气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究.doc

项目名称：气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究首席科学家：谢克昌 太原理工大学起止年限：2023.12至2023.11依托部门：教育部一、研究内容1.1 项目总体设想国内外现有的多联产模式均是以单一煤气化为气头，通过CO变换反映调整粗煤气中的碳氢比以满足合成部分的需要，这不仅增长了系统和技术的复杂性，导致了能量的损耗，并且增长了CO2排放（每产生一分子氢，就会产生一分子的二氧化碳）。另一个不容忽视的现实是如前文所述，我国的焦炭生产量、消费量、出口量均居世界第一位，但大量的焦炉煤气得不到有效运用。按全国年产2亿吨焦炭计算，除用于回炉燃烧和少量发电外，尚有近290亿Nm3的焦炉煤气未得到运用而排放，相称于耗资1200亿元的西气东输一期工程120亿Nm3/年送气量的2.4倍。本项目建议的联产系统充足地考虑了这一现状，选择了现有的有也许形成自主知识产权的大规模煤气化技术，将气化煤气富碳、焦炉煤气（热解煤气）富氢的特点相结合，采用创新的气化煤气与焦炉煤气共重整技术，进一步使气化煤气中的CO2和焦炉煤气中的CH4转化成合成气，这样，不仅可以提高原料气的有效成分，调解氢碳比，并且可以免去CO变换反映，实现CO2减排，并减少能量损耗。1.2 关键科学问题和研究内容1.2.1双气头多联产系统中煤的大规模气化工程理论基础目前我国大型煤气化技术完全依赖进口，以Texaco水煤浆和Shell干粉煤气化技术为主，两者均属加压气流床气化技术，因其有效气体含量（80 %90 %）、冷煤气效率（75 %83 %）、碳转化率（95 %99 %）、单炉生产能力（5002023吨/日）高等优点而倍受青睐。但同时存在巨额投资、煤种适应性差和运营成本高等问题。灰熔聚粉煤流化床与气流床气化技术相比，气化温度适中(1000 1100 )；氧耗低（约20 %30 %）；煤种适应性宽，特别适合我国煤高灰、高灰熔点的特点；气化炉材料规定低，投资少（约节省50），操作费用低。但尚存（1）操作压力低，单炉解决能力低；（2）飞灰带出较多，碳转化率较低等问题。综合考虑国内外技术现状，以及本多联产系统的特性，应当发展以高压“低温”流化床气化为主体，耦合CFBC或近灰熔点高温气流床气化，在满足煤气化过程效率最高的热力学和动力学条件，在减少氧耗、煤耗，达成系统的高转化率的同时，匹配焦炉煤气。为此，必须建立双气头多联产系统中煤的大规模气化工程理论基础论，它涉及流化床气化与近灰熔点气流床气化耦合系统、流化床与CFBC耦合系统的构建及工程放大原理，大型加压流化床气化炉及其耦合系统内的流动、传热、传质及反映与结构尺寸的关系和影响因素、参数的优化和模拟，以及与焦炉煤气的工艺匹配等。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：加压大尺寸流化床及与气流床耦合煤气化系统的构成和验证，器内的流动、传热、传质及反映与结构尺寸的关系和影响因素；加压气化过程数学模型建立及操作参数优化和分析；中国典型动力煤种和流化床飞灰半焦在高压近灰熔点温度条件下的气化动力学工程特性研究；加压气化过程煤灰低熔点共融物形成机理及分离特性研究；大型高温高压旋风分离器的捕集效率研究、细粉流动特性及在线循环系统操作特性研究。1.2.2 高温炭存在下焦炉煤气和气化煤气重整反映规律及无变换调氢在以煤化为源头的单纯的合成过程中，合成气要通过变换反映排出CO2调整H2和CO的比例达成合成单元高转化率的规定。在本多联产系统中采用在高温炭体系CH4-CO2重整反映将焦炉煤气中CH4和气化煤气中CO2重整来调整合成气中H2和CO的比例，无需变换反映，从而实现CO2减排。在高温炭体系中，焦炉煤气和气化煤气中CH4、CO2、CO、H2、H2O和C等物种形成了一个复杂反映体系。其特点是高温、多组分、多杂质（焦油和S）和多反映。在这个体系中有许多影响因素，如（1）高温炭的原始煤种、比表面积、孔结构和所含矿物质种类、结构等；（2）化学反映过程、CO2、CH4的吸附、解离和脱附以及在这些过程中，高温炭（或矿物质）与CO2的作用机理等；（3）焦炉煤气、气化煤气在高温炭体系中的流体力学、传质、传热规律。