【基金標(biāo)書】2011CB201400-褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化的催化與化學(xué)工程基礎(chǔ)

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項目名稱： 褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化的催化與化學(xué)工程基礎(chǔ)首席科學(xué)家： 王建國 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所起止年限： 2011.1至 2015.8依托部門： 中國科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)：通過對褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化過程中所涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題的研究，豐富褐煤優(yōu)化利用的化學(xué)基礎(chǔ)理論，開 發(fā)褐煤分級液化新過程，發(fā)展甲醇定向、可控 轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)品過程中催化劑的設(shè)計與制備新方法，并通過上述技術(shù)的集成優(yōu)化，突破褐煤大規(guī)模高效利用的技術(shù)瓶頸，同 時為 煤轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的 CO2的轉(zhuǎn)化利用提供解決方案。五年預(yù)期目標(biāo)：(1) 在深入系統(tǒng)研究褐煤脫水、部分加氫液化的基礎(chǔ)上，通過與間接液化的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)全系統(tǒng)能量的梯級利用，使褐煤 轉(zhuǎn)化的整體能效由 35%大幅提高到 45%，完成年 處理 10000 噸褐煤的分級液化中試；(2) 掌握催化劑的結(jié)構(gòu)效應(yīng)（尺寸、形貌）和限域效應(yīng)對反應(yīng)活性、選擇性的調(diào)控規(guī)律，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液相 FT 合成原創(chuàng)技 術(shù)；(3) 認(rèn)識分子篩孔道結(jié)構(gòu)和酸性特征與甲醇轉(zhuǎn)化中間體（烴池物種）結(jié)構(gòu)的關(guān)系，建立甲醇在不同孔道、酸性和形貌的分子篩上反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模型，為甲醇定向轉(zhuǎn)化提供理論指導(dǎo)；認(rèn)識功能化離子液體的構(gòu)效關(guān)系，形成離子液體催化甲醇制備清潔柴油組分新技術(shù)，完成萬噸級中試；(4) 通過褐煤分級液化過程中產(chǎn)生的甲烷與 CO2 重整制合成氣，形成與煤分級液化過程配套的專有技術(shù)，減少 CO2 排放，實現(xiàn)高碳資源的低碳化利用；(5) 形成發(fā)明專利 20 件，在國內(nèi)外核心期刊發(fā)表論文 300 篇，出版專著 1–2 部，主辦國際會議 1–2 次；(6) 通過該項目的組織和實施，形成一支在煤潔凈高效轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)團隊，并培養(yǎng)碩、博士研究生 100 名。三、研究方案1. 總體學(xué)術(shù)思路褐煤約占我國煤炭儲量的 13%（1300 億噸），其特點是水分高（10–50％）、熱值低，發(fā)電 和氣化效率低，但煤化程度低， 揮發(fā)分高，具有較高的加氫活性。要實現(xiàn)對如此龐大褐煤資源的潔凈高效利用，必須結(jié)合褐煤本身特點提出新的技術(shù)路線，同 時對全系統(tǒng)進行優(yōu) 化集成提高能量利用效率?；谏鲜隹紤]，本 項目提出將直接液化和間接液化有機結(jié)合，通過多聯(lián)產(chǎn)和系統(tǒng)強化提高褐煤轉(zhuǎn)化的能量利用效率，如圖 1 所示。圖 1 褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)品的總體學(xué)術(shù)思路首先將褐煤在較溫和條件下部分加氫，得到一部分輕質(zhì)油品；加氫后的半焦殘渣經(jīng)氣化制合成氣，可減少褐煤直接干燥所需要的能耗；氣化與 FT 合成過程中產(chǎn)生的高濃度 CO2 和甲烷重整制合成氣，進入體系循環(huán)利用。合成氣既經(jīng) FT合成得到液體燃料，也可通過甲醇轉(zhuǎn)化為汽油和高附加值化學(xué)品。因此，本 項目的另一重心就是研究甲醇定向轉(zhuǎn)化為汽油和不同化學(xué)品過程中的一些共性基礎(chǔ)問題，為 甲醇產(chǎn)業(yè)鏈延伸提供科學(xué)基礎(chǔ)?？傊?，本項目的學(xué)術(shù)思想就是利用褐煤獨特的物化性質(zhì)，通過分級轉(zhuǎn)化和系統(tǒng)集成， 實現(xiàn)能量梯級利用，將褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化為 液體燃料和化學(xué)品。2. 技術(shù)途徑圖 2 褐煤分級液化示意圖根據(jù)上述學(xué)術(shù)思想，設(shè)計了以分級液化（圖 2）和甲醇定向轉(zhuǎn)化為中心的具體技術(shù)途徑。