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煤热解是实现煤炭资源分质梯级转化的重要技术手段。然而煤热解产生的焦油中重质组分含量高,对下游设备的腐蚀阻塞较为严重,限制了煤热解技术的工业化应用,因此需要降低热解焦油中重质组分含量。本文提出将煤热解焦油原位催化裂解与甲烷催化重整相耦合,利用提质催化剂同时催化甲烷重整与焦油裂解反应,使甲烷催化重整产生的小分子自由基稳定焦油裂解碎片,以避免传统焦油催化裂解过程中焦油产率偏低的问题,同时提高轻质焦油含量及产率。论文的主要研究内容及结果如下:(1)以Ni含量不同的Ni/Al2O3为催化剂,在CH4/CO2气氛下进行不连沟煤热解焦油原位提质研究,考察Ni含量、Ni/Al203用量对热解焦油中轻质组分含量及产率的影响。实验结果表明,随着催化剂/煤质量比或催化剂中Ni含量的增加,轻质焦油含量及产率均呈现出先增加后减少的趋势,且与Fe和Co相比,Ni具有更好的催化提质效果。当Ni含量为5wt.%(5Ni/Al2O3),催化剂/煤的质量比为0.2时,催化剂对焦油的提质效果最佳,650℃经5Ni/Al2O3提质后,轻质焦油含量由52.8wt.%增加至80.8wt.%,轻质焦油产率由8.0 wt.%提高至13.1 wt.%;焦油中轻油、酚油、萘油和洗油的含量分别提高120%、1 10%、51%和32%,焦油的平均分子量由279 amu下降至193 amu。焦油中苯类、酚类、萘类化合物含量均有不同程度的增加,三环和四环芳烃含量降低;提质后焦油中高碳脂肪烃含量显著下降,而低碳脂肪烃含量提高,芳环侧链变短,且缩合芳环比例降低。(2)对煤热解半焦分别进行水蒸气活化和KOH活化,制备改性半焦(MC)和活性炭(AC),并以半焦、MC和AC为催化剂,研究炭基催化剂在CH4/CO2气氛下对不连沟煤热解焦油原位提质的性能。与半焦和MC相比,AC因具有更大的比表面积和更高的结构无序度而表现出更好的催化提质效果。在温度为650℃、AC/煤质量比为0.2、气体流量为300mL/min的条件下,与未提质焦油相比,轻质焦油含量及产率分别提高67%和45%,焦油的平均分子量下降至176 amu;经AC提质后,焦油中轻油、酚油、萘油和洗油的含量分别提高120%、161%、84%和50%,而沥青的含量减少75%。(3)以AC负载5 wt.%Ni制得的Ni/AC为催化剂,研究其在CH4/CO2气氛下对热解焦油的原位催化提质效果。650℃时,Ni/AC将不连沟煤热解焦油中的轻质组分含量由52.8 wt.%提高至96.5 wt.%,同时使轻质焦油产率提高53%;经Ni/AC催化提质后,焦油中轻油、酚油、萘油的含量分别提高224%、283%、132%,焦油的平均分子量下降至160amu;在CH4/H20气氛和煤热解气气氛下,Ni/AC对不连沟煤热解焦油也表现出良好的催化提质效果,表明煤热解焦油原位催化提质过程适用于与不同形式的甲烷重整耦合。使用Ni/AC对淖毛湖煤、榆林煤、白音华煤和平朔煤热解焦油进行原位催化提质时,四种煤的热解焦油中轻质焦油含量均超过95 wt.%,轻质焦油产率也提高40%以上,表明Ni/AC对不同煤种的热解焦油具有普适性。将焦油催化裂解和甲烷催化重整耦合提质应用于非原位过程,在CH4/CO2气氛下,Ni/AC的加入可以使中温煤焦油和减压渣油中的轻质组分产率大幅提高,所得油品中沥青含量明显降低。(4)通过同位素示踪技术探究热解焦油原位催化提质的机理。以CD4作为示踪剂,对Ni/AC提质前后的焦油进行2H NMR分析,发现经Ni/AC提质后的焦油谱图上出现明显的氘峰,表明CD4参与了焦油的催化提质过程。以CD4和13CH4作为示踪剂,对焦油中的典型化合物进行GC-MS分析,发现在提质后的化合物质谱图中可以检测到D和13C的存在,说明甲烷重整产生的小分子自由基(·H和·CHx)会与焦油裂解自由基结合形成轻质焦油,进而证明了焦油催化提质是焦油催化裂解和甲烷催化重整的耦合过程。