褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化的催化與化學(xué)工程基礎(chǔ)

1、項(xiàng)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(guó) 中國(guó)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(guó)科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)總體目標(biāo)：通過(guò)對(duì)褐煤潔凈高效轉(zhuǎn)化過(guò)程中所涉及的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究，豐富褐煤優(yōu)化利用的化學(xué)基礎(chǔ)理論，開(kāi)發(fā)褐煤分級(jí)液化新過(guò)程，發(fā)展甲醇定向、可控轉(zhuǎn)化為液體燃料和化學(xué)品過(guò)程中催化劑的設(shè)計(jì)與制備新方法，并通過(guò)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(shí)為煤轉(zhuǎn)化過(guò)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(guò)與間接液化的系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)能量的梯級(jí)利用，使褐煤轉(zhuǎn)化

2、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(jí)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(duì)反應(yīng)活性、選擇性的調(diào)控規(guī)律，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液相FT合成原創(chuàng)技術(shù)；(3) 認(rèn)識(shí)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(shí)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(wàn)噸級(jí)中試；(4) 通過(guò)褐煤分級(jí)液化過(guò)程中產(chǎn)生的甲烷與CO2重整制合成氣，形成與煤分級(jí)液化過(guò)程配套的專有技術(shù)，減少CO2排放，實(shí)現(xiàn)高碳資源的低碳化利用；(5)

3、形成發(fā)明專利20件，在國(guó)內(nèi)外核心期刊發(fā)表論文300篇，出版專著12部，主辦國(guó)際會(huì)議12次；(6) 通過(guò)該項(xiàng)目的組織和實(shí)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(tuán)隊(duì)，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(guó)煤炭?jī)?chǔ)量的13%（1300億噸），其特點(diǎn)是水分高（1050）、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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)提出新的技術(shù)路線，同時(shí)對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化集成提高能量利用效率。基于上述考慮，本項(xiàng)目提出將直接液化和間接液化有機(jī)結(jié)合，通過(guò)多聯(lián)產(chǎn)和系統(tǒng)強(qiáng)化提高褐煤轉(zhuǎn)化的能量利用效率

4、，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?jiān)?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(guò)程中產(chǎn)生的高濃度CO2和甲烷重整制合成氣，進(jìn)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(guò)甲醇轉(zhuǎn)化為汽油和高附加值化學(xué)品。因此，本項(xiàng)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(guò)程中的一些共性基礎(chǔ)問(wèn)題，為甲醇產(chǎn)業(yè)鏈延伸提供科學(xué)基礎(chǔ)?？傊?，本項(xiàng)目的學(xué)術(shù)思想就是利用褐煤獨(dú)特的物化性質(zhì)，通過(guò)分級(jí)轉(zhuǎn)化和系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)能量梯級(jí)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

5、褐煤分級(jí)液化示意圖根據(jù)上述學(xué)術(shù)思想，設(shè)計(jì)了以分級(jí)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(diǎn)如下：(1) 利用全系統(tǒng)不同階段的反應(yīng)熱，將褐煤梯級(jí)加熱至430 oC，褐煤脫水得到的水蒸汽進(jìn)入余熱鍋爐回收，通過(guò)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?jiān)?，氣化得到合成氣，進(jìn)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（DMM3-8），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(duì)成熟，不列為本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容；(3) 褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)

6、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(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)CO2減排。同時(shí)探索CO2催化轉(zhuǎn)化為碳酸酯等精細(xì)化學(xué)品的新過(guò)程。3. 創(chuàng)新性與特色本項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)褐煤儲(chǔ)量大、開(kāi)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(jí)轉(zhuǎn)化方案，開(kāi)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(dú)特的物化性質(zhì)，提出了褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化的新概念，將部分加氫液化和間接液化有機(jī)結(jié)合，通過(guò)能量的梯級(jí)利用，大幅提高過(guò)程的整體能效；同時(shí)將分級(jí)液化過(guò)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(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)CO2減排；· 針對(duì)FT合成強(qiáng)放熱、熱力學(xué)上低溫有利的特點(diǎn)