其特點如下：(1) 利用全系統(tǒng)不同階段的反應(yīng)熱，將褐煤梯級加熱至 430 oC，褐煤脫水得到的水蒸汽進入余熱鍋爐回收，通過部分加氫液化得到一部分輕質(zhì)油品和燃?xì)猓?2) 加氫后的高活性半焦殘渣，氣化得到合成氣，進入 FT/甲醇合成單元。FT 合成油品與部分加氫液化得到的輕質(zhì)油品共處理（混兌）制備高品質(zhì)汽柴油和航空煤油；甲醇定向轉(zhuǎn)化制備汽油、二甲醚、芳烴、 烯烴等化學(xué)品，或經(jīng)甲醛制備聚甲氧基二甲醚（DMM 3-8），用作清潔柴油調(diào)和組分。由于氣化與甲醇合成技術(shù)相對成熟，不列為本項目研究內(nèi)容；(3) 褐煤分級轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的甲烷和高純度 CO2，經(jīng)重整轉(zhuǎn)化為合成氣進入系統(tǒng)循環(huán)，實現(xiàn) CO2 減排。同時探索 CO2 催化轉(zhuǎn)化為碳酸酯等精細(xì)化學(xué)品的新過程。3. 創(chuàng)新性與特色本項目針對我國褐煤儲量大、開采容易但卻缺乏高效利用途徑的現(xiàn)狀，圍繞所提出的分級轉(zhuǎn)化方案，開展系統(tǒng)的、多方位的基 礎(chǔ) 研究工作，其 創(chuàng)新性和特色體現(xiàn)如下：? 依據(jù)褐煤結(jié)構(gòu)、組成和獨特的物化性質(zhì)，提出了褐煤分級轉(zhuǎn)化的新概念，將部分加氫液化和間接液化有機結(jié)合，通過能量的梯級利用，大幅提高過程的整體能效；同時將分級液化過程中產(chǎn)生的甲烷和高純度 CO2，經(jīng)重整轉(zhuǎn)化為合成氣進入系統(tǒng)循環(huán)，實現(xiàn) CO2 減排；? 針對 FT 合成強放熱、 熱力學(xué)上低溫有利的特點，提出了利用 納米金屬粒子催化劑獨特的結(jié)構(gòu)和限域效應(yīng)，在低溫和水相條件下實現(xiàn) FT 合成；在 Ru納米粒子催化劑研究的基礎(chǔ)上，類比應(yīng)用于廉價的 Fe、Co 體系，制 備在低溫和水相條件下具有高活性和高穩(wěn)定性的 Fe、Co 納 米粒子催化劑，發(fā)展全新概念指導(dǎo)下的 FT 合成技術(shù)；? 離子液體被公認(rèn)為是一種新型反應(yīng)介質(zhì)，在催化反應(yīng)中具有獨特的性能，但還沒有實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。中科院蘭州化物所成功地完成了離子液體催化合成三聚甲醛的千噸級中試。本項目在此基礎(chǔ)上，提出采用功能化離子液體催化合成清潔柴油調(diào)和組分 DMM3-8 的新工藝路 線。4. 課題設(shè)置及課題間相互關(guān)系根據(jù)本項目的總體學(xué)術(shù)思路，以及以分級轉(zhuǎn)化和甲醇定向轉(zhuǎn)化為中心的具體技術(shù)途徑，設(shè)置了6個課題 ，各 課題間相互關(guān)系見圖 3。圖3 課題設(shè)置及相互間關(guān)系課題 1：褐煤分級液化的化學(xué)與工程基礎(chǔ) 主要解決褐煤大規(guī)模轉(zhuǎn)化制液體燃料和化學(xué)品的化學(xué)基礎(chǔ)與工程問題，如褐煤的結(jié)構(gòu)、組成和微孔特征及其與加氫活性之間的關(guān)系、褐煤部分加氫液化過程中供氫溶劑與催化劑的匹配關(guān)系、分級轉(zhuǎn)化各組成單元之間的能量梯級利用等。這些問題的解決，將有助于褐煤大規(guī)模分級轉(zhuǎn)化制備液體燃料和化學(xué)品過程的順利實現(xiàn)。課題 2：合成氣高效轉(zhuǎn)化新催化體系研究 針對 FT合成強放熱和熱力學(xué)上低溫有利的特點，研究新一代低溫水相FT 合成的關(guān) 鍵技術(shù)和科學(xué)問題，如高活性廉價Fe、 Co納米粒子催化 劑的制備方法和穩(wěn)定性控制等。 這些問題的解決，可望為低溫水相FT合成技術(shù)的工業(yè)化轉(zhuǎn)移掃清障礙，使褐煤經(jīng)FT合成轉(zhuǎn)化為液體燃料的整個過程變得更為經(jīng)濟、高效。課題 3：甲醇制烴類選擇性調(diào)控的催化基礎(chǔ) 針對甲醇轉(zhuǎn)化為汽油、烯烴、芳烴等過程中的共性問題，如甲醇在分子篩孔道中的吸附、活性中間體、 進一步轉(zhuǎn)化途徑等，開展深入系統(tǒng)的研究， 闡明影響甲醇定向轉(zhuǎn)化途徑的關(guān)鍵因素。 這些問題的解決，將有助于開發(fā)新的甲醇定向轉(zhuǎn)化催化劑與工藝過程，對甲醇產(chǎn)業(yè)鏈的延伸具有重要意義。課題 4：甲醇制清潔柴油調(diào)和組分的催化與工藝基礎(chǔ) 在前期工作基礎(chǔ)上，研究功能化離子液體的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計與大規(guī)模制備方法，以及功能化離子液體催化甲醇與三聚甲醛合成清潔柴油調(diào)和組分DMM 3-8過程中的催化作用機理、傳熱機制和相變效應(yīng)，開辟甲醇 轉(zhuǎn)化的新技術(shù)途徑。課題 5：褐煤分級轉(zhuǎn)化過程中 CO2 的循環(huán)利用 針對褐煤分級轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的甲烷和高純度 CO2，研究高效的 CO2 重整甲 烷催化劑，探索催化 劑上的積碳原因和消碳途徑，開發(fā)適合褐煤分級轉(zhuǎn)化的甲烷/CO 2 重整工藝，實現(xiàn)褐煤分級轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的 CO2 減排。