研究和理解这种复杂体系中高温炭的“催化”本质是实现本多联产工艺低能耗免变换和CO2减排的关键。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：气化煤气与焦炉煤气复杂体系中CH4-CO2高温炭（或矿物质）催化重整反映机理和动力学研究；CO2、CH4的吸附、解离和脱附机制；高温炭与CO2或形成表面络合物的形式和数量与转化速率的关系；结合各种表征手段提出控制转化反映活性的关键因素；原始煤种、比表面积、孔结构、微观结构和所含矿物质催化性能的影响，揭示高温炭“催化”作用的实质；反映气混合流场结构、温度场分布模型、传质和传热过程及强化操作的影响等重整转化工程理论；等离子体射流反映器中射流与反映气体之间的互相作用规律；多气氛下甲烷转化的C-H热力学平衡体系的数值模拟；热解反映器的理论研究与设计；多气氛下甲烷转化的反映机理和动力学研究；进行焦炉煤气H2和CH4分理研究，为焦炉煤气单组分运用奠定基础。1.2.3 脱硫剂和催化剂反映性及稳定性的变化规律本多联产系统中，由于气头来源不同，组分不同，因此，工艺匹配脱硫净化就显得更为关键和复杂。从生产工艺规定、气体用途和能量运用方面考虑，整个系统中存在三个脱硫净化环节：（1）热解煤气（焦炉煤气）脱硫；（2）用于煤气蒸汽联合循环发电的气体脱硫；（3）气化煤气或焦炉煤气经炭催化重整制备后，作为醇醚燃料合成气的脱硫。气体脱硫净化可分为湿法与干法两大类。湿法是通过吸取来脱除硫化物，具有解决气体量大和硫负荷高等特点，但也存在操作复杂、选择吸附性差和脱硫精度相对较低等局限性。干法脱硫实际涉及了有机硫催化转化和脱硫两个过程，具有精度高、效率高、操作简朴和硫回收容易等特点。一般对脱硫剂及脱硫工艺的选择是根据气源中硫形态分布、硫含量、气体的组成、气量和净化规定并结合能源来进行合理匹配。对于多联产系统焦炉煤气，由于化产回收需要，从工艺和能量上脱硫选择湿法最佳。目前国内有较成熟先进的技术可供使用。对于IGCC系统，一般规定煤气里的硫化氢低于20100 ppm，高中温煤气热脱硫被公认为是最先进的脱硫方法。对于醇醚燃料的合成气脱硫，脱硫精度规定较高，出口总硫须小于0.0510 ppm。这样，不仅要脱除硫化氢，还需脱除其中的有机硫。因此，必须采用催化转化加脱硫的两步干法工艺。目前高中温脱硫剂普遍存在循环稳定性差、再生困难、气氛效应严重等问题。有机硫催化剂也存在对某些复杂有机硫的转化能力低，合用气氛性能差，特别是在以CO或H2作为重要组分的合成气脱除过程中，积碳和甲烷化副反映十分严重。归根究底，对脱硫剂和催化剂的反映性及稳定性变化规律这一关键科学问题缺少透彻结识是导致上述问题难以解决的主线。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：拟从硫平衡角度研究硫在气固相中的迁移以及形态硫的生成和转化机理；通过剖析金属氧化物的脱硫性能，研究脱硫剂各组成之间的互相作用及脱硫性能与其织构的构效关系，以及通过再生机理的探索提高脱硫剂再生性能；研究有机硫催化转化机理、动力学规律和气氛效应对有机硫转化催化剂活性的影响；研究脱硫、催化工艺过程的优化匹配及其动态变化特性，实现多联产中温精脱硫、环保节能的目的。开发出高硫容、高精度、可再生的中温脱硫剂和抗积碳、抗中毒、高活性的催化剂，以及相应的催化、脱硫工艺。1.2.4 浆态床催化剂制备及浆态相催化化学基础合成气转化为烃、醇、醚等燃料的反映均为强放热反映，传统的工业反映器存在生产能力较低，能耗大，成本高的缺陷，只能满足烃、醇、醚作为化工产品对于成本的规定，而不能满足它们直接作为燃料生产时对成本的规定。浆态床是一种使用细粉催化剂的三相流化床。其中悬浮固体催化剂的液体介质的使用，可以在提高换热效率的同时减少气固流化床反映器中固体催化剂机械磨损和夹带。这类反映器构造简朴，造价低；气体阻力低，单程转化率高，适合大规模生产和多联产中调节电力生产的峰谷波动；可以在不断车的情况下部分地或所有地更换催化剂；以反映器空间为基准的产率不低于气相反映器。但是，在浆态床二甲醚合成的研究与开发中发现，由于液体介质的引入，增长了反映体系的复杂性，传统的气固相催化反映的理论和催化剂不能完全应用于液相介质存在时的反映。现有的催化剂制备技术，催化、传递理论在液固相催化反映中有许多局限性，浆态床的许多微观尺度的物质间的互相作用机理和规律也不清楚，因此，浆态床催化剂制备及浆态相催化化学基础是本项目拟解决的关键科学问题之一。