循环流化床高碱煤气化技术研发及应用进展

系统回顾了循环流化床高碱煤气化技术的研发及应用历程,重点概况了在高碱煤基础理化特性、气化反应特性及碱金属的迁移特性、防结渣技术研究及循环流化床高碱煤气化工程应用四个方面的进展与成果。梳理了高碱煤的煤质特征、碱金属的赋存形态和含量、前处理方法对碱金属含量测定的影响,以及高碱煤的燃烧和成灰特性。总结了煤种、反应进程、气化温度、氧碳摩尔比、反应气氛等对高碱煤气化性能指标和气化灰结渣特性的影响。阐述了配煤、添加剂及更换床料等方法对预防高碱煤气化结渣的作用和反应机理,采用刚玉做床料实现了循环流化床高碱煤气化中试装置稳定运行。评述了循环流化床高碱煤气化技术的自主创新以及在工业燃气、合成气领域的成功应用。最后,从建立高碱煤气化用煤数据库、开发纯用高碱煤的气化技术、开发高效脱碱及原位耦合利用革新技术、探索高碱煤与其他物料协同利用技术并制备高性能材料四个方面展望了未来高碱煤气化技术的发展方向。

不定型煤基活性焦制备及预处理影响研究

我国煤炭燃烧排放大量的SO2和NOx等导致了严重的空气污染,需要寻找一种清洁高效的烟气联合脱硫脱硝技术.煤基活性焦因其脱除效率高,再生能力强等诸多优点备受关注,但目前的研究主要集中在柱状和粉末状活性焦上.为研究大粒径煤基活性焦的制备参数和预处理对活性焦理化特性的影响,对原煤颗粒进行高温空气预氧化处理,并通过炭化-水蒸气活化两步法制备活性焦.结果表明:低温长时间活化可使炭化料内部孔隙充分刻蚀,显著提高比表面积和孔容,以水蒸气作为活化剂有利于微孔和介孔协同发展,适合制备大粒径分级孔结构活性焦.700℃活化3 h制得的府谷煤活性焦比表面积为429.54 m^(2)/g,介孔占比27.80%;850℃活化3 h制得的大同煤活性焦比表面积为892.20 m^(2)/g,介孔占比21.46%.高温空气预氧化能够改变原煤内部结构,对府谷煤颗粒在200℃下预氧化15 h后,氧化煤内部成分和结构基本稳定,脂肪结构被消耗的同时生成了大量含氧官能团.预氧化处理对炭化过程的影响较为显著,氧化煤在炭化过程中热塑性特征显著降低,减少了焦油对孔隙的堵塞,此外,含氧官能团的交联作用也促进了煤中大分子的缩聚和孔隙的形成,从此促进初步孔隙的发展.虽然预氧化使得活性焦的比表面积和孔容都有所增大,但活化剂和样品之间的成孔路径未产生改变.

煤矸石气流分级改性制橡胶补强填料研究

【目的】煤矸石是一种富含硅铝氧化物的煤基固废,对其资源化利用至关重要。【方法】将煅烧活化的煤矸石,采用铝酸酯偶联剂研磨一体化改性,考察了研磨时间、改性剂用量对其表面改性效果的影响规律。进一步利用气流分级对煤矸石灰进行分选,对比分析了改性与否及颗粒粒径对橡胶补强填充性能的影响。【结果】结果表明,球磨30min、铝酸酯偶联剂添加量2%时,综合改性效果最佳,煤矸石灰表面出现铝酸酯偶联剂的特征官能团。相较商用白炭黑填料,气流分级改性所得填料填充橡胶的硬度和交联密度更高,硫化性能更好,橡胶的拉伸强度、拉断伸长率和拉断永久变形降低,定伸应力提高。填料粒度分布对橡胶性能影响明显,硫化性能随填料粒度减小而提高,拉伸性能随之提高,超细煤矸石灰改性作为填料的补强性能与白炭黑接近,具有替代白炭黑的潜力。

