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煤在热解过程会产生一定数量的焦油产品,其中既有BTEXN(苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘)等轻质组分,也包含PAHs(多环芳烃)等重质组分。其中,BTEXN等轻质芳烃是重要的高附加值有机化工原料,被广泛应用于农药、医药、染料等行业。但煤焦油产品中,BTEXN轻质芳烃等物质的含量很低,多环芳烃等沥青组分的含量高达55%以上。目前以多环芳烃为主的重质组分包括沥青未得到高附加值的充分利用。虽然这些PAHs组分也是重要的化工原料,但如未提取利用,会在焦油运输、储存等环节挥发至环境中,造成污染。因此,实现煤焦油中PAHs等重质组分的高效裂解,同时富集并提取BTEXN等轻质组分,既可以提高煤焦油的有效利用率,又可以避免对环境造成污染,是实现煤化工产品清洁高效可持续利用的有效途径。本文选用超稳Y型分子筛(USY)为催化剂,采用热解-气质联用仪(Py-GC/MS),在线考察了煤热解过程气态焦油的形成及裂解过程。通过对比催化前后BTEXN及PAHs等产物的释放特性,结合催化剂的性能参数以及实验煤种性质,分析了USY分子筛催化剂对煤热解气态焦油的催化效果,考察了USY的催化行为并初步揭示了其催化作用机理;此外,通过对煤种进行吡啶抽提,分离出煤中的低分子化合物并得到相应抽提残煤,进而探析了低分子化合物在USY催化改质煤热解气态焦油过程中的供氢作用。得到以下主要结论:(1)USY分子筛可以有效促进PAHs等重质组分向BTEXN等轻质芳烃的裂解转化。经USY1分子筛催化后,安家岭煤热解所得BTEXN产率由1 wt%增加到3.8 wt%,贺西煤热解所得的BTEXN产率由1.5 wt%增加到4.5wt%,同时3~4环多环芳烃总产率分别降低了23.7%和32.8%。(2)USY对煤热解气态焦油的催化效果主要受自身酸性位分布情况和煤种特性的双重影响。弱的B酸性位较有助于芳香缩合度较低,脂肪类结构较为丰富的安家岭长焰煤热解产物中BTEXN的生成,而强的B酸性位则对芳香缩合度较高的贺西焦煤表现出较强的促进BTEXN生成的作用。(3)低分子化合物可以显著促进煤热解焦油催化改质过程中BTEXN的生成。当热解温度为600°C时,低分子化合物的存在使得锡盟煤热解气态焦油经催化改质后BTEXN的总产率增加了2 wt%,同样五彩湾煤增加了约1.9 wt%,贺西煤也增加了约0.8 wt%。(4)煤热解气态焦油的催化改质过程消耗了许多含氢自由基,以及H2、CH4等富氢气体,其中有一部分来自于低分子化合物的高温热裂解过程。低分子化合物的供氢作用与USY分子筛的裂解作用相铺相成,共同促成了BTEXN等轻质芳烃的生成,最终显著改善焦油品质。