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：液相中控制催化剂相结构、孔结构、粒度的方法和维持原貌的表征手段；不同的催化材料在组装成为催化剂的过程中所发生的物理、化学作用及其对催化剂孔道结构、界面与表面性能、吸附反映活性中心、分子扩散和传递过程的影响，材料复合、组装机制及其与催化剂宏观反映性能之间的关系等，开发出适合于多联产工艺规定的耐硫和低压催化剂制造技术。1.2.5 浆态床醇醚燃料合成多相催化反映与反映/分离一体化的强化和控制规律在浆态床醇醚燃料合成的多相催化反映体系中，流体的流动及流场变化情况复杂，化学反映、传质及传热强烈耦合，同时体系中又存在气液、液固分离的问题。由于浆态床内多相流动的复杂性和目前测试技术的局限性，虽然对多相反映过程报道很多，但对多相反映体系尚缺少流体力学规律和传递规律的系统进一步研究。而对分离过程的报道也大多局限于常温常压两相系统的冷态体系，对液体夹带的机理分析只合用于水、四氯化碳、乙醇等介质。对夹带量的多少只是分析和推测，还没有解析解。高温高压下对气泡携带液体及固体的研究未见报道，这种情况同时存在于反映/分离一体化的研究中。同时，由于缺少可供工程应用的流体力学、传递、反映耦合过程的模型，使得放大过程仍采用传统的逐级放大法。目前国内外的研究重要集中在冷态和低压体系，且以实验研究为主，对于放大到商业化装置的指导意义是有限的；从多相流模拟出发考察浆态床内流体动力学规律的文献很少，且所选的模型通过了大量的简化，有时难免失真。在以煤为原料的多联产系统中，对多相反映体系流动与反映、传递耦合及反映/分离一体化研究及多相流模型化放大方法，存在取得基础理论和关键技术突破的机遇。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：常压和加压下不同体系中气泡行为控制规律及多相流体流动模型的实验研究，多相催化反映体系中传递过程强化规律研究，宏观动力学和反映/分离一体化的研究，气泡聚并和破碎以及离散固体颗粒对流动和传递的影响，浆态床多相流计算流体动力学（CFD）模型的开发，基于多尺度效应的醇醚燃料合成复合反映/分离浆态床的模型化设计准则。1.2.6 联产中弛放气及粗煤气在燃气轮机中的控制燃烧无论是已经得到工业应用的燃气蒸汽联合循环发电，还是正在工业实验的IGCC联合循环发电都是一种以电力为唯一产品的技术方案，供应燃气轮机的燃料的品质是系统重要保障的指标之一，所以，在常规的这两种发电方案中，燃料的热值较为稳定，污染物含量也较低。但是对于多联产系统，电力并非唯一的产品，原料气需要用于制备其它化学品，而用于发电的是化工过程弛放气和剩余粗煤气。因此在多联产系统中燃气发电会存在以下问题：（1）弛放气及粗煤气的成分随系统的运营状况变化，因而热值不稳定，其它相关的物理、化学特性也会变化；（2）弛放气及粗煤气的压力、温度、流量等参数随系统的运营状况变化，导致最终进入燃气轮机的燃料配比也会发生变化。因此，为了保证系统中燃气蒸汽联合循环发电系统稳定地输出电力产品，一方面需要根据运营情况调配进入燃气轮机燃料的总热值。此外，由于系统弛放气和粗煤气的成分和参数也是变化的，在总热值达成规定的情况下，还必须保证燃料气可以稳定、充足、低污染燃烧，这样才干保证燃气轮机的稳定正常运营。因此，在运用多联产弛放气及粗煤气发电中燃烧的控制就显得尤为重要，是亟待解决的关键科学问题。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：不同成分弛放气和粗煤气的基本燃烧特性，合用于弛放气和粗煤气的催化材料特性及制备技术，燃气轮机燃烧工况下低燃料浓度、低燃烧温度和催化剂稳燃的方法，组织弛放气和粗煤气的控制催化燃烧模拟实验研究，多控制技术联合作用下的催化燃烧的数学模型。1.2.7 化学能与物理能综合梯级运用机理为基础的多联产系统集成理论能的综合梯级运用是能源动力系统集成理论中最核心的科学问题。长期以来，传统总能系统中有关能的梯级运用原理的研究往往局限在物理能转换运用的范畴，而忽略了热力系统中能的最大的品位损失发生在化学能转化为物理能的燃烧过程。另一方面，大多数化工生产流程通过原料气组分调整、未反映物循环反映、粗产物精制等过程实现高效高产的同时，往往过程能耗上升、工艺流程复杂化，初投资大大增长等。