耦合富氢小分子催化活化的煤热解提高焦油产率策略与实践

热解作为“工程热化学”的重要研究方向,是实现煤炭分质分级利用的重要途径。提高热解焦油或化学品产率是提升煤转化效率和经济性的关键。煤热解遵循自由基反应机理,因此稳定煤裂解产生的自由基是提高焦油产率的关键。基于煤的热解反应机理及煤中H/C原子比低的特征,本文提出了通过富氢小分子气体的催化活化耦合煤热解提高焦油产率的策略,利用甲烷、乙烷等小分子气体催化活化产生的富氢活性自由基来稳定煤热解产生的自由基,达到抑制煤裂解自由基间的聚合或裂解形成半焦及气体反应的发生,实现热解焦油产率的显著提高。研究表明,甲烷经催化重整或等离子体活化后与煤热解过程耦合,可显著提高焦油产率和一定程度提升焦油品质,该过程具有普适性。甲烷活化方式、催化剂性能、煤种性质等是影响耦合效果的关键因素。同位素示踪证实了富氢小分子自由基参与煤热解焦油的形成。这种富氢小分子气体可拓展至纯甲烷、乙烷、热解煤气等。在此基础上,基于生物质、废塑料、废轮胎等有机固废具有比煤更高H/C原子比及热解过程产生富氢活性物种的特性,发展了煤与生物质、废旧塑料、废轮胎等固体有机物的共热解,发现提高升温速率、改变共热解混合模式等可强化协同作用,实现煤热解焦油产率提高及生物质、废轮胎等资源化高效利用。这种基于小分子气体催化活化耦合传统煤热解技术,为解决现有热解过程存在的焦油产率低等问题提供了重要的思路和方法,为发展先进的煤炭分质分级转化技术提供了新途径。耦合反应器的开发及用于小分子气体活化的高性能催化剂制备是未来研究的重点。

新疆黑山低阶煤镜质组的分离及其微生物降解研究

利用重液离心法分离出新疆黑山低阶煤中的镜质组,采用土壤水微菌对低阶煤镜质组进行降解实验。通过偏光显微镜分析结果可知,镜质组的最佳分离密度区间为1.15~1.20 kg/m^(3),此区间内镜质组的富集产率达到92.50%。土壤水微菌降解镜质组的最佳工艺条件为:煤浆浓度0.60 g/50 mL培养基,菌液用量8 mL/50 mL培养基,降解时间13 d,此时降解率为24.35%。FTIR分析和XRD分析结果表明,微生物降解后,镜质组的脂肪烃、芳香烃吸收峰减弱,羧基和硝基的吸收峰消失,芳香层间距增加,芳香层数减小,说明镜质组中的有机大分子已被土壤水微菌降解为小分子。GC-MS分析结果表明,镜质组的液相产物中主要含有脂肪烃、芳香烃、酯类和胺类等小分子物质,其中脂肪烃类物质的含量最高。

新型能源体系发展背景下煤炭清洁高效转化的挑战及途径

当今世界地缘政治风险加剧、气候环境问题凸显,能源转型变革加快。在此背景下,构建更加适应形势变化的能源体系对提高我国能源供应系统的可持续性及安全稳定性意义重大。目前我国化石能源仍占据主体地位。油气资源存在能源安全问题及新能源技术水平有待提升,中国短期内对煤炭能源仍将保持较高依赖性。因此,推进煤炭清洁高效转化对于新型能源体系的构建具有重要意义。首先对新型能源体系的具体内涵与构建方向展开讨论,并在此基础上,对新时代中国煤化工产业的发展现状以及面临的机遇与挑战进行了阐述,以期为煤炭的清洁高效转化技术的进步及煤化工产业的未来发展提供建议。新时代要求赋予新型能源体系更多的内涵。因此从战略上看,未来能源体系应具备“安全高效、清洁低碳、多元协同、智能普惠”多个特征,这也对煤炭产业的清洁高效发展提出了更高的要求。我国的煤炭清洁高效转化已取得显著进步,但多个关键技术仍亟待突破。结合煤炭产业转型发展与“双碳”目标关系的系统性认识,在新型能源体系建设的需求下,推进煤炭清洁高效转化对于社会经济发展、助力“双碳”目标实现具有重要意义,其关键在于加强该领域相关学科专业的基础研究和煤炭清洁高效转化技术的创新开发。

