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史士東等編寫的《煤加氫液化工程學基礎》是“973計畫”基礎研究的成果結晶，也反映了作者和同事們從事煤炭直接液化科研工作30年的經驗及積累的成果。可供從事煤炭加氫液化工藝及工程技術的科學研究、工程設計、裝置運行等工程技術人員參考，也可供高等院校相關專業師生參考。
本書共分8章，第1章是煤炭加氫液化基礎工藝的簡要介紹；第2章介紹液化用煤、煤的熱解、溶劑及催化劑；第3章介紹煤加氫反應機理和動力學；第4章介紹油煤漿的流變性；第5章介紹煤液化油的基本性質與組成；第6章介紹煤液化鼓泡床反應器；第7章介紹煤液化環流反應器；第8章介紹煤液化殘渣的基本性質及利用。
目錄
第1章煤炭加氫液化的工藝過程1
引言1
1?1煤炭加氫液化的歷史2
1?1?1國外煤炭加氫液化工藝技術的開發2
1?1?2我國的煤炭加氫液化研究與工程項目3
1?2煤炭加氫液化的主要工藝過程4
1?2?1備煤和煤漿製備5
1?2?2液化單元6
1?2?3循環溶劑加氫單元12
1?2?4液化油提質加工13
參考文獻15
第2章液化用煤、煤的熱解、溶劑和催化劑16
2?1煤的分子結構及適合液化的煤種16
2?1?1液化用煤的基本性質16
2?1?2煤的岩相組成17
2?1?3液化用煤的分子結構22
2?1?4適合液化的煤種30
2?2煤熱解機理32
2?2?1煤熱解過程分析33
2?2?2煤熱解的主要影響因素33
2?2?3煤熱解機理34
2?2?4煤熱解模型 36
2?2?5煤熱解甲烷、氫氣生成機理42
2?3溶劑的作用44
2?3?1溶劑對煤的分散、溶脹和溶解作用44
2?3?2溶劑的供氫作用45
2?3?3溶劑的氫傳遞作用46
2?3?4溶劑中極性物的作用48
2?3?5評價溶劑質量的指標49
2?3?6起始溶劑的選擇52
2?3?7液化裝置運行中對溶劑質量和數量的控制53
2?4煤炭液化催化劑55
2?4?1催化劑的功能和類型55
2?4?2納米型鐵系催化劑56
2?4?3鐵系催化劑的催化機理61
2?4?4鐵系催化劑的不足和改進方向63
參考文獻64
第3章煤加氫液化反應機理和反應動力學68
3?1早期的煤液化動力學研究成果68
3?2近期的動力學研究成果73
3?2?1反應初期動力學74
3?2?2反應後期動力學79
3?3煤在加氫液化過程中轉化特點的再認識81
3?4神東煤反應機理及動力學82
3?4?1反應初期動力學82
3?4?2神東煤反應後期動力學89
3?4?3神東煤反應動力學小結和連續高壓釜的驗證91
3?5瀝青烯和前瀝青烯的反應動力學93
3?5?1瀝青烯和前瀝青烯的加氫轉化動力學93
3?5?2瀝青烯和前瀝青烯的縮聚動力學98
3?6各產物產率的簡化計算100
3?7勝利褐煤加氫液化動力學102
3?7?1升溫階段動力學參數102
3?7?2恆溫前期反應動力學參數102
3?7?3恆溫後期反應動力學參數103
3?7?4勝利褐煤動力學小結104
3?8動力學研究成果的套用104
3?8?1計算煤漿預熱爐出口的轉化率104
3?8?2計算反應器內的反應狀況106
3?8?3對工藝最佳化的理論指導108
參考文獻110
第4章油煤漿的流變性112
4?1油煤漿流變性的研究在煤液化過程中的作用112
4?2基本概念114
4?2?1顆粒的基本概念114
4?2?2顆粒在流體中的自由沉降速度120
4?3懸浮體流變特性概述121
4?3?1流變學基礎及黏度概述121
4?3?2油煤漿流變特性試驗原理及測試方法126
4?4常壓下影響油煤漿黏度的主要因素127
4?4?1煤及煤粉的粒度對煤漿黏度的影響127
4?4?2溶劑性質的影響130
4?4?3煤漿濃度的影響132
4?4?4製漿條件的影響134
4?4?5其他條件的影響135
4?5煤液化條件下油煤漿的黏度138
4?5?1液化條件下煤漿黏?溫性能概述138
4?5?2高溫高壓條件下油煤漿的黏度測定方法139
4?5?3氫分壓對煤漿黏度的影響146
4?6油煤漿流變特性的機理分析146
4?6?1溶脹溶解機理147
4?6?2溶劑的揮發增濃作用154
4?6?3煤的熱解對煤漿黏度作用機理155
4?6?4瀝青烯和前瀝青烯的作用機理158
4?7煤液化殘渣的流變性161
4?7?1煤液化殘渣的基本性質161
4?7?2煤液化殘渣的非牛頓流體特性162
4?7?3煤液化殘渣的黏?溫變化162
