西北侏罗纪煤显微组分分子模型构建与赤铁矿催化热解提质研究
批准号:
42102214
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
宋强
依托单位:
学科分类:
煤地质学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
宋强
中文摘要
西北侏罗纪煤储量大、煤质优良,开发利用优势明显。通过热解技术可以实现清洁转化,但由于煤炭结构多样性和热解反应复杂性,目前研究仍处于统观层面,从微观角度揭示煤热解基础问题存在挑战。本项目从认识煤分子结构特征出发,通过表征测试获得结构参数,结合计算机模拟建立显微组分分子结构模型;进一步通过煤及类煤模型化合物热解实验,分析煤热解特性、产物组成和活化能变化,揭示煤中官能团断裂、自由基生成与宏观转化率关联,构建煤分子化学键特征与热反应性关联机制;基于铁的催化作用,选择赤铁矿为催化剂,提高热解反应转化率和产品品质。进行催化焦油及焦油模型化合物裂解实验,分析焦油裂解反应路径,结合催化剂系统表征,阐明铁、氧原子协同催化煤焦油裂解作用机理,建立赤铁矿催化煤焦油裂解的构效关系。研究成果将丰富西北侏罗纪煤分子结构、反应特征及产品提质的科学内涵,为地区煤炭热解提质和赤铁矿利用提供数据与理论指导。
英文摘要
Northwest Jurassic coal has large reserves, excellent coal quality, and apparent advantages for development and utilization. Coal pyrolysis can achieve clean conversion. However, due to the diversity of coal structures and the complexity of pyrolysis reactions, the current research is still at the general level. It is challenging to reveal the fundamental problems of coal pyrolysis from a microscopic perspective. In this regard, the project first investigates the molecular structure characteristics of coal, obtaining structural parameters through characterization tests and establishing molecular structure models of micro-components by combining with computer simulations. The project then explores the pyrolysis characteristics, production distribution and activation energy by experiments of catalytic pyrolysis of coal and coal-based model compounds. It reveals the correlative mechanism among macro pyrolysis conversion and its functional group and free radical. Finally, by comparing the cracking productions of coal tar and its model compounds with iron ore, the project reveals the catalytic cracking reaction path of coal tar. It proposes the mechanism of coal tar catalytic cracking by iron atom and oxygen atom on the catalyst's surface. The structure-activity relationships of catalysts are clarified by characterizing the iron ore's chemical composition and physical structure. The research results will enrich the scientific connotation of the molecular structure, reaction characteristics, and product quality enhancement of Northwest Jurassic coal and provide data and theoretical guidance for regional coal pyrolysis quality enhancement and hematite utilization.
中国是第一大煤炭生产国和消费国,也是第一大铁矿石进口和消费国,二者均在国家工业经济社会中占有重要地位。在我国西北地区侏罗纪煤炭储量丰富、煤质优良,是煤炭深加工利用的重要原料。如果能够借助铁矿石的催化热解作用实现煤热解转化率提高和煤焦油品质提升,将产生巨大经济效益并减轻环境污染。另外,考虑到我国西部地区侏罗纪煤炭和铁矿资源丰富,开展赤铁矿催化煤热解转化及焦油产品提质具有重要战略意义和实际应用前景,也是推进煤炭产业清洁利用进程,带动产业升级的重要举措。然而,目前研究对西北侏罗纪煤结构认识不清,无法从原子和分子水平系统阐释煤结构与反应性关联,对赤铁矿催化侏罗纪煤热解的机理尚未阐释清楚,催化焦油裂解的构效关系未系统研究,这些都是亟待解决的问题。.选择西北侏罗纪煤和赤铁矿为研究对象,通过实验研究、模型验证催化表征等方法,研究赤铁矿对煤热解产物产率和组成、失重速率等影响,结合动力学模型运算,探究煤热解活化能参数变化,阐明煤结构与热解特性关联;通过赤铁矿催化煤焦油裂解实验分析,研究赤铁矿催化焦油裂解产物变化,推断焦油裂解反应路径;对赤铁矿反应前后进行系统表征分析,研究铁的化学组成与价态、表面晶格氧与氧空位、孔隙结构变化,结合轻质焦油组成分析,探究铁、氧原子协同催化焦油裂解机理。.申请人在项目资助期内在Fuel、JMRT、CSCM等期刊发表论文6篇;培养硕士研究生5名,1名研究生在学期间获得研究生国家奖学金。申请人在项目执行期内成功获批山东省高等学校青年创新团队等项目资助。研究成果将丰富西北侏罗纪煤分子结构、反应特征及产品提质的科学内涵,为地区煤炭热解提质和赤铁矿利用提供数据与理论指导。
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