煤基固废制备胶凝材料研究进展及应用

煤矸石、粉煤灰、气化渣作为煤炭开采—化工转化—燃煤发电等过程产生的固体废弃物,年排放量超过15亿t,综合利用率约60%,主要以低端建工建材消纳为主,市场趋于饱和。随着环保政策趋近,煤基固废的资源化利用新途径开发迫在眉睫。基于煤基固废具有铝硅酸盐成分、潜在的火山灰活性和特殊的微观结构等胶凝特性,低成本高性能的低碳胶凝材料成为其规模化高值利用的新途径。综述煤基固废胶凝材料的活性激发技术及应用领域。活性激发方面,阐述了物理激发、碱激发和酸激发等活化方式对胶凝材料矿相变化的影响规律和产品性能调控,总结了现有技术的优势和需要解决的问题。应用领域方面,分析了煤基固废胶凝材料在建筑材料、道路修复、环境修复等领域的应用效果。基于上述现状,对煤基固废胶凝材料激发机理研究、组分配比优化、材料环保性能、工程应用推广等未来发展方向进行展望。研究对煤基固废制备胶凝材料具有重要的借鉴意义,为煤基固废规模化利用提供新途径。

淮北石台煤矿接触变质煤速热碳化的微组构解译

作为岩浆吞噬煤层的信息记录者和物质承载者,接触变质煤是揭示煤层速热碳化过程和机理的重要研究对象。为此,本研究采集了淮北石台煤矿不同热变质程度的接触变质煤样品,利用镜质组反射率测试、元素分析、工业分析、偏光显微镜(PLM)和扫描电镜(SEM)等实验手段,表征其微组构特征,以期揭示煤层速热碳化的机理和过程。结果显示,从未受影响煤、浅热变质煤到天然焦,样品最大镜质组反射率、灰分产率升高,氢、氮元素以及挥发分含量降低。未受影响煤显微组分以胶质结构体为主,局部发育丝质体;浅热变质煤中裂隙发育、少见脱挥发孔;靠近岩体的块状天然焦中镶嵌结构炭和脱挥发孔发育,孔径多介于20~150μm;岩体内的细脉状天然焦,主要由多孔炭和炭微球组成,富含圆形—椭圆形气孔,孔径多介于1~3μm。分析表明,趋近岩体,接触变质煤热变质程度连续增加:浅热变质煤是煤层受较弱热变质而脆性断裂的结果;天然焦是浅热变质煤热解脱挥发分和中间相化的产物;至岩体附近,天然焦被液化成多孔炭和炭微球,后二者最终被氧化为气态碳氧化物而消失。我们认为,岩浆接触变质煤速热碳化的实质就是固态煤岩被岩浆热解而中间相化、液化和氧化气化的过程。

我国高碱煤燃烧特性研究和工程应用进展

我国具有丰富的高碱煤资源。从基础研究、关键技术和工程实践等方面对高碱煤燃烧技术的研究和工程应用进展做一个较为全面的综述和总结,特别介绍了液态排渣锅炉全烧新疆高碱煤的机理研究和实践最新状况,以期为后续开发更为经济、可长期安全大比例掺烧甚至纯烧新疆高碱煤的燃烧技术提供参考。