課題 6：褐煤分級轉(zhuǎn)化若干關(guān)鍵過程的理論計算與模擬 針對褐煤分級轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)和催化劑，在原子分子水平上研究催化劑表面組成、結(jié)構(gòu)等對反應(yīng)活性的影響、甄別 反應(yīng)中間體、探 討過渡態(tài)轉(zhuǎn) 化途徑等， 為催化劑設(shè)計提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。同時 ，對褐煤分級轉(zhuǎn)化各關(guān)鍵過 程的物流和能量進行分析，為系統(tǒng)集成和過程強化提供解決方案。各課題的具體情況如下：課題 1：褐煤分級液化的化學(xué)與工程基礎(chǔ)預(yù)期目標(biāo)：揭示高水分、高揮發(fā)分褐煤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成與煤中水分含量的內(nèi)在關(guān)系以及水分的脫除規(guī)律；認(rèn)識褐煤的分子結(jié)構(gòu)特征與其部分加氫活性之間的內(nèi)在聯(lián)系，為催化劑設(shè)計、反 應(yīng)活性和選擇性優(yōu)化提供基礎(chǔ)信息；探索褐煤/溶劑油共加氫的反應(yīng)機理和動力學(xué)特征，以及加氫程度與油品性質(zhì)及殘渣氣化特性的關(guān)系；在實驗室催化劑、溶劑、反 應(yīng)工藝條件優(yōu)化的基礎(chǔ)上， 進行中試驗證，打通工藝流程，獲得合格的單獨或者混兌油品，形成褐煤潔凈高效分級轉(zhuǎn)化新技術(shù)。主要研究內(nèi)容：(1) 我國典型的高水分、高揮發(fā)分褐煤的微孔結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)組成、 羧基和羥基等含氧官能團及氫鍵的分布及調(diào)控規(guī)律，揭示褐煤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成與煤中水分含量的內(nèi)在關(guān)系及水分的脫除規(guī)律；(2) 褐煤與供氫溶劑的部分加氫性能，以及富氫油品的形成機理；通過研究溶劑中各組分間的相互作用，結(jié)合模型溶劑供氫能力的理論計算和實驗驗證結(jié)果，選擇合適的反應(yīng)溶劑，開 發(fā)與具體過程相適應(yīng)的高活性催化劑；(3) 褐煤部分加氫后含碳?xì)堅奈锘再|(zhì)及氣化特性與加氫程度的關(guān)系，設(shè)計與之相應(yīng)的氣化過程以及對合成氣組成進行調(diào)控的方案；分析富氫油品的化學(xué)組成，研究部分加氫油品與 FT 合成油品的調(diào)配，以 獲得符合國家標(biāo)準(zhǔn)的高等級油品；(4) 研究高活性和高穩(wěn)定性的 FT 合成催化劑，全面提升催化劑的反應(yīng)性能，優(yōu)化產(chǎn)物分布，進行工藝條件優(yōu)化和過程強化，提高整個系統(tǒng)的能量利用效率，形成工藝軟件包，并在示范裝置上進行驗證。承擔(dān)單位：中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：李永旺主要學(xué)術(shù)骨干：李　 文，相宏 偉， 楊　 勇，吳寶山經(jīng)費比例：21%課題 2：合成氣高效轉(zhuǎn)化新催化體系研究預(yù)期目標(biāo)：針對 FT 合成強放熱和熱力學(xué)上低溫有利的特點，探索納米催化劑的設(shè)計與新合成方法，實現(xiàn)具有特定形貌、尺寸以及良好穩(wěn)定性的納米催化劑的可控合成；通過金屬納米顆粒與特定納米結(jié)構(gòu)的定向組裝與調(diào)控，利用納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)和限域效應(yīng)實現(xiàn)對催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性的調(diào)控，進而實現(xiàn)對催化反應(yīng)方向（選擇性）和速度（效率與能耗）的定向控制；形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液相FT 合成原 創(chuàng)技術(shù)。主要研究內(nèi)容：(1) 采用 STM、TEM、原位紅外等技術(shù)表征納米粒子催化 劑的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，研究結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系；研究液相中單分散的 Fe、Co、Ni 等納米催化劑顆粒尺寸和形貌的可控合成方法，以及在不同保護劑存在條件下金屬納米顆粒穩(wěn)定性和催化活性的差異，闡明特定形貌和尺寸的金屬納米顆粒與保護劑相互作用的本質(zhì)和規(guī)律；(2) 針對液相 FT 合成原創(chuàng)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用對納米粒子在高壓流動體系中穩(wěn)定性的要求，考察可溶性金屬納米粒子在高壓流動體系下長時間運行時的穩(wěn)定性，研究溶劑在流動體系下的相行為， 設(shè)計新型納米粒子保護劑，提高 納米粒子的催化活性和穩(wěn)定性；(3) 采用納米復(fù)合和空間（零維、一維、二 維、特殊孔道）限域等方法，定向合成具有特定尺寸、形貌和組分的納米催化劑，研究納米復(fù)合催化劑的制備以及在限域環(huán)境中的組裝方法；研究合成氣在納米限域催化劑上的轉(zhuǎn)化特性、反應(yīng)機理，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液相 FT 合成原創(chuàng) 技術(shù)。