不同尺度下的低阶煤催化解聚研究

Aimed at the technical bottleneck of low rank coal quality transformation of industrial applications generally existing large industrial test of oil and gas in low yield and poor quality of oil and gas, heavy oil and high content of tar dust rate, pipeline blockage, system is not continuous operation, put forward the principle of catalytic effect on coal pyrolysis process, through innovation catalyst, implementation of directional control on pyrolysis products, solve the gas of low yield and poor quality of oil and gas, heavy oil and high content of tar separation processing difficulty. Study on the technical route, the multi-scale were characterized and analyzed by using modern testing methods combined with molecular simulation of low metamorphic coal's microstructure and structure, obtain the composition and structure of coal macerals, oxygen-containing functional groups and bridged polycyclic aromatic hydrocarbons, distribution structure and scale, accurate information of mineral matter in coal, sulfur and nitrogen composition and speciation, through experimental catalytic depolymerization of raw coal and demineralized coal, maceral, micro aggregation of model compounds and semi coke, acquisition and their internal relations and the catalytic mechanism of coal catalytic depolymerization characteristics under different scales. This study attempts to explore the characteristics of coal catalytic depolymerization under different scales, the development of a new coal conversion process is classified according to its quality, at the same time to achieve the coal macromolecular depolymerization products of some species of tar enrichment.

针对现行大量工业试验中普遍存在的油气收率低、油气品质差、重油含量高以及焦油含尘率高、管道易堵塞、系统不能连续运行等制约低阶煤分质转化工业应用的技术瓶颈，提出将催化原理作用于煤热解过程，通过创新的催化剂加入方式，实现对热解产物的部分定向调控，解决气收率低、油气品质差、重油含量高及焦油后续分离加工难等问题。研究采用的技术路线是，利用现代分析测试方法结合分子模拟手段对低变质煤种的显微组成和结构进行多尺度表征和分析，获得煤的组成、显微组分结构、含氧官能团及桥键分布、稠环芳烃结构与尺度，煤中矿物质、含硫和含氮物的组成和赋存形态的准确信息，通过对原煤、脱灰煤、显微组分、显微聚集态、模型化合物和半焦的催化解聚实验，获取不同尺度下的煤催化解聚特性及其内在关系和催化作用机理。本研究试图通过不同尺度下煤催化解聚特性的探讨，发展出一种新的煤分级分质转化工艺，即在将煤大分子解聚的同时实现对焦油产品部分种类的富集。

煤作为一种富含各种复杂化学成分和分子结构的化石能源和 C/H 资源，热转化是其利用的主要技术途径。现行煤热转化技术都是将整个转化过程安排在单个反应器或同一反应空间中进行，将煤中的各种成分和结构等同处理，不仅浪费了煤的一些高价值组成与结构，而且为打破这些高价值组成与结构输入了大量能量，造成了巨大能量损耗和碳排放。根据煤的组成与结构特征而分级利用煤、充分发挥其资源价值代表了资源利用应该采取的方法，是双碳背景下的煤转化技术追求的发展方向和趋势。.煤结构的复杂性导致了其转化产品的复杂性，高值产品在整个转化产物中丰度低，提取提纯困难，消耗大成本高。如能将源头（煤）纯化则可减少转化产品的复杂性，在此基础上再利用催化剂选择性断键的特性，实现化学键的定向剪裁，则有望增加产物中高值产品的丰度，实现低成本的高值产品的获取。本项目即是围绕此目标开展的前期探索和基础研究。.项目共研究了云南小龙潭、先锋，陕西横山、陕西张家洼、陕西延长及山东枣庄等六种不同区域的典型低阶煤种，进行了两批次枣庄煤、两批次张家洼煤和四批次陕西延长煤原料差异化实验，消除了煤非均质性对实验结果带来的不确定性，保证了结果的可靠性；筛选出了粒度分级/重介浮沉和浮选/离心分离两种煤显微组分宏量分离方法，建立了工艺过程和优化的工艺条件，进行了500 g级两批次陕西张家洼煤，500 g、1000 g级两批次枣庄煤，1000 g级两批次陕西横山煤和1000 g级四批次陕西延长煤的放大分离研究，结果显示，显微组分含量相较于原煤科可净提高约30-40个百分点，含量可达80%以上。依托所获得的规模化分离原煤显微组分的方法，实现了煤、煤显微组分富集物、聚集态和模拟煤分子的多尺度宏量热解与催化解聚实验研究，通过量化计算与实验相结合揭示了煤催化解聚的物理化学机制和反应机理以及O、S等杂原子的作用，形成了煤中化学键定向剪裁和高值化利用的新方法。