低階煤催化解聚研究.pdf

1、化石能源的大量使用是造成全球變暖的主要原因，但我國能源資源的賦存狀態(tài)決定了高碳的煤炭在相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)依然是我國一次能源來源的必然選擇。作為現(xiàn)代煤化工基礎(chǔ)的煤氣化過程是先將煤中的化學(xué)鍵全部打破，然后再重組，合成各種化工產(chǎn)品，這導(dǎo)致了煤氣化過程中大量的能量輸入和損耗，進(jìn)而造成了大量的二氧化碳排放。因此，創(chuàng)新煤轉(zhuǎn)化思路、開發(fā)低碳煤轉(zhuǎn)化工藝，對于兌現(xiàn)我國未來對國際社會(huì)碳減排的承諾，保障我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中的能源供應(yīng)和關(guān)鍵產(chǎn)品領(lǐng)域的能源安全具有重要

2、的戰(zhàn)略意義。
　　在我國煤炭資源中，低階煤（褐煤和低變質(zhì)煙煤）儲(chǔ)量大，目前低階煤的探明儲(chǔ)量及產(chǎn)量均占50％左右。相對于中、高煤階煤，低階煤中煤以二環(huán)或三環(huán)芳香結(jié)構(gòu)為主，芳香結(jié)構(gòu)單元間以豐富的橋鍵相連。在溫和條件下盡可能將煤中這些高價(jià)值結(jié)構(gòu)解離出來，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)煤基高分子化工生產(chǎn)工藝，可望在低碳排放下實(shí)現(xiàn)煤的高值利用。
　　過時(shí)的不是煤炭，而是利用煤炭的方法。通過催化劑的作用，改變煤中化學(xué)鍵的鍵能，使在相對溫和的條件下，有

3、更多的小分子芳香環(huán)從大分子結(jié)構(gòu)上解離，成為產(chǎn)物釋放。催化熱解概念并不新鮮，但加入煤中的催化劑在煤熱解過程中能否如愿對煤中化學(xué)鍵的斷裂進(jìn)行干預(yù)，卻值得深究。所以，研究催化劑對煤熱解的作用，首先要使催化劑能高分散地與煤分子深度接觸。
　　本文首先采用了一種新的催化劑加入方法，將催化劑迅速快捷地加入到大顆粒煤中，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究主要考察三個(gè)方面：（1）研究中所用的催化劑及其加入方式能否促進(jìn)煤的低溫解聚，增加焦油收率；（2）加入的催化

4、劑使熱解產(chǎn)物的品質(zhì)發(fā)生怎樣的變化；（3）催化劑對煤解聚的作用機(jī)理。
　　通過對 Fe基催化劑和 Mo基催化劑加入煤中進(jìn)行熱解所形成的焦油、煤氣、半焦收率及組成變化的研究，獲得了以下主要結(jié)論：
　　1、采用程序升溫的方式在釜式反應(yīng)爐中進(jìn)行了兩個(gè)系列14個(gè)煤的鐵催化低溫解聚實(shí)驗(yàn)。在 Fe催化劑作用下，多數(shù)褐煤及低階煙煤的熱解轉(zhuǎn)化率及焦油收率有不同程度的增減，證明了本研究采用的催化劑及其加入方式實(shí)現(xiàn)了對煤熱解的干預(yù)；多數(shù)煤呈現(xiàn)的熱

5、解轉(zhuǎn)化率增加及焦油收率增加驗(yàn)證了可以通過該類型催化劑及添加方式促進(jìn)煤的解聚，即實(shí)現(xiàn)煤的催化解聚。
　　2、通過元素分析、TG及GC-MS等技術(shù)對熱解焦油進(jìn)行了多方位分析，F(xiàn)e基催化劑使內(nèi)蒙A煤催化解聚焦油中酚類化合物收率增加了132%，Mo催化劑使則使其焦油中二環(huán)芳烴化合物收率增加了96%；Fe基催化劑和Mo基催化劑均使新疆A煤催化解聚焦油中，烷烴類化合物收率顯著增加，分別增加了111%和117%，焦油中低于300℃的輕質(zhì)組分含量

6、分別增加了9.15%和14.6%，焦油均呈現(xiàn)出顯著的輕質(zhì)化。
　　3、運(yùn)用紅外、拉曼及 XRD技術(shù)，對熱解半焦的聚合度進(jìn)行了分析，F(xiàn)e基催化劑和Mo基催化劑均使內(nèi)蒙A煤與新疆A煤在催化解聚過程中抑制了半焦的聚合，遲滯了半焦的石墨化發(fā)展。
　　4、通過色譜分析，在催化劑作用下，內(nèi)蒙 A與新疆 A催化解聚煤氣中H2與CH4含量降低，煤氣熱值降低。
　　5、Fe基催化劑在煤熱解過程中同時(shí)具備催化裂解和加氫功能，兩種作用的顯性

7、程度與煤種結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，在內(nèi)蒙A煤中主要體現(xiàn)裂解作用，在新疆A煤主要顯現(xiàn)加氫作用。Fe基催化劑催化作用機(jī)制為：Fe通過落位富電官能團(tuán)促進(jìn)這些基團(tuán)的斷鍵，通過對H的親和作用控制析氫速度，增加了捕獲裂解碎片的機(jī)會(huì)，抑制了縮聚成焦，增加焦油收率。
　　6、Mo的催化解聚作用主要表現(xiàn)為加氫作用，且具有一定的選擇性，即表現(xiàn)為促進(jìn)焦油的加氫，而Fe催化劑對焦油碎片和半焦碎片都具有加氫作用，進(jìn)而明顯降低半焦縮聚度。
　　7、進(jìn)行了半焦的N

8、2吸附與CO2氣化反應(yīng)性表征，研究表明Fe基催化劑和Mo基催化劑通過改變煤的熱解歷程，改變了半焦的孔隙結(jié)構(gòu)，從而影響了半焦的氣化反應(yīng)行為。對新疆A煤，F(xiàn)e基催化劑呈現(xiàn)出對半焦更為明顯的加氫作用，使半焦的比表面積顯著增加，進(jìn)而使半焦的氣化反應(yīng)性提高1.2倍。
　　8、催化劑不僅干預(yù)煤的熱解，而且也對煤中的硫有催脫和催阻作用。內(nèi)蒙A煤加入催化劑后，相對原煤，各無機(jī)形態(tài)硫及有機(jī)硫脫除率均顯著下降，導(dǎo)致總脫硫率分別下降了8.48%和47.