973项目申报书-褐煤洁净高效转化的催化与化学工程基础(编辑修改稿)

973项目申报书-褐煤洁净高效转化的催化与化学工程基础(编辑修改稿)内容摘要：

中试装置的系统配置和初步调试； C1定向催化转化过程中反应物的吸附、活性中间体结构的形成及其演变规律，催化剂活性组分的变迁规律和催化剂的积碳行为；功能离子液体催化各类醇醛缩合反应的热力学与动力学。 揭示褐煤部分加氢程度与油品性质及残渣气化活性的内在关系，为实现合理的褐煤热化学裁剪提供依据；初步认识纳米粒子 FT 合成、甲醇定向转化和 CO2 甲烷重整反应催化作用机制和催化剂的失活行为；建立功能化离子液体催化醇醛缩合反应热力学和动力学模型，为反应器计算与设计提供 理论依据。 发表论文 50–70 篇，申请专利 4–6 件。 第 四 年 研制与褐煤分级液化相匹配的高活性和高稳定性 FT 合成催化剂，优化工艺条件和产物分布，并在中试装置上初步验证褐煤部分加氢液化与 FT 合成的匹配性；深入研究 C1 定向转化催化剂的稳定性和失活行为， 烃池物种的形成过程及其对甲醇转化反应路径的影响规律；量化计算研究功能 离子液体结构、活性中心、反应过渡态和活化能的变化规律。 形成褐煤分级液化工艺软件包，打通 1 万吨 /年褐煤分级液化中试流程， 提高整个系统的能量利用效率；深入认识纳米粒子 FT 合成、 甲醇定向 转化和 CO2甲烷重整催化反应机理，揭示催化剂的失活机制和再生行为，实现流动体系下费托反应的高效运行和预测功能离子液体的宏观性质 ，制备具有良好催化性能的甲醇选择性制烃类结构催化剂。 发表论文 40–50 篇，申请专利 4–6 件。 年度 研究内容 预期目标 第 五 年 计算褐煤分级液化和 FT 合成中各个工艺流程单元的物料和能量供需， 进一步进行系统优化和过程强化，完善褐煤分级液化中试装置，并完成 1–2个不同褐煤的分级液化中试实验；在前面研究的基础上，进一步改进 C1 定向转化催化剂的制备方法，优化反应条件， 完善催化剂 表征和模拟计算数据； 对反应工艺进行流程和系统结构进行优化； 撰写项目研究报告，做好验收准备。 建立褐煤分级液化与 FT 合成过程的最优单元模型和系统集总模型， 实现中试装置稳定运转和 系统集成与优化 ，得到合格油品；阐明 C1 定向转化的催化反应机理，研制出性能优良的 C1 定向转化催化剂，完成万吨级甲醇转化制清洁柴油组分工艺设计软件包，形成具有自主知识产权的纳米 FT 合成和甲醇转化制清洁柴油组分新技术，并实现甲醇制烃的选择性调控。 发表论文 40–50 篇，申请专利 3–5 件。 一、研究内容 从我国能源安全、资源结构特征和可持续发展战略来看， 以资源优 化利用和节能减排为宗旨，分级液化技术为先导、定向催化转化技术为核心、过程优化与系统集成为手段， 是褐煤洁净高效转化的技术路线。 本项目 根据褐煤挥发分高、加氢反应活性好的特点，将直接液化和间接液化有机地结合起来，通过多联产和系统强化提高褐煤转化的能量利用效率，将褐煤洁净高效转化为液体燃料和化学品。 其成功实施的核心在于解决好如下关键科学问题： 1. 褐煤分级液化与高效转化的化学基础 (1) 褐煤有限脱水、部分加氢液化及残渣气化特性与褐煤结构、化学组成的内在关系； (2) 气 液 固三相共存条件下褐煤与供氢溶剂、加氢催化剂之间的相互作用机 制和氢在油煤浆体系中的扩散与传递规律； (3) 部分加氢液化油品性质与褐煤组成、结构和加氢条件的依存关系，及其与 FT 油的混调。 