煤炭的清洁高效转化和利用对于确保国家能源安全至关重要，也是实现双碳目标的战略目标的关键。在各种煤炭转化技术途径中，热解是一种将煤炭直接转化为高价值焦油、燃料气和炭的主要过程，从而为煤炭的级联和基于质量的利用奠定了基础[1]、[2]、[3]。以热解为中心的多联产系统可以同时生产化学品、燃料和电力，被认为是实现煤炭资源高价值、低排放利用的一条非常有前景的途径[4]、[5]、[6]。煤焦油是热解的主要产物，富含多种化合物，如芳香烃、酚类和烷烃。它既是重要的液体燃料补充来源，也是化学原料[7]。因此，研究煤结构与热解特性之间的关系，以及阐明控制热解行为和产物分布的内在机制，对于有针对性地调节热解过程、优化产品质量和整体工艺经济性具有重要的科学和实践价值。
煤热解本质上是一个复杂的过程，涉及共价键的断裂、自由基的生成和稳定以及中间体的二次反应[8, 9]。其最终产物的分布受到外部工艺条件的强烈影响，最终由煤本身的内在物理化学结构决定，特别是其分子尺度的碳骨架[10]、[11]、[12]。固态13C核磁共振（NMR）光谱作为一种能够无损且定量表征煤和碳基材料中碳原子化学环境的强大工具，已成为解析煤复杂大分子结构的关键技术——特别是用于区分芳香碳、烷基碳和各种含氧碳功能基团，以及确定它们的相对含量和连接模式[13, 14]。近年来，研究人员广泛采用13C-NMR结合光谱反卷积技术来建立煤的碳结构参数与热解特性之间的内在相关性[15, 16]。例如，现有研究表明，较高的烷基碳含量和有利的CH2/CH3比例有助于热解过程中长链烷基片段的生成和稳定，从而可能提高焦油产量。相反，过多的含氧功能基团可能会促进交联和缩合反应，这不利于挥发性物质的有效释放[17, 18]。这些研究加深了我们对“结构决定反应性”这一基本原理的理解。
同时，一些研究人员进一步利用煤结构参数与热解焦油产量之间的关系进行了拟合，得到了描述它们相关性的多项式模型。这使得可以根据煤的结构参数准确预测热解焦油产量。刘等人[19]通过13C-NMR解析四种煤的碳结构，发现焦油产量与CH2/CH3和fas/fa比例（烷基取代芳香碳与总芳香碳的比例）呈正相关，与fO（含氧功能基团含量）呈负相关。基于这些参数的MATLAB拟合线性回归模型提供的焦油产量预测与测量值吻合良好。杨等人也报告了类似的实验结果[20]。然而，大多数现有的碳结构与焦油产量之间的相关模型主要基于特定的煤系列。它们对不同地质来源和不同程度变质煤的普适性和预测能力仍有待进一步验证和扩展。这是一个值得研究的方向。此外，碳结构如何精确控制热解焦油的化学组成——尤其是其对高价值组分（如轻质烷烃、单环芳烃和环烷烃）的生成和选择性的影响——在现有研究中仍缺乏系统的深入研究[21]、[22]、[23]。
基于上述研究背景和现有空白，本研究选择了四种具有不同变质程度的代表性中国煤样作为研究对象：昭通褐煤、西岭沟褐煤、山东次烟煤和汾西烟煤。通过系统的13C-NMR结构分析和光谱反卷积，准确量化了每种煤样中各种碳结构形式的相对含量。随后，在固定床反应器中进行了程序升温热解实验以确定它们的焦油产量。通过对碳结构参数矩阵与热解产物产量进行相关性分析，建立了将碳结构参数与热解焦油产量联系起来的线性预测模型。此外，还加入了两种额外的煤样以验证模型的有效性。此外，还使用了热解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）技术对快速热解条件下生成的挥发性焦油产物进行了在线实时分析。这使得能够详细表征焦油的组成，包括酚类、含氧化合物、芳香烃和烷烃等化学家族的相对含量，以及选定化合物的定量。该研究将指导基于热解的多联产工业化生产高质量焦油，并对煤炭、油页岩、生物质或其他碳基材料转化为燃料油具有重要的指导意义。
