多尺度过程设计与强化框架开发：实现焦油高效低碳转化的创新路径

针对传统焦油转化方法效率低、温室气体排放高的问题，本研究提出化学链重整-费托合成(CLR-FT)新工艺。通过ReaxFF分子动力学模拟筛选出最优催化剂Fe9Cr3（碳转化率94%），结合双尺度优化框架使CO2和CH4排放降低80-92%，总投资成本仅5.3×105美元，为复杂催化系统设计提供普适性策略。

　　

在全球能源结构转型背景下，煤炭衍生焦油的高效利用成为缓解石油资源短缺的关键突破口。传统焦油转化技术面临双重困境：复杂分子结构导致转化效率低下，高温高压操作又带来巨额能耗和CO₂/CH₄等温室气体排放。中国作为"富煤少油"国家，开发焦油制短链烃(SC-HCs)技术对能源安全与碳中和目标实现具有战略意义。山东大学研究团队在《Fuel》发表的研究，创新性地构建化学链重整耦合费托合成(CLR-FT)多尺度强化框架，为这一难题提供系统性解决方案。

研究采用三级技术路线：微观尺度通过ReaxFF分子动力学模拟突破传统催化剂筛选局限，中观尺度结合计算流体力学(CFD)优化反应器传输性能，宏观尺度完成全流程经济性评估。特别值得注意的是，该方法摒弃传统分子动力学需预设反应路径的缺陷，通过动态捕捉Fe-Cr双金属催化剂表面键断裂/形成过程，实现真实反应环境的精准模拟。

【The proposal of CLR-FT process】
构建以Fe₂O₃为氧载体的化学链重整系统，通过燃料反应器(FR)和空气反应器(AR)的循环操作产生C/H比可调的合成气，为后续费托合成提供理想原料。流程设计显示该集成系统可同步实现碳循环利用与能量梯级回收。

【The screening of catalyst for FTR】
从16种双金属催化剂中筛选发现，Fe₉Cr₃展现出94%的碳转化率和最优C₁-C₅选择性。分子动力学轨迹分析揭示，Cr掺杂能有效抑制CH₄生成并促进C-C键耦合，其活化能(116.40 kJ/mol)较纯Fe催化剂降低23%。

【The intensification of FTR】
通过CFD模拟发现反应器长径比与气体停留时间存在非线性关系，优化后反应器使CO₂排放降低85-88%。经济评估显示单位产品能耗较传统工艺下降37%，总投资成本控制在53万美元以内。

该研究开创性地建立"原子机制-反应器设计-全流程优化"的跨尺度研究方法，其创新价值体现在三方面：技术层面证实CLR-FT协同效应可使温室气体减排超80%，科学层面发展出非预设路径的催化剂筛选新范式，应用层面提供的5.3×10⁵美元投资方案具备工业化推广潜力。这项工作不仅为煤化工低碳转型提供关键技术支撑，其多尺度耦合的研究框架更可拓展至生物质转化、塑料降解等复杂催化体系设计领域。