创
新点
（1）全面分析了反应条件（温度、溶剂、气氛和压力）与预处理方法（热预处理、溶胀预处理、萃取预处理以及水热预处理）对低阶煤催化加氢转化的影响。
（2）总结了铁基催化剂、过渡金属催化剂、酸催化剂和固体超强碱催化剂在低阶煤催化加氢转化中的催化作用和氢转移机理。
（3）指出了未来需进一步了解煤结构组成与反应性之间的关系，开发高效稳定且环境友好地催化加氢催化剂，定向破坏低阶煤的大分子结构，提高目标产物收率。
作 者
赵云鹏1,2，吴法鹏1，司兴刚1，赵 薇1，高寒冰1，康国俊3，曹景沛1，魏贤勇1
单 位
1. 中国矿业大学 江苏省碳资源精细化利用工程研究中心；2. 新疆大学 新疆维吾尔自治区煤炭清洁转化与化工过程重点实验室；3. 中国矿业大学 低碳能源研究院
研究背景
随着能源资源需求快速增长与石油以及优质煤资源短缺的矛盾日益突出,以低阶煤为原料制备燃料和化学品引起了众多学者的关注。低阶煤主要指褐煤和次烟煤,其储量丰富,约占煤炭总量的47%。直接燃烧是低阶煤的主要利用方式,长期以来,大量低阶煤用于火力发电和工业锅炉燃料。然而,低阶煤氧含量和灰分高,直接燃烧热效率低,而且燃烧过程中排放大量CO2并产生烟尘、氮氧化物和硫氧化物,严重污染环境。煤洁净高效转化是指除燃烧外的化学转化,主要包括煤的液化、气化和热解,根据原料的特性和产品需求可以选择合适的技术。
低阶煤因有机质缩合程度低,富含桥键和侧链,挥发分和氢碳原子比(H/C)高,具有良好的液化性能。煤直接液化(DCL)是在400~500 ℃, 15~30MPa的H2气氛下通过催化剂将H/C约为0.8的固体煤转化为H/C约为2的液体燃料的过程。DCL实质就是对煤进行催化加氢转化(CHC)生成液体小分子化合物,包括催化加氢、裂解、加氢脱氮、加氢脱硫以及加氢脱氧等反应。尽管DCL已实现工业化,如我国的神华液化工艺,但DCL存在以下问题:①反应条件苛刻,通常在高温高压条件下进行,投资和运行成本高;②煤液化产品组成复杂,附加值低;③低阶煤富含含氧官能团,如醚键和酚羟基等,在液化过程中易发生加氢脱氧反应和缩合交联反应,增加氢耗并生成较多水;④催化剂活性较低,供氢速率与煤有机质裂解速率不匹配,导致产品重质化程度高;⑤煤直接液化会产生约占原煤质量20%~30%的液化残渣,造成环境污染和资源浪费。因此,在相对温和条件下对低阶煤进行CHC将其转化为燃料或化学品具有重要意义。
摘 要
低阶煤有机质缩合程度低,富含桥键和侧链,氢碳原子比和挥发分高,具有较高的化学反应性。催化加氢转化是从低阶煤中获取液体燃料和化学品的有效途径之一。然而,低阶煤氧含量和水含量高,在加氢转化过程中会增加氢耗和能耗,不利于油类的生成,且给产物分离带来困难。此外,催化加氢转化通常在高温高压条件下进行,产品组成复杂且重质化程度高,导致成本高但收益低。
如何优化反应体系,进而提高低阶煤转化率和液体产物收率,是低阶煤催化加氢转化亟待解决的问题。催化剂是低阶煤催化加氢转化的核心,发挥着活化氢气、促进加氢转化和脱除杂原子的作用,直接决定反应体系苛刻程度和产物品质。
反应条件作为反应体系另一组成要素,既可控制煤中共价键断裂速率及活性氢生成与转移,又能抑制自由基发生缩聚反应,进而影响催化剂性能和产物组成分布。此外,预处理可以改变煤物理结构与化学活性,从而影响低阶煤催化加氢转化特性。
综述了反应条件(温度、溶剂、气氛和压力)与预处理方法(热预处理、溶胀预处理、萃取预处理以及水热预处理)对低阶煤催化加氢转化或直接液化影响的研究进展,以及主要的低阶煤加氢转化催化剂,提出了下一步低阶煤加氢转化的研究方向。
部分图片
神华煤液化模型
不同温度、不同溶剂溶胀预处理对神华次烟煤液化的影响
模型化合物在负载型固体酸作用下可能的加氢转化路径
苄基苯基醚在Ni-Mg2Si/γ-Al2O3作用下可能的加氢转化路径
研究方向
煤的结构与反应性、低阶煤和生物质的温和转化
主要成果
长期从事煤的结构和反应性、低阶煤和生物质的热解和液化研究，取得多项创新性成果，开发了中低阶煤有机质的逐级解离/解聚方法，合成了一系列中低阶煤及所得液体产物定向加氢的新型催化剂，基于质谱方法学深入分析了煤中有机质的组成和结构特征，相关研究成果发表在国内外主流能源类期刊上，为从分子水平上揭示煤的大分子结构特征和中低阶煤的高附加值转化提供了科学依据。
赵云鹏,吴法鹏,司兴刚,等. 低阶煤催化加氢转化研究进展[J]. 煤炭学 ,2021,46(4):1067-1079.
ZHAO Yunpeng,WU Fapeng,SI Xinggang,et al. Advances in catalytic hydroconversion of low-rank coals[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(4):1067-1079.
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