煤热解研究进展及其发展历程

在应对“碳中和”的挑战中,我国学者提出了“工程热化学”这一新兴学科。煤热解是一种重要的热化学反应,是工程热化学领域的重要研究内容。面对日益增长的能源需求以及不断恶化的世界环境,煤炭清洁高效利用成为我国的重大战略需求。全面了解煤热解过程,完善煤热解理论,准确描述煤热解动力学机理,是开发煤的高效热解的基础。本文首先介绍了煤热解的概念、分类及热解过程,进而总结了煤热解机理的研究进展,针对煤热解的ReaxFF MD分子动力学以及热分析动力学进行了详细的分析。阐述了热解过程发生的主要反应、反应的影响因素以及热作用过程中矿物质及杂原子对反应的影响。最后对煤热解工艺发展历程和示范应用进行了总结。

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。

风化煤腐植酸的提取应用研究进展

风化煤含氧量高、发热量低使其失去了作为燃料的价值,作为煤炭资源衍生而来的矿产资源,没有发挥出最大经济价值。但是,风化煤富含腐植酸,可以制备高附加值腐植酸,进而应用于工业、农业等领域。基于风化煤的化学性质和特点,简单介绍了风化煤腐植酸的结构表征方法,对风化煤的预处理方法及碱溶酸析法、催化法、微生物溶解法、絮凝法、序贯溶解法等腐植酸提取方法进行了综述,介绍了风化煤腐植酸的应用研究进展,并提出了风化煤腐植酸提取新工艺的研究方向,为推动风化煤资源的高附加值利用奠定了基础。

煤气化过程反应模型研究进展

煤炭是我国能源安全的压舱石,煤气化作为煤炭清洁高效利用的核心技术对实现“碳达峰、碳中和”的战略目标具有重要作用。基于动态原位表征揭示煤气化反应机理并建立煤气化模型,对拓展煤炭和生物质等含碳物料作为气化原料的适用性,开发新型高效的气化技术有重要的理论指导价值。同时,煤灰的流动性质是影响气化炉长周期稳定运行的关键指标。本文详细综述了煤气化过程的动力学模型、热力学模型、床层模型以及煤灰流动性的预测模型,对比了各类模型的优缺点、适用的条件以及描述气化过程的性能,指出了不同方法建立的模型存在的问题,为气化过程的总包反应模型建立提供了理论指导,并针对煤气化过程反应模型未来的研究重点进行了展望。

TG-FTIR研究煤油共热解产物逸出行为

煤油共液化过程中煤与重油先发生共热解,而后加氢转化为小分子产品。因此,阐明重油对煤热解逸出产物的影响规律是调控共液化产物组成的重要热化学基础。本研究采用TG-FTIR对比研究塔河渣油(AR)和淖毛湖煤(NMH)单独热解及其共热解过程,结合热解活化能计算,探索共热解过程中塔河渣油(AR)对淖毛湖煤(NMH)热解产物逸出产物的影响。结果表明,单独热解时AR先于NMH发生热解反应。两者1∶1(质量比)混合共热解时,相比于单独热解计算的理论值,最大失重峰温度前移7℃,失重率增加约3%,共热解平均活化能降低23.6 kJ/mol,表明AR率先热解会诱发NMH热解,降低热解反应能垒。TG-FTIR结果显示,AR产生的烷烃类自由基会与NMH热解产生的含氧自由基结合,形成醇、醚等烷基类含氧有机化合物,从而抑制煤中羧基转化为CO_(2)的过程。研究结果有助于揭示共液化反应过程中重油对煤液化产物组成的影响。

低阶煤热解挥发分热催化重整研究进展

低阶煤清洁高效利用是我国的重大战略需求之一。在煤热转化技术中,煤热解挥发分催化重整可将复杂热解产品定向轻质化制备化学品,具有广泛应用前景。改变工艺条件是提高热解转化率和产品收率的重要手段,优化反应器设计以及开发高活性和稳定性催化剂是该技术发展的重要方向。本文首先介绍了低阶煤及其挥发分的催化重整方式,在此基础上综述了温度、气氛、停留时间等反应条件的影响以及固定床和流化床反应器应用的策略和挑战,然后对金属类、炭基和沸石类催化剂的后处理及原位控制等改性方法与作用原理进行了分析,阐述了热解挥发分的催化裂解机理。此外,指出了煤热解挥发分催化重整技术在工业化生产中的瓶颈,明确了挥发分中低碳烃类与大分子化合物的催化转化路径对煤热解过程中二次反应定向调控的关键作用,深入探究了催化剂中酸催化质子化作用对催化剂失活机制的影响。

