1、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
2、先地位。3.2 五年预期目标 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
3、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； 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
4、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
5、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 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
6、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 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。图 2. 技术路线简图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
7、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
8、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 -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； 认识复杂液体产物的物化特征及新型萃取分
9、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-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
10、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
11、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
12、、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
13、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
14、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
15、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
16、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
