重油的清洁高效转化是缓解能源短缺、提高能源利用率的有效途径。基于铁基氧化物的部分氧化技术能够将重油转化为轻质油或化学品,是重油加工提质的有效手段。深入认识铁基氧化物结构特性与重油转化深度的关系、掌握重油转化基本规律、发展重油提质与其他技术的过程耦合对重油部分氧化技术的发展具有重要的理论和实际意义。本文从铁基氧化物的掺杂改性、重油定向转化与目标产物调控、过程耦合工艺等出发,系统研究了不同价态金属氧化物掺杂的Fe2O3和赤泥用于重油部分氧化制轻质油/化学品的性能,同时开展了化学链部分氧化和铁基氧化物原位还原的过程耦合的研究。主要研究内容和结果如下:以不同价态金属氧化物所对应金属盐为前驱体制备了不同价态金属氧化物掺杂的Fe2O3,评价了掺杂的Fe2O3部分氧化减压渣油的性能。不同价态金属氧化物掺杂不改变Fe2O3的赤铁矿结构,掺杂Ca、Al、Zr或Al和Zr共掺杂均增加了 Fe2O3的比表面积和孔体积,同时提高重油转化率和柴油产率。Al和Zr共掺杂的Fe2O3(FeAlZr-1)具有最大的比表面积和孔体积,分别为61.8 m2/g和0.251 cm3/g。减压渣油部分氧化结果表明,FeAlZr-1能够使柴油产率从Fe2O3的27.5 wt%增加到43.8 wt%。以CeO2所对应金属盐为前驱体制备了不同含量Ce掺杂的Fe2O3,讨论了铁基氧化物比表面积与部分氧化产物分布的关系,开展了以FeCe-1为载氧体的重油化学链部分氧化研究。Ce掺杂能够增加Fe2O3的比表面积和孔体积,FeCe-1的重油转化率和柴油产率分别为97.2 wt%和39.8 wt%。重油转化率、气体、汽油和柴油产率均随铁基氧化物的比表面积的增加呈现先增加后趋于稳定的趋势。以FeCe-1为载氧体的化学链部分氧化在20次循环中表现出良好的活性和稳定性,重油转化率和柴油产率在第20次循环时分别为 87.0 wt%和 28.8 wt%。为拓宽铁基氧化物的来源,将富含Fe2O3的拜耳赤泥(Red mud,RM)用于减压渣油部分氧化提质,还分别开展了以赤泥为载氧体的化学链部分氧化和反应后赤泥原位还原的工艺耦合研究。RM经600℃煅烧(RM600)能够降低减压渣油裂化温度、促进渣油转化。RM600的重油转化率和柴油产率分别为96.3 wt%和38.0 wt%,所得液体产物富含直链烷烃和烯烃。以赤泥为载氧体的化学链部分氧化在20次循环中表现出良好的活性和稳定性,重油转化率和柴油产率在第20次循环时分别为87.0 wt%和29.2 wt%。在反应后赤泥表面上生成的积炭可将赤泥中的铁氧化物部分还原为金属铁,XPS和57Fe穆斯堡尔谱测定金属铁的含量分别为28.8%和24.2%。为研究部分氧化工艺对不同重油的适应性,开展了煤热解焦油部分氧化提质与Fe2O3还原耦合研究,考察了反应温度对耦合产物分布的影响。研究发现,提高反应温度能促进焦油的转化、增加气体产率,提质焦油的C含量增加、H含量和H/C比降低,脂肪烃类含量减少、芳香烃类含量增加。当反应温度从500℃升高到800℃时,萘类物质含量从8.6 wt%增加到29.2 wt%,其中萘含量从1.4 wt%显著增加到17.2 wt%。随着温度的升高,Fe2O3逐步被还原成Fe3O4、FeO和碳化铁。研究了平朔煤热解焦油原位部分氧化提质与Fe2O3还原耦合。经Fe2O3原位提质,平朔煤热解焦油中重质组分(>350℃)的含量从52.5 wt%降低到30.0 wt%,焦油品质得到提升。提质焦油中,萘类物质含量从19.9 wt%增加到30.8 wt%,其中萘含量从1.5 wt%增加到7.8 wt%。