黄铁矿在CO_(2)气氛下非等温氧化转化及动力学分析

针对煤中常见含铁矿物黄铁矿在富氧燃烧典型气氛下转化特性,通过同步热分析结合烟气分析研究了黄铁矿在CO_(2)气氛下的转化行为.结果发现,黄铁矿在CO_(2)气氛下主要经历5个失重阶段且均为吸热过程,首先是黄铁矿颗粒表面硫脱除的起始热解段(相界面反应,n=1/2),活化能低于其在N_(2)气氛下近30 kJ/mol,为220.27 kJ/mol,随后裂解成磁黄铁矿(三维扩散,n=1/2)活化能与其在N_(2)(177.27 kJ/mol)下接近为178.1 kJ/mol;温度高于690℃,随着升温磁黄铁矿缓慢失硫,CO_(2)逐渐参与磁黄铁矿转化且释放SO_(2)和CO;820~1150℃经历双峰失重峰阶段,820~1020℃,氧化气体产物SO_(2)大量生成且在约1000℃达到体积浓度峰值;最后1020~1150℃,坩埚中残留物大量与CO_(2)持续氧化反应失重形成SO_(2)和CO,坩埚中形成复杂物相体系,铁硫化物和铁氧化物共存(或共融).CO_(2)参与黄铁矿产物转化失重阶段活化能分别为180.94 kJ/mol、229.69 kJ/mol和243.46 kJ/mol,动力学机制均为成核与生长(n=1).

煤气化渣结构组成及其主要金属元素赋存形态

煤气化渣的减量化、资源化和无害化是目前煤化工行业的研究热点,对其物理化学特性及重金属含量与环境风险的研究是实现以上目标的基础。以宁东基地某煤化工生产企业的煤气化渣为研究对象,研究了粗渣和细渣的结构组成及主要金属元素赋存形态与环境风险。结果表明,煤气化渣由残炭和灰分(主要成分为SiO_(2)和Al_(2)O_(3),质量分数分别为50%和15%左右)组成。粗渣灰分含量高(质量分数>90%)且颗粒致密光滑,细渣残炭含量高(质量分数约20%)且孔隙丰富。含量高于500µg/g的金属元素主要富集在粗渣中,低于200µg/g的金属元素在细渣中富集。细渣中金属元素稳定性较低,特别是Cd,其非稳定态占比高于70%,且风险评价指数为34.16,环境风险高。本研究旨为煤气化渣的资源化和无害化处理提供基础数据。

神府烟煤及其煤岩组分制备氧化石墨烯的组成、结构演变

以煤为原料制备石墨烯是一种非常有前景的煤炭材料化、高值化利用途径。针对煤岩组分的组成、结构差异,探明煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的演变规律,是开发煤基石墨烯制备技术的理论基础。利用重选法富集低变质神府煤中镜质组和惰质组,并将富集煤岩组分通过高温石墨化得到石墨化碳,以石墨化碳为前驱体通过改良的Hummers氧化法制备煤基氧化石墨烯。利用元素分析、红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜等研究煤及其煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的组成和结构演变规律。结果表明炭化处理使煤有机大分子结构向无定形碳结构转变,高温石墨化使煤有机大分子结构向石墨碳结构转变;惰质组呈片状结构且分子结构中芳香结构单元较多导致石墨化碳微晶尺寸较大,高温石墨化处理后其拉曼光谱的(A_(D1)/A_(G))值为0.382,镜质组高温石墨化处理后的(A_(D1)/A_(G))值为0.686,原煤高温石墨化处理后的(A_(D1)/A_(G))值为0.864;利用富惰质组得到的石墨化碳制备氧化石墨烯厚度尺寸约5 nm;而镜质组的石墨化碳中石墨微晶结构较小,得到的氧化石墨烯尺寸较小,且氧化石墨烯平均厚度超过10 nm;原煤中由于石墨化过程形成棒状结构,较难形成有序片层结构,氧化剥离也难以得到氧化石墨烯。

