 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。 年预期目标 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； 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； 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； 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 催化转化 ” 等复杂 过程的耦合行为 、反应器理论、“能量 碳 逐级变化规律，提出过程强化和 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； 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。 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 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 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 。 术途径 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 ； 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 ； 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 ； 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； 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； 在高温热天平和小型反应器中 研究 残焦 和 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。 图 2. 技术路线简图 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 ： 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 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 /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 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 ； 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 催化转化 ” 等复杂过程的耦合行为 、反应器理论、“能量 碳 逐级变化规律，提出过程强化和染物减排策略 ； 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： 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； 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； 提出降低 能耗 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。 得重大突破的可行性分析 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。 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 工艺 一体化研发提供了强有力保障。 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 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，培养国家级中青年人才 1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 ： 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 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 ： 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 碳 (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 ： 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 碳 (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降低水耗 20减少 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 ： 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 热量 耦合模型 ；分析 能量 碳 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，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 ： 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 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 碳 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 碳 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 碳 变化规律。 预期目标： (1) 揭示残 焦 与 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 ： 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 催化转化 ” 等复杂过程的耦合行为 、反应器理论、“能量 碳 逐级变化规律，提出过程强化和 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污染物 年度 研究内容 预期目标 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 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 污染物 变迁 的 分析； 6） 前两年发表学术刊物论文 45请 /授权发明专利 11，培养研究生 12 。 年度 研究内容 预期目标 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 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 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/ 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 污染物 变迁 的 分析。 年度 研究内容 预期目标 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 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 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 污染物变迁的分析。 年度 研究内容 预期目标 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/ 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 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） ： 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； 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； 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。 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 主要研究内容包括： 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 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