973项目申报书-中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的基础研究(编辑修改稿)

973项目申报书-中低阶煤分级转化联产低碳燃料和化学品的基础研究(编辑修改稿)内容摘要：

流化床的 结构与操作参数优化 ； 6） 设计 建设新型热解中试实验装置，进行调试。 7） 氧热条件下 电石制备过程中的 传递、相变 和 反应 的 复杂耦合关系及灰分的作用、 多相反应机理及反应过程 强 化、 传递性能及传递参数 ，中试反应器结构评价； 8） 煤 热溶解聚过程 的 流程模拟 及 联产系统的分析与评价。 1） 认识 煤热转化自由基 及 过渡态产物的 形成规律和反应机制 ， 揭示 煤热解机理及产物的形成机制 及 CN和 CO键解离与热解行为的关系； 2） 揭示 不溶物 催化加氢裂解和温和氧化解聚影响的规律，了解加氢裂解和氧化解聚产物的组成结构信息，优化反应过程 ； 3） 获得连续化 褐煤温和加氢 的工艺参数和物料平衡数据，揭示 液液芳烃萃取相平衡规律和 传质动力学特性 ，优化萃取剂分离回收条件，构建传质模型； 4） 获得煤预处理和 过程条件 对煤热解产物分布的影响规律 ， 完成煤处理量 700 t/a中试实验装置的建设和调试工作 ； 5） 揭示 催化剂组分之间的 协同作用机理， 完成 灰熔融特性 研究 ，优化 流化床 结构与操作参数 ； 6） 认识电石生产多相反应过程中的传递规律及灰分的作用，提出强化传递和反应的方法，认识中试反应器的构效关系， 完成热溶解聚过程联合电石新工艺的 能量 碳 污染物 变迁 的 分析。 年度 研究内容 预期目标 第 四 年 1） 煤及热解中间产物 在不同条件下 反应的原位 定量分析 ， 研究煤中其 它弱键的热解机理 ； 2） 各种 萃取产物的制备色谱分离及纯化产物的组成结构分析； 3） 连续化芳烃萃取分离，超临界CO2萃取， 粗酚精制分离工艺及芳烃精制分离工艺； 4） 继续进行 煤预处理对热解行为的影响 研究 ， 考察 700 t/a 中试反应器中流动、传递 、反应条件对热解产物分布的影响 ； 5） 催化剂回收工艺及回收催化剂的活性评价，流化床流场对灰熔融的影响，灰熔融机理，工业流化床的数值模拟，甲烷 /焦油联产过程中 能量 效率 碳的逐级变化规律 ； 6） 电石制备 中 传递、相变 和 反应 的复杂耦合关系 调控，多相反应机理及反应过程 强 化，模拟及 600 t/a 规模反 应器的结构分析和运行评价，褐煤温和加氢新工艺流程模拟系统的建立及联产系统的分析与评价。 1） 推测 煤热转化 的 动力学模型 ， 认识 煤 中弱共价键 在热场中的解离 与 自由基产生行为的关系 ， 获得煤的热解机理及产物的形成机制； 2） 确定萃取所得纯化合物的结构和所得单晶的空间结构； 3） 确定芳烃萃取分离的工艺条件，构建萃取体系芳烃溶解的传质模型，确认 CO2超临界萃取分离离子液体和粗酚技术的可行性； 4） 阐明 煤预处理 及 热解反应调控对产物分布的影响规律， 获得 提高轻质油气产率和品质的最佳条件 ， 获得 700 t/a 的热解中试实验数据 ； 5） 确定煤中主要阴离 子对反应的影响，设计合理的催化剂回收工艺及设备方案，确定碱金属盐与煤灰的熔融机理，初步完成中低阶煤催化气化制甲烷 /油技术经济分析； 6） 揭示电石制备多相反应体系中传递、相变和反应的耦合规律，确定反应机理和过程强化方法，认识中试反应器的运行特征， 提出反应器构型优化和运行条件优化方案；完成褐煤温和加氢新工艺联合电石新工艺的 能量 碳 污染物变迁的分析。 