“煤加工与洁净化工技术”专题（《煤炭学报》）

来源：《煤炭学报》

国际能源署(IEA)《全球煤炭市场报告(2018-2023)》预测，尽管未来煤炭对全球能源结构的贡献将略有下降，但当前仍是全球能源系统的核心，我国位居全球煤炭消费第一，煤炭清洁化发展至关重要。2020年政府工作报告指出“保障能源安全，推动煤炭清洁高效利用”，为煤炭行业的高质量发展指明了方向。但总体而言，我国煤炭清洁高效利用仍面临成本高、部分关键技术不成熟、配套设施和相关政策缺失等问题，要实现规模化产业发展还存在诸多阻力和挑战。

因此，面向国家重大战略需求、面向经济主战场、面向世界科技前沿，推进煤炭清洁高效利用，《煤炭学报》编辑部特邀太原理工大学煤科学与技术重点实验室李文英教授担任客座主编，在2021年第4期组织出版“煤加工与洁净化工技术”专题。

行业视野: 煤化工
类别; 74个
关键词; 83位
专家; 17篇
论文; 14592IP
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《煤炭学报》2021年第4期封面

作者(Author)：《煤炭学报》

摘要：本期封面为“煤加工与洁净化工技术”专题

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煤炭学报

2021年第04期

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“煤加工与洁净化工技术” 专辑特邀主编致读者

作者(Author)：李文英

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低阶煤催化加氢转化研究进展

作者(Author)：赵云鹏, 吴法鹏, 司兴刚, 赵薇, 高寒冰, 康国俊, 曹景沛, 魏贤勇

摘要：低阶煤有机质缩合程度低，富含桥键和侧链，H/C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。本文综述了反应条件（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，旨在启发研究者设计更高效的低阶煤加氢转化反应体系。

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褐煤加氢反应中氧的分布、迁移与转化规律

作者(Author)：李旺, 冯杰, 冯敏敏, 王兴宝, 李文英

摘要：褐煤中较高的氧元素质量分数在加氢反应过程中极易生成水，从而增加了单位目标产物生成过程中的氢耗。反之，若将氧元素以酚羟基的形式保留在油品中，辅之以提酚工艺可将褐煤中的氧元素得到高值化利用。为了提高褐煤中O元素在液体产物中有机化合物的质量分数，在实验分析的基础上，将褐煤加氢反应过程分为3个阶段，以氧元素物料衡算为约束，通过定量分析各阶段加氢反应产物中含氧官能团摩尔质量浓度变化，揭示了褐煤中氧的热转化规律。第1阶段，氧元素的迁移方向为从四氢呋喃不溶物(THFI)转移至H2O和CO2，相应温度范围为室温~400 ℃;第2阶段，沥青质与前沥青质(PAA)和四氢呋喃不溶物中的氧元素主要迁移至正己烷可溶物和H2O中，同时，该阶段正己烷可溶物中酚类氧出现峰值，对应的温度区间为400~450 ℃，并在450 ℃保持30 min;第3阶段，随着液化反应过程持续，氧元素迁移方向转变为由正己烷可溶物转移至沥青质与前沥青质以及四氢呋喃不溶物。同时，由于发生了明显的缩聚反应，正己烷可溶物中的酚类化合物产率逐渐减少，此阶段对应的温度为450 ℃下保持30~60 min。通过上述3个阶段产物中含氧量分析，表明褐煤加氢反应产物中含氧官能团赋存形式不仅受化学环境影响，而且与反应条件直接相关。基于对含氧官能团的定性定量分析结果，褐煤中含氧官能团在加氢反应热转化过程中变化规律的揭示，将有助于对煤直接液化反应过程中化学问题的认识和理解。

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SiO2包覆对Ni2P/Al2O3催化剂结构和萘加氢性能的影响