RCO在天然气脱酸装置再生废气治理中的应用

VOCs(挥发性有机物)会造成大气中臭氧浓度和PM2.5浓度升高,国家标准和地方标准中对VOCs的排放浓度和去除效率提出了要求。某油气处理厂脱酸装置采用活化MDEA一段吸收—再生工艺,再生废气中VOCs的含量超过了地方环保要求,无法直排。装置应用RCO工艺技术,将再生废气中VOCs含量降至80mg/Nm^(3)以下,满足当地直排大气的要求。RCO工艺技术适用于低浓度VOCs的治理,具有NO_(x)污染物生成少、设备体积小、VOCs治理效率高的优点。但在设计中,要充分考虑生产波动和组分浓度的准确性,保证投产后的RCO设施能适应实际生产需求。

关键参数对CFB颗粒体积分数与温度的综合效应分析

关键参数的科学设定对循环流化床反应器的稳定、高效运行至关重要,是反应器性能优化的重要基础。本文应用数值模拟技术对循环流化床反应器进行了三维全回路仿真,并将仿真结果与试验数据进行了对比分析。在此基础上,针对关键参数(粉煤粒径、氧气速率和床料藏量)对循环流化床反应器内颗粒体积分数与温度的综合效应进行了分析。应用响应面分析法,总结了各因素间的交互作用与目标变量间的相关性。结果表明:氧气速率对反应器内颗粒体积分数和温度均有显著影响;粉煤粒径仅对颗粒体积分数有显著影响;床料藏量对颗粒体积分数有显著影响,对温度影响较弱;粉煤粒径与氧气速率的交互作用对反应器颗粒体积分数影响较为显著。在实际的工程应用中,可考虑调整氧气速率和改变粉煤粒径以提高循环流化床反应器物料循环效率。此外,可通过调整氧气速率来控制循环流化床反应器内的温度变化。

烟煤镜质组分性质及对活性炭结构特性的影响

以大同烟煤和新疆烟煤为原料,采用密度离心分离法提取镜质组富集物,采用气体活化法制备活性炭。对比研究原煤及其镜质组的结构性质差异,以及经炭化和CO_(2)活化后微晶及孔结构的特性变化。采用傅里叶变换红外光谱法对比分析了原煤及其镜质组芳香烃和脂肪烃结构的差异,采用X射线固体粉末衍射法全过程分析了原料、炭化料和活性炭的微晶结构参数及芳香度变化,采用N2吸附法研究了炭化料和活性炭的孔结构特性变化。结果表明:相比于原煤,镜质组富集物的微晶单元尺寸较小,脂肪链长度较短,且支链数量较多,有利于增强炭化过程的流动性。经热重分析法得到镜质组的炭化失重率较高,且失重峰较宽。上述结构性质及反应性差异影响了炭化料的结构特性。经过850℃炭化后,镜质组炭化料的微晶层片尺寸和堆积厚度均增加,原煤炭化料仅增加了层片尺寸,而堆积厚度有所降低,说明显微组分差异主要影响了炭化过程中芳香层片的纵向堆叠。同时相比于原煤炭化料,镜质组炭化料的芳香度较高,BET比表面积和总孔容积相对较大。经过CO_(2)活化后,活性炭的微晶堆积厚度及层片尺寸均低于对应的炭化料,说明CO_(2)活化烧蚀了微晶结构。同时,活化形成了以微孔为主的孔结构,其中镜质组活性炭的BET比表面积分别达到744.1和797.4 m^(2)/g,显著高于原煤活性炭。镜质组活性炭的微孔和中孔容积也较高,其中微孔容积达到原煤活性炭的1.7~2.2倍。上述结果说明芳香度较高、初始孔结构较多的炭化料有利于活化形成更加丰富的微孔结构。

