973项目申报书-中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的基础研究.doc

项目名称： 中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的基础研究 刘振宇 北京化工大学 2011.1至2015.8 教育部  3.1 总体目标从分子水平上揭示煤弱键合结构分级转化的科学规律，深入认识“三传一反”工程科学原理，形成高效洁净低成本的煤转化液/气燃料和化学品新技术，综合利用效率和-30%，CO2的排放量降低10-20%；推动中低阶煤高效、洁净、低碳化利用科学和技术的发展，缓解我国油气进口压力；形成国际一流的煤转化基础研发团队和基地，使我国在煤转化科学和技术方面居世界领先地位。3.2 五年预期目标从分子水平上认识煤中非共价键和弱共价键的结构特征，构建集总化学结构模型； 煤分级转化本征反应的表征手段和理论分析方法，揭示非共价键和弱共价键在热场中的解离原理和自由基形成规律，认识自由基反应网络结构；发展煤分级转化联产液/气燃料和化学品的过程调控原理和方法，认识高效催化剂制备和复杂液体产物分离原理，在褐煤热溶与加氢方面形成新技术/烟煤热解/气方面形成新技术完成中试验证； 认识煤转化残焦的组成结构，揭示残焦与氧化钙的高温反应机理，创建低能耗氧热法电石生产新技术，完成中试验证；揭示煤分级转化/气燃料和化学品过程中化学反应-传递-催化转化等复杂过程的耦合行为-效率-碳-污染物”的逐级变化规律，提出过程强化和CO2/污染物减排策略，形成理论和技术体系，构建高效率、高效益、低排放的新工艺路线； 发表学术刊物论文200篇以上，形成国家发明专利25项，出版专著2部，培养博士生30名、硕士生50名，力争获得国家级奖励1项。 三、研究方案 4.1 学术思路 本项目国家对煤高效洁净利用低碳的重大需求“煤弱键合结构”为主线，煤分级转化相关的 首先建立从分子水平上认识煤结构的新方法，揭示中低阶煤中非共价键和弱共价键等弱键合结构的分布特征基于煤中不同弱键合结构的稳定性差异在不同条件下（温度、气氛、催化）转化规律/酚高效绿色分离原理和低能耗残焦制备电石新技术原理，形成若干中低阶煤分级转化联产液/气燃料和化学品的新技术和集成工艺。 4.2 技术途径 利用/热溶解聚方法得到煤的大分子团簇，柱层析、制备色谱分离和重结晶等，核磁共振和单晶X射线衍射确定大分子团簇的分子结构同步辐射真空紫外单光子电离分子束质谱技术，原位诊断不同热转化条件下自由基和产物，结合量子化学计算，煤中弱； 关键步骤；研究萃取剂的相平衡特征和传质规律，采用精馏或萃取精馏方法实现粗酚精制 采用多种反应器考察煤预处理方法热解条件 通过反应机理和动力学研究过程数学模拟支撑反应器研发；通过催化剂形态变化及其与灰分的催化剂分离和回用方法；在高温热天平和小型反应器中研究和CaO模拟，构建低能耗电石生产技术2。 图2. 技术路线简图 4.3 创新与特色 本项目研究思路研究手段有重要创新科学层面： 现代分析，同步辐射真空紫外单光子电离与分子束质谱耦合原位反应量子化学，认识煤中大分子团簇特征热转化自由基的，构建集总化学结构模型； 揭示煤分级转化/气燃料和化学品过程中化学反应-传递-催化转化等复杂过程的耦合行为-效率-碳-污染物”的逐级变化规律，提出过程强化和CO2/污染物减排策略； 复杂液产物的物化特征及萃取分离体系的相平衡规揭示电石的原理。 技术层面： 建立煤非共价键温和解离、产物分离表征、结构的方法；采用同步辐射真空紫外单光子电离与分子束质谱的耦合技术，建立定性与定量诊断煤热解自由基及产物的分子水平研究方法，突破煤结构和反应性研究的技术瓶颈； 煤在不同温度场中解离和转化联产油//酚、油/甲烷低能耗电石生产创新工艺高效催化剂、分离技术；提出降低-物耗CO2/污染物排放的方法，支撑煤生产油/甲烷/残焦制电石新工艺的中试研发，形成自主知识产权的先进技术。 4.4 2个教育部重点实验室和1个省级重点实验室，具有扎实的理论基础和丰富的工程经验，能够清晰地认识煤分级转化的关键科学问题和共性基础问题，完全具备承担本项目的能力。研究方案可靠，学术思路明确，技术路线可行。 研究团队已经建成了一批较为系统的实验装置，拥有多种先进的大型分析测试仪器，形成了国内外一流的基础研究平台，掌握了行之有效的研究方法。煤炭科学研究总院、中科院过程所、中科院山西煤化所和新奥集团的国家重点实验室已建有小试和中试研发平台，北京化工大学正与企业合作建设电石生产新工艺的中试研发平台，为“基础-应用基础-工艺-工程”一体化研发提供了强有力保障。 4.5 课题设置 针对煤分级转化过程的若干特定工艺中化学反应和传递过程耦合，本项目6个课题 课题1. 煤弱共价键和热解自由基的表征及反应原理 研究内容： 煤热解自由基的表征 研究不同煤在热化学转化过程中自由基、中间产物和反应产物的形成规律与作用机制，煤在的解离和自由基产生行为（种类和量）建立煤