7、，提出了利用納米金屬粒子催化劑獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和限域效應(yīng)，在低溫和水相條件下實(shí)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(jià)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(dú)特的性能，但還沒(méi)有實(shí)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(jí)中試。本項(xiàng)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(xiàng)目的總體學(xué)術(shù)思路，以及以分級(jí)轉(zhuǎn)化和甲醇定向轉(zhuǎn)化

8、為中心的具體技術(shù)途徑，設(shè)置了6個(gè)課題，各課題間相互關(guān)系見(jiàn)圖3。圖3 課題設(shè)置及相互間關(guān)系課題 1：褐煤分級(jí)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(wèn)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(guò)程中供氫溶劑與催化劑的匹配關(guān)系、分級(jí)轉(zhuǎn)化各組成單元之間的能量梯級(jí)利用等。這些問(wèn)題的解決，將有助于褐煤大規(guī)模分級(jí)轉(zhuǎn)化制備液體燃料和化學(xué)品過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)。課題 2：合成氣高效轉(zhuǎn)化新催化體系研究 針對(duì)FT合成強(qiáng)放熱和熱力學(xué)上低溫有利的特點(diǎn)，研究新一代低溫水相FT合成的關(guān)鍵技術(shù)和科學(xué)問(wèn)題，如高活性廉價(jià)Fe、Co納米粒子催化劑的制備方法和穩(wěn)定性控

9、制等。這些問(wèn)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(gè)過(guò)程變得更為經(jīng)濟(jì)、高效。課題 3：甲醇制烴類選擇性調(diào)控的催化基礎(chǔ) 針對(duì)甲醇轉(zhuǎn)化為汽油、烯烴、芳烴等過(guò)程中的共性問(wèn)題，如甲醇在分子篩孔道中的吸附、活性中間體、進(jìn)一步轉(zhuǎn)化途徑等，開(kāi)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(wèn)題的解決，將有助于開(kāi)發(fā)新的甲醇定向轉(zhuǎn)化催化劑與工藝過(guò)程，對(duì)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(jì)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

10、組分DMM3-8過(guò)程中的催化作用機(jī)理、傳熱機(jī)制和相變效應(yīng)，開(kāi)辟甲醇轉(zhuǎn)化的新技術(shù)途徑。課題 5：褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)程中CO2的循環(huán)利用 針對(duì)褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)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(kāi)發(fā)適合褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化的甲烷/CO2重整工藝，實(shí)現(xiàn)褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的CO2減排。課題 6：褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化若干關(guān)鍵過(guò)程的理論計(jì)算與模擬 針對(duì)褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)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(duì)反應(yīng)活性的影響、甄別反應(yīng)中間體、探討過(guò)渡態(tài)轉(zhuǎn)化途徑等，為催化劑設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化各關(guān)鍵過(guò)程的物流和能量進(jìn)行分

11、析，為系統(tǒng)集成和過(guò)程強(qiáng)化提供解決方案。各課題的具體情況如下：課題 1：褐煤分級(jí)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(shí)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(jì)、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(jī)理和動(dòng)力學(xué)特征，以及加氫程度與油品性質(zhì)及殘?jiān)鼩饣匦缘年P(guān)系；在實(shí)驗(yàn)室催化劑、溶劑、反應(yīng)工藝條件優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)行中試驗(yàn)證，打通工藝流程，獲得合格的單獨(dú)或者混兌油品，形成褐煤潔凈高效分級(jí)轉(zhuǎn)化新技術(shù)。主要研究?jī)?nèi)容：(1) 我國(guó)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

12、、羧基和羥基等含氧官能團(tuán)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(jī)理；通過(guò)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，選擇合適的反應(yīng)溶劑，開(kāi)發(fā)與具體過(guò)程相適應(yīng)的高活性催化劑；(3) 褐煤部分加氫后含碳?xì)堅(jiān)奈锘再|(zhì)及氣化特性與加氫程度的關(guān)系，設(shè)計(jì)與之相應(yīng)的氣化過(guò)程以及對(duì)合成氣組成進(jìn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的高等級(jí)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

13、能，優(yōu)化產(chǎn)物分布，進(jìn)行工藝條件優(yōu)化和過(guò)程強(qiáng)化，提高整個(gè)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(jìn)行驗(yàn)證。承擔(dān)單位：中國(guó)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(fèi)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(duì)FT合成強(qiáng)放熱和熱力學(xué)上低溫有利的特點(diǎn)，探索納米催化劑的設(shè)計(jì)與新合成方法，實(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)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