參考文獻172
第5章煤液化油的基本性質及組成175
5?1蒸餾175
5?1?1蒸餾的試驗方法175
5?1?2煤液化油的實沸點蒸餾176
5?2密度178
5?2?1密度的測定方法178
5?2?2煤液化油的密度179
5?3元素分析181
5?3?1元素的測定方法181
5?3?2煤液化油的元素分析184
5?4黏度186
5?4?1黏度的測定186
5?4?2煤液化油黏度的測定188
5?5表面張力189
5?5?1表面張力的測定方法190
5?5?2煤液化油餾分的表面張力191
5?5?3表面張力的關聯與估算192
5?6比熱容194
5?6?1比熱容的測定方法195
5?6?2煤液化油比熱容的測定及其與溫度的關聯196
5?6?3比熱容的估算方法198
5?7飽和蒸氣壓和蒸發焓200
5?7?1飽和蒸氣壓的測定方法200
5?7?2蒸氣壓的測定及其與溫度的關聯203
5?7?3煤液化油蒸氣壓的估算205
5?7?4煤液化油的蒸發焓208
5?8相對分子質量209
5?8?1相對分子質量的測定方法210
5?8?2煤液化油的平均分子量的測定212
5?8?3煤液化油窄餾分平均分子量的計算關聯式213
5?8?4煤液化油平均分子量計算值和實驗值比較214
5?9臨界參數216
5?9?1假臨界性質的計算關聯式216
5?9?2煤液化油窄餾分的假臨界性質217
5?9?3煤液化油餾分的偏心因子222
5?10煤液化油組成分析224
5?10?1煤液化油窄餾分的GC/MS分析224
5?10?2煤液化油中酚類物質分析231
5?11氫氣在煤液化油中的溶解度232
5?11?1氫氣溶解度測定原理和實驗裝置232
5?11?2煤液化油中氫氣的溶解度234
參考文獻235
第6章淤漿鼓泡床反應器239
6?1概述239
6?2流動特性242
6?2?1流型界定及辨識242
6?2?2相分散244
6?2?3流動特性參數的測量254
6?3相間傳質和液相混合256
6?3?1相間傳質:液側傳質256
6?3?2相內混合:液相混合或分散259
6?4淤漿鼓泡床反應器模型化264
6?4?1模型化方法264
6?4?2模型示例一:Fischer?Tropsch（F?T）合成淤漿鼓泡床反應器的性能266
6?4?3模型示例二:煤直接液化淤漿鼓泡床反應器中液相的軸向分散270
參考文獻280
第7章煤加氫液化環流反應器291
引言291
7?1氣液（漿）反應器的性能比較292
7?2環流反應器的研究現狀概述293
7?2?1環流反應器的類型特點294
7?2?2環流反應器的特性參數測定294
7?3環流反應器的流體力學和傳遞特性295
7?3?1環流反應器的流動形態295
7?3?2環流反應器的流體力學冷模實驗295
7?3?3環流反應器的傳遞參數測定301
7?4環流反應器巨觀數學模型302
7?4?1巨觀流體力學模型302
7?4?2煤液化環流反應器整體數學模型307
7?5環流反應器在煤液化反應體系的適用性試驗309
7?5?1環流反應器流動特性310
7?5?2環流反應器的反應效果313
7?5?3環流反應器在PDU上的試驗結果小結315
7?6環流反應器的計算流體力學模型316
7?6?1兩流體數學模型316
7?6?2湍流模型319
7?6?3相間作用力320
7?6?4氣泡的運動行為322
7?7環流反應器的數值模擬329
7?7?1多流體的分離式計算方法329
7?7?2環流反應器的數值計算技術330
7?7?3環流反應器多相流動的模擬結果335
7?7?4環流反應器氣液質量傳遞的數值模擬340
7?7?5煤加氫液化環流反應器的數值模擬346
7?8煤加氫液化反應器的運行和操作353
7?8?1反應器的溫度控制353
7?8?2防止煤粉顆粒的沉降355
7?8?3防止固體礦物質的沉積和長大355
7?8?4防止瀝青類物質的結焦356
7?8?5反應器的低負荷運行357
7?8?6非正常情況的處理對策357
7?8?7反應器的開停車359
參考文獻359
第8章煤炭直接液化殘渣的性質和加工利用363
引言363
8?1殘渣的物理化學特性363
8?1?1殘渣的工業、元素分析和基本物化性質分析 363
8?1?2殘渣的熱解特性 373
8?1?3煤直接液化殘渣及其分離產物的氣化特性389
8?1?4煤直接液化殘渣及其分離產物的加氫特性391
8?2煤直接液化殘渣的利用途徑398
8?2?1燃燒 398