承擔(dān)單位：北京大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：寇　 元主要學(xué)術(shù)骨干：馬 丁，李子臣，馬　 駿經(jīng)費比例：16%課題 3：甲醇制烴類選擇性調(diào)控的催化基礎(chǔ)預(yù)期目標(biāo)：深入認(rèn)識甲醇在分子篩孔道中吸附和活化的活性物種結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變機制及其對反應(yīng)路徑和失活行為的影響規(guī)律，探討影響產(chǎn)物選擇性的關(guān)鍵因素，揭示影響催化劑水熱穩(wěn)定性和催化穩(wěn)定性的本質(zhì)原因，在關(guān)聯(lián)催化劑構(gòu)效關(guān)系和闡明催化作用機理的基礎(chǔ)之上，設(shè)計和研制新型高效催化劑；發(fā)展新型微纖結(jié)構(gòu)催化填料技術(shù)，揭示其流體力學(xué)和流動傳遞規(guī)律， 實現(xiàn)甲醇轉(zhuǎn)化制烴類的選擇性調(diào)控和過程強化，為甲醇定向催化轉(zhuǎn)化過程規(guī)模化奠定堅實的基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容：(1) 研究不同孔道結(jié)構(gòu)和酸性、酸位分布的分子篩催化劑上活性中間物種的形成和轉(zhuǎn)化規(guī)律以及與反應(yīng)物和產(chǎn)物分子間的作用機制，揭示 C–O 鍵到 C–C 鍵的轉(zhuǎn)變機制和酸性分子 篩催化劑上甲醇轉(zhuǎn) 化的反應(yīng)路徑；(2) 系統(tǒng)研究分子篩孔道結(jié)構(gòu)、組成、晶粒尺寸、酸性、酸位分布和吸脫附性能與反應(yīng)活性和產(chǎn)物分布的關(guān)系，揭示影響低碳烯烴生成、碳鏈增長、芳構(gòu)化、烷基化和異構(gòu)化反應(yīng)的關(guān)鍵因素和酸性分子篩催化劑上甲醇轉(zhuǎn)化為烴類的產(chǎn)物分布規(guī)律，建立關(guān)鍵影響因素與 產(chǎn)物分布的理論模型；(3) 對甲醇定向轉(zhuǎn)化固體酸催化劑超細(xì)顆粒進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，研制新型微纖結(jié)構(gòu)催化填料，實現(xiàn)強化 傳熱/傳質(zhì)、 優(yōu)化流體 傳遞和獨特的形狀因子等特性的一體化，為傳質(zhì)/傳熱 受控反應(yīng)的高效反應(yīng)器 設(shè)計提供新方法；通過數(shù)值模擬和計算，研究微纖結(jié) 構(gòu)催化填料流體力學(xué)和流動傳遞規(guī)律，揭示其過程強化的本質(zhì)， 為傳質(zhì)/ 傳熱受控反應(yīng)的高效反應(yīng) 器設(shè)計提供新的途徑和理論依據(jù)；(4) 針對酸性分子篩催化劑上甲醇轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的分布特征和失活機制，通過調(diào)變分子篩孔道結(jié)構(gòu)、骨架組成、酸性和改善催化劑表面性質(zhì)，研制高 選擇性、高穩(wěn)定性的酸性分子篩催化劑。承擔(dān)單位：華東師范大學(xué)，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：路　 勇主要學(xué)術(shù)骨干：樊衛(wèi)斌，劉月明，李俊汾，吳海虹經(jīng)費比例：16%課題 4：甲醇制清潔柴油調(diào)和組分的催化與工藝基礎(chǔ)預(yù)期目標(biāo)：闡明離子液體催化合成清潔油品調(diào)和組分選擇性控制與催化劑組成、結(jié)構(gòu)和工藝條件的內(nèi)在聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出性能優(yōu)良的甲醇出發(fā)合成清潔油品組分的催化劑，建立完善功能化離子液體催化理論與實驗體系，完成純度、質(zhì)量穩(wěn)定可大規(guī)模生產(chǎn)的功能化離子液體制備技術(shù)，以及功能化離子液體催化合成聚甲氧基二甲醚（DMM 3-8）過程強化工藝基礎(chǔ)研究和中試，形成擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能化離子液體催化合成清潔油品新技術(shù)。主要研究內(nèi)容：(1) 系統(tǒng)研究單一離子液體以及離子液體混合體系的物理化學(xué)性質(zhì)，為從分子結(jié)構(gòu)和性能出發(fā)設(shè)計和剪裁合適的離子液體、以及開發(fā)新型功能化離子液體催化劑提供理論指導(dǎo)；(2) 研究催化合成 DMM3-8 的離子液體催化劑規(guī)?；?