楊建校，魏文杰，祁 勇，吳 偉，張夏翔

(湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的截止2018年12月的能源生產(chǎn)情況報(bào)告，2018年12月我國(guó)的原煤產(chǎn)量為3.2億t，并仍以2%左右的增幅增長(zhǎng)。因此，即使現(xiàn)在我國(guó)大力發(fā)展各種清潔能源，但預(yù)計(jì)在短期內(nèi)我國(guó)的煤炭能源消費(fèi)仍將占60%左右[1]。大量煤炭資源的燃燒勢(shì)必會(huì)釋放出大量的二氧化硫、一氧化氮、硫化氫和顆粒物等有毒有害物質(zhì)，從而污染大氣、危害人體健康，同時(shí)工業(yè)用煤排放出大量的洗煤廢水[2]，含有石油類(lèi)污染物等有害物質(zhì)嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[3]。因此，煤炭資源的清潔高效利用已成為我國(guó)引導(dǎo)和鼓勵(lì)發(fā)展的核心技術(shù)攻關(guān)領(lǐng)域。黨的十九大報(bào)告提出“要堅(jiān)持推進(jìn)綠色發(fā)展、建設(shè)生態(tài)文明，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系”的發(fā)展目標(biāo)[4]。因此，基于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)體系以及所面臨的環(huán)境問(wèn)題，建立和發(fā)展我國(guó)的煤炭清潔、高效利用技術(shù)已成為煤炭行業(yè)基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新的當(dāng)務(wù)之急。其中，由低階煤炭通過(guò)溶劑熱萃取獲得的無(wú)灰煤以其低灰分、高熱值、良好熱塑性、環(huán)境友好等特點(diǎn)成為煤炭資源利用、解決環(huán)境污染和能源問(wèn)題的可行思路之一。同時(shí)，無(wú)灰煤在高級(jí)燃料、配煤煉焦、碳纖維及活性炭制造等領(lǐng)域都顯示出巨大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。為此，筆者結(jié)合自身對(duì)無(wú)灰煤及其碳纖維的研究經(jīng)歷，詳細(xì)介紹了無(wú)灰煤的發(fā)展歷程、結(jié)構(gòu)性能與制備工藝，重點(diǎn)綜述了無(wú)灰煤在傳統(tǒng)的燃燒、氣化、液化，以及新型的無(wú)灰煤系碳材料等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展，并對(duì)無(wú)灰煤的研究思路和發(fā)展前景進(jìn)行了相應(yīng)的展望。

1 無(wú)灰煤的概念及其發(fā)展歷程

無(wú)灰煤是利用溶劑熱萃取技術(shù)從原煤中制備得到的一種具有低灰分、高熱值、良好熱塑性、環(huán)境友好等特性的新型高性能煤。無(wú)灰煤的制備技術(shù)起源于日本NEDO負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)的潔凈煤燃料發(fā)電項(xiàng)目。該項(xiàng)目為了減少燃煤發(fā)電廠(chǎng)CO2排放、提高發(fā)電效率，NEDO項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從2002年開(kāi)始研究煤炭的脫灰技術(shù)，即后續(xù)的Hyper-coal(HPC)技術(shù)。隨后該技術(shù)由日本的JCOAL(Japan Coal Energy Center)和神戶(hù)制鋼公司(Kobe Steel)成功進(jìn)行了產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化[5-6]。隨后，該技術(shù)在日本得到了迅速發(fā)展與優(yōu)化，并不斷嘗試了無(wú)灰煤在其他領(lǐng)域的應(yīng)用探索。例如，TAKANOHASHI等[7]以弱黏煤和不黏煤經(jīng)溶劑熱萃取技術(shù)制備的無(wú)灰煤為黏結(jié)劑，進(jìn)行合適比例的原煤煉焦配比，得到了高強(qiáng)度高反應(yīng)性的焦炭，為煉焦配煤提供了一個(gè)新的原料與途徑。反觀我國(guó)煤炭資源的利用歷程，由于我國(guó)是一個(gè)富煤少油貧氣的國(guó)家，煤炭依舊是我國(guó)能源體系的主力資源，在我國(guó)能源格局中具有不可代替的地位。與此同時(shí)，近幾十年我國(guó)煤炭資源的開(kāi)發(fā)與利用過(guò)程中引起的日益堪憂(yōu)的環(huán)境問(wèn)題已成為煤炭行業(yè)和環(huán)保行業(yè)亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題與共性問(wèn)題。人們對(duì)于環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，煤炭資源清潔技術(shù)的研發(fā)和利用愈發(fā)顯得非常迫切與重要。然而，我國(guó)在煤炭資源清潔技術(shù)方面的起步相對(duì)較晚，在技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)上都還有很多不足之處。特別是，我國(guó)的無(wú)灰煤制備技術(shù)并未得到很好的發(fā)展與推廣，以及關(guān)于無(wú)灰煤潛在的應(yīng)用領(lǐng)域探索研究也相對(duì)較少。因此，我國(guó)煤炭資源的清潔高效利用之路依舊任重而道遠(yuǎn)。

