【文章內(nèi)容簡介】 高效制高品質(zhì)柴油和直接合成含氧化合物等過程的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)室小試驗(yàn)證；在已有成果的基礎(chǔ)上，完成甲烷無氧芳構(gòu)化和氧化偶聯(lián)過程耦合的概念驗(yàn)證和初步試驗(yàn)；中期（五年內(nèi)），以天然氣和合成氣的高效催化轉(zhuǎn)化為目標(biāo)，以新催化材料的創(chuàng)制和新催化過程的開拓為主要手段，實(shí)現(xiàn)甲烷和合成氣的直接催化轉(zhuǎn)化制芳烴、高碳烴與含氧化合物的一系列催化新過程；突破天然氣大規(guī)模高效制氫、CO2處理和高溫燃料電池的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，完成實(shí)驗(yàn)室小試；結(jié)合上述目標(biāo)的完成，從理論和實(shí)踐上發(fā)展并完善催化過程的原位實(shí)時(shí)表征技術(shù)和相關(guān)的動(dòng)態(tài)催化理論，創(chuàng)新高溫催化技術(shù)和催化偶合技術(shù)，從整體上帶動(dòng)和促進(jìn)催化學(xué)科的發(fā)展和進(jìn)步。具體包括：1. 完成天然氣在絕熱條件下空氣部分氧化制備廉價(jià)合成氣的工業(yè)性試驗(yàn)，并形成技術(shù)軟件包；基于膜分離制氫最大規(guī)模達(dá)200M3/h，過程的甲烷轉(zhuǎn)化率大于96％，能量轉(zhuǎn)換效率高于70％，%,其中，CO含量小于1ppm；2. 闡明CO加氫合成烴選擇性控制與催化劑組成、結(jié)構(gòu)和工藝條件的內(nèi)在聯(lián)系，并以反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)表示基元反應(yīng)進(jìn)行的可能性，以催化劑參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)來描述基元反應(yīng)進(jìn)行的程度。在此基礎(chǔ)上開發(fā)出較好的重質(zhì)烴、柴油餾分催化劑，在立升級(jí)裝置上進(jìn)行催化劑的1000小時(shí)壽命實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)催化劑的基本定型；3. 解決從天然氣經(jīng)合成氣制燃料乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)所面臨的主要關(guān)鍵技術(shù)問題，著重研究開發(fā)貴金屬利用效率最大化和最低運(yùn)行成本最小化相結(jié)合的催化劑研究開發(fā)；改善強(qiáng)放熱反應(yīng)的移熱方式，進(jìn)行適合該反應(yīng)條件的漿態(tài)床反應(yīng)工藝和變徑固定床反應(yīng)工藝的研究開發(fā)，提高催化劑選擇性完成相關(guān)過程的工業(yè)化試驗(yàn)，并形成技術(shù)軟件包；4. 通過實(shí)現(xiàn)抗積碳固體氧化物燃料電池催化材料和管型固體氧化物燃料電池催化膜電極制備技術(shù)的突破，形成固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵材料和關(guān)鍵部件的技術(shù)基礎(chǔ)；研制15kW管式固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，形成固體氧化物燃料電池系統(tǒng)集成的核心技術(shù)；5. 完成甲烷無氧芳構(gòu)化和氧化偶聯(lián)的系統(tǒng)耦合研究，認(rèn)識(shí)耦合過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律，實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)過程產(chǎn)品收率高于15％的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)，形成具有創(chuàng)新性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甲烷活化轉(zhuǎn)化過程；6. 實(shí)現(xiàn)在甲烷等輕烷的碳?xì)滏I活化理論、費(fèi)托合成的產(chǎn)物調(diào)控機(jī)理和催化反應(yīng)的原位、動(dòng)態(tài)表征方法等方面的突破，并得到國際同行的認(rèn)可；在該研究的相關(guān)領(lǐng)域形成在國際上有重要影響并得到國際公認(rèn)的研究隊(duì)伍。研究成果發(fā)表SCI論文不少于400篇，申報(bào)專利大于80件，并爭取出版專著介紹研究成果。三、研究方案總體研究方案項(xiàng)目的總體思路和主要研究內(nèi)容天然氣和由天然氣或煤制得的合成氣的高效轉(zhuǎn)化長期以來一直是能源和化學(xué)化工領(lǐng)域最富挑戰(zhàn)性的研究課題，具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。迄今為止的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)工作主要是集中在兩個(gè)方面：一是理論和技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟的間接轉(zhuǎn)化方法，即甲烷經(jīng)合成氣制備液體燃料和高附加值化學(xué)品；二是采用常規(guī)催化或非常規(guī)方法促進(jìn)甲烷的直接轉(zhuǎn)化生成目的產(chǎn)物。