備技術(shù)，依據(jù)催化劑物化性質(zhì)和合成反應(yīng)過程中的熱效應(yīng)、傳質(zhì)、相變效應(yīng)， 設(shè)計新型熱交換器，強化物料混合的新型反應(yīng)器，實現(xiàn)催化劑質(zhì)量、純度可控的合成；(3) 開展離子液體催化合成 DMM3-8 的過程工程基 礎(chǔ)研究，考察間歇和連續(xù)操作條件下影響轉(zhuǎn)化率和選擇性的關(guān)鍵因素，功能化離子液體在長時間運行中的穩(wěn)定性、循環(huán)再生、雜質(zhì)來源與富集等，以及催化劑特性與反應(yīng)器和外場的匹配特性，設(shè)計出新型高效的反應(yīng)-分離-再循環(huán)一體化裝置，并考察裝置長時間運行的穩(wěn)定性。承擔(dān)單位：中科院蘭州化學(xué)物理研究所課題負(fù)責(zé)人：夏春谷主要學(xué)術(shù)骨干：陳　 靜，李　 臻， 孫　 偉，宋河遠(yuǎn)經(jīng)費比例：17%課題 5：褐煤分級轉(zhuǎn)化過程中CO 2的循環(huán)利用預(yù)期目標(biāo)：針對褐煤分級轉(zhuǎn)化過程中副產(chǎn)的 CO2 和甲 烷，研制出適合于 CO2 重整甲烷制合成氣過程的高活性、高穩(wěn)定性的廉價催化劑；闡明 Ni 基催化劑的金屬/載體之間的相互作用、尺寸匹配效 應(yīng)及界面協(xié)同效 應(yīng)和積碳/ 消碳自循環(huán)的關(guān)系，揭示催化劑的結(jié)構(gòu)和表面/界面性質(zhì)對催化劑在 CO2 重整甲烷反應(yīng)中穩(wěn)定性的影響規(guī)律；發(fā)展耐高溫、抗燒結(jié)、抗 積碳 Ni 基催化劑的制備方法， 為高效的CO2 重整甲烷制合成氣催化工藝提供理論基礎(chǔ)和技 術(shù)支撐。主要研究內(nèi)容：(1) 采用具有納米結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱性耐高溫載體（如 CaO-ZrO2、MgO-ZrO2、MgO- Al2O3、Al2O3-AlN、ZrO2-AlN、SiC 等），研究抗燒結(jié)、抗積碳的載體及 Ni 催化劑的制備及改性方法；(2) 考察 Ni 基催化劑在 CO2 重整甲烷反應(yīng)中的催化行 為和特點，考察CH4、CO、H2、O2、H2O 在 Ni 基催化劑上吸附活化的規(guī)律，研究催化劑的結(jié)構(gòu)和體相/表面性質(zhì)、 金屬和 載體之間的相互作用、尺寸匹配效應(yīng)及界面協(xié)同效應(yīng)對反應(yīng)中催化劑的積碳/消碳自循環(huán)以及催化 劑穩(wěn)定性的影響規(guī)律；(3) 考察 Ni 基催化劑上積碳形成的機制、研究催化劑表面積碳的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量與催化劑穩(wěn)定性之間的關(guān)系，深入認(rèn)識反應(yīng)機理，研究抗積碳、抗 燒結(jié)催化劑穩(wěn)定的作用機制，研制具有高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的 Ni 基催化劑體系。承擔(dān)單位：清華大學(xué)，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所課題負(fù)責(zé)人：賀德華主要學(xué)術(shù)骨干：魏　 偉，郭向云，華瑞茂，王　 峰， 孫科強經(jīng)費比例：12.5%課題 6：褐煤分級轉(zhuǎn)化若干關(guān)鍵過程的理論計算與模擬預(yù)期目標(biāo)：采用理論化學(xué)計算方法，闡明 FT 合成鐵 基催化劑的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，助催化劑與活性組分的相互作用，對主催化劑活性位結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控機制，CO/H2 在不同活性位上 C–C、C–H 和 C–OH 鍵的形成機理等；研究甲醇在分子篩孔道中吸附和活化機制，不同中間態(tài)所對應(yīng)的產(chǎn)物及轉(zhuǎn)化特征；采用分子動力學(xué)和蒙特卡羅方法研究離子液體中陰陽離子的結(jié)構(gòu)特征及相互作用方式對離子液體催化性能的影響規(guī)律，預(yù)測離子液體的宏觀性質(zhì)；針對分級液化過程，進行系統(tǒng)集成優(yōu)化和過程模擬，形成工藝軟件包。主要研究內(nèi)容：(1) 研究 FexCy 表面碳鏈生成和增長機制， 計算各基元反 應(yīng)的過渡態(tài)、活化能和反應(yīng)能，從 熱力學(xué)和動力學(xué)上確定 烷烴和烯烴的生成路徑；研究各種 FexCy表面醇、醛和酸等含氧化合物的生成機理，預(yù)測產(chǎn)物分布， 結(jié)合實驗表征和反應(yīng)結(jié)果， 總結(jié)和完善 FT 反應(yīng)詳細(xì)機理；(2) 針對 FT 鐵基催化劑， 結(jié)合量化計算結(jié)果和實驗結(jié) 果，改進和完善現(xiàn)有的FT 合成動力學(xué)模型 庫（集總模型、 烴生成模型、水煤氣變換模型）；優(yōu)化烯烴添加、原位生成烯烴的二次 鏈增長模型（包括裂解），解決烯烷比偏離現(xiàn)象，同時對產(chǎn)物分布偏離 ASF 分布給予解釋，完善現(xiàn)有的 FT 合成動力學(xué)模型；(3) 通過計算分析褐煤分級液化、FT 合成、甲醇催化 轉(zhuǎn)化反應(yīng)、 CO2 重整甲烷過程中各個工藝流程單元的物料和能量供需，建立最優(yōu)單元模型和系統(tǒng)集總模型，實現(xiàn) 系統(tǒng)的集成與優(yōu) 化；(4) 采用量子化學(xué)方法，研究甲醇在分子篩孔道內(nèi)酸性位上吸附、活化的中間體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn) 化路徑和機理；甲醇合成 DMM3-8過程中離子液體 結(jié)構(gòu)、活性中心、反應(yīng)過渡態(tài)和活化能的變化規(guī)律，為功能化離子液體的設(shè)計提供指導(dǎo)。