直接煤液化重质产物多尺度缔合/聚集行为及其对液化工艺过程的影响研究

针对我国神华直接煤液化示范装置运行过程中暴露的主要技术问题，运用原油沥青质层次结构等相关缔合理论，研究煤液化产物中沥青烯和前沥青烯等重质产物多尺度、多层次缔合/聚集行为。拟通过煤液化产物的分离与分析，对沥青烯和前沥青烯进行结构表征，建立相应的结构模型，研究分子间缔合作用、缔合倾向及其结构相关性；通过低浓度下重质产物缔合过程和微尺度纳米缔合体结构表征，研究其缔合行为及主要影响因素，并结合缔合动力学分析，研究纳米缔合机理；通过高浓度下纳米缔合体的聚集过程及聚集体结构表征，研究重质产物聚集行为及其影响因素，结合聚集动力学分析，研究纳米聚集体的聚集作用和聚集机理；通过过程模拟，研究重质产物多尺度缔合/聚集作用对煤液体稳定性和加工性能的影响，探索抑制结焦和提高液化油拔出率的有效措施。本项目研究不仅可以为改善煤直接液化工艺提供必要的理论基础，而且可以丰富煤的分子团簇结构理论、促进煤的分级转化。

针对神华煤直接液化工艺中存在的产物结焦等相关技术问题，以神府次烟煤为主要研究对象，通过一系列煤液化重质产物沥青烯（AS）、前沥青烯（PA）及其次组分结构、组成和缔合性能表征，结合动力学分析研究了煤液化重质产物多尺度缔合/聚集作用与机理，探索了液化重质产物的稳定性与关键性结构因素。.研究结果发现：煤液化重质产物以多个2~4环缩合芳香结构，经亚甲基、醚键等桥键连接的多核“列岛”式结构为主，并含有甲基等短链烷基和羟基等含氧官能团，结构组成极其复杂。其中，PA芳香度和芳环缩合程度明显大于AS，芳环取代度小；PDU工艺液化PLR-PA和PLR-AS的芳香度都大于间歇式液化SFC-PA和SFC-AS，平均分子式为：C30.8H30.3O2.9N0.4S0.03（PLR-AS）、C49.9H45.7O4.5N0.6S0.05（PLR-PA）、C37.1H49.0O3.9N0.6S0.1（SFC-AS）、C54.2H49.0O5.4N1.0S0.1（SFC-PA）。尽管大部分PA次组分组成依然复杂，但是各次组分结构组成、分子量分布及缔合性能不同。重质产物分子间存在强的缔合作用，不仅包括分子间缔合，而且存在分子内缔合，缔合作用以芳环间π-π作用为主。芳香结构含量、芳环缩合程度、取代基是影响重质产物缔合性能的主要结构因素。溶液中，重质产物主要通过分子间缔合形成介尺度纳米缔合体，然后进一步聚集形成微尺度聚集体，并沉淀的多尺度缔合/聚集过程。其中，分子间缔合属于非常快的缔合过程；重质产物聚集速率快，具有一级动力学特征，主要是氢键等分子间作用力所致。重质产物分子间缔合作用及溶剂化作用是影响缔合和聚集过程的关键因素。液化残渣热处理过程中存在多种形式的脱羟基、裂解、加氢和缩聚等反应，含氧官能团是影响煤液化残渣热稳定性的关键结构因素之一，尤其羟基间缩合和缔合作用是导致结焦的主要原因。提高体系的催化加氢能力，避免重质组分间缩聚，可以提高残渣热稳定性，抑制液化产物结焦。.上述研究不仅认识了煤液化重质产物的结构组成特点，丰富了煤大分子团簇理论，而且为改善煤直接液化工艺和液化重质产物的高效利用提供也重要的理论支撑。通过上述研究，完成了计划书中的研究内容，达到了相应的研究目标，取得了预期成果。此外，本项目还深入研究了煤液化产物结构与缔合作用的荧光光谱表征方法。