新近結(jié)題的“973”項(xiàng)目在制備合成氣的膜反應(yīng)器、合成氣制甲醇和烯烴等方面取得了重要進(jìn)展，相關(guān)成果已向國家“863”計(jì)劃和專項(xiàng)研究計(jì)劃推薦；除此以外，在合成氣制高品質(zhì)液體燃料、甲烷無氧芳構(gòu)化和甲烷活化轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究等方面取得了顯著進(jìn)展，為本項(xiàng)目的研究打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目擬以取得的成果為基礎(chǔ)，瞄準(zhǔn)國民經(jīng)濟(jì)的重大需求和本領(lǐng)域世界科技發(fā)展的前沿，發(fā)揮本研究團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢，選取天然氣制合成氣和氫、合成氣制液體燃料和含氧化合物、天然氣直接轉(zhuǎn)化以及與此相關(guān)的基礎(chǔ)問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。下圖為本項(xiàng)目研究的總體思路。1天然氣制合成氣，及高溫燃料電池研究方案和技術(shù)路線天然氣間接轉(zhuǎn)化過程的“龍頭”—甲烷制合成氣長期以來一直采用水蒸氣重整的方法。但由于該過程能耗太高，降低了過程的整體效益，國際上一直希望能發(fā)展新的路線和優(yōu)化這一工藝過程。已經(jīng)過廣泛研究，甲烷部分氧化是被普遍看好的替代過程。與水蒸氣重整相比，部分氧化反應(yīng)過程具有能耗低、效率高等特點(diǎn)，但由于工藝中需要純氧，造成了過程的高投資，也降低了過程的安全性。在已結(jié)題的“973”項(xiàng)目中，我們針對(duì)該過程集中進(jìn)行了膜分離和催化集成的研究，取得了較好的進(jìn)展：發(fā)明了多種高效的膜材料和催化材料，成功地完成了實(shí)驗(yàn)室500克催化劑的1000小時(shí)試驗(yàn)。該成果已作為工業(yè)化前期成果向“863”和國家專項(xiàng)推薦，進(jìn)一步的工業(yè)化試驗(yàn)應(yīng)為企業(yè)行為，需要大量的投資。本項(xiàng)目中，將集中對(duì)已形成基本概念、并經(jīng)過初步驗(yàn)證的天然氣絕熱轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行研究，并采用結(jié)題“973”的氧分離膜研究成果(絕熱反應(yīng)器和氧分布器)進(jìn)一步提高過程的安全性。預(yù)計(jì)通過對(duì)催化劑的改進(jìn)和過程的優(yōu)化，五年內(nèi)有希望發(fā)展出一條新穎的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的過程。眾所周知，現(xiàn)今天然氣大量用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，該過程的能效約為40%左右。研究表明，如果以高溫燃料電池代替通常的燃?xì)廨啓C(jī)，整體能源效率將超過60%。本項(xiàng)目擬拓展已結(jié)題的“973”項(xiàng)目中透氧膜材料研究的成果，與催化氧化和電極過程動(dòng)力等基礎(chǔ)相結(jié)合，進(jìn)行高溫固體氧化物燃料電池的研究。根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，在項(xiàng)目執(zhí)行初期擬首先進(jìn)行合成氣為燃料的高溫電池研究，在取得經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐步過渡到直接采用天然氣驅(qū)動(dòng)高溫電池。該項(xiàng)研究在高溫催化材料和膜材料以及高溫催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面有重要的科學(xué)意義。同時(shí)為我國將要開展的煤氣化為基礎(chǔ)多聯(lián)產(chǎn)過程的配套和完善提供技術(shù)支撐。2合成氣高效催化轉(zhuǎn)化研究方案和技術(shù)路線合成氣轉(zhuǎn)化制液體燃料和化學(xué)品的研究在國內(nèi)外已有很長的歷史。總體看來，技術(shù)已經(jīng)成熟，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的轉(zhuǎn)化過程中，主要包括合成氣制備甲醇、化肥和基于Fe催化劑的液體燃料（主要為汽油等低碳烴）合成。這些過程國際上已形成了完整的體系和產(chǎn)權(quán)覆蓋，進(jìn)一步的研究很難獲得大的突破。本項(xiàng)目擬選擇國際上正處于研究階段但還未形成產(chǎn)權(quán)覆蓋、而我國有較好的研究基礎(chǔ)，并對(duì)我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有巨大推動(dòng)作用的合成氣直接合成乙醇和低碳醇、合成氣在Co基催化劑上合成高碳烴（如柴油）等課題進(jìn)行深入研究，爭取取得突破，形成我國自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在Co基合成油研究中，重點(diǎn)將集中在采用納米技術(shù)調(diào)變催化劑的選擇性，降低合成氣生成副產(chǎn)物甲烷的選擇性；另一方