寻找产率、产量与投资、能耗之间的平衡点成为化工工艺的关键问题之一。多联产系统综合了化工生产流程与动力系统的特点，试图从能源科学与化工科学的交叉领域寻找同时解决资源、能源和环境问题的新途径。本研究将寻求打破能源动力系统相对简朴的燃料化学能通过燃烧转化物理能热转功运用的传统模式，突破化工流程中以高产率为重要目的的设计思绪，从系统集成和学科交叉层面探讨研究气化煤气和焦炉煤气的不同组分及其转化运用过程的不同品位能的综合梯级运用的机理，实现本项目提出的多联产系统化学能与物理能的综合梯级运用，建立科学的系统集成理论。涉及此关键科学问题的重要研究内容有：涵盖化学能与物理能综合梯级运用机理和能量转换过程与污染控制一体化原理的多联产系统集成理论；多联产系统特殊规律与复杂系统设计优化理论与方法，涉及非同性系统耦合与集成规律研究和多联产复杂大系设计优化理论与方法研究；若干有发展前景的洁净多联产系统概念性方案设计和技术经济分析；多联产系统经济性、环境特性以及能源运用效率的全生命周期分析与评价。二、预期目的2.1 总体目的（1）以发展符合国家中长期发展的能源安全和环境建设重大需求并具有自主知识产权的多联产系统为目的，在已完毕“973”项目（煤热解、气化和高温净化过程的基础性研究）研究成果基础上，进一步拓展和完善自主创新的煤热解、气化和高温脱硫技术，建立适合中国国情的以气化煤气和热解煤气双气头为核心的多联产系统理论和设计方法，实现低成本、高效率、少污染的电力、石油替代燃料、焦与焦油联产和CO2，NOx 减排。（2）在多联产系统集成理论与评价系统、加压大尺寸流化床耦合煤气化大型化工程理论、气化煤气与焦炉煤气共转化制备合成气的基础、浆态相催化化学和浆态床催化剂液相制备新技术基础研究方面取得突破性进展；形成低能耗流化床气流床煤的温和分级气化和免变换的合成气制造技术、复杂气氛和条件下高反映性和稳定性的脱硫剂和催化剂制备、浆态床催化剂完全液相合成、浆态床醇醚燃料合成多相催化反映与反映/分离一体化的强化和控制、联产中弛放气及粗煤气在燃气轮机中的低温催化燃烧等适合本多联产工艺的各单元操作的核心技术基础。（3）在上一个“973”项目的研究队伍基础上，稳定、培养和造就一批在能源、化工及相关领域较有影响的中青年专家和后备人才，形成一支在国内外具有较高学术水平的创新队伍和一个具有示范作用的本项目提出的多联产工艺的实验平台。2.2 五年预期目的（1）通过构建高效、经济、环境和谐的煤加压流化床与气流床优化耦合集成煤转化系统和开发气化煤气与焦炉煤气高温炭共重整新技术以及与之匹配的脱硫技术，形成煤热解与气化结合的双气头免变换CO2减排的合成气制造新技术体系。（2）通过对自主创新的，针对浆态床催化剂使用特性的新型液相制备技术化学基础的研究，达成在液相体系中控制催化剂相结构、孔结构和粒度的目的，在制备出高活性和高稳定性的浆态床催化剂的同时，形成较完整的浆态床催化剂完全液相制备理论和方法，该理论和方法将对其它浆态相反映的催化剂制备和新材料制备产生影响。（3）揭示浆态床催化剂多活性组分之间匹配规律和浆态床反映器对催化剂物性的规定，完毕中试放大或工业示范的工艺和装置，提供放大理论依据和模拟软件包。（4）获得弛放气及粗煤气基础燃烧特性数据，建立多联产系统中燃气轮机控制催化燃烧技术及污染物控制的基础理论和数据体系，提出燃气轮机燃烧室控制催化燃烧设计方法，达成使多联产系统中弛放气及粗煤气等可燃组分转化率大于99 %, 污染物排放达成：NOx、CO及UHC小于5 mg/m3。（5）从煤化工领域与能源动力综合与学科交叉的层面，通过对以焦炉煤气与气化煤气双气头为基础的多联产系统的系统集成科学问题的基础研究，创建全新的热转功热力循环与化工过程有机结合的多联产系统集成理论体系，为开拓发展符合我国可连续发展战略的新一代化工能源动力多联产系统提供理论支撑，同时使我国具有研究、集成、分析、设计和（仿真）实验各种以煤气化为核心的多联产能源系统的能力。（6）在国内外核心期刊发表论文300篇，其中SCI和EI收录论文160篇，形成12 项软件著作权，组织12次高水平的国际学术会议，申请1520项发明专利，培养博士70名，硕士140名。三、研究方案部分气化热解焦化煤重整转化催化一体化合成净化焦炭净化燃气发电蒸汽发电O2合成气醇醚燃料热解煤气空气热解、气化过程产品蒸汽电力图1 气化煤气和热解煤气多联产工艺和技术总体框架图空分气化煤气焦油加压3.1 实现项目五年预期目的的总体研究思绪、技术路线和可行性3.1.1 方案设计一方面按照煤的组成和性质将煤分为用于气化的气煤和用于热解焦化的焦煤。