低变质煤定向热解机理与产品调控研究

Coal pyrolysis, which happens in all coal thermal conversion processes, is the necessary and original reaction stage. The study of the pyrolytic process of low rank coal is of great significance for coal grading conversion, process optimization and integration to form the clean fuels (gas, liquid and solid) and chemicals, for solving the practical problems in the pyrolytic process, and for realizing efficient and clean utilization of low rank coal. By coal pretreatment, providing hydrogen-rich atmosphere, using catalyst and other means, this project will make a multi-level and comprehensive research on integration of micro mechanism and macro results in coal structure and characteristics, technical parameters of pyrolysis, characteristics of pyrolytic catalyst, structure and reactivity of the char, and composition and distribution of gas/liquid products, exploring the directional pyrolysis mechanism of the low rank coal and regulation mechanism of pyrolytic products, solving the key problems of science and technology and improving the theoretical system and technical system in the efficient and clean conversion of the low rank coal.

煤的热解是所有煤炭热转化过程所必经的、最初的反应阶段。研究低变质煤的热解过程，对实施煤热解、气化、燃烧的分级转化和优化集成为洁净的气、液、固燃料和化学品，解决低变质煤热解生产过程存在的实际问题，实现煤炭高效清洁利用具有重要意义。本项目通过煤的预处理、提供富氢热解气氛、引入催化剂等手段，从煤的结构与特性、热解工艺参数、热解催化剂特性、热解半焦的结构与反应特性、气相产物的组成与分布、液相产物的组成与分布各个方面进行多层次、全方位的系统考察和微观机理与宏观结果的集成研究，探索低变质煤的定向热解机理与产品调控机制，解决实现低变质煤高效清洁热转化的关键科学问题和关键技术问题，完善低变质煤高效清洁热转化的理论体系和技术体系。

热解过程中，热解操作条件、气氛及煤的结构和组成对其热解特性有着至关重要的影响。首先，考察了煤种、升温速率、热解温度以及热解气氛等因素对煤热解产物分布的影响，优化了操作参数；利用工业分析与元素分析、XPS、XRD、固体NMR对神东煤进行表征，构建出神东煤大分子结构模型，获得了神东煤的大分子结构信息；采用水热预处理、甲烷气氛热预处理、溶剂溶胀预处理、酸洗脱灰、原位负载金属离子以及溶胀同步负载金属离子等手段人为改变煤的结构与组成，详细分析了煤结构与组成的改变对热解半焦的结构与反应特性、气相产物的组成与分布以及液相产物的组成与分布的影响，获得了相应的预处理作用机制，总结了煤结构变化与热解特性之间的构效关系；热解催化剂开发与催化热解机理研究方面，综合运用软模板、硬模板以及外延生长等合成策略，获得了一系列新颖结构的多级孔分子筛。通过浸渍、原位合成以及后处理复合等手段，获得了以Zn、Ni、Fe和Ga等（过渡）金属与分子筛相互复合的双/多功能催化剂材料及其制备方法。综合优化了催化剂的结构（骨架结构、孔结构、酸性结构、形貌结构以及（过渡）金属与分子筛的复合形态等），并设计开发出高轻质芳烃收率、脱氧降酚性能优异的新型Ga掺杂的多级孔分子筛催化剂，为新型煤热解催化剂的设计提供理论指导。产物的分离与分析方面，制定了煤焦油GC-MS可检测部分准确定量分析的国家标准，实现了煤焦油沥青质中族组分化合物的分离，利用自主开发的煤焦油组分选择性反应-梯度萃取分离方法，实现了煤焦油沥青质中族组分化合物的分离，间接分析探明了其族组分化合物的存在形式。