2023年度陕西省科学技术奖提名公示信息

一、项目名称：中低温煤焦油超分子体系研究及其分离提质工艺技术开发

二、提名者及提名意见

提名单位：陕西省化工学会

提名意见：

我单位认真审阅了该项目提名书及附件材料，成果材料齐全、规范，无知识产权纠纷，人员排序无争议，符合陕西省科学技术奖提名条件。

该研究组主要致力于煤焦油的预处理和煤焦油危险固废无害化处理研究。自2008年以来，研究团队围绕煤炭热解过程副产的中低温煤焦油的分离提质和焦油渣无害化处理中所面对的科学、技术和工程问题，在中低温煤焦油沥青质超分子体系构建、焦油渣无害化资源回收利用和中低温煤焦油的金属杂原子分离提质技术。从中低温煤焦油性质、缔合沥青质结构、溶解解聚机理、杂原子赋存形态、杂质脱除规律、油渣解附分离、关键设备仿真和焦油除杂提质工艺等方面进行关键技术攻关。主要开发技术包括：1、基于数据库模型指导的焦油渣混合相包覆性沥青大分子“缔合固化-溶解解聚-强化分离”技术；2、高粘附性危险固废焦油渣的同质复合萃取-固液多相分离无害化资源回收技术；3、中低温煤焦油全馏分“热过滤-螯合化-相转移-相分离”金属杂原子净化提质技术。研究中取得了一系列创新性研究成果，形成了一套中低温煤焦油预处理、危险固废焦油渣无害化处理的工业技术体系。本研究成果已发表学术论文27篇，其中SCI论文12篇；获得授权国家专利11项，培养博士研究生3名，硕士研究生15名。

2019年以来，西北大学与陕西双翼煤化科技实业集团有限公司合作开发的中低温煤焦油除杂提质工艺技术，建设了一套2万吨/年的焦油渣处理装置及一套8万吨/年的煤焦油除杂提质装置。2020~2022年的三年期间，两套装置新增总销售额15719.1万元，扣除总成本税前利润为5577.8万元。中低温煤焦油预处理与焦油渣资源回收利用技术研发及工业化应用，符合国家西部大开发和我省的科研战略方针和产业政策，促进我省煤炭资源的优化升级和加快陕北能源重化工基地的建设，对我省能源化工行业产业突围和地方国民经济发展具有重要的现实意义、经济意义和战略价值。

提名该项目为陕西省科技进步奖二等奖及以上。

三、项目简介

煤炭资源，将是我国现阶段和未来长期经济发展必须依赖和依靠的重要能源形式，其中，在我省榆林和西北地区，以“低阶煤热解技术”为代表新型煤化工产业发展迅猛，已成地方支柱产业，热解得到的中低温煤焦油年产量已高达750×10⁴t左右。在国家产业政策规划和企业现实需求的大背景下，我省陕北地区煤热解和煤焦油产业将面临着全面的转型升级要求，生产规模巨大的中低温煤焦油的科学、高效、环保清洁化利用已成为行业突破的关键。目前，陕北及周边地区运行、拟建和规划的煤焦油加工企业已达30余家，利用方式主要以加氢制燃料油为主，同时副产沥青和焦炭等低端化工品，但在工艺技术、产品方案、预处理程度、催化工程、沥青利用及固废处理等方面仍存在着大量科学、工程和环保问题。

自2008年以来，长期致力于中低温煤焦油分子结构、杂原子赋存结构、杂原子迁移规律和脱除规律、除杂工艺与技术、沥青质超分子结构、缔合结构、解聚过程和固废焦油渣无害化资源化利用等基础科学和工艺技术研究，基于此，完成了中低温煤焦油沥青质超分子体系构建、焦油渣无害化资源回收利用和中低温煤焦油的金属杂原子净化提质技术。从中低温煤焦油性质、缔合沥青质结构、溶解解聚机理、杂原子赋存形态、杂质脱 除规律、油渣解附分离、关键设备仿真和焦油除杂提质工艺等方面进行关键技术攻关。本项目具体如下：

（1）本项目针对中低温煤焦油的沥青质重组分，通过FT-IR、XPS、¹³C-NMR和FT-ICR MS等物化表征以及分子模拟等新手段，并基于模拟退火算法和基团贡献法构建了混合相包覆性沥青质超分子体系。利用计算表征模型（A-CCM）、分子动力学（MD）和密度泛函理论（DFT）对沥青质分子组成结构及聚集行为进行研究，揭示沥青质超分子结构、缔合行为、聚集行为及溶解解聚规律，提出中低温煤焦油“缔合固化-溶解解聚-强化分离”技术。为中低温煤焦油除杂提质和焦油渣的高效回收与二次开发利用提供一定理论指导。