2. C1 定向转化的催化基础 (1) 对于低温水相 FT 合成过程，以 Fe、 Co 代替贵金属 Ru 的关键在于要将两者活性高的表面尽可能暴露，因此在催化剂制备过程中必须对其形貌进行控制；同时，要保证催化剂有足够的稳定性，必须选择适宜的有机配体对纳米粒子进行保护，以免在反应过程中发生形貌改变和粒子团聚； (2) 实现甲醇定向转化为汽油、烯烃、芳烃等 油品和化学品 的关键在于控制其在分子筛酸性位上形成的中间体（烃池物种）结构和种 类，这就要求认识分子筛孔道结构和酸性特征与甲醇转化中间体的关系、 C–O键到 C–C 键 的转变 机制和反应路径，并对此进行调控 ； (3) 甲醇制备清洁柴油组分 DMM38的关键在于研制催化性能良好的功能化 离子液体催化剂。 这就需要 深入认识功能化 离子液体催化剂与反应物间的相互作用机制、反应过渡态结构及反应机理，以揭示影响反应活性、选择性和稳定性的本质。 3. 系统集成与优化的化学工程基础 (1) 褐煤部分加氢程度与油品性质和残渣气化特性的内在关系，为实现部分加氢液化与气化过程的最佳匹配提供依据； (2) 部分加氢、残渣气化、 FT 合成、甲醇转化各关键 转化单元的物料与能量匹配关系及其传热、传质规律，为实现全系统中能量的梯级利用和 CO2循环利用提供指导。 针对褐煤洁净高效转化过程中的关键问题，本项目拟从以下几个方面展开研究： 1. 褐煤分级液化与高效转化的化学基础 (1) 我国典型褐煤的微孔结构特征、化学组成、羧基和羟基等含氧官能团及氢键的分布与调控规律，褐煤加氢活性与脱水程度等的内在关系； (2) 褐煤结构、化学组成和物化性质在热转化过程中的变化规律，揭示褐煤的脱水机理及影响褐煤分级液化活性的本质，阐明气 液 固三相共存条件下褐煤与供氢溶剂、加氢催化剂之间的相互作用机制和氢在 油煤浆体系中的扩散与传递规律，筛选与褐煤加氢活性位相匹配的高效催化剂和供氢溶剂，实现对 褐煤热解行为和加氢液化深度的调控 ； 2. C1 定向转化的催化基础 (1) 不同 Fe、 Co 前驱体分解产生纳米粒子的机理，纳米粒子不同表面与配体的络合特性，反应过程中反应物和产物在保护剂的扩散行为，及其对纳米粒子 FT 合成催化性能的影响； (2) 分子筛孔道结构、组成、形貌、酸性特征和吸脱附性能对甲醇转化为烃类化合物选择性和稳定性的影响，反应中间体（烃池物种）结构和种类、 C–O 键到 C–C 键的转变机制 、反应路径和催化剂失活行为，以及不同形状成型分子筛催 化剂的传热、传质行为和反应物与产物的流动传递规律； (3) 不同结构、组成和形貌的功能化离子液体的物化性质、 相态变化规律及其 对三聚甲醛和甲醇缩合制 DMM38催化性能的影响，反应过程中离子液体的结构和过渡态的认识，以及规模化离子液体制备技术的研发。 3. 系统集成与优化的化学工程基础 (1) 褐煤分级液化中各关键转化单元，包括脱水、部分加氢和高温浆态床FT 合成等过程中的传热传质特性和反应工程基础，物料与能量匹配关系； (2) 采用计算与过程模拟方法，对 褐煤分级液化各关键单元的物流、能量供需进行分析，通过 系统集成与优化 完善分级转化 工艺路线，实现褐煤资源的洁净转化与能量的梯级利用。 项目名称： 主要粮食作物骨干亲本遗传效应和利用的基础研究 首席科学家： 李立会 中国农业科学院作物科学研究所 起止年限： 至 依托部门： 农业部 二、预期目标 （一）总体目标 针对骨干亲本在育种实践中作用突出以及新时期育种目标的需求，在我们通过前一个 973 项目的研究，已基本明确了骨干亲本第一个关键科学问题 ―遗传构成 ‖的基础上，本项目围绕骨干亲本的第二个关键科学问题 ―遗传 与利用 效应 ‖，以水稻 、小麦、玉米等主要粮食骨干亲本亲本及其衍生的大面积推广品种为基本研究材料，应用表型组学、基因组学、作物育种学、生物信息学等学科的理论和方法，阐明不同时期、不同生态区的水稻、小麦、玉米骨干亲本中重要基因组区段 /基因簇 /基因 /等位基因的演变趋势，构建水稻、小麦、玉米骨干亲本 的 基础 遗传 图谱 ，为基于全基因组分子设计育种提供依据； 