8?2?2熱解和焦化 398
8?2?3氣化399
8?2?4加氫轉化 399
8?2?5煤直接液化殘渣作為道路石油瀝青改性劑 400
8?2?6用於炭材料前驅體410
參考文獻431
序言
煤炭加氫液化轉化成液體燃料，20世紀三四十年代德國就已經實現了大規模工業化，當時反應壓力很高，技術處於初級階段，但因侵略戰爭的需要不惜成本大量生產。70年代兩次石油危機的影響，國際上掀起了研究煤炭液化新技術的高潮，美、德、日等已開發國家均大量投入，研究開發新一代煤液化技術，使技術有了長足的進步。
20世紀80年代初，國內煤炭加氫液化的技術研究也開始起步，但當時的指導思想是以國際合作、跟蹤研究為主，雖然做了大量的前期研發工作，但尚未擁有自主智慧財產權的整體工藝，國內還不具備向產業化發展提供成套技術和關鍵設備的能力。
1993年，中國由石油出口國轉變成石油進口國，此後煤液化受到黨和國家領導人的高度重視，煤液化技術研究成為國家戰略性科研項目。在國家政策支持和經濟發展的大背景下，煤液化技術研究的指導思想也發生了轉變，中國必須自主創新，研究開發具有自主智慧財產權的新技術。
進入21世紀以來，我國石油供應長期短缺的形勢嚴峻，對進口石油的依賴程度越來越高，而國際油價不斷上揚，石油市場直接受到國際政治、地區衝突和經濟形勢的影響，石油供應渠道和石油價格波動等不確定因素增加，使我國的石油供需矛盾成為突出的能源和經濟安全問題。發展以發動機燃料油為主要產品的煤炭液化技術，建設中國煤炭液化新產業，是發揮我國資源優勢、實現多元化補充石油短缺、保障能源安全和穩定供給的重要戰略措施之一。
國家從能源戰略高度出發，2004年政府批准神華煤直接液化示範工程開工建設。研究院所和企業的強強聯合使研發的進度大大提速，在國家“863計畫”的支持下開發出了具有中國自主智慧財產權的高活性催化劑和煤直接液化工藝。
同時，國家重點基礎研究發展計畫（“973計畫”）也於2004年專門立項，開展了大規模煤炭直接液化的基礎研究，作者被科技部聘為國家重點基礎研究發展計畫煤直接液化項目的首席科學家。該項目針對煤漿流變特性、煤液化物料的熱力學基本性質、煤加氫液化的反應機理及反應動力學和新型環流反應器的反應工程學等急需解決的關鍵科學問題開展研究，經過5年的努力，解決了以上科學問題，達到了預期目標。揭示了煤加氫液化的反應機理，建立了反應動力學模型，成功地套用於大規模反應器的模擬和分級反應新工藝的開發。項目開發的環流反應器具有顯著的優點，是很有發展前途的新型煤液化反應器。項目為了滿足煤液化產業化急需，對煤液化殘渣進行了深入研究，從殘渣的基本性質著手，系統研究了殘渣的工藝特性，並開發了幾種可供選擇的高附加值利用技術。
目前，神華煤直接液化示範工程已進入試運行階段，開車十分順利，打通了全部工藝流程，基礎研究對示範項目的設計和運行起到了積極的支持作用。
本專著是“973計畫”基礎研究的成果結晶，也反映了作者和同事們從事煤炭直接液化科研工作30年的經驗及積累的成果。可供從事煤炭加氫液化工藝及工程技術的科學研究、工程設計、裝置運行等工程技術人員參考，也可供高等院校相關專業師生參考。
本書共分8章，第1章是煤炭加氫液化基礎工藝的簡要介紹，由朱曉蘇執筆；第2章介紹液化用煤、煤的熱解、溶劑及催化劑，其中液化用煤基本性質由白向飛執筆，煤的熱解由趙雲鵬、劉全潤、胡浩權執筆，溶劑及催化劑由李文博執筆；第3章介紹煤加氫反應機理和動力學，由郭治、史士東執筆；第4章介紹油煤漿的流變性，由王永剛、張德祥執筆；第5章介紹煤液化油的基本性質與組成，由馮傑、常麗萍、凌開成執筆，其中部分GC/MS數據由魏賢勇提供；第6章介紹煤液化鼓泡床反應器，由劉輝執筆；第7章介紹煤液化環流反應器，由楊超、毛在砂、黃青山、禹耕之、史士東執筆；第8章介紹煤液化殘渣的基本性質及利用，由楊建麗、周穎執筆；最後，全書由史士東對各章節進行了修改和補充。成稿過程中王勇、朱肖曼、毛學鋒、盛英、胡發亭、劉敏等參與了數據及文字的校正。
本書各章節採用的大量實驗數據及研究成果來源於“973項目”各課題和煤炭科學研究總院煤化工分院液化研究所的科研成果以及神華煤制油公司的試驗數據，為此對參加課題研究的全體成員及研究生以及液化研究所的各位同事和神華煤制油公司的各位同仁表示誠摯的感謝，本書的出版得到了科技部“973計畫”項目的支持和煤炭科學研究總院出版基金的資助，在此一併深表謝意。
鑒於作者水平和時間所限，本書難免有許多不足之處，懇請讀者批評指正。
作者
2012年2月