燃煤机组烟气挥发性有机物排放特征

为了解不同容量燃煤机组烟气挥发性有机物(VOCs)的排放特性和不同尾部空气污染物控制设备(APCDs)对VOCs的控制作用,在福建省国投云顶湄洲湾电力公司400 MW亚临界对冲燃烧机组和1 000 MW超超临界切圆燃烧机组进行在线法和离线法采样测试,获取烟气中甲烷、非甲烷总烃和其他VOCs的全流程浓度。结果表明,1 000 MW机组SCR前的非甲烷总烃质量浓度(24.66 mg/m^(3))低于400 MW机组(33.36 mg/m^(3))。由于1 000 MW机组负荷和炉膛温度高,且煤在切圆燃烧炉内比对冲燃烧停留时间长,故煤燃烧更彻底。两机组SCR系统均能脱除超过70%的非甲烷总烃,400 MW和1 000 MW机组的SCR脱除效果分别为88.43%和74.32%。而在静电除尘过程(ESP)中,高压静电场可能会导致飞灰释放部分VOCs,增加烟气VOCs浓度。经所有APCDs后,400 MW机组和1 000 MW机组的VOCs排放质量浓度分别为8.40和8.47 mg/m^(3),整体脱除率为73.98%和63.02%,几乎未检出甲烷。离线测试结果:印尼煤燃烧后VOCs主要为正己烷、苯系物和苯甲醛。各固体样品(如煤、灰、石膏)有机物浓度分析显示,VOCs种类与机组大小无明显关联。这些发现有助于深入理解燃煤电厂对空气质量影响及优化污染控制设备设计。燃煤电厂实际运营中需依具体情况优化污染控制设备,以达到最大脱除效果,也需考虑机组大小和运行效率,有效控制VOCs排放。

富油煤热解特性及其孔裂隙结构演化规律

【目的】富油煤原位热解提取煤基油气是弥补我国油气资源短缺、提升煤炭资源利用效率的重要措施,也是富油煤高效开发的新趋势。富油煤在原位热解过程中的油气产出特征及孔裂隙发育情况直接影响到煤体内部传热、热解产物迁移及产出,查明富油煤热解特性及其孔裂隙结构演化规律尤为关键。【方法】利用自主研制的热解实验装置,结合比表面及孔径分析仪、三维显微镜和同步热分析技术,记录富油煤在不同热解温度下的产气规律,测定热解残样的微观孔隙结构及孔径分布特征,分析煤体裂隙演化规律及表面裂隙参数,揭示煤体结构和热解产物对热解温度的响应机制。【结果和结论】结果表明,富油煤热解产气总量和最大产气速率随温度的升高而增大,在温度大于300℃时热解反应变得剧烈,产气量增加显著。通过对比不同热解温度下的孔裂隙结构,发现孔隙结构类型以300℃为界发生明显改变,低于该温度热解后的孔隙类型以细小瓶颈和缝隙/楔形孔为主,主要为中孔,随着温度升高,孔隙类型以平行狭缝为主,微孔增加,中孔和大孔则进一步发育扩展贯通,形成微裂隙。与低温作用煤样相比,高温作用煤样裂隙开度增加、裂隙网络密度及表面裂隙率相应增大,煤样结构发生宏观破坏,完整性降低。富油煤热解过程中的孔裂隙结构演化是水分蒸发、吸附气体解吸析出、不均匀热膨胀、有机质热解及热解气体逸出等共同作用的结果。研究结果可为富油煤原位热解工艺参数选择提供有益参考。

黏结性对富油煤热解孔隙结构演变及渗流的影响研究

【目的】富油煤的原位热解是将煤层在地下加热生产油气的技术,其中煤层的孔隙结构和渗透特性是影响加热介质注入和油气产出的重要因素。黏结性富油煤热解伴随胶质体的形成,使其孔隙结构和渗透特性不同于非黏结性煤。【方法】将黏结性富油煤在300、400、500和600℃下热解,采用饱和流体法和氮吸附法测试半焦的孔隙参数,并采用显微CT表征半焦的孔隙结构;通过构建等效孔隙网络模型,分析煤样孔隙数目、孔隙半径和配位数等参数的变化规律,并模拟高温N2在孔隙网络中的渗流特征。【结果和结论】结果表明:煤样经300℃热解后仅产生少量裂隙,总孔隙率维持在约5%;当热解温度为400~600℃时,总孔隙率逐渐增至约50%,而微观孔隙仅在600℃脱气后更为丰富。当热解温度由300℃升至400℃,胶质体的形成、膨胀使孔隙和喉道的数量显著增大,但平均半径分别维持在约160μm和约88μm;再由400℃升至600℃,挥发分的析出促进了孔隙结构的连通,使孔隙和喉道的数量逐渐减少,且概率分布向等效半径更大的范围偏移,使平均半径分别增至292.81μm和170.60μm,并使孔隙平均配位数由5.82分别增至6.60和6.33,孔隙率和配位数的增大使半焦的平均模拟渗透率由246.75μm2显著增至1377.49μm2。研究结果可为黏结性富油煤原位热解的工艺研发提供参考依据。

