煤炭主要是由C、H、O组成的有机体,同时具备能源和资源的双重属性,而目前煤炭的利用方式主要发挥了其能源属性,并未充分利用其资源价值。通过煤化工技术将煤炭转化为煤气、焦油、半焦等燃料或化工产品,可以有效提高煤炭的附加价值。煤的定向裂解是一种富有发展前景的煤炭资源化利用技术,催化裂解是煤定向裂解的重要手段。适当的催化剂一方面可以降低反应所需的能量壁垒,另一方面可以调节煤裂解产物的产率及分布,有利于达到定向调控裂解产物的目的,因此催化裂解受到了广泛关注。对于催化裂解,目前的研究主要集中于碱及碱土金属催化剂、过渡金属催化剂及沸石等其他催化剂对煤裂解特性的影响,通过宏观层面分析裂解产物的变化来探究催化剂的催化效果,虽取得了一定成果,但煤裂解的微观催化机理还需要进一步研究,且研究结果较为零散,不能成为连贯系统的结论,难以为后续的研究提供有力的指引。有鉴于此,本文在前人的研究基础上,针对煤炭资源化利用中的催化裂解技术,围绕煤的催化裂解联产煤气及半焦的核心问题展开研究。本文首先利用SEM、BET、XRD、FTIR、TGA、管式炉等多种表征技术及实验方法,首次较为全面地研究了酸洗脱灰对煤的理化特性的影响,发现酸洗并没有改变煤的主要结构,XRD实验表明煤的物相结构并没有发生大幅变化,FTIR数据显示煤的有机官能团结构并未发生太大变化,热重实验表明反映煤的主要结构的最大失重速率处的温度Tp变化不大,管式炉实验表明酸洗并不能改变煤热解产物的变化趋势。因此酸洗主要脱除了煤中的矿物质以及部分含氧有机组分,煤的结构并没有发生质的变化,酸洗也不能改变煤热解反应的趋势,这是大量文献进行催化裂解实验和数据分析的基础。研究结论为采用酸洗煤负载催化剂的研究方法提供了数据支持和理论依据。在对酸洗煤理化特性研究的基础上,选择了 KCl、CaCl2、NiCl2、MnCl2和ZnCl2五种金属氯化物作为催化剂负载K+、Ca2+、Ni2+、Mn2+和Zn2+,以热重实验为主要手段,辅助XRD、FTIR、EDS及PY-GC/MS等技术,对煤的催化热解和催化气化特性、反应动力学及催化机理进行了较为的全面研究。结果显示,催化热解时活化能大小顺序为AW>RAW>AW+K>AW+Ni>AW+Mn>AW+Zn>AW+Ca,气化时大小顺序为 AW>RAW>AW+Zn>AW+Ni>AW+K>AW+Ca,表明催化剂及煤中矿物质都能降低热解及气化的能量壁垒,有利于反应的进行。通过XRD表征,发现KCl、CaCl2、NiCl2和MnCl2在热解过程中起催化作用的分别是K+、Ca2+及CaC03、Ni、MnO,在气化过程中起催化作用的分别是K+、Ca2+及CaC03、Ni及NiO、MnO及MnO2,从而为KCl的催化机理提供了数据支持,进一步发展了 CaCl2的催化机理,创新性揭示了 NiCl2和MnCl2的催化机理,为后续研究催化裂解产物的调控及开发煤定向裂解的新型催化剂提供了理论依据。最后利用固定床及气流床实验平台,对煤粉的催化裂解产物调控进行了宏观层面的研究,发掘定向调控煤裂解产物的最佳反应条件,重点研究了裂解温度、催化剂种类、催化剂浓度等调控因子对裂解产物产出特性的影响。研究表明,固定床实验系统中,Ni2+对提高裂解气产量效果最好,在800～1200℃时分别比原煤提高7.5%、3.4%、4.1%、7.0%及7.3%;Ni2+对合成气产量的提升也最明显,从800℃到1200℃分别提高21.1%、13.9%、15.1%、19.3%及19.9%;Zn2+最有利于产生H2,在800～1200℃时分别提高H2的产量16.8%、29.1%、19.8%、19.7%及19.2%;Mn2+和Zn2+有利于提高焦油产量。气流床实验系统中,催化剂对裂解气组分的影响具有趋同性;Ni2+对裂解气和合成气产量的催化效果最明显,从800℃到1200℃裂解气产量比原煤分别提升13.7%、12.5%、2.9%、3.6%和5.1%,合成气产量分别提高 21.3%、16.1%、0.5%、3.5%及 4.5%;Mn2+、Zn2+和 K+都能提高 H2 的产率,Ca2+有利于提高CH4的产率。固定床和气流床实验均表明,催化剂可以影响产物产率、调控组分分布,且不同催化剂的催化效果不尽相同。实验结果为煤的定向裂解提供了实验和数据支持。