14、主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液相FT合成原創(chuàng)技術(shù)。主要研究?jī)?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(hù)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(hù)劑相互作用的本質(zhì)和規(guī)律；(2) 針對(duì)液相FT合成原創(chuàng)技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用對(duì)納米粒子在高壓流動(dòng)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(dòng)體系下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，研究溶劑在流動(dòng)體系下的相行為，設(shè)計(jì)新型納米粒子保護(hù)劑，提高納米粒子的催化活性和穩(wěn)定性；(3) 采用納米

15、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(jī)理，形成具有自主知識(shí)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(fèi)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(shí)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(jī)制及其對(duì)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(jī)理的基礎(chǔ)之上

16、，設(shè)計(jì)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(dòng)傳遞規(guī)律，實(shí)現(xiàn)甲醇轉(zhuǎn)化制烴類的選擇性調(diào)控和過(guò)程強(qiáng)化，為甲醇定向催化轉(zhuǎn)化過(guò)程規(guī)?；於▓?jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要研究?jī)?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(jī)制，揭示CO鍵到CC鍵的轉(zhuǎn)變機(jī)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(zhǎng)、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

17、關(guān)鍵影響因素與產(chǎn)物分布的理論模型；(3) 對(duì)甲醇定向轉(zhuǎn)化固體酸催化劑超細(xì)顆粒進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，研制新型微纖結(jié)構(gòu)催化填料，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱/傳質(zhì)、優(yōu)化流體傳遞和獨(dú)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(jì)提供新方法；通過(guò)數(shù)值模擬和計(jì)算，研究微纖結(jié)構(gòu)催化填料流體力學(xué)和流動(dòng)傳遞規(guī)律，揭示其過(guò)程強(qiáng)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(jì)提供新的途徑和理論依據(jù)；(4) 針對(duì)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(jī)制，通過(guò)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(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所課

18、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(fèi)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(kāi)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(shí)驗(yàn)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（DMM3-8）過(guò)程強(qiáng)化工藝基礎(chǔ)研究和中試，形成擁有自主知識(shí)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?jī)?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

19、從分子結(jié)構(gòu)和性能出發(fā)設(shè)計(jì)和剪裁合適的離子液體、以及開(kāi)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)?；苽浼夹g(shù)，依據(jù)催化劑物化性質(zhì)和合成反應(yīng)過(guò)程中的熱效應(yīng)、傳質(zhì)、相變效應(yīng)，設(shè)計(jì)新型熱交換器，強(qiáng)化物料混合的新型反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)催化劑質(zhì)量、純度可控的合成；(3) 開(kāi)展離子液體催化合成DMM3-8的過(guò)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中的穩(wěn)定性、循環(huán)再生、雜質(zhì)來(lái)源與富集等，以及催化劑特性與反應(yīng)器和外場(chǎng)的匹配特性，設(shè)計(jì)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性。承擔(dān)單位：中

20、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(fèi)比例：17%課題 5：褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)程中CO2的循環(huán)利用預(yù)期目標(biāo)：針對(duì)褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化過(guò)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(guò)程的高活性、高穩(wěn)定性的廉價(jià)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(duì)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?jī)?nèi)容：(1) 采用具有納米結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱性耐高

21、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(diǎn)，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(duì)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(jī)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(shí)反應(yīng)機(jī)理，研究抗積碳、抗燒結(jié)催化劑穩(wěn)定

22、的作用機(jī)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(guó)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(qiáng)經(jīng)費(fèi)比例：12.5%課題 6：褐煤分級(jí)轉(zhuǎn)化若干關(guān)鍵過(guò)程的理論計(jì)算與模擬預(yù)期目標(biāo)：采用理論化學(xué)計(jì)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(duì)主催化劑活性位結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控機(jī)制，CO/H2在不同活性位上CC、CH和COH鍵的形成機(jī)理等；研究甲醇在分子篩孔道中吸附和活化機(jī)制，不同中間態(tài)所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)物及轉(zhuǎn)化特征；采用分子動(dòng)力學(xué)和蒙特卡羅方法研究離子液體中陰陽(yáng)離子的結(jié)構(gòu)特征及相互作用方式對(duì)離子

