毕业时间：2015年12月（博士）

毕业去向：南水北调公司

导师：徐春明 教授、史权 教授

学科专业：化学工程与技术

研究方向：石油与天然气化学

 

学位论文题目

中低温煤焦油的化学组成

Molecular Characterization of Middle- and Low-Temperature Coal Tar

 

论文摘要

中低温煤焦油是低阶煤提质和气化的主要副产品，产量巨大，但缺乏有效利用。化学组成研究是煤焦油综合加工利用的理论基础。本论文针对8个煤种生产的14种中低温煤焦油，通过蒸馏、萃取及色谱分离，结合气相色谱质谱联用（GC/MS）、傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）等技术手段，对煤焦油及其组分进行了详细的性质及分子组成研究。

中低温煤焦油粘度、凝点较低，在常温下具有很好的流动性，大部分组分沸点较低，但焦油密度远高于相应石油产品，与水的密度接近，焦油中一般含有百分之几至几十的水，蒸馏时与芳烃和酚类化合物共沸。350 (C以前轻馏分占焦油总量的60 wt%以上，氧含量高是其最主要特点，硫、氮元素含量较低，金属元素含量低于一般石油产品。

煤焦油中的烃类是主要组分，包括饱和烃、烯烃、芳香烃等。这些化合物经酸碱分离富集到了中性组分中。饱和烃以正构烷烃为主，碳数分布在C4~C30之间；烯烃包括烯烃、二烯烃、芳香烯烃等，正构(-烯烃与正构烷烃具有一致的分布规律；芳烃包括1~5环的多种结构类型，其中烷基苯和烷基萘类化合物含量最高，是中低温煤焦油的主要组分，短侧链芳烃含量较高，但同时存在一些长烷基侧链芳烃化合物。

煤焦油的氧大部分以酚类形式存在，被酸碱分离到酸性组分（含量超过20 wt%）中。化合物类型以苯酚、茚酚和萘酚类为主，鉴定出了多种类型含有2~6个环的一元酚类，以及多种二元酚类化合物，不同焦油中酚类化合物的含量与组成存在较大差异。酚类化合物的烷基取代碳数主要分布在C0~C6之间，最高超过C30。鉴别出了具有明显偶碳优势连续分布的正构脂肪酸类化合物，C 24、C26、C28正构脂肪酸显示最强相对丰度。在分离出的芳烃组分中含有大量呋喃类环状醚类化合物；含有大量脂肪酮及芳香酮类化合物，酮类化合物的分子结构与烃类化合物的组成、分布具有一定相似性。

氮、硫元素含量约为0.3 wt%和0.6 wt%，碱性氮化物以喹啉类为主，非碱性氮以吲哚类、咔唑类为主，高分辨质谱数据中鉴定出14种不同类型的含氮化合物分子类型；含硫化合物以噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩类化合物为主。

本论文在宏观物性和分子组成层面对中低温煤焦油进行了系统的研究，为中低温煤焦油的深度加工提供了重要的理论支持。

关键词：中低温煤焦油；分子组成；高分辨质谱；

 

创新点

（1）通过研究14种中低温煤焦油可知，中低温煤焦油外观黑褐色或黑色，带有金属光泽，具有极其刺激的气味；粘度、凝点较低，在常温下具有较好的流动性；焦油大部分组分沸点较低，密度与水的密度接近，高于一般石油产品；焦油中一般含有百分之几至几十的水，蒸馏时与芳烃和酚类发生共沸；中低温煤焦油主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素组成，伴有金属元素，其中氧含量高，硫氮元素较低，金属元素低于石油产品中的含量。（见论文第2章）

（2）中低温煤焦油分子量范围在100 Da~ 500 Da之间。化合物类型主要是烃类和含有氮硫氧的非烃类化合物组成，基于煤源和加工工艺，化合物的含量与分布存在差异。烃类主要是饱和烃、烯烃和芳烃，含氧化合物主要是酚类化合物，还鉴定出羧酸、呋喃、环状醚、脂肪酮、芳香酮、烯酮等；含氮化合物主要以碱性氮化物喹啉类为主，还含有吲哚、咔唑及脂肪腈等非碱氮化合物。含硫化合物以噻吩及苯并噻吩类化合物为主。值得一提的是，在酸性分中也有碱性氮的存在，在碱性分中也有酸性氧存在，在中性组分中，同样含有氮化物和氧化物；说明煤焦油的分子结构极其复杂，存在大量同时含有不同酸碱性质的官能团，也说明部分大分子化合物的分子极性强，使得酸碱分离不能达到理想状态。（见论文第3章、第4章、第5章）

（3）基于中低温煤焦油，改进并优化了一套分离分析方法，包括蒸馏、酸碱萃取以及色谱分离，以及后续的GC/MS，ESI FT-ICR MS和GC/APCI MS等分析仪器定性定量的优化组合。结果证明，分离方法有很强的可操作性和重复性，能够满足后续分析仪器的需求；仪器定性定量得到了大量的结果，将推进煤焦油的分子组成上的认识。

 

 

发表学术论文

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