煤炭科学技术研究院：毛学锋研究员——煤基高能量密度燃料的合成及表征

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（1）以煤直接液化石脑油馏分为起始原料，富集后轻质芳烃为合成前驱体，通过化学合成、催化加氢稳定和产物分离提纯等方法制备了煤基高能量密度燃料。而现有的合成高密度烃类燃料，均以价格高昂的环戊二烯（CPD）或降冰片二烯（NBD）同系物等纯物质为起始原料，其存在工艺繁琐（化学合成、加氢饱和和异构重排等）、产物同分异构体复杂且分离困难、目标产物收率较低、分子调控难度大和成本高等问题。煤基高能量密度燃料合成制备，减少了异构化步骤且原料来源广泛（利用丰富煤炭资源，2019年煤基油产量为2500万吨左右，每年以10%递增），成本低廉，更加有利于工业化生产。

（2）制备得到的煤基高能量密度燃料，其分子结构为多个封闭环平面组成且具有空间立体构型的二环或三环烃类物质。因分子内存在较大的张力能,结构紧凑，其拥有更大的密度和体积热值。其密度和体积热值分别为0.8990g/cm3与38.06MJ/L，均大大超过现行的国内石油基喷气燃料（RP-3和RP-6）、煤基大比重喷气燃料标准、美国和俄罗斯军用标准。

1作 者

毛学锋1,2,3,李军芳2,3,胡发亭2,3,黄　澎2,3,赵　鹏2,3

2单 位

1. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院；2. 煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院；3. 煤炭资源开采与洁净利用国家重点实验室

3研究背景

高超音速飞行器的迅速发展,既是科学技术领先的标志,更是大国综合实力强大的展现。高超音速飞行器的性能(包括高航速、大载荷、远射程、高灵活性等),主要取决于其所用的燃料。与常规民用和军用燃料(航空煤油和火箭煤油)相比,合成的高能量密度燃料具有更高的密度、体积热值及良好的热安定性和低温性质(低冰点、低黏度),以满足高空和严寒等恶劣的工作环境。使用高能量密度燃料后可使美国“战斧-Ⅱ”型导弹的射程增加50%,运载能力提高17%。因此,研制适合高超音速飞行器的高能量密度燃料,已成为各国当前的研究热点之一,具有重要的前瞻性和重大战略意义。

煤炭是我国的主体能源和重要原料,通过煤直接转化获取的煤基油,充分保留了煤中特有的环状分子化学结构,通过大量实例研究,因具有良好的热安定性和较高的能量密度,被认为是高超音速飞行器的优选燃料。笔者研究了以轻质芳烃(BTX)模型化合物作为前驱体化学合成煤基高能量密度燃料,揭示了其反应机理与催化原理,并对其相关产物用1H-NMR和13C-NMR进行分子结构表征。4摘 要高能量密度燃料是为新型高性能飞行器提供动力保障的关键,其合成及应用研究具有重要的前瞻性和重大战略意义。煤炭是我国的主体能源和重要原料,通过煤直接转化获取的煤基油,充分保留了煤中特有的环状分子化学结构,具有良好的热安定性和较高的能量密度,被认为是高超音速飞行器的优选燃料。

以煤直接液化工艺生产的煤液化石脑油馏分为起始原料,通过富集轻质芳烃、化学合成、催化加氢稳定和产物分离提纯等方法制备煤基高能量密度燃料,并对其产物进行分子结构表征和性能评价。

结果表明,煤直接液化生产的石脑油馏分是一种优异的催化重整原料,经催化重整富集轻质芳烃后, 其轻质芳烃质量分数高达71.05% 。Diels-Alder化学合成主产物是由多个封闭环平面组成且具有空间立体构型的二环或三环烃类物质,质量分数为46.18% ,因分子内存在较大的张力能,结构紧凑,其拥有更大的密度和体积热值。

煤基高能量密度燃料的密度和体积热值分别为0.8990g/cm3与38.06MJ/L,均大大超过现行的国内石油基喷气燃料(RP-3和RP-6) 、煤基大比重喷气燃料、美国和俄罗斯军用标准。与单一纯物质合成高能量密度燃料(JP-10和T-10) 比较,其密度与体积热值偏小。究其原因主要是轻质芳烃的富集度仅为71.05% ,需进一步提高其轻质芳烃质量分数。另外,制备的煤基高能量密度燃料种类复杂,其主产物质量分数仅46.18% ,下一步可重点调控合成产物的分子构型和纯化分离。

5部分图片

Diels-Alder合成产物的GC-MS色谱图

Diels-Alder合成产物和催化加氢产物的气相色谱对比

Diels-Alder合成产物和催化加氢产物的红外光谱对比

高能量密度燃料RJ-4,RJ-5和JP-10的分子结构式

作者简介

毛学锋，男，1980年2月生，湖北人，研究员，博士研究生，中煤科工集团二级首席科学家，中煤科工集团“煤基高能燃料和精细化学品制备技术”团队负责人，煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院研发中心副主任。主持和参与完成国家973课题、863课题、国家科技支撑课题、国家国际合作项目、国家自然科学基金和北京市科委重大项目等科研项目共33项。获省部级科技奖励6项，发表期刊论文31篇，其中SCI、EI收录12篇；申请专利45项，已授权发明专利20项；出版专著2部，制订国家标准6项。

研究方向

致力于煤制油（直接液化、煤油共炼、煤焦油加氢）、煤基精细化学品（芳烃BTX、酚类）、化工新材料PEN和煤化工废水难降解有机物深度处理的技术研究工作。

主要成果

（1）创新性将硅醚化法应用于煤基油中33种酚类化合物的定性定量表征，解决了其不同种类的酚类同分异构体谱峰无法分开和精确识别的关键技术难题。（2）作为研发创始人之一，开发和推动了“BRICC煤焦油悬浮床加氢制清洁燃料”工业化成套技术的工程应用和技术许可事宜。（3）开发了煤基合成高能量密度燃料、煤焦油溶剂萃取提取酚类化学品和煤液化富产芳烃新技术。创造性提出煤基合成高能量密度燃料和煤基2.6-萘二甲酸的制备新技术；主持完成《中国大百科全书》第三版矿冶工程学科“煤焦油加氢”词条撰审。

毛学锋,李军芳,胡发亭,等. 煤基高能量密度燃料的合成及表征[J]. 煤炭学报,2021,46(1):284-291.

MAO Xuefeng,LI Junfang,HU Fating,et al. Synthesis and characterization of coal-based high energy density fuel[J].Journal of China Coal Society,2021,46(1):284-291.

责任编辑：黄小雨编辑整理：郭晓炜审核：常 琛

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