(整理)cb00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：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。

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

●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

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：

●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