作者(Author)：荆洁颖, 李泽, 杨志奋, 王九占, 刘道诚, 李文英

摘要：煤焦油中萘系烃类化合物通过加氢转化为氢化芳烃或环烷烃可显著增强喷气燃料的热安定性，该加氢过程实现的关键在于如何有效研制高选择性芳烃加氢催化剂。针对商业用金属硫化物催化剂尚不足以控制芳烃加氢选择性的问题，Ni2P催化剂因其具有特殊的晶体形貌和电子结构表现出很高的本征加氢活性，有望成为新一代高效芳烃加氢催化剂。但由于非负载型Ni2P催化剂存在比表面积小、活性相分散度、机械强度及散热性不佳的问题，研究者大多借助载体的高比表面积分散活性组分，而不同载体对Ni2P的生成、分散度和催化剂的活性都有着重要影响。因此，采用次磷酸盐歧化法制备了不同SiO2包覆量的Ni2P/Al2O3催化剂(Cat-xSi)以期调变前驱体中镍物种、催化剂中Ni2P与载体之间的相互作用，使得在适宜的载体与金属相互作用下生成更多Ni2P物种并实现更高的分散，同时系统考察了SiO2包覆对Ni2P/Al2O3催化剂结构和萘加氢性能的影响。结果表明:当反应温度为340 ℃，氢气压力为4 MPa，氢油比(反应原料中氢气与3%(质量分数)萘/四氢萘的正癸烷溶液的体积比)为600，重时空速为20.8 h-1时，所有SiO2包覆的Cat-xSi催化剂萘转化率(>65%)均高于未包覆SiO2的催化剂(萘转化率56%)，其中，Cat-16.0Si催化剂的萘转化率为72%，这是因为Cat-16.0Si催化剂中更小的Ni2P颗粒(4.0 nm)和更多的Ni2P数量使得催化剂中暴露出更多活性位点(CO吸附量为26.8 μmol/g)，而稳定存在的缺电子程度更高的Niδ+及催化剂表面更多的B酸位点进一步促进了芳烃的吸附。

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2021年第04期

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新疆淖毛湖煤直接液化富产芳烃的催化加氢过程

作者(Author)：赵鹏, 刘敏, 李文博

摘要：为提升煤直接液化油品的附加值，凸显其高芳烃的结构优势，以新疆淖毛湖煤(NMH)和循环溶剂为原料，利用2 L高压釜研究了NMH煤加氢液化富产芳烃的过程调控和催化剂调控规律，借助1H-NMR进行了不同催化体系中馏程<150 ℃轻质油的芳香结构特征比对分析，借助傅里叶红外(FTIR)和热重(TG)研究了不同催化体系中间产物沥青质(PAA)芳香分子结构的改变，借助XRD，饱和磁化强度和扫描电镜对四氢呋喃不溶物(THFI)形貌，铁的晶型和磁性能进行了解析，分别探究了铁系催化剂在煤液化条件下的相变过程对NMH煤轻质转化影响。结果表明，420 ℃，17 MPa和 60 min 是NMH煤加氢液化富产芳烃的最优工艺参数，适宜的反应温度和停留时间能够降低沥青质(PAA)的缩聚和液化油的过度加氢，有利于馏程<150 ℃轻质油的生成，反应压力的提升有利于PAA的轻质转化，但对馏程<150 ℃轻质油的生成影响不大。传统催化剂的活性态Fe7S8在煤直接液化初期发挥了催化作用，加氢液化后期，Fe7S8活性态逐步向Fe9S10和FeS非活性态转变。与传统铁系催化剂相比，复合型催化剂在加氢液化过程中降低了Fe7S8活性态向非活性态的转化程度，显著促进煤和PAA的轻质转化，馏程<150 ℃轻质油产率提高了25.64%，具有更多的芳香分子结构，芳潜提升明显。采用复合型催化剂进行过程调控研究，初步形成煤直接液化富产芳烃的工艺基础。