2 無(wú)灰煤的結(jié)構(gòu)與性能

現(xiàn)代煤化學(xué)理論認(rèn)為，煤是由三維空間網(wǎng)狀的骨架結(jié)構(gòu)及一些“鑲嵌”在大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上小分子所組成[8]。煤分子間的相互作用力包括強(qiáng)的共價(jià)鍵、較強(qiáng)的離子鍵(主要存在于低階煤炭中)以及較弱的分子間作用力(如氫鍵、范德華力)等，這些相互作用力共同形成了煤炭極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征[9-10]。因此，采用普通手段很難破壞煤炭分子的相互作用力，而溶劑熱萃取技術(shù)可以在一定程度上有效地破壞煤炭結(jié)構(gòu)中的分子相互作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤炭清潔、環(huán)保利用的目的[9]。相比于原煤，經(jīng)過(guò)溶劑熱萃取得到的無(wú)灰煤在其水分、灰分和含氧官能團(tuán)等特性均發(fā)生了明顯的變化。例如:奧山憲幸等[11]以煙煤，亞煙煤及褐煤等不同煤炭為原煤制備其無(wú)灰煤，然后對(duì)原煤及其無(wú)灰煤進(jìn)行灰分、水分、揮發(fā)分、熱值測(cè)定。結(jié)果顯示無(wú)灰煤的灰分、水分明顯低于其原煤，且熱值遠(yuǎn)高于其原煤。此外，除了煙煤得到的無(wú)灰煤之外，亞煙煤與褐煤生產(chǎn)的無(wú)灰煤的揮發(fā)分均高于其原煤。另一方面，無(wú)灰煤在其熱塑性、流動(dòng)性及軟化點(diǎn)等方面也發(fā)生了明顯的變化。OKUYAMA等[12]對(duì)煙煤(ST)、亞煙煤(ON)、褐煤(ML)進(jìn)行溶劑熱萃取制備出煙煤無(wú)灰煤(ST-HPC)、亞煙煤無(wú)灰煤(ON-HPC)、褐煤無(wú)灰煤(ML-HPC)，并進(jìn)行了其熱塑性性能對(duì)比研究,其結(jié)果如圖1所示。ML-HPC,ON-HPC,ST-HPC三種無(wú)灰煤在高溫下都具有較好的熱塑性、且軟化點(diǎn)依次升高，三者保持良好熱塑性的溫度區(qū)間。同時(shí)，即使對(duì)比煉焦用的煙煤(ST)，其無(wú)灰煤(ST-HPC)也表現(xiàn)出更好的熱塑性。因此，無(wú)灰煤與原煤相比，具有更好的熱塑性和流動(dòng)性、更低的軟化點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。特別是，以低階煤為原煤所制備的無(wú)灰煤可以很大程度上提高其熱塑性能。這為低階煤的清潔利用、提高附加值利用提供了一個(gè)途徑和思路。

圖1 不同等級(jí)煤炭所制備無(wú)灰煤的熱塑性[12]

然而，無(wú)灰煤作為一種煤炭高溫高壓溶劑熱萃取制備的碳質(zhì)前驅(qū)體，與煤炭的另一種轉(zhuǎn)化形式產(chǎn)物煤焦油存在很大的分子結(jié)構(gòu)差異。無(wú)灰煤與煤焦油的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總結(jié)如圖2所示。煤焦油通常是指煤炭在高溫(>800 ℃)干餾熱解時(shí)產(chǎn)生的黑色或者黑褐色黏稠狀液體，是一種組分非常復(fù)雜的混合物[13];而無(wú)灰煤是指煤炭在高溫高壓(約400 ℃,2 MPa)下經(jīng)溶劑熱萃取、固液分離得到的灰分含量極低具有塑性的固體[14]。因此，煤焦油的分子結(jié)構(gòu)的雜原子含量較低、芳香度含量較高、主要為3～4環(huán)的縮聚化合物，且?guī)缀鯖](méi)有雙鍵。無(wú)灰煤的分子結(jié)構(gòu)卻含有較高的N，O雜原子，脂肪族支鏈較多，分子量分布范圍廣，且存在不少雙鍵、三鍵化合物以及5元環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物?；谒鼈兏髯缘姆肿咏Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，煤焦油被廣泛用于加氫處理獲得汽油和柴油等燃料成品，以及用作碳質(zhì)前驅(qū)體制備高性能碳材料等領(lǐng)域[15-16];而無(wú)灰煤由于其氧含量高、分子量分布廣、脂肪鏈多等因素，其應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)拓仍較為薄弱。

圖2 無(wú)灰煤與煤焦油的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3 無(wú)灰煤的制備及其影響因素

3.1 無(wú)灰煤的制備原理與工藝流程

煤炭分子之間主要通過(guò)共價(jià)鍵、離子鍵以及較弱的分子間作用力等相互作用形成了三維網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，從而使得煤炭分子結(jié)構(gòu)很難在大多數(shù)有機(jī)溶劑中發(fā)生溶解[17]。然而，根據(jù)相似相溶原理，采用特定的溶劑可以滲透到煤炭的分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部，破壞煤炭分子間的作用力，使煤炭中的小分子單元從大分子網(wǎng)絡(luò)上“脫落”下來(lái)，提升了小分子的流動(dòng)性，形成了可溶性的有機(jī)小分子;而煤炭的無(wú)機(jī)物質(zhì)由于難溶于相應(yīng)的有機(jī)溶劑，易聚集在一起形成不可溶物。因此，將溶劑萃取液進(jìn)行重力沉降，就可以達(dá)到固液分離、去除煤炭中灰分的目的。基于上述理論，無(wú)灰煤的制備原理如圖3所示。煤炭與特定溶劑在高溫高壓體系下，由于溶劑的滲透擴(kuò)散，造成煤炭分子交聯(lián)鍵斷裂、有機(jī)分子被溶解向外擴(kuò)散，形成可溶性有機(jī)分子。同時(shí)除了破壞氫鍵、范德華力等分子間的作用力還涉及到煤炭分子自身的熱分解過(guò)程[9,18-19]，進(jìn)而形成溶劑的可溶部分;而煤中的灰分以及不可溶成分，由于重力分離作用沉降在底部。最后將萃取溶液的可溶部分進(jìn)行溶劑回收就得到原煤的可溶成分，即可制備得到無(wú)灰煤。

圖3 無(wú)灰煤的制備原理示意

溶劑熱萃取制備無(wú)灰煤的工藝流程圖如圖4所示。工藝流程由4部分組成[20]：第1部分是配制煤漿，在V-3中溶劑與原煤混合制備煤漿;第2部分是萃取過(guò)程，煤漿首先在預(yù)熱器(H-1)中加熱，然后在350～420 ℃溫度條件下的反應(yīng)釜(V-5)中萃取;第3部分是固液分離，在反應(yīng)釜(V-5)中萃取后，將煤漿通入1號(hào)沉淀池(V-7)，其中沉淀池(V-7)上部為煤/溶劑的溶液，而原煤的不溶物(RC)通過(guò)重力從沉淀池(V-7)下部進(jìn)行分離，繼續(xù)通入2號(hào)沉淀池(V-8)中，進(jìn)一步萃取;進(jìn)而從沉淀池(V-7,V-8)上部中得到的煤/溶劑溶液，在過(guò)濾器(V-10)除去不溶微小顆粒;第4部分是溶劑回收，經(jīng)快速分離器(V-11,V-12)進(jìn)行煤/溶劑溶液和RC中的溶劑回收，進(jìn)而分別得到相應(yīng)的無(wú)灰煤與殘?jiān)?。同時(shí)回收的溶劑循環(huán)至V-3中在制漿過(guò)程重復(fù)使用，并補(bǔ)充過(guò)程損失的溶劑。