将气煤和由空分装置分离的O2及水蒸汽进行加压（2.5 MPa）、中温（1100 ）分级部分气化（反映式1），生成气化煤气（2.5 MPa，800 ），重要组份为CO（35 %），H2（40 ），CO2（20 ），加热及气化所需的热量由煤炭的部分燃烧提供（反映式2），产生的高压蒸汽用于蒸汽发电。通过除尘、脱硫等净化后，使总硫含量降到燃气轮机发电规定的质量。净化后的大部分气化煤气用作燃气轮机的燃料生产电力产品，少部分用作热解焦化的燃料和化工合成原料。在部分气化煤气的加热下，焦煤发生热解焦化，生成焦炭、焦油和焦炉煤气，焦炉煤气的重要组成为CO（5 %8 %），H2（55 %60 %），CH4（23 %27 %）。按照一定比例，将提取焦油后的通过粗脱硫（湿法）的焦炉煤气加压（2.5 MPa）和气化煤气混合，进入催化重整反映器，使混合气体中的CH4和CO2发生重整反映（反映式3），生成CO和H2，加压后最终达成合成混合醇燃料规定的最佳合成气组成（H2/CO2，4.5 MPa，400 ）。该过程中，充足考虑了我国大量生产焦炭的国情，综合运用气化煤气和焦炉煤气中的化学组成的互相补充和化学转化，达成合成混合醇燃料的最佳比例，从而使化工合成过程达成最优，并且避免了传统的CO变换制氢工艺，减少了CO2排放。3.1.2 总体研究思绪（1）通过对中国典型气化煤种及飞灰细粒在耦合气化条件下的气化特性基础研究、对大型加压（耦合）煤气化过程的工程学研究、大型耦合煤气化系统灰物理、化学特性研究、高温高压条件下旋风分离器细粉捕集及循环系统基础的研究，气化煤气和焦炉煤气高温炭催化共重整特性研究以及与之匹配的脱硫净化技术基础研究，形成焦、焦油、合成气联产新工艺。（2）通过对液相中催化材料自组装行为的基础研究，形成针对浆态床使用特性的催化剂制备技术；通过对催化剂活性组份的匹配原理、催化剂的性能和本征动力学、强化磨损实验、浆态相中的合成反映的机理、浆态床合成反映用液体介质的规定和选择标准等研究形成浆态相催化化学基础；通过对多相流体流动、传递耦合过程的宏观反映/分离一体化规律、工厂热模实验与模型化相结合的研究，形成浆态床醇醚燃料合成多相催化反映器的模型化设计放大技术。（3）通过对联产弛放气及粗煤气的具体成分、物理化学性质和燃烧基本特性的研究，积累相应燃气燃烧的基础数据与规律，形成工程燃烧基础；通过燃烧室热力参数的选取、空气配入方式的选择和催化材料与载体蓄热性能的影响实现对燃烧的控制与优化；通过对热力控制、流体动力学控制和化学动力学控制三种方法联合使用下的燃烧过程的数值模拟，揭示控制催化燃烧过程的物理规律；整合以上研究成果，形成控制催化燃烧技术的完整理论体系、基础数据体系和工程应用技术基础。（4）从三个层面的研究形成多联产系统集成理论。第一是基础理论研究层面，涉及多联产的系统集成理论基础，将重点研究化学能与物理能综合梯级运用机理和能量转换过程与污染控制一体化的原理；第二是多联产系统集成技术层面，将重点研究多联产复杂系统设计优化理论与方法；第三是系统模拟评价方法论层面，重要解决由于化工和动力过程结合带来的建模、构模和运算等特殊问题，以及多产品体系的综合评价方法。这三个方面既有各自独立的内涵，又在研究过程中互相关联、耦合，最终的标志性成果为一个可以灵活研究以煤为原料的多联产系统性能各种问题的集成仿真平台。3.1.3 技术路线（1）实现系统目的的技术路线 着眼于动力系统最大的潜力所在（化学能向物理能转化过程），借助化工流程化学能解决灵活的优势，寻找化学能在转换、转移与释放过程中的变化规律与内部机理，通过清洁能源生产过程、化工生产过程、污染控制过程和能量转换运用过程的有机结合，实现燃料化学能的梯级运用；在化学能与物理能综合梯级运用研究的基础上，寻求能量转换过程与污染控制过程一体化的新途径，达成污染物控制的低能耗与低成本。 突破传统化工流程的设计思绪，不再片面追求高产率，整体考虑化工流程与动力系统，借助动力系统高效能量运用的特点，大幅度提高化工流程的能量运用水平。通过对燃料化学能转化运用规律的探索，揭示燃料化学能、反映过程可用能与物理能之间的基本关系，进而寻找化学能有效梯级运用的突破口，同时强调化学能与物理能梯级运用之间的互相影响，实现两者的有机结合。 