煤的可溶性與溶劑結構、性質間的定量關係

《煤的可溶性與溶劑結構、性質間的定量關係》是依託西北大學，由陳博擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：煤的可溶性與溶劑結構、性質間的定量關係
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳博
• 依託單位：西北大學

項目摘要

煤的溶劑熱萃取是能夠在溫和條件下獲取高附加值有機化學品和液體燃料的有效途徑。而煤的可溶性是制約煤溶劑熱萃取的主要內在因素，因此揭示溶劑的結構和性質、煤的組成結構以及煤的可溶性之間的關係對於實現煤中有機質的可溶萃取至關重要。本項目擬根據化合物結構和性質參數選取適宜的溶劑，運用多種統計方法系統考察煤的可溶性與溶劑結構和性質間的定量關係；利用高速逆流色譜和旋轉帶蒸餾儀對液體有機產物進行精細分離，並採用多種先進的分析手段詳細分析液體有機產物和萃余物，重點從分子水平上了解煤中可溶有機質的存在形態（包括官能團、芳環縮合度和取代類型以及脂肪鏈烴結構特徵）及其在不同性質溶劑中的聚類分布規律；藉助模型化合物和ReaxFF反應動力學模擬，考察煤中典型有機分子的締合特徵及溶解機理，根據ReaxFF模擬結果最佳化煤的可溶性與溶劑結構、性質間定量關係數學模型。基於上述研究為開發煤的高效液化工藝提供科學依據和技術支撐。

結題摘要

煤的熱溶是一種反應條件溫和，煤中有機質能夠充分利用且操作過程簡單的高效直接液化工藝。目前，尚無一種能夠有效關聯煤的可溶性與溶劑性質的數學關係，更缺少有效篩選具有特殊溶解性能的溶劑的理論方法。 本項目首先選取合適的煤分子模型，利用分子動力學計算其溶解度參數；採用Marcus狀態方程對多種常見溶劑的熱力學性質進行了計算。結果顯示，當溶劑的溶解度參數為20-26 MPa1/2時，煤中有機質能夠有效地溶解其中。預測通過合理的溫度調控能實現甲醇、乙醇及丁內酯對煤的溶解。模擬結果還顯示，煤中氫含量、含氧官能團和橋鍵類型、芳香縮合度及煤的密度對煤的溶解性有很大的影響，而通過減少煤中氫含量和橋鍵數量能夠促進煤的可溶。 在250 oC乙醇溶劑中對多種煤樣進行了熱溶反應性考察，同時採用相關和通經分析對實驗結果進行了深入的剖析。結果顯示，氫含量和氮含量皆與煤熱溶產率呈顯著正相關關係。而煤中水含量、硫含量及氧含量與煤熱溶收率成明顯負相關。通經分析進一步說明，煤中氮含量和碳含量分別對煤熱溶產率具有顯著的直接和間接作用；煤中碳含量、氫含量，尤其是氮含量的升高明顯有利於煤熱溶收率的增加。並且構建了熱溶收率與煤性質參數的回歸模型。 基於單一溶劑的研究結果，考察了水/乙醇混合溶劑對榆家梁次煙煤的可溶性反應，發現當溫度為270 oC時，採用體積比為7：3的乙醇/水混合溶劑能夠實現煤中48.27%有機質的可溶。該結果與亞臨界水（350 oC）水對煤的溶解效果相當，但反應條件更加溫和。通過對溶解過程的調控和產物分析，發現可溶有機質主要來源於熱溶升溫過程。 採用scaffold tree方法對煤中可溶有機質進行了聚類分析。分析結果顯示，煤中可溶有機質可分為線性分子和環型分子兩大類。其中線性分子主要包括烷烴、酸、烯烴、烷醇、酯、酮、醛、含氮有機物及含硫有機物。環型分子結構較為複雜，但通過對其進行深入分析能夠獲得煤中豐富的碳骨架和橋鍵等信息。 採用ReaxFF動力學方法對幾種常見的煤相關模型化合物進行了加氫反應模擬。結果表明，加氫引發反應的活性位不僅與超離域能有關，還與空間位阻效應有關。由於所需活化能較小，加氫引發反應主要發生於芳環取代位的鄰位，雖然H•附加於取代位形成的加氫自由基在熱力學上更加穩定，說明加氫引發反應主要受動力學控制。ReaxFF模擬結果與無硫體系的加氫實驗結果一致。