圖4 無(wú)灰煤的工藝流程示意[20]

3.2 無(wú)灰煤制備的影響因素

3.2.1原煤的等級(jí)

煤炭分子結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，學(xué)者們提出了許多的理論結(jié)構(gòu)模型，尚未對(duì)煤炭分子結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一的理論。通常，從褐煤到無(wú)煙煤，隨著煤炭的煤化程度提高，煤的分子結(jié)構(gòu)變化主要集中在氫、氧元素的脫離、碳元素的芳構(gòu)化，導(dǎo)致煤炭分子結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈變少、鍵長(zhǎng)變短，官能團(tuán)含量減少，芳香環(huán)數(shù)增加，芳香環(huán)縮聚明顯，芳香度增大[10,21-26]。表1總結(jié)了相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的不同煤化程度的原煤在不同溶劑中的萃取性能。由表1可以看出，1-甲基萘(1-MN)對(duì)亞煙煤(CV)的萃取率接近褐煤(POP)萃取率的4倍;對(duì)比1-MN對(duì)煙煤(Oakycreek)、亞煙煤(Gregory)和褐煤(Mullia)的萃取率，可以發(fā)現(xiàn)Mullia和Gregory兩者的萃取率相差不大，但Oakycreek的萃取率遠(yuǎn)高于前兩者的萃取率。因此，整體上在同一萃取條件下，煙煤的萃取率高于褐煤、亞煙煤，且所制備的無(wú)灰煤的灰分明顯低于其原煤的灰分。另外，YOSHIDA等[27]用煤液化輕質(zhì)循環(huán)油(LCO)在360 ℃對(duì)14種煙煤萃取，發(fā)現(xiàn)萃取率與原煤軟化溫度存在較好的相關(guān)性，軟化溫度較低的原煤具有更高的萃取率。因此，以較低軟化溫度的原煤為原料，是一種獲得高萃取率無(wú)灰煤的有效方式。

表1 不同煤化程度的原煤在不同溶劑中的萃取性能

續(xù) 表

ZHHNG等[37]對(duì)不同煤化程度原煤制備的無(wú)灰煤進(jìn)行了熱重分析，結(jié)果如圖5所示。無(wú)灰煤G-HPC相對(duì)于原煤G-Raw具有更低的開(kāi)始失重溫度且更大的失重率，說(shuō)明無(wú)灰煤相較于原煤具有更多的輕組分物質(zhì)。同時(shí)低煤化程度的亞煙煤所制備的無(wú)灰煤P-HPC和W-HPC在低溫階段出現(xiàn)明顯失重;而高煤化程度煙煤制備的無(wú)灰煤O-HPC和G-HPC具有更好的熱穩(wěn)定性。說(shuō)明無(wú)灰煤的性質(zhì)與其原煤的等級(jí)所含有的輕組分和芳環(huán)數(shù)目的差異相關(guān)。CHANG等[38]利用雜酚油在360 ℃萃取4種焦煤(高揮發(fā)分黏結(jié)煙煤A、中揮發(fā)分黏結(jié)煙煤B、低揮發(fā)分黏結(jié)煙煤C、高揮發(fā)分弱黏結(jié)煙煤D)，探究添加煤萃取物對(duì)焦煤的熱塑性及強(qiáng)度影響，其研究發(fā)現(xiàn):在A煤、C煤和D煤中加入D煤提取物后，煤的流動(dòng)性和塑性范圍均明顯增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn):無(wú)論使用哪種萃取物都能提高單種煤和混煤的熱塑性和焦炭強(qiáng)度，即使低階、弱黏結(jié)性原煤的流動(dòng)性較低，也可以從中獲得高流動(dòng)性的煤提取物(即無(wú)灰煤)。所以，這種煤溶劑熱萃取可以為減少焦炭對(duì)強(qiáng)黏結(jié)性煙煤的需求，增加低階、弱黏結(jié)煤在焦炭生產(chǎn)中的應(yīng)用開(kāi)辟一條高質(zhì)量成本低的實(shí)現(xiàn)途徑。因此，原煤的煤化程度決定了無(wú)灰煤的制備萃取率，及其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)差異。

3.2.2萃取溫度

萃取溫度是影響溶劑熱萃取的主要原因之一。RAHMAN等[30]用1-甲基萘(1-MN)在245～383 ℃范圍內(nèi)對(duì)亞煙煤(CV)萃取1 h，發(fā)現(xiàn)萃取溫度低于300 ℃時(shí)萃取率不足10%，隨著萃取溫度上升到356 ℃，其萃取率提高至31.3%，而繼續(xù)升高萃取溫度，其萃取率卻反而下降。SHUI等[39]同樣使用1-MN在300～380 ℃范圍內(nèi)對(duì)亞煙煤(SF)萃取1 h，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)在300 ℃萃取的收率為41%，而在360 ℃時(shí)萃取達(dá)到最大收率56%。同樣繼續(xù)升高萃取溫度，其收率急劇下降，在380 ℃時(shí)無(wú)灰煤的收率僅為40%。這主要是由于亞煙煤(SF)的熱分解溫度為362 ℃，在該溫度下大分子易熱分解成小分子，從而該萃取溫度下的收率最高;而萃取溫度進(jìn)一步升高，通常會(huì)造成煤游離態(tài)的自由基組分發(fā)生縮聚結(jié)合，導(dǎo)致其收率反而降低。另外，YOSHIDA等[27]發(fā)現(xiàn)煤炭的軟化點(diǎn)和萃取率也存在著密切的關(guān)聯(lián)。其研究發(fā)現(xiàn):高煤化程度的煤具有較高的軟化點(diǎn)，當(dāng)萃取溫度在其軟化點(diǎn)附近時(shí)，其萃取率最高;而低煤化程度的煤不存在明顯的軟化點(diǎn)，其萃取率通常隨溫度的升高而上升。在這方面，OKUYAMA等[20]同樣發(fā)現(xiàn):當(dāng)萃取溫度越接近原煤的軟化點(diǎn)時(shí)，無(wú)灰煤的收率越高。