年度 研究内容 预期目标 第 五 年 1） 构建煤的 集总 化学结构模型 ；继续深入研究 热解行为与产物分布的关系 ； 2） 测定 各级热溶物 的性质 ，继续进行 热溶过程调控 研究 ； 3） 粗酚精制分离及 芳烃精制分离工艺 优化； 4） 继续进行 流化床放大理论 研究 ； 5） 中试规模（ 600 t/a）的电石工艺验证和反应器结构优化，联产系统的流程模拟及全系统分析与评价 ； 6） 研究工作进行全面总结，进行试验数据的补充和验证工作。 1） 获得 煤 的 集总化学结构模型 ，认识 自由基反应网络 ，提出煤热溶调控优化条件和 弱共价键的反应机理 ； 2） 确定粗酚及 芳烃精制分离工艺 ，形成褐煤加氢联产酚 /芳烃 /油的工艺技术； 3） 形成 煤热解定向转化的过程调控手段 ， 完成 700 t/a中试验证 ； 4） 建立 流化床放大理论； 5） 确立电石制备反应器构型及工业反应器设计方案，完成联产系统 能量 碳 污染物 变迁的分析。 6） 五年 发表学术刊物论文 200篇以上， 形成 国家发明专利 25项，出版专著 2部，培养博士生 30名、硕士生 50名，力争获得国家级奖励 1项 ；培养 3名国家级中青年人才。 一、研究内容 前面分析表明，煤分级转化联产低碳燃料和化学品路线充分利用了 中低阶 煤的结构特征，以低的投入和能耗实现高的效率和效益。 国内外在 中低阶煤的优化转化 方面虽然已有较好积累，但对分子水平 上的 结构 特征 和核心化学反应规律的认识还处于统观和模糊的水平，对传递 和 反应工程 及 过程调控原理的认识还处于经验层面，对复杂产物的组成特征还 了解不够 ， 因而 过去的 工艺大都止步于 粗放开发，产品附加值不高。 鉴于此 ，本项目 将在分子水平研究中低阶煤的优化利用，重点 解决如下关键科学问题 （以下中低阶煤简称为煤） ：  煤中弱键合结构的认识及其与分级转化反应性和产物组成的关系；  煤分级转化复杂反应体系中的传递行为、反应工程及过程 调控原理；  煤分级转化产物的物化性质认识及分离和转化原理。 下面详细分述这些科学问题的内涵及主要研究内容。 煤弱键合结构的认识和集总描述 从 分子水平 上 深入认识煤的结构特征及热转化本质是煤分级转化多联产技术突破的理论源泉。 已有的煤结构探索均是基 于终态转化产物的光谱分析或取样分析进行的宏观推测，对转化过程的中间体、连续反应、关键控制因素不能进行科学准确的探测。 因此，必须发展在分子水平上研究煤组成结构的热化学转化本征动力学表征手段和理论分析方法。 由于煤在分子水平 上 的结构非常复杂，首先认识与煤分级转化过程密切相关的非共价键和弱共价键的特征、解离行为及解离产物的连续反应性就变得至关重要。 针对国内外在此方面 研究 手段有限、认识不足的 现 况，本 项目将在新思路的指导下采用 全 新 的 物理 化学 分析方法和 先进分析仪器 并辅之以 量子化学计算 进行煤中“非共价键及其解离”和“弱共 价键及其解离”这两个方面的研究 ， 全面解析煤在温和条件下分级转化的“构 效关系”， 主要研究内容包括：  煤温和多级萃取及 萃取 产物的分离与 表征 ， 煤中大分子团簇间的缔合特征 和 骨架结构，煤热溶 解聚过程调控理论。  建立 检测和原位鉴别煤中大分子团簇、热解自由基和 过渡态 的同步辐射真空紫外单光子电离 — 分子束质谱技术 和 理论分析 方法， 研究不同煤种在不同热解条件下 自由基和反应产物的形成规律与作用机制 及 本征动力学 ，考察 硫氮结构 单元 的自由基反应特征 ；  煤中非共价键和弱共价键结合特性 、 解离方式及产物形成 机理的 量子化学计算 和集总描述。 