低阶烟煤分子结构与高温快速液化的研究

中国煤储量中低变质烟煤比例最高，这也是适合直接液化的煤种，详细研究其物理和化学结构及其对煤高温快速液化的影响是本课题的主要目的。研究内容包括选取3-4种典型低阶烟煤，力求排除岩相组成及矿物质影响，拟采用不同极性的混合溶剂萃取分析煤中低分子化合物含量，用高分子物理中的溶解度参数（内聚能密度）估计煤中分子间作用力，用测定高分子稀溶液沸点升高或黏度的方法来研究煤的分子量，分析不同煤种的物理和化学结构模型，采用化学分析和热解傅立叶变换红外分析煤中氧元素的含量及存在形态，用微型高压釜研究不同煤种高温快速液化的过程，将所得煤结构与其液化产物分布和组成情况进行关联，力争对煤中的碳和氧元素进行液化前后的平衡计算，着重研究煤中氧元素的不同存在形态对煤液化过程及产物组成的影响，本课题的研究将为丰富煤科学与技术理论及其煤液化工业化应用提供理论基础。

1 研究了低阶烟煤溶胀过程。考察了不同煤种、不同溶剂、不同剂煤比、不同时间、不同温度溶剂的碱性、溶剂的溶解度参数、金属无机盐、预处理、氧化等等因素对煤样溶胀度的影响；建立了实验条件下的溶胀动力学方程，所研究三种煤样都属于一级动力学方程。在两种溶剂中的表观活化能都小于10kJ/mol。三种煤样在两种溶剂中的n值都在0.2-0.4之间。采用稀溶液粘度法对煤中小分子化合物的分子量进行了测定，发现这两种低阶烟煤小分子化合物的粘均分子量大约3-5万左右，粘均分子量的大小与煤种、溶剂有关。.2采用化学方法对洗选后的煤样进行了含氧官能团的测定，得出这三种低阶烟煤中含氧官能团主要包括：羧基、羟基、羰基、醚基和甲氧基。其中，酚羟基和醚基含量较大，羧基和羰基含量较少，而甲氧基几乎消失。研究了氧元素在液化过程中的迁移规律，煤液化后，煤中的杂原子除一部分仍然滞留在液化残渣中，40%左右的氧转化为水，而45%左右的氮、80%左右的硫转移到气体产物中，而且酚类、醌类中的氧大部分转化为水。.3研究了甲烷气氛下煤的液化反应性，煤直接液化反应条件下甲烷的反应活性虽不如氢气，但转化率还是明显高于氮气下的，所以甲烷气氛在煤直接液化反应中即使是在无催化剂的情况下也是具有一定活性的。以Fe(NO3)3•9H2O、Co(NO3)2•6H2O 、Ni(NO3）2•6H2O、钼酸铵、RuCl3.xH2O为金属前驱体，两种微孔分子筛SAPO-11、SAPO-34和两种介孔分子筛MCM-41、SBA-15为载体，采用等体积浸渍法制备负载金属催化剂。结果催化剂Ni/SAPO-34对甲烷气氛下煤的液化反应催化效果明显，反应总转化率为57.6%，超过相同条件下纯氢气气氛时煤的转化率（54.6%），并且该催化剂比本文中其他制备的催化剂催化效果都要好。最佳镍担载量为7wt%，最佳添加量为2wt%。通过XRD、氮物理吸附、NH3-TPD、H2-TPR等对3%Ni/SAPO-11、3%Ni/SAPO-34、3%Ni/MCM-41、3%Ni/SBA-15催化剂进行了表征分析，表明催化剂较大的比表面积、适宜的孔容积及孔径分布、金属与载体之间较弱的作用、弱酸性及适宜的酸量有利于甲烷气氛下煤的液化。