另外，DO等[34]用亞煙煤(Roto South，Indonesian Kideko)和煙煤(Chinese Sunhwa)為原煤制備其無(wú)灰煤，圖6為各種煤的萃取率隨萃取溫度的變化曲線(xiàn)。萃取溫度在350 ℃之前，隨萃取溫度的上升，3種煤的萃取率均呈快速上升趨勢(shì);當(dāng)萃取溫度達(dá)到350 ℃時(shí)，煙煤的萃取率接近60%，而亞煙煤(Roto South)的萃取率達(dá)到70%;萃取溫度繼續(xù)上升，接近380 ℃時(shí)，煙煤的萃取率達(dá)到最大，而亞煙煤(Roto South)萃取率在400 ℃獲得近84%的萃取率，還有繼續(xù)上升的趨勢(shì)。因此，由于煤炭是以芳香環(huán)為骨架，小分子通過(guò)各種相互作用力鑲嵌其中的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。低溫萃取時(shí)，只是小分子的“脫落”，骨架大分子幾乎不發(fā)生熱分解，故萃取率低;高溫萃取時(shí)，煤骨架大分子會(huì)發(fā)生熱分解生成小分子，故萃取率增加。當(dāng)溫度過(guò)高，煤分子會(huì)發(fā)生熱解縮合，故萃取率反而下降[40]。因此，大多數(shù)煤炭的熱分解溫度通常在350 ℃左右，一般選擇萃取溫度在350～400 ℃，可以獲得較高的萃取率[41]。

圖6 煙煤(Chinese Sunhwa)、亞煙煤(Roto South和Indonesian Kideko)的萃取率隨萃取溫度的變化[34]

萃取溫度不僅對(duì)無(wú)灰煤萃取率有影響，而且影響無(wú)灰煤物理化學(xué)性質(zhì)。郭秉霖等[42]用內(nèi)蒙古褐煤為原煤，N-甲基吡咯烷酮(NMP)為溶劑，在不同溫度下萃取制備其無(wú)灰煤，并探究萃取溫度對(duì)無(wú)灰煤結(jié)構(gòu)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):低溫萃取比高溫萃取所得到無(wú)灰煤具有更強(qiáng)的反應(yīng)性，且表面官能團(tuán)更為豐富。這是由于高溫萃取對(duì)煤炭中大分子結(jié)構(gòu)破壞更強(qiáng)烈，造成其萃取物中極性官能團(tuán)占比降低。因此，不同萃取溫度下所制備的無(wú)灰煤的物理化學(xué)性質(zhì)存在明顯差異，這為調(diào)控?zé)o灰煤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)提供了一定的實(shí)現(xiàn)途徑。

3.2.3萃取溶劑

煤的溶劑萃取過(guò)程:包括溶劑滲透到煤炭分子結(jié)構(gòu)中并破壞分子間相互作用力;在高溫條件下，煤炭的大分子結(jié)構(gòu)熱分解成小分子;可溶小分子溶解形成可溶成分[9]。因此，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇易滲透到煤炭分子結(jié)構(gòu)中，能夠很好地削弱分子間作用力、且對(duì)萃取物具有良好溶解性的溶劑[40]。一般而言，強(qiáng)極性溶劑具有較好的萃取率。由表1可知，采用二甲基萘(DMN)和粗甲基萘油(CMNO)極性溶劑可以達(dá)到70%～80%的高萃取率。另外，使用1-甲基萘(1-MN)與喹啉(QN)復(fù)合溶劑比單一的1-MN溶劑具有更高的萃取率。因此，通常采用極性萃取溶劑、煤衍生油溶劑、氫鍵受體溶劑或者其復(fù)合溶劑可以顯著提高原煤的萃取率。

YOSHIDA等[31]使用1-MN,DMN,LCO和CMNO四種溶劑分別對(duì)Upper Freeport(UF),Enshu(EN)和Illinois No.6(IL)三種原煤進(jìn)行溶劑熱萃取，結(jié)果見(jiàn)表2。DMN,CMNO是強(qiáng)極性溶劑、且具有含氮官能團(tuán)，它們具有較強(qiáng)的供電子能力，能夠破壞煤炭分子結(jié)構(gòu)中的氫鍵，呈現(xiàn)更高的萃取率。另一方面，通過(guò)對(duì)DMN溶劑的脫氮處理，發(fā)現(xiàn)UF煤的萃取率從74.0%明顯降低至50.8%，表明溶劑的含氮組分可以促進(jìn)原煤的萃取率提高。此外，富含氫鍵受體的溶劑，由于其具有更強(qiáng)的電負(fù)性有利于削弱煤炭分子間作用力，也可以獲得較好的萃取率[43]。陳茺等[44]發(fā)現(xiàn)環(huán)己酮(良好的氫鍵受體)對(duì)富含羥基、脂肪烴、低煤化程度的原煤具有良好的萃取率。吡啶也是一種良好的氫鍵受體，也能有效地削弱煤炭?jī)?nèi)部存在的氫鍵，獲得較高的萃取率[45]。吳鵬等[46]同樣采用常壓沸點(diǎn)下回流萃取的方法，選用苯、吡啶、丙酮、二硫化碳、乙二胺、環(huán)己酮共6種不同的有機(jī)溶劑對(duì)七臺(tái)河煤進(jìn)行萃取研究,發(fā)現(xiàn)含有良好的氫鍵受體，以及強(qiáng)電負(fù)性的羰基氧的有機(jī)溶劑(如:乙二胺、吡啶、環(huán)己酮)具有較高的萃取率。