承擔(dān)單位：中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所，北京大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：王建國主要學(xué)術(shù)骨干：焦海軍，霍春芳，郝　 栩，蔣　 鴻經(jīng)費比例：17.5%5. 可行性分析本項目在學(xué)術(shù)思路、研究隊伍、以及工作 積累等方面具有如下優(yōu)勢，有能力和信心完成好項目研究工作，實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)：(1) 本項目的學(xué)術(shù)思路是基于褐煤煤化程度低、加氫活性高的特征，提出分級液化的方案，而合成氣轉(zhuǎn)化涉及的基本過程單元大多已經(jīng)有較好的研究基礎(chǔ)，部分已進入工業(yè)示范階段。例如，F(xiàn)T 合成已經(jīng)建成了 3 個年產(chǎn) 16 萬噸的工業(yè)示范廠，運行狀況良好；采用離子液體合成三聚甲醛的新技術(shù)已經(jīng)完成中試實驗；低溫水相 FT 合成的概念已經(jīng)在 Ru 催化劑上得到驗證，被國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)為是 FT 合成的重大突破。因此，總體學(xué)術(shù) 路線可行，技 術(shù)途徑暢通；(2) 承擔(dān)單位均為國內(nèi)綜合研究實力較強的中科院研究所或高等院校，研究手段齊全，具有各種微觀結(jié)構(gòu)表征和性能測試的先進儀器及從實驗室到工業(yè)規(guī)模的在線測試裝置，這在硬件上保證了本項目的順利實施和完成；(3) 研究隊伍聚集了國內(nèi)煤化學(xué)化工、催化基礎(chǔ)理論、合成氣化學(xué)、以及大 規(guī)模煤化工技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的多家研究單位的優(yōu)勢力量，包括：1 個國家實驗室（北京分子科學(xué)國家實驗室（籌））、3 個國家重點實驗室(煤轉(zhuǎn)化、羰基合成與選擇氧化、分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國家重點實驗室)、 1 個國家工程實驗室（煤炭間接液化國家工程實驗室）和 2 個部委級重點實驗室（有機光電子與分子工程教育部重點實驗室、上海市綠色化學(xué)與化工過程綠色化重點實驗室），涵蓋 4 個國家重點學(xué)科(化學(xué)工藝、物理化學(xué)、無機化學(xué)、有機化學(xué))，體現(xiàn)了能源與化工學(xué)科的交叉融合；(4) 項目負(fù)責(zé)單位中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所是中國科學(xué)院唯一從事煤炭基礎(chǔ)和技術(shù)研究的研究所，煤轉(zhuǎn)化國家重點實驗室也是科技部唯一專門從事煤轉(zhuǎn)化過程研究的國家重點實驗室，長期開展煤的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化、煤基液體燃料與化學(xué)品合成及相關(guān)新材料制備等過程中的關(guān)鍵科學(xué)和工程技術(shù)問題的研究，在煤的低溫干餾、 FT 合成、甲醇定向轉(zhuǎn)化、理論計算和過程模擬方面有深厚的工作基礎(chǔ)。承擔(dān)單位北京大學(xué)和清華大學(xué)在催化基礎(chǔ)理論和納米催化劑設(shè)計方面取得了國內(nèi)外矚目的成績，華東師范大學(xué)在催化劑顆粒設(shè)計、化工過程集成和強化等方面工作出色，中科院蘭州化學(xué)物理研究所長期從事功能化離子液體的基礎(chǔ)理論和大規(guī)模應(yīng)用研究，具有相當(dāng)豐富的研究積累。四、年度計劃年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年我國典型褐煤的微孔結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)組成、羧基和羥基等含氧官能團及氫鍵的分布與調(diào)控規(guī)律；催化劑制備方法、原料、條件等對 FT 合成、甲醇定向轉(zhuǎn)化和 CO2 甲烷重整催化性能的影響規(guī)律；碳化鐵表面FT 合成反 應(yīng)初始碳物種的生成和碳鏈增長機制。揭示褐煤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成與煤中水分含量的內(nèi)在關(guān)系及水分的脫除規(guī)律；獲得 C1 定向轉(zhuǎn)化催化劑的優(yōu)化制備條件，揭示其影響催化性能的本質(zhì)原因；闡明 FT 合成鐵基催化劑的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及 C–C、C–H 和 C–OH 鍵的形成機理。發(fā)表論文 40–60 篇，申請專利 4–6 件。