基于蒙特卡罗的硫化氢吸附-扩散机理

为了明确硫化氢(H_(2)S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理,揭示不同温度、压力对煤吸附H_(2)S分子吸附扩散特性的影响机制,基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15~313.15 K、压力1~1 000 kPa时H_(2)S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明:温度由273.15 K升至313.15 K时,H_(2)S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g,降低了16.93%,当压力为1 kPa时,温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时,压力由1 kPa升至1 000 kPa时,最可几相互作用能由-39.391 kJ/mol升至-34.301 kJ/mol,随着压力的增加,最可几相互作用能先快速增加,后缓慢增加。在吸附H_(2)S过程中,H_(2)S的等量吸附热在36.63~41.43 kJ/mol内,为物理吸附,等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化;H_(2)S的吉布斯自由能ΔG为-3.57~-24.57 kJ/mol,吸附熵ΔS为-0.126~-0.194 8 kJ/(mol·K),随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低,H_(2)S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H_(2)S与气肥煤的相互作用能为-492.47~-3 390.95 kJ/mol,以范德华能为主,占总能量的58.67%,以静电能为辅,占41.33%,随着吸附量的增加,相互作用能绝对值增加,吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H_(2)S与羧基的相互作用最强,羟基次之,H_(2)S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K,H_(2)S分子的扩散系数由1.066×10^(-10)m^(2)/s升至2.025×10^(-10)m^(2)/s,温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开,增加裂隙的连通性,温度升高,增加H_(2)S分子平均自由程,使得H_(2)S扩散能力增强,H_(2)S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H_(2)S相对体积分数分布呈现多峰结构,H_(2)S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H_(2)S的极限吸附热为42.898 kJ/mol,H_(2)S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用,H_(2)S在吸附初期存在微弱的化学吸附。

SCCO_(2)作用下不同含水性煤孔裂隙结构变化机制

深部煤层封存CO_(2)增产CH_(4)产出过程中,处于超临界状态的CO_(2)(SCCO_(2))与煤中矿物质发生反应,改变煤的孔隙性,进而影响煤层封存CO_(2)的效果和甲烷增产效果。为发现SCCO_(2)–H_(2)O–煤岩作用对煤中孔隙的影响特征,以焦煤为研究对象,开展了不同含水条件下的超临界CO_(2)改造煤实验,基于矿物组成和孔隙性测定结果,对比煤中主要矿物质和不同尺度的孔裂隙变化的差异,探讨了不同含水状态下SCCO_(2)流体对孔裂隙性的作用机制。研究表明:①SCCO_(2)作用后,煤体表面粗糙、疏松,且由于矿物溶蚀使得一些裂隙得到贯通,微裂隙连通性增强。②SCCO_(2)流体对煤具有“扩孔”作用,表现为微、小孔含量下降,中、大孔占比升高,也即微、小孔隙向大孔隙的转化,且孔隙连通性改善;进一步发现,萃余煤吸附孔的分形维数稍微增加,粗糙度增大,而渗流孔的分形维数显著降低,复杂性和非均质性降低。③SCCO_(2)对煤中碳酸盐类矿物的溶解性最好,其次是黏土矿物,且随着含水率增加,萃余煤中的碳酸盐矿物占比先增加后减小。SCCO_(2)使干燥基态、饱和水态煤样中碳酸盐矿物显著溶解,有效改善了孔隙结构,且对饱和水态煤样作用效果更好。空气干燥基态煤样经SCCO_(2)作用后,新生成的白云石矿物聚集在孔喉中造成堵孔效应,缩小原有大孔隙尺寸,是引起不同含水性煤孔隙差异性变化的主要原因。