表2 3種原煤在不同溶劑中的萃取率[31]

然而，強(qiáng)極性溶劑的使用往往會(huì)增加萃取物的灰分以及溶劑回收的困難。因此，萃取溶劑的選擇除了要考慮其萃取率，同時(shí)需兼顧其萃取物的性能是否能夠滿(mǎn)足相應(yīng)的要求，而且在原煤熱分解溫度下的萃取時(shí)，煤炭自身易發(fā)生交聯(lián)鍵斷裂，產(chǎn)生大量的小分子，故不需要使用強(qiáng)極性溶劑就能得到較高的萃取率[41]。例如:盧田隆一等[47]用非極性四氫萘溶劑在350 ℃和10 MPa的條件下萃取煙煤，可獲得65%～80%的萃取率，且萃取物幾乎不含灰分。OKUYAMA等[20]用非極性溶劑1-MN，在 360～380 ℃溫度下對(duì)20種原煤(主要是煙煤)進(jìn)行萃取1 h，其中EN，Stratford煤的萃取率高達(dá)68%以上。然而，雖然非極性溶劑在高溫萃取時(shí)能夠獲得較高的萃取率，但是由于四氫萘和1-MN等溶劑價(jià)格昂貴，因此尋找廉價(jià)且來(lái)源廣的可替代溶劑或者復(fù)合溶劑成為發(fā)展的趨勢(shì)。SHUI等[48]以1-MN與甲醇(5%～15%添加量)為溶劑在360 ℃對(duì)褐煤進(jìn)行萃取，發(fā)現(xiàn)其萃取率可以從43.4%增加至70.7%。TAKANOHASHI等[49]在室溫下用CS2/NMP混合溶劑萃取不同等級(jí)的原煤，發(fā)現(xiàn)萃取煙煤時(shí)該溶劑體系可以獲得30%～66%的高萃取率，然而對(duì)褐煤的萃取率卻并不高，并且發(fā)現(xiàn)CS2與喹啉，吡啶和四氫呋喃(THF)的混合溶劑比CS2/NMP混合溶劑的萃取率還更低。同時(shí)，TAKAHASHI等[50]研究了各種陰離子的鋰和四丁基銨鹽用作煤提取添加劑的影響，將它們添加到CS2/NMP混合溶劑中進(jìn)行7種不同煤炭的萃取，研究發(fā)現(xiàn)添加一些鹽顯著提高了幾種煤炭的萃取率，且鹵化物鹽的結(jié)果表明一種鹵化物陰離子影響其萃取率，并按順序(F-> Cl-> Br-> I-)依次增加，表明具有小離子半徑或大電負(fù)性的陰離子有利于提高煤炭的萃取率。

另一方面，根據(jù)相似相溶原理，煤衍生油類(lèi)作為萃取溶劑同樣具有可行性。石智杰等[51]采用褐煤(勝利煤田)的液化輕油、液化中油、液化重油的加氫循環(huán)溶劑與NMP溶劑進(jìn)行對(duì)比萃取研究。在相同萃取條件下，對(duì)大唐勝利5號(hào)褐煤萃取，發(fā)現(xiàn)液化重油的加氫循環(huán)溶劑具有與煤炭分子基本結(jié)構(gòu)相近的多環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)，其萃取率高達(dá)46.7%，遠(yuǎn)高于液化輕油的萃取率40.8%和液化中油的萃取率42.2%，而NMP作為強(qiáng)極性溶劑，其萃取率達(dá)到62%。因此，煤衍生油類(lèi)不僅具有煤炭相似的分子結(jié)構(gòu)，且來(lái)源廣、易回收、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，作為制備無(wú)灰煤的萃取溶劑有著很好應(yīng)用前景?？傊?，合適的萃取溶劑應(yīng)具備以下條件:能很好滲透擴(kuò)散到煤中空間網(wǎng)格中并具有良好的萃取效果;能有效削弱甚至破壞煤中大分子交聯(lián)鍵;無(wú)毒無(wú)害、易回收;不增加灰分并具有經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。

3.2.4預(yù)處理及輔助手段

預(yù)處理和輔助手段能消弱煤炭分子間作用力，松弛煤炭結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高煤炭的萃取率。周?chē)?guó)江等[52]利用水熱處理對(duì)褐煤進(jìn)行改質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)褐煤經(jīng)過(guò)水熱處理，羧基和酚羥基等含氧官能團(tuán)含量明顯降低，飽和烷烴得到有所增加，且隨水熱溫度的升高，煤中的水分、揮發(fā)分隨之降低，這為褐煤的進(jìn)一步加工奠定了基礎(chǔ)。SHUI等[53]對(duì)4種煤進(jìn)行水熱處理后，采用CS2/NMP混合溶劑對(duì)改質(zhì)煤進(jìn)行萃取，發(fā)現(xiàn)由于煤的水熱處理可以預(yù)先除去煤中的礦物質(zhì)、破壞氫鍵等，其溶劑的萃取率明顯提高。同樣IINO等[54]也發(fā)現(xiàn)經(jīng)水熱處理的Argonne原煤的萃取率得到了顯著的提高。此外，溶脹處理也能松弛煤結(jié)構(gòu)，利于溶劑滲透，進(jìn)而提高其萃取率。胡浩權(quán)等[55]用THF和吡啶對(duì)興隆煤進(jìn)行溶脹處理，明顯改善了煤炭的超臨界萃取率。MASAKI等[56]發(fā)現(xiàn)二氧化碳/水溶液預(yù)處理也可以提高CMNO溶劑對(duì)Wyodak亞煙煤的萃取率。LI等[32]對(duì)不同煤階的煤進(jìn)行不同酸(甲氧乙氧基醋酸、醋酸、鹽酸)處理，研究發(fā)現(xiàn)酸處理后1-MN的萃取率變化不明顯，而NMP對(duì)酸處理后的不同煤種的萃取率存在很大的差異。其中采用甲氧乙氧基醋酸處理Wyodak原煤，其N(xiāo)MP的萃取率從58.4%提高至82.9%。另一方面，逯俊慶等[57]研究發(fā)現(xiàn)在微波輔助下THF對(duì)神府煤的萃取率有著明顯的提高。秦麗娜等[58]同樣研究了在微波輔助下，7種不同溶劑對(duì)神府煤和攀枝花煤的萃取情況，其中乙二胺對(duì)神府煤的萃取率高達(dá)70.80%，其原因是由于乙二胺介電常數(shù)較大，易吸收微波能，從而造成煤的小分子易從煤的大分子結(jié)構(gòu)中脫落，實(shí)現(xiàn)萃取率提高。此外，王建成等[59]發(fā)現(xiàn)超聲波與微波聯(lián)合萃取，在低溫度下四氯乙烯溶劑就可以明顯脫除煤中的有機(jī)硫。康健等[60]指出利用超聲波能夠使煤中部分較弱的鍵(如碳硫鍵)斷裂，同時(shí)還能降低反應(yīng)的活化能;同時(shí)超聲波的空化作用能夠提高煤中含硫基團(tuán)與溶劑之間的相互作用，有效脫除煤中的含硫成分。因此，選擇合適的預(yù)處理、輔助手段在一定程度上可以提高無(wú)灰煤的收率。