针对多联产系统远比单独的动力或化工系统更为复杂的特点，把握化工过程和动力过程原理和特性规律的差异，在不同的系统层面上组合两类过程，建立一个集成仿真平台。 在传统能源系统的效率评价方法的基础上，从经济、环境综合的层面对多联产系统各方面的特性进行评价，从而形成一个多联产系统评价方法论。（2）实现理论目的的技术路线 低能耗流化床气流床煤的温和分级气化和免水煤气变换合成气制造基础使用物理及化学分析仪器及实验室专用反映器进行煤结构、组成与反映性的研究，为过程工程研究提供基础数据；在冷态装置上重要进行反映器内复杂多相流系统间的流动特性、浓度场分布及各相态物质间的传热、传质模拟研究；在热态装置上进行反映条件下浓度、温度场分布研究和模型化。借鉴煤燃烧过程有关灰研究的手段及方法进行煤气化条件下灰特性的研究，重要内容涉及：灰组成与熔融特性；低熔点共融物在所选气化条件下的形成机理及影响因素，流化床反映器内灰熔聚机理及灰球分离机制以及熔聚灰的物理、化学和环境特性等；运用现代多相流理论、计算流体力学方法（CFD）和先进的多相流参数测试手段，对强旋流超重力作用的气固两相流动行为、分离过程与颗粒负压差循环流动过程进行测定及数值模拟。通过研究加压高温强旋流流场及气固两相流动对多尺度颗粒碰撞、团聚、扩散、弹跳，特别是分离过程的影响，以获得加压高温下强旋流煤气-颗粒物的分离及颗粒循环流动的规律；建立相应的工程理论基础。在上述研究的基础上，运用在中科院山西煤化所的煤气化中试装置和太原理工大学在建的以煤洁净焦化为源头的多联产中试基地进行低能耗流化床-气流床的温和气化和气化煤气与焦炉煤气重整免变换的合成气制造基础研究。 无相变工艺匹配脱硫净化基础以氧化铁、氧化锌、氧化钙、氧化铈等金属氧化物或复合金属氧化物作为研究对象，进行脱硫剂各组分间互相作用的探讨；系统进一步研究脱硫剂脱硫性能与其织构的内在关系，结合现有技术基础，有目的地的选择适宜助剂，制备结构功能型脱硫剂，有效改善其循环使用中的稳定性；研究氧化铁系脱硫剂的再生机理，考察再气愤中的硫形态，以单质硫回收为目的，优化再生工艺；选择或制备适宜的催化剂载体，通过等体积浸渍法负载不同活性组分，在有氧气氛下活化，制备出系列耐高温的有机硫水解或加氢催化剂；采用微反-色谱联用仪，研究筛选出的最佳催化剂上高温有机硫催化转化机理和动力学规律；运用透射电镜、扫描电镜、能谱分析等先进技术考察不同气氛下高温有机硫转化催化剂积碳、氧中毒规律，操作条件对有机硫转化催化剂活性的影响；量子化学计算煤中有机硫热解、水解和氢解反映的热力学和键断裂研究，并结合质谱数据，总结裂解反映位点的规律；通过对热力学支持的反映途径，寻找合理的过渡态和中间体，拟定其转化反映机理，根据不同气氛、不同工艺条件下的脱硫过程和规律，建立工艺匹配的煤气脱硫净化过程的关联，为脱硫剂的优化使用及工业开发提供了理论依据。 浆态相催化化学基础在现有的工作基础上，设计实验，对各影响因素进行逐个甄别，抓住关键影响因素，解决催化剂的稳定性和活性之间的矛盾。建立浆态床搅拌釜催化剂稳定性评价装置，提高速度，为机理研究和催化剂制备工作提供依据。根据机理研究的结果，结合新催化材料和新的制备技术，进行实际概念验证。采用多种原位技术，获取CO在催化剂表面吸附活化的信息，对CO及H2分子在催化剂表面的吸附行为和选控转化进行研究，获得有关吸附和活化的规律，深化对反映机理的结识；进行催化剂构效关系研究，结识催化活性中心的本质，获得助剂对催化行为的影响规律，在此基础上构建耐硫、高活性、高选择性合成醇、醚燃料和碳酸二甲酯催化活性中心，开发具有自主知识产权的创新催化体系；优化反映过程工艺参数，完毕催化剂制备工程放大，为放大实验的有效衔接奠定基础。 浆态相催化反映/分离一体化强化与控制基础采用PDPA流场测量仪、光纤探头及PIV层析扫描成像等手段，研究浆态床醇醚燃料合成多相催化反映器气泡行为、流场变化及传递过程及气泡携带液体固体及液体行为，在微观尺度上研究烃类分子与固体颗粒之间的分离效率，掌握多相催化反映器中气-液及液-固分离规律和强化手段。冷模与热模相结合，研究多相反映体系中反映、传质、传热耦合过程的规律，从而实现浆态床醇醚燃料合成多相催化反映与反映/分离一体化。建立多相反映体系的流体流动与反映、传递耦合的模型，最终以多相流模型化放大方法形成浆态床醇醚燃料合成多相催化反映器的模型化设计放大技术。 