2011年-973项目标书-褐煤洁净高效转化的催化与化学工程基础解析

项目名称：褐煤洁净高效转化的催化与化学工程基

础

首席科学家：王建国中国科学院山西煤炭化学研究

所

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：中国科学院

二、预期目标

总体目标：

通过对褐煤洁净高效转化过程中所涉及的关键科学问题的研究，丰富褐煤优化利用的化学基础理论，开发褐煤分级液化新过程，发展甲醇定向、可控转化为液体燃料和化学品过程中催化剂的设计与制备新方法，并通过上述技术的集成优化，突破褐煤大规模高效利用的技术瓶颈，同时为煤转化过程中产生的CO2的转化利用提供解决方案。

五年预期目标：

(1)在深入系统研究褐煤脱水、部分加氢液化的基础上，通过与间接液化的系

统集成，实现全系统能量的梯级利用，使褐煤转化的整体能效由35%大幅提高到45%，完成年处理10000吨褐煤的分级液化中试；

(2)掌握催化剂的结构效应（尺寸、形貌）和限域效应对反应活性、选择性的

调控规律，形成具有自主知识产权的液相FT合成原创技术；

(3)认识分子筛孔道结构和酸性特征与甲醇转化中间体（烃池物种）结构的关

系，建立甲醇在不同孔道、酸性和形貌的分子筛上反应网络模型，为甲醇定向转化提供理论指导；认识功能化离子液体的构效关系，形成离子液体催化甲醇制备清洁柴油组分新技术，完成万吨级中试；

(4)通过褐煤分级液化过程中产生的甲烷与CO2重整制合成气，形成与煤分级

液化过程配套的专有技术，减少CO2排放，实现高碳资源的低碳化利用；

(5)形成发明专利20件，在国内外核心期刊发表论文300篇，出版专著1–2部，

主办国际会议1–2次；

(6)通过该项目的组织和实施，形成一支在煤洁净高效转化领域的基础研究和

技术研发团队，并培养硕、博士研究生100名。

三、研究方案

1. 总体学术思路

褐煤约占我国煤炭储量的13%（1300亿吨），其特点是水分高（10–50％）、热值低，发电和气化效率低，但煤化程度低，挥发分高，具有较高的加氢活性。要实现对如此庞大褐煤资源的洁净高效利用，必须结合褐煤本身特点提出新的技术路线，同时对全系统进行优化集成提高能量利用效率。基于上述考虑，本项目提出将直接液化和间接液化有机结合，通过多联产和系统强化提高褐煤转化的能量利用效率，如图1所示。

褐煤

L P G 离子液体催化

油调

组分

烃烃油

图1 褐煤洁净高效转化为液体燃料和化学品的总体学术思路 首先将褐煤在较温和条件下部分加氢，得到一部分轻质油品；加氢后的半焦残渣经气化制合成气，可减少褐煤直接干燥所需要的能耗；气化与FT 合成过程中产生的高浓度CO 2和甲烷重整制合成气，进入体系循环利用。合成气既经FT 合成得到液体燃料，也可通过甲醇转化为汽油和高附加值化学品。因此，本项目的另一重心就是研究甲醇定向转化为汽油和不同化学品过程中的一些共性基础

问题，为甲醇产业链延伸提供科学基础。

总之，本项目的学术思想就是利用褐煤独特的物化性质，通过分级转化和系统集成，实现能量梯级利用，将褐煤洁净高效转化为液体燃料和化学品。

2.技术途径

褐

图2 褐煤分级液化示意图

根据上述学术思想，设计了以分级液化（图2）和甲醇定向转化为中心的具体技术途径。其特点如下：

(1)利用全系统不同阶段的反应热，将褐煤梯级加热至430 o C，褐煤脱水得到

的水蒸汽进入余热锅炉回收，通过部分加氢液化得到一部分轻质油品和燃气；

(2)加氢后的高活性半焦残渣，气化得到合成气，进入FT/甲醇合成单元。FT

合成油品与部分加氢液化得到的轻质油品共处理（混兑）制备高品质汽柴油和航空煤油；甲醇定向转化制备汽油、二甲醚、芳烃、烯烃等化学品，或经甲醛制备聚甲氧基二甲醚（DMM3-8），用作清洁柴油调和组分。由于气化与甲醇合成技术相对成熟，不列为本项目研究内容；

(3)褐煤分级转化过程中产生的甲烷和高纯度CO2，经重整转化为合成气进入

系统循环，实现CO2减排。同时探索CO2催化转化为碳酸酯等精细化学品的新过程。

3.创新性与特色

本项目针对我国褐煤储量大、开采容易但却缺乏高效利用途径的现状，围绕所提出的分级转化方案，开展系统的、多方位的基础研究工作，其创新性和特色体现如下：

•依据褐煤结构、组成和独特的物化性质，提出了褐煤分级转化的新概念，将部分加氢液化和间接液化有机结合，通过能量的梯级利用，大幅提高过程的整体能效；同时将分级液化过程中产生的甲烷和高纯度CO2，经重整转化为合成气进入系统循环，实现CO2减排；

•针对FT合成强放热、热力学上低温有利的特点，提出了利用纳米金属粒子催化剂独特的结构和限域效应，在低温和水相条件下实现FT合成；在Ru 纳米粒子催化剂研究的基础上，类比应用于廉价的Fe、Co体系，制备在低温和水相条件下具有高活性和高稳定性的Fe、Co纳米粒子催化剂，发展全新概念指导下的FT合成技术；

•离子液体被公认为是一种新型反应介质，在催化反应中具有独特的性能，但还没有实现大规模工业应用。中科院兰州化物所成功地完成了离子液体催化合成三聚甲醛的千吨级中试。本项目在此基础上，提出采用功能化离子液体催化合成清洁柴油调和组分DMM3-8的新工艺路线。

4.课题设置及课题间相互关系

根据本项目的总体学术思路，以及以分级转化和甲醇定向转化为中心的具体技术途径，设置了6个课题，各课题间相互关系见图3。

图3 课题设置及相互间关系

课题1：褐煤分级液化的化学与工程基础主要解决褐煤大规模转化制液体燃料和化学品的化学基础与工程问题，如褐煤的结构、组成和微孔特征及其与加氢活性之间的关系、褐煤部分加氢液化过程中供氢溶剂与催化剂的匹配关系、分级转化各组成单元之间的能量梯级利用等。这些问题的解决，将有助于褐煤大规模分级转化制备液体燃料和化学品过程的顺利实现。

课题2：合成气高效转化新催化体系研究针对FT合成强放热和热力学上低温有利的特点，研究新一代低温水相FT合成的关键技术和科学问题，如高活性廉价Fe、Co纳米粒子催化剂的制备方法和稳定性控制等。这些问题的解决，可望为低温水相FT合成技术的工业化转移扫清障碍，使褐煤经FT合成转化为液体