第二年褐煤與供氫溶劑的部分加氫性能，供氫溶劑中各組分間的相互作用，以及富氫油品的形成機理；研發(fā)與具體過程相適應(yīng)的高活性褐煤加氫催化劑；催化劑結(jié)構(gòu)、組成、形貌和表面性質(zhì)等對 FT 合成、甲醇定向轉(zhuǎn)化和 CO2 甲烷重整催化性能的影響規(guī)律；助劑與催化劑活性物相之間的相互作用及其對 FT 合成鐵基催化劑微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性能的影響。確定適合于褐煤分級液化的溶劑油；揭示溶劑油存在條件下褐煤的催化加氫反應(yīng)機制，優(yōu)化催化劑及加氫工藝條件；揭示影響 FT 合成、甲醇定向轉(zhuǎn)化和 CO2 甲烷重整催化性能的關(guān)鍵因素；闡明 FT 合成反應(yīng)中“助劑–催化劑結(jié)構(gòu)–催化性能” 間 的內(nèi)在關(guān)系。發(fā)表論文 50–70 篇，申請專利 4–6 件。年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第三年褐煤部分加氫后含碳?xì)堅奈锘再|(zhì)及氣化特性與加氫程度的關(guān)系；部分加氫油品與 FT 合成油品的調(diào)配；1 萬噸/年褐煤分級液化中試裝置的系統(tǒng)配置和初步調(diào)試；C1定向催化轉(zhuǎn)化過程中反應(yīng)物的吸附、活性中間體結(jié)構(gòu)的形成及其演變規(guī)律，催化劑活性組分的變遷規(guī)律和催化劑的積碳行為；功能離子液體催化各類醇醛縮合反應(yīng)的熱力學(xué)與動力學(xué)。揭示褐煤部分加氫程度與油品性質(zhì)及殘渣氣化活性的內(nèi)在關(guān)系，為實現(xiàn)合理的褐煤熱化學(xué)裁剪提供依據(jù)；初步認(rèn)識納米粒子 FT 合成、甲醇定向轉(zhuǎn)化和 CO2 甲烷重整反應(yīng)催化作用機制和催化劑的失活行為；建立功能化離子液體催化醇醛縮合反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)模型，為反應(yīng)器計算與設(shè)計提供理論依據(jù)。發(fā)表論文 50–70 篇，申請專利 4–6 件。第四年研制與褐煤分級液化相匹配的高活性和高穩(wěn)定性 FT 合成催化劑，優(yōu)化工藝條件和產(chǎn)物分布，并在中試裝置上初步驗證褐煤部分加氫液化與 FT 合成的匹配性；深入研究 C1 定向轉(zhuǎn)化催化劑的穩(wěn)定性和失活行為，烴池物種的形成過程及其對甲醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑的影響規(guī)律；量化計算研究功能離子液體結(jié)構(gòu)、活性中心、反應(yīng)過渡態(tài)和活化能的變化規(guī)律。形成褐煤分級液化工藝軟件包，打通 1 萬噸/年褐煤分級液化中試流程，提高整個系統(tǒng)的能量利用效率；深入認(rèn)識納米粒子 FT 合成、甲醇定向 轉(zhuǎn)化和 CO2 甲烷重整催化反應(yīng)機理，揭示催化劑的失活機制和再生行為，實現(xiàn)流動體系下費托反應(yīng)的高效運行和預(yù)測功能離子液體的宏觀性質(zhì)，制備具有良好催化性能的甲醇選擇性制烴類結(jié)構(gòu)催化劑。發(fā)表論文 40–50 篇，申請專利 4–6 件。年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第五年計算褐煤分級液化和 FT 合成中各個工藝流程單元的物料和能量供需，進一步進行系統(tǒng)優(yōu)化和過程強化，完善褐煤分級液化中試裝置，并完成 1–2 個不同褐煤的分級液化中試實驗；在前面研究的基礎(chǔ)上，進一步改進 C1 定向轉(zhuǎn)化催化劑的制備方法，優(yōu)化反應(yīng)條件，完善催化劑表征和模擬計算數(shù)據(jù)；對反應(yīng)工藝進行流程和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；撰寫項目研究報告，做好驗收準(zhǔn)備。建立褐煤分級液化與 FT 合成過程的最優(yōu)單元模型和系統(tǒng)集總模型，實現(xiàn)中試裝置穩(wěn)定運轉(zhuǎn)和系統(tǒng)集成與優(yōu)化，得到合格油品；闡明 C1 定向轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)機理，研制出性能優(yōu)良的 C1 定向轉(zhuǎn)化催化劑，完成萬噸 級甲醇轉(zhuǎn)化制清潔柴油組分工藝設(shè)計軟件包，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米 FT 合成和甲醇轉(zhuǎn)化制清潔柴油組分新技術(shù)，并實現(xiàn)甲醇制烴的選擇性調(diào)控。發(fā)表論文 40–50 篇，申請專利 3–5 件。一、研究內(nèi)容從我國能源安全、資源結(jié)構(gòu)特征和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略來看，以資源優(yōu)化利用和節(jié)能減排為宗旨，分級液化技術(shù)為先導(dǎo)、定向催化轉(zhuǎn)化技術(shù)為核心、過程優(yōu)化與系統(tǒng)集成為手段，是褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化的技術(shù)路線。