弛放气及粗煤气在燃气轮机控制催化燃烧基础建立气体燃烧基础测试实验系统，测量不同成分、不同流动参数的弛放气和粗煤气在纯扩散燃烧情况下的温度水平、火焰传播速度及燃烧产物；测量在有催化材料存在的情况下的温度水平、火焰传播速度及燃烧产物。用XRD、XPS、TPR、TEM等测试技术研究催化材料的表面特性，具体为：用高温XRD和TEM研究PdO烧结物分解及氧化物改变后的重新分派；用XPS研究催化材料的表面原子浓度；用TGA研究催化材料载体及活性组分的分解与重新合成特性；用TPR研究催化材料表面互相化学反映。建立小型燃气轮机控制催化燃烧实验台，测量各种燃烧室参数、各种空气送入方式和配比、各种催化材料及其与气体接触方式等因素对燃烧温度水平和燃烧产物的影响。建立燃烧过程的数学模型，建立有催化剂存在时的燃烧速率数学模型，自主研发计算程序及后解决程序，模拟弛放气和粗煤气在燃气轮机燃烧工况下的控制催化燃烧过程。在上述研究基础上，进行完整的控制催化燃烧方式及相应燃烧室的优化研究。（3）实现技术目的的技术路线用上述技术基础的研究结果指导将来相应技术的开发，最终形成如图1所示和醇醚燃料合成一体化的技术集成。3.1.4 可行性（1）项目方案设计合理。相对于国内外已有的多联产模式，本方案最大的创新点在于气化煤气和焦炉煤气的双气头设计。我国焦炭产量世界第一，2023年达2亿多吨。此后虽不会有很大增长，但发展趋势是大型化和集中生产，这就为焦炉气的输配和运用提供了有利条件。以年产100万吨焦炭为基准计算，年产煤气约4.65亿Nm3。按照合成甲醇碳氢比1：2规定，可调配本项目所研究的煤气化技术（自主创新成果）生产的煤气6.75亿Nm3，其中4.22亿Nm3用于焦炉加热燃烧（即采用低附加值的气化煤气顶替焦炉煤气用于焦炉加热），2.53亿Nm3用于合成。煤热解和气化共产生约9.33亿Nm3合成气，9.33亿Nm3合成气可生产甲醇40.55万吨或300兆瓦电力，实现CO2减排1.85亿Nm3。（2）依托技术可靠、有充足的前期研究工作基础。本项目采用的煤气化技术和中高温脱硫技术是前一个“973”项目“煤的热解、气化和高温净化过程的基础性研究”工作的延续，具有扎实的工作基础；气化煤气与焦炉煤气高温炭催化共重整已取得可靠的实验室结果，并得到国家发改委中小公司创新基金资助；浆态床催化剂完全液相合成技术受到了科技部“重大基础研究前期研究专项”的支持，目前进展顺利，两个系列的所有催化剂在近500 h的活性实验中，没有任何失活现象，二甲醚选择性大于93 %，醇醚总选择性大于97 %；浆态床一步法二甲醚合成工艺以及催化/分离一体化的强化与控制和相关研究分别得到了国家“863”、国家“九五”攻关、国家自然科学基金重点基金的资助和中科院“九五”院重大特别项目的支持。（3）项目研究的组织实行有学科条件和学术队伍的保证。本项目组织了国内在热力工程、能源、化学、化工等多个学科领域交叉的研究队伍，项目研究集体来自涉及清华大学在内的6所大学和2个中科院研究所以及1个专门的热工公司，具有3个国家重点实验室、1个教育部重点实验室、2个省级工程研究中心和已建成的中科院山西煤化所煤气化中试装置以及在建的太原理工大学煤洁净焦化多联产中试基地。项目汇聚了我国相关领域的优势研究力量，具有进行基础应用基础工艺工程一体化研发能力。项目研究骨干许多来自前一个“973”项目成员，涉及两位首席，其中谢克昌院士继续担任本项目的首席科学家。近年来，项目组成员通过多个项目合作，建立了密切联系，形成了优势互补、上下游结合的研发团队。通过充足讨论和交流，对项目的关键科学问题的理解和解决途径具有统一的结识，为实现本项目的总体目的奠定了学科和队伍基础。整个队伍还具有很好的科学精神和学术道德。3.2 创新点（1）整体工艺设计创新 双气头免变换调氢的合成气制造。本联产工艺采用气化煤气和热解煤气双气头方案，充足结合了气化煤气富碳、焦炉煤气富氢的特点，不仅提取出煤中部分高附加值产品、提高了整个过程的经济效益和煤中有效组分的运用效率，并且实现了免变换调氢，减少了工艺的复杂性。 实现无气体分离和CO2减排。本着有限目的、突出重点、重在创新的原则，充足考虑到本项目成果的应用背景，本项目没有设立专门的气体分离和CO2减排课题，但通过双气头设计结合自主创新的气化煤气与热解煤气共重整技术，满足了醇醚燃料合成单元对原料气的规定，减少了整个过程的能耗，减少了CO2产出和排放。 催化一体化合成（图5）。