长焰煤催化热解生成单环芳烃的机理研究

煤的催化热解是提高煤炭利用率和制备高附加值化学原料的有效途径之一。尽管煤的催化热解研究已有二十多年的历史，并取得了一定进展，但仍有许多科学问题亟待解决。国内外的研究热点主要集中在催化剂的筛选和催化热解工艺的开发，以期提高热解的转化率和产物选择性。相对而言，对催化剂设计，催化剂物理化学特性与催化热解产物的构效关系，以及相应的热解机理研究偏少，其中一个主要制约因素是催化热解过程极为复杂，这在很大程度上限制了研究进展。本课题拟在现有工作的基础上，通过调控分子筛催化剂酸性，引入活性过渡金属等方法，开展基于分子筛的高挥发份长焰煤的热解催化剂制备、表征和相应热解机理的研究，建立分子筛催化剂物理化学特征与热解产物及其组成分布的构效关系，探索生成单环芳烃的机制；以期提高高挥发份煤制备高附加值单环芳烃BTX（苯、甲苯、二甲苯）的收率和选择性，实现煤炭的高效、低污转化利用。

在项目实施过程中，紧扣研究目标，通过催化剂的设计制备以及优化，实现了长焰煤热解产物的组成和分布基本可控，并已初步建立催化剂的物理化学特性与热解产物的组成和分布的构效关系。研究表明：过渡金属氧化物担载型分子筛催化剂和过渡金属硫化物催化剂可显著促进热解产物中高热值气体（CO，CH4）和芳烃类化合物等的生成。共发表研究论文14篇（均标注基金号），其中SCI收录8篇，EI收录3篇，核心收录3篇；参加国际会议3次（其中2篇会议论文被SCI收录），口头报告3个；参加国内学术会议3次，口头报告1个；正在申请发明专利一件；协助培养硕士2名；达到了预期研究目标。.1)设计制备了用于长焰煤热解的高效催化剂并对其进行结构表征。设计制备出了基于FAU型分子筛的过渡金属氧化物担载型催化剂（MOx/Zeolite），以及过渡金属硫化物催化剂。利用XRD，TEM，SEM-EDX，BET，NH3-TPD等手段对所制备的催化剂进行了物理化学结构表征。.2)研究了典型长焰煤的催化热解特性。利用TG-FTIR联用技术在线考察了MOx/Zeolite催化剂上长焰煤热解特性和产物生成规律。结果表明，MOx/Zeolite催化剂可明显改善长焰煤热解产物组成和分布，并降低长焰煤热解二次脱气阶段的活化能。.3)初步揭示了催化剂物理化学性质与长焰煤定向可控热转化规律。集成利用FTIR，TEM，SEM，EDX，XRD等表征技术研究了长焰煤在MOx/Zeolite催化剂上热解的转化途径，以及催化剂失活和再生过程。实验测定了煤催化热解的动力学参数，并用总包一级反应模型和自由分布模型（DAEM）对其进行了动力学分析。探索了长焰煤定向可控热解的潜在规律。.4)搭建了两段式高压热解装置。将MOx/Zeolite催化剂用于低阶煤的中低温热解，在两段式高压固定床上考察低阶煤热解的产物分布和转化率，优化中低温热解的工艺条件，为探索低阶煤高效清洁利用提供重要的基础数据和科学依据，为低阶煤高效定向热解的放大和后期连续生产提供基础数据。