4 無(wú)灰煤應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 傳統(tǒng)應(yīng)用

4.1.1高級(jí)燃料

由于我國(guó)多煤少油的能源現(xiàn)狀，煤代油技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。當(dāng)煤作為液態(tài)燃料時(shí)，灰分的存在不僅影響熱值而且會(huì)涉及到設(shè)備的磨損及排渣問(wèn)題，所以煤基液態(tài)燃料要求灰分<0.2%，粒度小于微米級(jí)[61-62]。水漿煤是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的煤代油液態(tài)燃料，通?；曳?8%，硫分<5%，燃燒時(shí)可以大大減少對(duì)環(huán)境的污染[63]。然而，水煤漿在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、燃燒等方面仍存在許多問(wèn)題，如輸漿泵的磨損、噴嘴的耐磨性 、霧化性能以及長(zhǎng)期儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的沉積等問(wèn)題[62]。謝翠平等[64]指出制備優(yōu)質(zhì)水漿煤應(yīng)選用灰分<1%的煤源，因此，由于無(wú)灰煤具有超低灰分(≤0.02%)的特性，它被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)水漿煤制備的合適原料。劉瑞[65]和李安[66]綜述了水煤漿制備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，認(rèn)為低煤化程度的煤進(jìn)行脫灰處理可以有效降低水煤漿制備成本，拓寬水煤漿原料的選擇范圍。另外，張?jiān)降萚67]為了讓煤基燃料-氧-水蒸氣燃燒的二氧化碳零排放發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行安全以及滿(mǎn)足燃汽輪機(jī)運(yùn)行需求，達(dá)到減少CO2排放的目的，使用無(wú)灰煤作為燃料實(shí)現(xiàn)了高效發(fā)電和CO2減排。因此，無(wú)灰煤作為高級(jí)燃料，不僅可以提高燃燒效率、減小CO2的排放、提高設(shè)備的壽命帶來(lái)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

4.1.2在氣化和液化方面的應(yīng)用

煤的灰分在煤的催化液化、氣化過(guò)程中，容易與催化劑相互作用，造成催化劑失活和不可回收，而大大降低煤的氣化、液化效率。SHARMA等[68]發(fā)現(xiàn)無(wú)灰煤具有超低灰分，相較于原煤達(dá)到最大氣化速率時(shí)，其催化劑K2CO3的添加量?jī)H6%，而原煤的催化劑K2CO3需要20%。WANG等[69]研究發(fā)現(xiàn)催化劑加入相同氣化條件下，無(wú)灰煤的氣化速率明顯高于原煤的氣化速率，其原因是K2CO3與原煤中的礦物質(zhì)相互作用形成水不溶性鉀化合物，如鋁硅酸鉀，降低了催化活性;而無(wú)灰煤氣化過(guò)程中不存在這種副反應(yīng)的發(fā)生。另外，不同煤階萃取得到的無(wú)灰煤，其催化氣化的活性不同。SHARMA等[70]發(fā)現(xiàn)低階煤所制備的無(wú)灰煤比高階煤所制備的無(wú)灰煤具有更高的催化氣化反應(yīng)活性，可以在更低的溫度下達(dá)到相同的氣化速率。KOYANO等[71]研究了無(wú)灰煤的加氫反應(yīng)及催化劑重復(fù)使用的情況，其結(jié)果表明由于無(wú)灰煤具有超低的灰分以及高的流動(dòng)性，反應(yīng)過(guò)程中催化劑不會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，且催化劑的循環(huán)使用活性可以至少保持5次，大大提高了其液化效率。

4.1.3在焦炭方面的應(yīng)用

焦炭是鋼鐵行業(yè)的必需品，通常優(yōu)質(zhì)焦煤價(jià)格昂貴、且儲(chǔ)存量少;而低階煤儲(chǔ)存豐富，但含雜質(zhì)多、煉焦性能差。因此，實(shí)現(xiàn)低階煤的煉焦技術(shù)的突破已成為焦炭行業(yè)研究關(guān)注的焦點(diǎn)與重點(diǎn)[72]。無(wú)灰煤具有良好的熱塑性和流動(dòng)性，與原煤相比更低的軟化點(diǎn)，配煤煉焦可以充當(dāng)黏結(jié)劑的作用。無(wú)灰煤應(yīng)用在配煤煉焦中可以擴(kuò)大可煉焦煤的范圍，使弱黏結(jié)性煤煉焦成為可能。樊麗華等[73]采用高溫萃取鄂爾多斯褐煤制備無(wú)灰煤，并將無(wú)灰煤與唐山焦煤按1∶9混合，發(fā)現(xiàn)混合煤具有較好的熱塑性，所制備的焦炭具有形貌致密，裂紋、大孔數(shù)量減少，孔壁增厚，孔形狀基本呈圓形，且熱性質(zhì)較好，反應(yīng)后強(qiáng)度達(dá)84%以上等優(yōu)異性能。TAKANOHASHI 等[37]研究了添加無(wú)灰煤對(duì)基體煤產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)添加5%～10%無(wú)灰煤與基體煤混合，得到的混合煤不僅熱塑性提高，而且熱塑性溫度范圍明顯增大。同時(shí)還指出在煉焦過(guò)程中，由于無(wú)灰煤與基體煤發(fā)生強(qiáng)烈的作用，使得所制備焦炭的抗拉強(qiáng)度和熱塑性得到明顯提升。