依据碳氢比和温度梯度，提出混和醇燃料、二甲醚燃料和碳酸二甲酯催化合成的一体化流程，使气体组成和有效能源梯级应用，减少原料气和能量消耗。（2）思绪创新 通过过程和技术的巧妙组合实现无气体分离无变换合成气制造和CO2减排，工艺过程简化。 依据一切有生命和无生命的物质其形成和生长都是在与环境的适应过程中完毕的这一自然规律，针对浆态床催化剂最终的使用特性，提出浆态床催化剂完全液相合成新技术，填补了国内外没有专门的浆态床催化剂制备技术的空白，研究成果将丰富催化剂制备理论，为材料制备方法的选择提供了判别依据。 依据不同来源煤气、组成、不同气体用途实行工艺匹配的煤气脱硫净化。（3）方法创新提出从基础理论研究层面、多联产系统集成技术层面和系统模拟评价方法论层面三个层面形成多联产系统集成理论的方法。（4）技术创新 匹配焦炉煤气的大型流化床耦合煤气化。 气化煤气与焦炉煤气高温炭催化共重整制合成气。 浆态床催化剂新型液相合成技术。 一次通过或低倍率循环浆态床催化作用基础及过程的强化与控制。 低热值、多组分弛放气和粗煤气催化燃烧技术基础和污染物减排。3.3 课题设立课题一：合用于双气头多联产系统的煤的大规模气化工程基础研究 1. 研究内容（1）加压大尺寸流化床及与气流床耦合煤气化系统的构成和验证，器内的流动、传热、传质及反映与结构尺寸的关系和影响因素；加压气化过程数学模型建立及操作参数优化和分析；（2）中国典型动力煤种和流化床飞灰半焦在高压近灰熔点温度条件下的气化动力学工程特性研究；（3）加压气化过程煤灰低熔点共融物形成机理及分离特性研究；（4）大型高温高压旋风分离器的捕集效率研究、细粉流动特性及在线循环系统操作特性研究。 2. 研究目的（1）构建高效、经济、环境和谐的煤加压流化床与气流床优化耦合集成匹配焦炉煤气共转化的煤气化系统；（2）通过理论分析和冷、热态反映器系统的构建和实验，取得相关的实验数据，建立过程数学模型，形成较为完整工程理论基础；（3）形成具有国际水平的煤气化研究团队；建成具有国际知名度的煤气化研发基地；（4）在国内外刊物和国际会议上发表论文30篇左右，培养研究生10-15名。课题重要承担单位：中国科学院山西煤炭化学研究所，太原理工大学课题负责人：吴晋沪，冯 杰重要学术骨干：王洋，房倚天，马小云，程中虎，王勤辉经费比例：17.5 %课题二：无变换焦炉煤气调H2及CO2减排基础研究 1研究内容（1）气化煤气与焦炉煤气复杂体系中CH4-CO2高温炭（或矿物质）催化重整反映机理和动力学研究，CO2、CH4的吸附、解离和脱附机制；（2）高温炭与CO2或形成表面络合物的形式和数量与转化速率的关系；结合各种表征手段提出控制转化反映活性的关键因素，原始煤种、比表面积、孔结构、微观结构和所含矿物质催化性能的影响，揭示高温炭“催化”作用的实质；（3）反映气混合流场结构、温度场分布模型、传质和传热过程及强化操作的影响等重整转化工程理论；（4）等离子体射流反映器中射流与反映气体之间的互相作用规律，多气氛下甲烷转化的C-H热力学平衡体系的数值模拟，热解反映器的理论研究与设计；多气氛下甲烷转化的反映机理和动力学研究；（5）进行焦炉煤气H2和CH4分理研究，为焦炉煤气单组分运用奠定基础。2. 研究目的（1）揭示在高温炭体系中焦炉煤气与气化煤气（CH4-CO2）共转化的机理，并建立相应的动力学模型；（2）构建焦炉煤气CH4和气化气无变换制合成气系统；（3）在构建的无变换制合成气系统上进行冷热态相关研究取得实验数据,形成较完整的工程理论基础, 提出在高温炭体系中焦炉煤气-CO2混合气转化的新工艺初步设计方案；（4）建立一套完整的焦炉气免变换的等离子体甲烷转化装置，通过C-H热力学体系的数值模拟和实验研究相结合，优化甲烷转化的技术参数，在理论研究与实验研究的基础上，探索高温多气氛下的甲烷转化机理，建立等离子条件下甲烷转化的动力学模型；（5）形成焦炉煤气H2和CH4分离基础理论和工艺设计。 课题重要承担单位：太原理工大学课题负责人：张永发 吕永康重要学术骨干：鲍卫仁，李晋平，赵炜，肖睿，杨力经费比例：17.5 %课题三：无相变工艺匹配脱硫净化1研究内容（1）硫在气固相中的迁移以及形态硫的生成和转化机理；（2）脱硫剂组分之间的互相作用及脱硫性能与其织构的构效关系；（3）脱硫剂的再生性能和硫资源化回收运用；（4）有机硫催化转化机理、动力学规律和气氛效应对有机硫转化催化剂活性的影响；（5）脱硫、催化工艺过程的优化匹