23、液體催化性能的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)離子液體的宏觀性質(zhì)；針對(duì)分級(jí)液化過(guò)程，進(jìn)行系統(tǒng)集成優(yōu)化和過(guò)程模擬，形成工藝軟件包。主要研究?jī)?nèi)容：(1) 研究FexCy表面碳鏈生成和增長(zhǎng)機(jī)制，計(jì)算各基元反應(yīng)的過(guò)渡態(tài)、活化能和反應(yīng)能，從熱力學(xué)和動(dòng)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(jī)理，預(yù)測(cè)產(chǎn)物分布，結(jié)合實(shí)驗(yàn)表征和反應(yīng)結(jié)果，總結(jié)和完善FT反應(yīng)詳細(xì)機(jī)理；(2) 針對(duì)FT鐵基催化劑，結(jié)合量化計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)和完善現(xiàn)有的FT合成動(dòng)力學(xué)模型庫(kù)（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(zhǎng)模型（包括裂解），解決烯烷比偏離現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)產(chǎn)物分布

24、偏離ASF分布給予解釋，完善現(xiàn)有的FT合成動(dòng)力學(xué)模型；(3) 通過(guò)計(jì)算分析褐煤分級(jí)液化、FT合成、甲醇催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)、CO2重整甲烷過(guò)程中各個(gè)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(shí)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(jī)理；甲醇合成DMM3-8過(guò)程中離子液體結(jié)構(gòu)、活性中心、反應(yīng)過(guò)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(jì)提供指導(dǎo)。承擔(dān)單位：中國(guó)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(guó)主要學(xué)術(shù)骨干：焦海軍，霍春芳，郝栩，蔣鴻經(jīng)費(fèi)比例：17.5%5. 可行性分析本項(xiàng)目在學(xué)術(shù)思路、研究隊(duì)伍

25、、以及工作積累等方面具有如下優(yōu)勢(shì)，有能力和信心完成好項(xiàng)目研究工作，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)：(1) 本項(xiàng)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(jí)液化的方案，而合成氣轉(zhuǎn)化涉及的基本過(guò)程單元大多已經(jīng)有較好的研究基礎(chǔ)，部分已進(jìn)入工業(yè)示范階段。例如，F(xiàn)T合成已經(jīng)建成了3個(gè)年產(chǎn)16萬(wàn)噸的工業(yè)示范廠，運(yùn)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(shí)驗(yàn)；低溫水相FT合成的概念已經(jīng)在Ru催化劑上得到驗(yàn)證，被國(guó)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(guó)內(nèi)綜合研究實(shí)力較強(qiáng)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(cè)試

26、的先進(jìn)儀器及從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)規(guī)模的在線測(cè)試裝置，這在硬件上保證了本項(xiàng)目的順利實(shí)施和完成；(3) 研究隊(duì)伍聚集了國(guó)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(shì)力量，包括：1個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（北京分子科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）、3個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤轉(zhuǎn)化、羰基合成與選擇氧化、分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)、1個(gè)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室（煤炭間接液化國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）和2個(gè)部委級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（有機(jī)光電子與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海市綠色化學(xué)與化工過(guò)程綠色化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），涵蓋4個(gè)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科(化學(xué)工藝、物理化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué))，體現(xiàn)了能源與化工學(xué)科的交叉融合；(4) 項(xiàng)目

27、負(fù)責(zé)單位中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所是中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也是科技部唯一專門從事煤轉(zhuǎn)化過(guò)程研究的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)期開(kāi)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(guò)程中的關(guān)鍵科學(xué)和工程技術(shù)問(wèn)題的研究，在煤的低溫干餾、FT合成、甲醇定向轉(zhuǎn)化、理論計(jì)算和過(guò)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(jì)方面取得了國(guó)內(nèi)外矚目的成績(jī)，華東師范大學(xué)在催化劑顆粒設(shè)計(jì)、化工過(guò)程集成和強(qiáng)化等方面工作出色，中科院蘭州化學(xué)物理研究所長(zhǎng)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(jì)劃