4.2 應(yīng)用新拓展

4.2.1活性炭

煤基活性炭作為一種發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)和豐富表面化學(xué)性質(zhì)的多孔材料，在吸附、催化、儲(chǔ)能、環(huán)保等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，我國(guó)煤炭種類(lèi)繁多，不同煤階所生產(chǎn)的活性炭性能差別很大，同時(shí)煤炭的灰分也是影響煤基活性炭重要的因素之一。解強(qiáng)等[74]指出根據(jù)原煤的不同特性對(duì)原煤進(jìn)行深度有效的脫灰處理是制備優(yōu)質(zhì)煤基活性炭有效途徑之一。許普查等[75]研究發(fā)現(xiàn)煤炭的灰分具有較強(qiáng)的催化活化作用，容易使活性炭更易形成中孔與大孔結(jié)構(gòu)，而降低了其微孔結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于超高比表面積活性炭的制備，通常要求煤中的灰分越低越好。韓露等[76]同樣探究了灰分對(duì)煤基活性炭的影響，發(fā)現(xiàn)灰分降低可以減少活性劑的用量，而且活性炭的比表面積、孔容增大，吸附性能明顯提高。因此，由溶劑熱萃取法制備具有低灰分特性的無(wú)灰煤，已成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)活性炭的重要原料之一。張文輝等[77]以太西無(wú)煙煤制備的太西無(wú)灰煤為原料，采用傳統(tǒng)物理活化法，可生產(chǎn)出微孔發(fā)達(dá)、中孔豐富、灰分低的活性炭，比直接用太西無(wú)煙煤所制備的活性炭具有更高的亞甲藍(lán)吸附值等優(yōu)點(diǎn)。樊麗華等[78]對(duì)比分析了褐煤基活性炭與無(wú)灰煤基活性炭的性能，發(fā)現(xiàn)對(duì)原煤脫灰處理是減少活性炭中灰分含量的有效辦法之一，且在相同活化條件下，無(wú)灰煤基活性炭具有高的微孔孔容，以及合適的孔徑結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。將其用作超級(jí)電容電極材料時(shí)，無(wú)灰煤基活性炭的電容量是褐煤基活性炭的電容量的1.85倍。另外，黃珊珊等[79]也發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)煤中CaCO3成分對(duì)活化過(guò)程存在抑制作用。因此，無(wú)灰煤已成為一種制備高性能活性炭的優(yōu)質(zhì)原料。

4.2.2碳纖維

現(xiàn)今汽車(chē)輕量化已成為汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的研究趨勢(shì)，其中碳纖維由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的突出性能，被譽(yù)為是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化最理想的材料。然而，由于碳纖維高昂的生產(chǎn)成本嚴(yán)重限制了碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。因此，開(kāi)發(fā)一種低成本高性能碳纖維成為碳纖維研究領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)方向。實(shí)際上，碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程中，其前驅(qū)體的生產(chǎn)成本占了整個(gè)生產(chǎn)成本的50%以上[80-81]。因此，尋求一種新型的、價(jià)格低廉的碳纖維前驅(qū)體成為降低碳纖維生產(chǎn)成本的有效途徑之一。由于無(wú)灰煤具有優(yōu)良的熱塑性、低灰分和低廉的價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，因此無(wú)灰煤有望作為一種低成本高性能瀝青基碳纖維生產(chǎn)的原材料。然而，無(wú)灰煤的高含氧量、高脂肪族含量和寬的分子量分布范圍等特點(diǎn)極大地限制了無(wú)灰煤系瀝青基碳纖維的開(kāi)發(fā)?；跓o(wú)灰煤的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)與阻礙點(diǎn)，筆者以日本神戶(hù)制鋼公司所提供的各等級(jí)無(wú)灰煤為原材料，深入開(kāi)展了無(wú)灰煤系瀝青基碳纖維的研究探索，開(kāi)拓了無(wú)灰煤在碳纖維制備領(lǐng)域的新應(yīng)用，成功制備出了低成本高強(qiáng)度的各向同性瀝青基碳纖維[82-84]。首先作者采用無(wú)灰煤和乙烯焦油共碳化的方法，有效解決了無(wú)灰煤系紡絲瀝青由于高含氧量，造成的紡絲性能差的問(wèn)題。其次作者采用溶劑切割結(jié)合薄層蒸發(fā)的方法制備得到了分子量分布合適的無(wú)灰煤系紡絲瀝青，其紡絲瀝青的軟化點(diǎn)達(dá)到210 ℃，所制備的碳纖維拉伸強(qiáng)度達(dá)到1 050 MPa。最后筆者采用四氫萘與無(wú)灰煤加氫聚合的方法克服了無(wú)灰煤高脂肪族含量的問(wèn)題，制備出了軟化點(diǎn)到達(dá)260 ℃的紡絲瀝青，其碳纖維的拉伸強(qiáng)度提升至1 350 MPa?；诂F(xiàn)有的研究進(jìn)展以及后續(xù)的紡絲、預(yù)氧化和碳化工藝的深入研究，采用無(wú)灰煤為原料制備紡絲瀝青前驅(qū)體，有望制備得到滿(mǎn)足汽車(chē)車(chē)身用碳纖維拉伸強(qiáng)度1 700 MPa的性能要求的低成本瀝青基碳纖維，有望為汽車(chē)輕量化的研究與開(kāi)發(fā)提供一定的原材料與技術(shù)思路。在這方面，李顯等[85]同樣采用溶劑熱萃取技術(shù)萃取低階煤炭得到無(wú)灰煤，然后利用無(wú)灰煤與生物質(zhì)共混制備了收率高達(dá)61%的紡絲前驅(qū)體，并制備得到了與商業(yè)碳纖維性能相近的碳纖維。因此，無(wú)灰煤作為一種新型的碳質(zhì)前驅(qū)體，在瀝青基碳纖維制備領(lǐng)域顯示出很好的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)前景。相較于煤焦油系各向同性瀝青基碳纖維，無(wú)灰煤系各向同性瀝青基碳纖維，具有更好的力學(xué)性能。