煤分级转化 多联产技术的过程调 控原理 和催化剂定向制备原理 煤组成结构在不同条件下 的 转化 规律、 传递和催化过程对转化行为的影响 机制及转化过程的 定向控制 理论 是煤分级转化技术的核心基础。 不同煤种 的结构特征不同，适宜采用的 分级转化 工艺 也不 应 相同。 如前面所述， 300 oC 以下， 褐煤易发生非共价键解聚 （ 包括热解聚、溶剂解聚 和 催化加氢 等） 生 成 油品、芳烃及含氧化学品； 400 oC 左右，褐煤和烟煤中的桥键和醚键等弱共价键可以充分解离，催化剂、溶剂、气氛等可以显著调控解析行为和产物组成； 500700 oC 之间 ，煤中除芳 香环结构外的其 它 共价键也可发生解离，催化剂和气氛对解离反应和产物有显著的调控作用。 由于国内外的研究主要集中在转化率和产率 等 宏观 方面 ，缺乏分子层面的键合信息和产物组成信息，致使对反应机理、催化作用 和过程定向调控方法 了解甚少，影响了技术 发展。 依据前面对煤结构和本征反应的 认识 ，本项目将在 “液相条件下 褐煤 定向转化 联产 油 /酚 /芳烃 ” 和 “气固条件下 中低阶 煤热解过程调控 联产 液 /气 燃料和化学品 ”方面展开研究。 主要研究内容包括：  高效催化剂制备和催化 原理 、 催化剂的结构和活性的关系、催化剂回收工艺原理 ， 包括褐煤 温和 加氢 联产 油 /酚 /芳烃 的催化剂和 中低 煤催化转化 联 产甲烷 和油 的复合催化剂；  工艺条件 对传递 过程 、进而对转化过程和产物组成的影响机理，包括煤预处理方法、梯级反应温度、反应气氛、复杂反应耦合、反应机理和动力学；  煤中灰分对转化 过程 、催化剂、残渣形态的影响；  质量 、动量、热量 传递 和 催化 反应 的反应器模型构建和计算机模拟 ；  能量 效率 碳 污染物的逐级变化规律、系统评价与优化。 煤分级转化复杂液体产物的分离 由于煤分级转化 的核心是 非共价键和弱共价键等弱键合结构 的解离 ，其液态产物必然 含有 煤 的 原始结构，组成复杂。 虽然这 些油品经精制后可直接作为燃料（如汽、柴油），但附加值不高。 国内外研究表明，在油品精制前分离芳烃和酚等化学品是提高经济性、降低油品精制成本的有效方法，效益提高 30%以上。 目前国内外对煤分级转化 液态产物 的 组成认识不足 ，所采用的化学品分离方法（如酚 /油分离）能耗和物耗均高，还产生二次污染。 为此，本项目将在煤分级转化复杂液体产物的组成性质和分离原理方面展开研究，主要研究内容包括：  煤温和热溶产物的表征和分离纯化原理；  煤 分级转化 液体产物（ 油 /芳烃 /和 酚 类化合物 ） 的 分离原理和 绿色 技术； 煤分级转化 残焦的 化 学品生产 如前所述， 中低阶煤 分级转化产生 的 残焦 可通过新型氧热法 电石 工艺 直接生产乙炔基系列化学品 ，与 现有电弧法 相比 节能 30%以上。 新工艺的成熟有赖于深入认识 粉 状残 焦和 CaO 的高温反应机理、焦中无机组分的作用、氧热状况下的传递行为、反应器设计等 重要 问题。 为此，本项目将主要研究 下列 内容：  煤分级转化残焦的物化性能及其与 CaO 的高温反应机理；  反应体系的相态变化、传递过程调控与反应过程强化；  残焦中灰分对物料相态变化及反应行为的影响。 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。