28、年度研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年我國(guó)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(tuán)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(duì)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(zhǎng)機(jī)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CC、CH和COH鍵的形成機(jī)理。發(fā)表論文4060篇，申請(qǐng)專利46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(jī)理；研發(fā)與具體

29、過(guò)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(duì)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(duì)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(jí)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(jī)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5070篇，申請(qǐng)專利46件。第三年褐煤部分加氫后含碳?xì)堅(jiān)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(wàn)噸/年褐煤分級(jí)液化中試

30、裝置的系統(tǒng)配置和初步調(diào)試；C1定向催化轉(zhuǎn)化過(guò)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(dòng)力學(xué)。揭示褐煤部分加氫程度與油品性質(zhì)及殘?jiān)鼩饣钚缘膬?nèi)在關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)合理的褐煤熱化學(xué)裁剪提供依據(jù)；初步認(rèn)識(shí)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(jī)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(dòng)力學(xué)模型，為反應(yīng)器計(jì)算與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。發(fā)表論文5070篇，申請(qǐng)專利46件。第四年研制與褐煤分級(jí)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

31、驗(yàn)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(guò)程及其對(duì)甲醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)路徑的影響規(guī)律；量化計(jì)算研究功能離子液體結(jié)構(gòu)、活性中心、反應(yīng)過(guò)渡態(tài)和活化能的變化規(guī)律。形成褐煤分級(jí)液化工藝軟件包，打通 1萬(wàn)噸/年褐煤分級(jí)液化中試流程，提高整個(gè)系統(tǒng)的能量利用效率；深入認(rèn)識(shí)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(jī)理，揭示催化劑的失活機(jī)制和再生行為，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)體系下費(fèi)托反應(yīng)的高效運(yùn)行和預(yù)測(cè)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4050篇，申請(qǐng)專利46件。第五年計(jì)算褐煤分級(jí)液化和FT合成中各個(gè)工藝流程單元

32、的物料和能量供需，進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和過(guò)程強(qiáng)化，完善褐煤分級(jí)液化中試裝置，并完成12個(gè)不同褐煤的分級(jí)液化中試實(shí)驗(yàn)；在前面研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改進(jìn)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(jì)算數(shù)據(jù)；對(duì)反應(yīng)工藝進(jìn)行流程和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；撰寫(xiě)項(xiàng)目研究報(bào)告，做好驗(yàn)收準(zhǔn)備。建立褐煤分級(jí)液化與FT合成過(guò)程的最優(yōu)單元模型和系統(tǒng)集總模型，實(shí)現(xiàn)中試裝置穩(wěn)定運(yùn)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(jī)理，研制出性能優(yōu)良的C1定向轉(zhuǎn)化催化劑，完成萬(wàn)噸級(jí)甲醇轉(zhuǎn)化制清潔柴油組分工藝設(shè)計(jì)軟件包，形成具有自主知識(shí)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(shí)現(xiàn)甲醇制烴的選

33、擇性調(diào)控。發(fā)表論文4050篇，申請(qǐng)專利35件。一、研究?jī)?nèi)容從我國(guó)能源安全、資源結(jié)構(gòu)特征和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略來(lái)看，以資源優(yōu)化利用和節(jié)能減排為宗旨，分級(jí)液化技術(shù)為先導(dǎo)、定向催化轉(zhuǎn)化技術(shù)為核心、過(guò)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(xiàng)目根據(jù)褐煤揮發(fā)分高、加氫反應(yīng)活性好的特點(diǎn)，將直接液化和間接液化有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)多聯(lián)產(chǎn)和系統(tǒng)強(qiáng)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(shí)施的核心在于解決好如下關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：1. 褐煤分級(jí)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?jiān)鼩饣匦耘c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(jī)制和氫在油煤漿體系中的擴(kuò)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(duì)于低溫水相FT合成過(guò)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(guò)程中必須對(duì)其形貌進(jìn)行控制；同時(shí)，要保證催化劑有足夠的穩(wěn)定性，必須選擇適宜的有機(jī)配體對(duì)納米粒子進(jìn)行保護(hù)，以免在反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生形貌改變和粒子團(tuán)聚；(2) 實(shí)現(xiàn)甲醇定向轉(zhuǎn)化