阐明水稻、小麦、玉米骨干亲本的基础 遗传 图谱的遗传与 育种 效应；发掘对实现水稻、小麦、玉米未来育种目标具有重要价值的 关键 基因组区段 /基因簇 /基因 /等位基因 ； 阐明水稻、玉米的穗粒数、粒重等产量性状 一般配合力的遗传学基础，并揭示一般配合力对骨干亲本形成的作用以及骨干亲本能够衍生出大量主栽品种的生物学基础 ；阐明控制一般配合力基因组区段与 骨干亲本的基础 遗传 图谱 的关系；建立 水稻、小麦、玉米 候选骨干亲本选育以及最佳亲本组配的分子设计模型 ；提出综合评估候选骨干亲本和改良现有骨干亲本的技术方法，指导并提高亲本组配和育种效率 ； 筛选、创制对未来 5～ 10 年水稻、小麦、玉米等粮食作物育种具有重要促进作用的候选骨干亲本，并通过育种实践 验证 ，为创立骨干亲本育种理论、培育新时期需求的新品种提供理论和物质支撑。 通过该项目的实施 ，将进一步强化我国在农作物骨干亲本基础理论和应用研究方面的原始创新，并通过创建围绕农作物骨干亲本的新的育种理论与技术体系，以及创造的符合新时期育种目标需求的候选骨干亲本的应用，继续提高我国在杂交稻等作物育种领域的国际领先地位，最终为我国的粮食安全提供科学保障与技术和物质支撑。 （二）五年预期目标 阐明不同时期、不同生态区的 水稻、小麦、玉米共 40~50 个 骨干亲本中重要基因组区段 /基因簇 /基因 /等位基因的演变趋势，构建 水稻、小麦、玉米 骨干亲本 的 基础 遗传 图谱各 1 个 ， 为基于全基因组分子设计育种提供依据。 阐 明 水稻、小麦、玉米 骨干亲本的基础 遗传 图谱的遗传与 育种 效应； 分析重要基因 和基因序列变异 15~20 个， 阐明 5~8 个 基因 /等位基因的功能 ； 发掘对实现 水稻、小麦、玉米 未来育种目标具有重要价值的 关键 基因组区段 /基因簇 /基因 各 2~3 个。 阐明水稻、玉米 的穗粒数、粒重等产量性状一般配合力的遗传学基础，并揭示一般配合力对骨干亲本形成的作用以及骨干亲本能够衍生出大量主栽品种的生物学基础 ；阐明控制一般配合力基因组区段与 骨干亲本的基础 遗传 图谱 的关系。 建立 水稻、小麦、玉米 候选 骨干亲本 选育以及 最佳亲本组配的分子设计模型 ；提 出综合评估候选骨干亲本和改良现有骨干亲本的技术方法，指导并提高亲本组配和育种效率。 筛选、创制对未来 5～ 10 年 水稻、小麦、玉米 等粮食作物育种具有重要促进作用的候选骨干亲本 6~8 个，并通过育种实践 验证 ，为创立骨干亲本育种理论奠定基础。 培养博士研究生 30～ 40 名，硕士研究生 50～ 60 名。 发表 SCI 论文 50～ 60 篇（累计影响因子 150 以上）；申请 专利 9~10 项。 三、研究方案 （一）学术思路 为了进一步强化我国在农作物基础理论和应用研究方面的原始创新，针对作物遗传育种基础研究中的关键问题之一， 骨干亲本在育种中效果显著但其形成与利用的遗传基础不明的客观现实，以水稻、小麦、玉米等主要粮食作物骨干亲本及其衍生的大面积推广品种系谱分析为出发点，在已解决了骨干亲本的第一个关键科学问题 ―遗传构成 ‖的工作基础上，综合利用表型组学、基因组学、作物育种学、生物信息学等学科的理论与技术，从骨干亲本重要基因组区段 /基因簇 /基因 /等位基因组合方式及其演变趋势、一般配合力对骨干亲本形成的作用及其遗传基础、候选骨干亲本的分子设计与创制等多层次进行系统研究，阐明骨干亲本研究中的第二个关键科学问题 ―遗传效应 ‖，为创建骨干亲本育 种理论与技术体系，以及我国粮食安全提供科学保障与技术和物质支撑。 （二）技术途径 遗传效应 利用 精细 QTL 分析 QTL、 eQTL 分析等 测序、表达分析等 精细定位、图位克隆 测序、生物信息学等 QTL 定位、关联分析等 近等基因导入系。