（2）针对焦油加工过程中产生的难以处理的危险固体废弃物—焦油渣，在环保、低碳和资源再利用的理念下，无害化为环保前提的资源最大化焦油渣处理技术开发的唯一方向和最佳理想处理途径。基于超分子理论研究、计算机模拟及实验验证手段，通过深入研究其组成结构和粘附形态，建立了焦油渣的固液萃取扩散动力学模型，利用MIPT算法获得焦油渣甲苯溶剂萃取分离规律，采用EDEM-Fluent软件耦合模拟，开发了工艺关键设备—螺旋塔板萃取塔。 开发了“煤基富芳馏分-二甲基亚砜”同质复合萃取体系及工艺技术，提出一套溶剂可循环焦油渣无害化资源利用处理方法。

（3）针对中低温煤焦油中大量铁、钙等金属杂原子主要以甲苯不溶物、胶质和沥青质金属非卟啉类结构等难以脱除的不溶或油相存在形态，现有预处理技术无法实现高净化度、高收率、低成本处理的难题。基于对中低温煤焦油杂原子赋存结构和迁移规律的深刻认识，针对热过滤后难脱除的油溶性 Fe、Ca，开发了高效三元复合脱金属剂，利用Fluent模拟其混合-螯合-分离过程，开发关键设备—静态混合器和三相分离器。开发一套适用于中低温煤焦油的高回收率、高净化度除杂提质工艺技术。工业应用表明：净化焦油回收率达到98.2%，喹啉不溶物、Ca、Mg脱除率大于95.2%，铁脱除率大于85.0%，盐含量小于3 ppm。技术指标和综合性能达到国内领先水平。

本项目针对我省，乃至西北地区大宗热解产物—中低温煤焦油的除杂、提质、利用难题，通过对中低温煤焦油结构组成，对下游利用危害较大杂质的赋存形态，特别是对其无法认知的沥青质超分子体系的结构形态及其衍生杂原子物质的科学认知。从分子组成结构层面，揭示沥青质超分子结构、缔合行为、聚集行为及溶解解聚规律，提出了其焦油渣无害化回收利用和煤焦油除杂、提质新理念。本团队依托国家自然科学基金、陕西省科学技术基金、陕西省教育厅等基金和其他国有企业横向基金的大力支持，对中低温煤焦油预处理、清洁转化过程及危险固废回收等方面开展了一系列研究，为中低温煤焦油生产企业提供了大量技术支撑和帮助，推动了中低温煤焦油深加工产业的高端化、多元化、低碳化进程。

四、客观评价

1、该项目的实施得到了国家级、省部级和其他企业横向基金的大力资助，包括：国家自然科学基金、陕西省“13115”重大产业化项目、陕西省“13115”科技创新工程项目、陕西省重点研发计划项目、陕西省教育厅重点科研计划项目等等。以及得到了业内大型能源化工企业的支持和合作。本技术的研究成果和工业化转化，对于提升我省陕北地区煤焦油清洁化利用具有十分重要的的现实意义和经济价值，大幅提升相关企业的经济效益和技术竞争力。

2、本项目中，利用模拟退火算法和基团贡献法求解沥青质的数据库模型，构建了中低温煤焦油的混合相包覆性沥青质的超分子体系。设计了一套焦油渣“同质复合萃取-固液多相分离”工艺技术，实现了焦油渣中油和渣的彻底物理分离，油渣的无害化达到国家标准《危险废物鉴别标准GB 5085-2007》技术指标要求，技术指标完全实现了焦油渣无害化、资源综合利用目的。采用多种手段组合实现煤焦油中杂原子的富集和分离，明确中低温煤焦油中杂原子赋存形态及分布特征，开发高回收率、高净化度的中低温煤焦油“热过滤-螯合化-相转移-相分离”除杂提质工艺技术，得到一套适用于中低温煤焦油杂原子净化提质的预处理工艺技术。以上项目内容委托查新机构进行查新分析，通过与项目的查新点进行对比分析，综合分析比较可以看出：在国内公开发表的中文文献中与委托项目查新点完全相同的未见报道。

3、研究了中低温煤焦油超分子体系构建及其除杂提质工艺技术及相关理论研究。以上研究工作成果发表在Fuel，Energy Technology，Fuel Processing Technology，Journal of the Energy Institute等具有重要影响力的国际知名刊物上。同时，开发出多项具有独立知识产权的新技术。