4.2.3納米碳材料

納米碳材料可由木質(zhì)材料、煤等原料制得。我國(guó)煤儲(chǔ)量豐富，因此發(fā)展煤基納米碳材料，制備出高附加值產(chǎn)品具有重要意義[86]。例如:邱介山等[87]采用碳含量很高，灰分、揮發(fā)分很低的太西無(wú)煙煤為碳源，以廉價(jià)的鐵粉、鎳粉或La-Ni混合物為催化劑，制備得到了純度較高的單壁碳納米管。在這方面，MOOTHI等[88]綜述采用低廉的煤為碳源，利用等離子體噴射法、電弧放電法、化學(xué)汽相沉積法制備碳納米管的研究進(jìn)展，并指出以煤炭為碳源可以獲得高質(zhì)量的碳納米管，以及降低其生產(chǎn)成本;同時(shí)指出煤的灰分、揮發(fā)分降低越有利于碳納米管的生成[89]。因此，無(wú)灰煤的超低灰分特點(diǎn)，使得無(wú)灰煤成為一種制備高質(zhì)量碳納米管的合適碳源。另一方面，近些年來(lái)以煤炭作為原料制備富勒烯，也得到許多研究學(xué)者關(guān)注。邱介山等[89]對(duì)3種灰分較高的原煤進(jìn)行脫灰處理，研究不同原煤及脫灰前后對(duì)富勒烯產(chǎn)率的影響。研究發(fā)現(xiàn):煤脫灰處理能夠增加富勒烯產(chǎn)率，原煤中灰分對(duì)富勒烯形成具有很強(qiáng)的抑制作用，且含碳量較高的峰峰瘦煤的富勒烯產(chǎn)率與以石墨為原料的富勒烯產(chǎn)率相當(dāng)。因此，選取高碳量、低灰分的煤炭可以制備出高產(chǎn)率的富勒烯。另外，王茂章等[90]研究發(fā)現(xiàn)原煤組成成分及化學(xué)結(jié)構(gòu)也影響著富勒烯產(chǎn)率，產(chǎn)率隨原煤中碳含量升高而升高，隨灰分含量增加而減少。張亞婷等[91]以太西無(wú)煙煤為原料，在中頻感應(yīng)石墨化爐內(nèi)，通過(guò)高溫?zé)崽幚碇苽涑兾⒓?xì)石墨粉，然后以超純微細(xì)石墨粉為原料制備得到了較好品質(zhì)的石墨烯?？傊?，煤炭是納米碳材料制備的高效碳源，且煤炭的灰分降低越有利于納米碳材料的制備，因此無(wú)灰煤被認(rèn)為是制備納米碳材料的優(yōu)質(zhì)原料。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

煤炭清潔高效利用作為科技部批準(zhǔn)的“科技創(chuàng)新—2030重大項(xiàng)目”，其確立的4個(gè)重要目標(biāo)和重點(diǎn)研究方向:一是加快煤炭綠色開(kāi)發(fā)，二是煤炭高效發(fā)電，三是煤炭清潔轉(zhuǎn)化，四是碳捕集利用與封存。在此背景下，無(wú)灰煤作為一種新型的高性能煤，具有清潔環(huán)保和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特性，已在諸多工業(yè)(高級(jí)燃料、燃燒發(fā)電、配煤煉焦、活性炭等)領(lǐng)域顯示了很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，以及在高性能碳材料(碳纖維、碳納米管、石墨烯等)的生產(chǎn)方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。因此無(wú)灰煤的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究符合“科技創(chuàng)新—2030重大項(xiàng)目”的目標(biāo)和需求，無(wú)灰煤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭清潔生產(chǎn)、高附加值利用的有效之一。同時(shí)，無(wú)灰煤的相關(guān)研究也存在著諸多關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題亟需解決，及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究有待深入與突破。

(1)無(wú)灰煤技術(shù)在我國(guó)并未得到很好的推廣與應(yīng)用，在技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用方面上還有很多不足之處，特別是在裝置設(shè)備方面遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足無(wú)灰煤制備工藝的要求。因此需進(jìn)一步加強(qiáng)整套裝置中高溫高壓反應(yīng)釜、過(guò)濾板，固液分離系統(tǒng)、溶劑回收循環(huán)系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)灰煤的工業(yè)化轉(zhuǎn)化。

(2)由于煤炭分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，煤炭的溶劑熱萃取技術(shù)未能達(dá)到分子水平上的調(diào)控，且萃取機(jī)理尚不完善。因此研究無(wú)灰煤的萃取機(jī)理、構(gòu)建無(wú)灰煤性質(zhì)與萃取工藝的映射關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)在分子水平上認(rèn)識(shí)煤炭結(jié)構(gòu)和組成是煤轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的重點(diǎn)與突破點(diǎn)。

(3)無(wú)灰煤的應(yīng)用基礎(chǔ)研究相當(dāng)?shù)谋∪酰鵁o(wú)灰煤系碳材料的研發(fā)具有較好的優(yōu)勢(shì)與前景。因此深入開(kāi)展無(wú)灰煤系碳材料的制備與應(yīng)用研究，重點(diǎn)解決高性能碳材料用無(wú)灰煤前驅(qū)體的改性問(wèn)題;建立無(wú)灰煤的結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)其衍生碳材料結(jié)構(gòu)與性能的影響機(jī)制;探索無(wú)灰煤衍生碳材料的獨(dú)特應(yīng)用領(lǐng)域與優(yōu)勢(shì)等，從而實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤炭資源的清潔高效利用的初衷。