煤炭的清洁高效利用已经受到国家、社会的广泛关注,并被写入“十三五”中国计划实施的100个重大工程及项目中。在大宗煤化工产品生产过程中低碳、资源高效利用技术的发展尤其值得重视。特别是实现煤加工转化过程中的综合利用,以生产出替代石油、天然气的产品,这将极大缓解我国石油、天然气的对外依存度。目前煤化工生产过程中,煤焦化产业占有很大比重,副产的煤焦油达上千万吨。加之生产半焦的中温干馏过程、生产油品为目的的低温干馏过程及煤移动床气化过程中产生的煤焦油,我国焦油产量可观,合理利用煤焦油将对缓解我国油源紧张起到积极作用。焦油组分中沥青占比最大,具有沸点高、分离困难、化学反应能力弱的特点,在目前焦油加工处理工艺中未能用于生产高附加值产品。针对这个现状,本课题提出在焦油未冷凝前利用煤热解伴生富氢组分,通过催化加氢实现重质组分轻质化的研究思路,并对煤热解焦油重质组分催化裂解碎片耦合伴生富氢组分的过程进行了较为详细的探析,主要内容与结果包括:(1)利用6种催化剂对8种不同变质程度煤样热解气相焦油进行催化改质,分析了催化前后产物中苯、甲苯、乙基苯、二甲苯和萘(BTEXN)的变化规律,进而探讨了煤结构与催化剂之间配适关系。结果表明,强酸位丰富的HY、ReUSY和USY催化剂更能促进BTEXN的形成。催化剂的比表面积、孔径尺寸也会影响催化活性。在所选煤样中,USY催化剂对中等变质程度烟煤(气肥煤coalc、肥煤coald)热解焦油催化提质效果较佳,btexn产量可达催化前的5.3和4.1倍。(2)考察了3种煤样(褐煤coala、长焰煤coalb和焦煤coalf)及其脱矿物质煤样、吡啶抽提煤样(以大分子骨架结构为主)、吡啶抽提液(低分子化合物)热解前后btexn分布特征,明确了矿物质、低分子化合物对煤热解btexn形成的影响。结果表明煤热解过程中btexn主要来源于煤骨架芳香结构的解聚过程,煤中矿物质、低分子化合物均会促进btexn的形成。矿物质会裂解稠环芳烃、酚类化合物为btexn,这与k、na、ca、mg和fe金属的含量密切相关。低分子化合物可作为富氢组分,及时稳定热分解碎片,促进btexn的生成。褐煤coala和长焰煤coalb中的低分子化合物分别占煤质量的23.7%和16.5%,且主要以脂肪族化合物和含氧芳香化合物为主,对热解过程btexn形成的促进作用尤为显著。(3)通过比较在不同热解温度下脱矿物质原煤(褐煤coalda,长焰煤coaldb,焦煤coaldf)和其脱低分子残煤(吡啶抽提残煤:coaldar,coaldbr,coaldfr)中产物分布差异,探析了低分子化合物对焦油催化改质效果的作用。结果表明,吡啶抽提残煤的催化产物中btexn产量明显低于原煤,重质芳烃的裂解率也较低,另外抽提残煤coaldar和coaldbr中一些稠环芳烃(如苊烯、芴、菲和蒽等)产量甚至有所增加。催化过程中低分子化合物可作为富氢组分及时稳定稠环芳烃等重质焦油的裂解碎片,进而逐步形成btexn。低分子化合物对低阶煤的低温焦油(600?c)催化改质效果影响更大。这与赋存在煤中低分子化合物的组成以及含量相关。(4)选择代表煤中不同结构的模型化合物(苄基苯基醚、联苄、邻苯二酚、正丁基苯、邻乙基甲苯、芘和蒽),对催化前后产物分布特征进行比较,提出了裂解形成BTEXN的催化途径。结果表明,代表煤结构桥键的联苄、苄基苯基醚主要发生脱烷基化、芳烃烷基侧链裂解等反应,形成了苯、甲苯、乙基苯和苯酚等芳烃。煤结构侧链代表物(正丁基苯和邻乙基甲苯)发生脱烷基化反应、侧链裂解反应后较容易裂解形成苯、甲苯等轻质芳烃。邻苯二酚中羟基可从芳香环脱落,产物以苯酚和苯为主。代表煤中缩合芳香环的芘和蒽主要通过氢转移反应形成饱和环,进而发生开环、裂解等反应。苄基苯基醚、联苄、正丁基苯和邻乙基甲苯可形成较高产量的BTEXN,而USY催化剂对邻苯二酚、荧蒽和芘的催化裂解能力较弱,催化产物总量较联苄减少了90%。(5)综合对比煤结构与催化剂之间内在联系、富氢组分对焦油催化改质作用关系和代表不同煤结构模型化合物裂解形成BTEXN的途径,探析了煤热解重质焦油裂解碎片耦合伴生富氢组分形成BTEXN的过程机制。推断煤焦油催化改质过程中芳烃化合物中芳香环与烷基连接处的Car-Cal或Car-O,芳烃烷基侧链中Cal-Cal、环烷烃、羟基,稠环芳烃中经氢转移反应加氢形成的饱和环可发生开环、裂解、脱烷基化等反应,催化裂解碎片在与煤热解过程产生的H2和CH4及赋存煤中的低分子化合物提供的小分子自由基结合形成轻质芳烃。煤结构中含较多的环烷基和亚甲基桥键时,更利于热解焦油的催化改质。