4、2019年以来，与陕西双翼煤化科技实业集团有限公司合作开发的中低温煤焦油除杂提质工艺技术，建设了一套2万吨级的焦油渣处理装置及8万吨级的煤焦油除杂提质装置。2020~2022年的三年期间，两套装置新增总销售额15719.1万元，扣除总成本税前利润为5577.8万元。

五、应用情况及效益

六、主要知识产权和标准规范等目录

1. 李冬，王磊，李稳宏. 一种中低温煤焦油重质金属脱除用相转移剂及应用，发明专利，授权公告日：2017-11-03，中国，专利号：ZL 201510556051.7

2. 李冬，冯弦，崔楼伟，裴亮军，乌尼尔，李启凡，李稳宏. 一种焦油渣资源化处理工艺, 发明专利，中国，授权公告日：2019-06-07，专利号：ZL 201711001248.X

3. 李冬，张琳娜，薛凤凤，裴亮军，李稳宏. 一种适用于煤基石脑油的复合萃取剂及制备溶剂油的方法，发明专利，中国，授权公告日：2017-05-03，专利号：ZL 201510724753.1

4. 李冬，苗正朋，崔楼伟，李稳宏. 一种煤焦油中杂原子的脱除方法, 发明专利，中国，授权公告日：2020-09-10，专利号：ZL 201711083561.2

5. 李稳宏，朱永红，袁扬，王磊，张琳娜，李冬，毕瑶. 煤焦油净化装置，实用新型专利，授权公告日：2015-12-09，中国，专利号：ZL 201420768370.5

6. Zhu Yonghong, Guo Yuting, Zhang Xuan, Tian Feng, Luo Cheng, Du Chongpeng, Yang Tianhua, Chen Maosen, Sun Zhihui, Li Dong. Exploration of coal tar asphaltene molecules based on high resolution mass spectrometry and advanced extraction separation method. Fuel Processing Technology, 2022, 233: 107309.

7. Du Chongpeng, Li Dong, Shi Chao, Du Zonggang, Han Wei, Zhu Yonghong, Dong Huan, Fan Xiaoyong, Wang Chong. Study on the association driving force of low temperature coal tar asphaltenes. Journal of Molecular Structure, 2022, 1254: 132361.

8. Pan Liuyi, He Yulong, Niu Menglong, Dan Yong, Li Wenhong. Selective hydrodeoxygenation of p-cresol as a model for coal tar distillate on Ni-M/SiO₂ bimetallic catalysts.RSC Advances, 2019, 9(37):21175-21185

9. Liu Jiaojiao, Zhu Yonghong. Miao Zhengpeng, Cui Louwei, Liu Jieping, Fan Xiaoyong, Du Chongpeng, Dan Yong, Teng Haipeng, Li Dong. Study on the Pretreatment Process and Removal Rules of Sulfur-Containing Compounds for Medium- and Low-Temperature Coal Tar. ACS Omega 2021,6(19):12541-12550.

10. 陈娟,刘元,马向荣,等.精煤组分与沥青质组分性质研究[J].当代化工, 2019, 48(10): 2194-2198

七、主要完成人情况

八、主要完成单位及创新推广贡献

九、完成人合作关系说明

本项目完成人李冬为本项目主要技术总负责人和技术代表，负责中低温煤焦油预处理、危险固废焦油渣的无害化处理及中低温煤焦油预处理工艺过程的探索与开发，带领研究人员进行了大量的实验工作，开展了丰富的理论研究，形成了中低温煤焦油中沥青质超分子体系、杂质等赋存形态研究体系。同时，参与了各工业化工程项目，指导工业化进程的推进。产生多篇学术论文与多项发明专利。

项目完成人李稳宏为本项目主要负责人，负责总体项目方案制定及研究团队的组建，自项目成立便参与进项目的研究之中，通过开展小试研究方案设计，试验装置购置与搭建，实验人员招募与调配，为项目顺利实施提供了有利保障。

项目完成人崔楼伟、范晓勇、朱永红、潘柳依、杜崇鹏和刘姣姣为项目研究过程中主要的技术骨干，自项目启动以来，陆续加入各项研究之中，主要负责带领团队开展小试实验，完成相应研究理论体系的建立。项目完成人陈娟参与工业化建设。

项目完成人冯利军为工业化项目实施的主要负责人。该完成人主要负责工业化装置的建设与运行，工业化装置运行的技术指导，同时为理论研究提供工业化运行数据支持。