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2021年第04期

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Ni，Pd，Pt负载α-MoC催化水煤气变换反应理论

作者(Author)：史肖, 邹雪燕, 黄伟, 左志军

摘要：氢能因清洁高效、可再生等优点，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。水煤气变换反应是工业上常用的反应，在将CO废气回收利用的同时也是一种重要的制氢手段，具有治理环境和节能减排的双重优点。α-MoC作为一种催化载体，显示出优异的特性。Pd,Ni,Pt基催化剂是水煤气变换反应常用的催化剂。为了进一步了解α-MoC载体在水煤气变换反应中的作用和其负载不同金属时的催化性能，密度泛函理论和动力学蒙特卡洛方法考察了Ni4/α-MoC(111)，Pd4/α-MoC(111)和Pt4/α-MoC(111)上的反应机理和活性。研究结果显示，在Ni4/α-MoC(111)和Pd4/α-MoC(111)，水煤气变换反应为氧化还原路径:CO直接与H2O分解产生的氧结合，生成CO2;在Pt4/α-MoC(111)催化剂上，水煤气变换反应通过羧酸盐路径发生:CO与H2O分解产生的羟基结合，生成羧酸盐中间体，最后分解成CO2。Ni4/α-MoC(111)和Pd4/α-MoC(111)催化剂上水煤气变换反应的能垒较高，因此催化剂活性和H2的转换频率较低。Pt4/α-MoC(111)催化剂上，由于CO的强稳定性导致活性位点被其覆盖，反应活性较低;随着反应温度的升高，CO的脱附能降低，催化活性随之增高。总体来说，标准大气压下，反应温度在400~500 K内，H2O与CO的物质的量之比为1时，Pt4/α-MoC (111)催化剂H2的转换频率最高。相比Pt/Al2O3和Pt/TiO2催化剂，Pt/α-MoC是最佳的水煤气变换反应催化剂。

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885

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含氮/硫芳香族化合物的溶剂萃取

作者(Author)：贝鹏志, 李文英

摘要：含氮/硫芳香族化合物的有效分离直接影响煤焦油下游加工工艺。绿色萃取剂离子液体(ILs)和低共熔溶剂(DESs)的出现为高效分离氮/硫芳香族化合物提供了新思路。煤焦油中的氮/硫化合物主要以杂环化合物的形式存在，虽然含硫量较低质量分数为0.1%~0.4%，含氮量高质量分数为0.6%~1.1%，但这些化合物结构特殊，如能分离出高纯度的化学品或化工产品单体，如咔唑、噻吩等，不仅可以有效提高这些化合物的利用价值，也会增加工厂生产效益。笔者在总结了ILs/DESs对油品中氮/硫芳香族化合物萃取分离的基础上，评述了ILs/DESs与待分离物之间存在的氢键以及π-π相互作用的影响。氢键作为ILs/DESs萃取分离的主要驱动力，对氮/硫化合物分离效率的提高尤为重要，影响氢键作用的主要因素有:质子给予体的酸度，质子接受体的电负性，萃取剂取代基的大小等。此外，待分离样品煤焦油本身不仅组成繁多，结构复杂，而且含氮/硫化合物主要以芳香杂环的形式存在，因此，萃取剂与待分离物质之间的π-π作用在萃取分离的过程中同样有着不可或缺的作用，影响π-π相互作用的因素主要有:萃取剂环共轭体系的存在与否，萃取剂取代基吸/供电子能力，萃取剂本身溶剂化作用，金属离子的π络合作用等。除了上述影响溶剂萃取分离效果的2个本质因素外，为了提高分离效率和获得更好的化学品收率，溶剂萃取分离过程的操作条件也应考虑，如:① 操作温度与氢键，π-π相互作用之间定量关系;② ILs和DESs与氮/硫化合物之间的分子间作用力以及芳烃对分离过程的影响如何降低;③ 真实油品中化合物组成结构复杂，既有脂肪烃、芳烃、还存在醚类、酯类、不同杂原子的芳香族化合物，它们之间相互作用复杂、干扰严重，ILs/DESs对真实油品中含氮/硫化合物的分离如何排除这些干扰。为此，溶剂萃取分离含硫氮化合物的工作可能需要借助数学模型，通过计算分析，筛选出更为合理的溶剂体系，以提高从煤焦油中直接分离氮/硫芳香族化合物的萃取效率。

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2021年第04期

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