流场涡旋中颗粒碰撞黏附机制的CFD-DEM(XDLVO)模拟

混凝装备中流场的涡旋特征是影响煤泥水等微细颗粒絮凝效果的关键因素之一。为解析流场涡旋影响颗粒混凝碰撞与黏附机制,以圆柱绕流产生的涡街为代表性涡旋流场,采用CFD方法模拟了流速和圆柱直径对流场涡旋强度和尺度的影响;引入XDLVO理论辅助描述离散元方法中颗粒间的相互作用力,对粒径为25~100μm颗粒在上述流场中的碰撞与黏附过程进行CFD-DEM模拟,并试验验证。结果表明,在流速0.06~0.12 m/s、圆柱直径2~6 mm、雷诺数为120~720条件下,圆柱绕流场中的涡旋半径(r)与圆柱直径(D)的关系近似为r=0.133 3D+0.421 4,与流速无显著相关性;涡旋中心的最大涡量与流速成正比,涡旋强度与圆柱直径的2次方正相关。CFD-DEM(XDLVO)模拟方法获得的黏附聚集体的特征参数与试验结果吻合较好,说明其可较准确地描述圆柱绕流场中颗粒的碰撞与黏附过程。对流场涡旋分布特征和聚集体在流场分区中分布特征的分析表明,流场中的涡旋通过惯性离心力使颗粒远离涡旋中心向涡旋周边的黏性剪切区富集,在改变颗粒运动方向的同时,增加了颗粒在黏性区的局部浓度,从而提高了颗粒的碰撞概率,有效促进了颗粒的黏附并大。当涡旋尺度为物料粒径的10倍左右时最有利于颗粒的碰撞黏附,因此可根据应用场景的物料粒度来优化设计绕流圆柱直径,使其达到最好的黏附效果。

热解预处理对昭通褐煤润湿性的影响机制

褐煤的强亲水性为其加工和利用造成了许多不利影响,热解预处理是调控褐煤润湿性的有效方法之一。采用工业分析、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)和接触角测量探究了热解预处理对褐煤润湿性的影响机制。热解预处理的温度分别为200℃,300℃,400℃和500℃,时间分别为30 min,60 min,90 min和120 min。结果表明:热解预处理改变了褐煤的化学结构和组成,显著影响了褐煤的润湿性。褐煤的羧基在200℃时开始裂解逸出,并在300℃时基本消失;褐煤的酯基在300℃时开始裂解逸出,并在400℃时基本消失;而褐煤的C—O(醚键、酚和醇)的热稳定性较好,热解预处理后其相对含量略微增加;褐煤的芳碳率随着热解温度和时间的增加而增大,且芳香核尺寸在300℃时开始增大。如果使用热解预处理来减弱褐煤的亲水性,则应确保在较低温度下有足够的热解时间来去除褐煤的含氧官能团,而在较高温度下应使用较短的时间来防止褐煤的有机质过度损失。在300℃(120 min)或400℃(30 min)热解条件下,褐煤的亲水性含氧官能团(羧基或酯基)裂解逸出,且疏水性芳香核尺寸增大,从而使其亲水性显著减弱,接触角由原煤的44.00°分别增大为87.50°和85.75°。然而,在400℃(热解时间大于30 min)和500℃条件下,褐煤的有机质过度损失,导致矿物质或无机质的相对含量增加,使其亲水性仍然较强。

分子动力学模拟在分散剂/表面活性剂在煤颗粒表面吸附机理方面的研究进展

本研究从力场、几何优化、牛顿运动方程、周期性边界条件、系宗、控温控压方法、步长步数等方面简述了分子动力学模拟的基本原理。目前,煤大分子的构建方法有三种:经典模型、自主构建模型和含氧官能团修饰的石墨烯层模型。分子动力学模拟中,吸附构型的图像信息可以直接观察分散剂/表面活性剂在煤颗粒表面的吸附情况及吸附历程,而密度分布曲线、均方根位移、吸附能等定量结果可以揭示分散剂/表面活性剂的吸附机理。分子动力学模拟与实验方法相结合可以从微观和宏观两个角度揭示分散剂/表面活性剂在煤颗粒表面吸附模式,将为分散剂和浮选剂的开发和应用提供重要的理论支撑。