本項目根據(jù)褐煤揮發(fā)分高、加氫 反應(yīng)活性好的特點，將直接液化和 間接液化有機地結(jié)合起來，通 過多聯(lián)產(chǎn)和系統(tǒng)強化提高褐煤轉(zhuǎn)化的能量利用效率，將褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)品。其成功實施的核心在于解決好如下關(guān)鍵科學(xué)問題：1. 褐煤分級液化與高效轉(zhuǎn)化的化學(xué)基礎(chǔ)(1) 褐煤有限脫水、部分加氫液化及殘渣氣化特性與褐煤結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成的內(nèi)在關(guān)系；(2) 氣-液- 固三相共存條件下褐煤與供氫溶劑、加氫催化劑之間的相互作用機制和氫在油煤漿體系中的擴散與傳遞規(guī)律；(3) 部分加氫液化油品性質(zhì)與褐煤組成、結(jié)構(gòu)和加氫條件的依存關(guān)系，及其與 FT 油的混調(diào)。2. C1 定向轉(zhuǎn)化的催化基礎(chǔ)(1) 對于低溫水相 FT 合成過程，以 Fe、Co 代替貴 金屬 Ru 的關(guān)鍵在于要將兩者活性高的表面盡可能暴露，因此在催化劑制備過程中必須對其形貌進行控制；同時，要保證催化劑有足夠的穩(wěn)定性，必須選擇適宜的有機配體對納米粒子進行保護，以免在反應(yīng)過程中發(fā)生形貌改變和粒子團聚；(2) 實現(xiàn)甲醇定向轉(zhuǎn)化為汽油、烯烴、芳 烴等油品和化學(xué)品的關(guān)鍵在于控制其在分子篩酸性位上形成的中間體（烴池物種）結(jié)構(gòu)和種類，這就要求認(rèn)識分子篩孔道結(jié)構(gòu)和酸性特征與甲醇轉(zhuǎn)化中間體的關(guān)系、C–O 鍵到 C–C 鍵的 轉(zhuǎn)變機制和反應(yīng)路徑，并 對此進行調(diào)控；(3) 甲醇制備清潔柴油組分 DMM3-8 的關(guān)鍵在于研制催化性能良好的功能化離子液體催化劑。這就需要深入認(rèn)識功能化離子液體催化劑與反應(yīng)物間的相互作用機制、反應(yīng)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機理，以揭示影響反應(yīng)活性、選擇性和穩(wěn)定性的本質(zhì)。3. 系統(tǒng)集成與優(yōu)化的化學(xué)工程基礎(chǔ)(1) 褐煤部分加氫程度與油品性質(zhì)和殘渣氣化特性的內(nèi)在關(guān)系，為實現(xiàn)部分加氫液化與氣化過程的最佳匹配提供依據(jù)；(2) 部分加氫、殘渣氣化、FT 合成、甲醇 轉(zhuǎn)化各關(guān)鍵轉(zhuǎn)化單元的物料與能量匹配關(guān)系及其傳熱、傳質(zhì)規(guī)律， 為實現(xiàn)全系統(tǒng)中能量的梯級利用和CO2 循環(huán)利用提供指導(dǎo)。針對褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)鍵問題，本項目擬從以下幾個方面展開研究：1. 褐煤分級液化與高效轉(zhuǎn)化的化學(xué)基礎(chǔ)(1) 我國典型褐煤的微孔結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)組成、 羧基和羥基等含氧官能團及氫鍵的分布與調(diào)控規(guī)律，褐煤加氫活性與脫水程度等的內(nèi)在關(guān)系；(2) 褐煤結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和物化性質(zhì)在熱轉(zhuǎn)化過程中的變化規(guī)律，揭示褐煤的脫水機理及影響褐煤分級液化活性的本質(zhì)，闡明氣-液-固三相共存條件下褐煤與供氫溶劑、加氫催化劑之間的相互作用機制和氫在油煤漿體系中的擴散與傳遞規(guī)律，篩選與褐煤加氫活性位相匹配的高效催化劑和供氫溶劑，實現(xiàn)對褐煤熱解行為和加氫液化深度的調(diào)控；2. C1 定向轉(zhuǎn)化的催化基礎(chǔ)(1) 不同 Fe、Co 前驅(qū)體分解 產(chǎn)生納米粒子的機理， 納米粒子不同表面與配體的絡(luò)合特性，反應(yīng)過程中反應(yīng)物和產(chǎn)物在保護劑的擴散行為，及其對納米粒子 FT 合成催化性能的影響；(2) 分子篩孔道結(jié)構(gòu)、組成、形貌、酸性特征和吸脫附性能對甲醇轉(zhuǎn)化為烴類化合物選擇性和穩(wěn)定性的影響，反應(yīng)中間體（烴池物種）結(jié)構(gòu)和種類、C–O 鍵到 C–C 鍵的轉(zhuǎn)變機制、反應(yīng)路徑和催化劑失活行為，以及不同形狀成型分子篩催化劑的傳熱、傳質(zhì)行為和反應(yīng)物與產(chǎn)物的流動傳遞規(guī)律；(3) 不同結(jié)構(gòu)、組成和形貌的功能化離子液體的物化性質(zhì)、相態(tài)變化規(guī)律及其對三聚甲醛和甲醇縮合制 DMM3-8 催化性能的影響，反應(yīng)過程中離子液體的結(jié)構(gòu)和過渡態(tài)的認(rèn)識，以及規(guī)?；x子液體制備技術(shù)的研發(fā)。3. 系統(tǒng)集成與優(yōu)化的化學(xué)工程基礎(chǔ)(1) 褐煤分級液化中各關(guān)鍵轉(zhuǎn)化單元，包括脫水、部分加氫和高溫漿態(tài)床FT 合成等過程中的傳熱傳質(zhì)特性和反應(yīng)工程基礎(chǔ)，物料與能量匹配關(guān)系；(2) 采用計算與過程模擬方法，對褐煤分級液化各關(guān)鍵單元的物流、能量供需進行分析，通過系統(tǒng)集成與優(yōu)化完善分級轉(zhuǎn)化工藝路線，實現(xiàn)褐煤資源的潔凈轉(zhuǎn)化與能量的梯級利用。