大型现代煤化工企业节能降碳的探索实践

总结了某大型现代煤化工企业节能降碳的主要实践,包括:注重核心技术节能减排、持续加强技术攻关、发掘余热余压利用潜力、开展“三废”循环利用、开展碳捕集、建立能源在线监测平台等方面;介绍了节能降碳的重点技术;对该企业取得的节能降碳成果进行了小结;在此基础上,提出了几点启示和建议。

煤焦油加氢技术的新趋势与前景

煤焦油加氢技术作为一种重要的能源转化和利用方式,在近年来得到了广泛的研究和应用。随着全球能源结构的转型和环保要求的提高,煤焦油加氢技术正面临着新的发展趋势和广阔的前景。煤焦油加氢技术作为一种重要的能源转化和利用方式,正面临着新的发展趋势和广阔的前景。随着环保要求的提高和能源结构的转型,煤焦油加氢技术将不断得到优化和创新,为人类的可持续发展做出更大的贡献。同时,政府、企业和科研机构应加强合作,共同推动煤焦油加氢技术的研发和应用,促进煤焦油产业的健康发展。煤焦油加氢技术作为煤焦油产业的重要发展方向,将在环保、产品质量、新能源融合等方面迎来新的突破和发展。政府、企业和科研机构应共同努力,加强技术研发、产业升级和政策支持,推动煤焦油加氢技术的广泛应用和煤焦油产业的绿色转型,为实现全球能源可持续发展做出积极贡献。

纤维素基粘结剂对型煤成型的影响研究

粘结剂成分及配比对型煤的成型过程、强度、成本控制等方面具有至关重要的作用。文章基于冷压成型工艺,改变无机粘结剂、复合纤维素基粘结剂、添加水量的配比,探究了这3种因素对颗粒强度的影响规律及机理。结果表明:影响成型的最关键因素是水分添加量,其次是粘结剂的种类及用量;复合纤维素基和无机成分混合后,增强了成型过程中的机械与物理化学结合力,显著增强了颗粒抗压强度;纤维素Ⅰ(8%)+纤维素Ⅱ(16%)+黄陶土(6%)+水分(20%)配比下的型煤冷、热强度分别达到1320.16和132.97 N,其成型最为理想,可以指导工业化应用及理论发展。

新型煤化工项目输煤系统煤制备工艺设计

由于新型煤化工项目中的煤气化工艺种类多,对原料煤的工艺要求也较复杂。结合新型煤化工项目实例,介绍了不同煤气化工艺,如碎煤加压气化工艺、水煤浆气化工艺、粉煤加压气化工艺等配套的煤制备工艺,并指出煤制备工艺设计的注意事项,供同行参考。

表面活性剂辅助酸化条件下煤体润湿溶蚀实验研究

煤体润湿-酸化是煤尘治理和瓦斯防治的一种有潜力的化学改性方法。为进一步了解煤体润湿-溶蚀内部转化机理,采用接触角测试与低温氮气吸附实验,探究酸液和表面活性剂复合试剂处理前后煤体润湿特性以及孔隙结构的变化。结果表明:表面活性剂辅助酸化条件下煤体接触角能降低60%左右,大幅度改善煤体润湿性;经复合试剂处理之后,煤体内部发生化合反应改变了煤的孔隙结构,使煤样总孔容和平均孔径分别增大2.0倍和1.5倍;结合分形理论,分形维数D1和D2较原煤分别减小24.1%与10.3%,煤体表面粗糙度降低,孔隙连通性增强;[BMIM]BF4离子液体的加入抑制表面活性剂的活性导致接触角增加,煤体的润湿性减弱,进而使煤体的平均孔径降低;煤体的润湿性与溶蚀性存在一定的正相关关系,随着润湿性的增强,促进酸液溶解更多的矿物杂质,使煤体的总孔容和平均孔径随之增加。

煤制甲醇精馏产品分级增效技术实践

煤制甲醇精馏装置运行过程中,由于进料组分的不同,回收塔采出精甲醇产品中的乙醇含量远远高于加压塔和常压塔采出产品中的乙醇含量,不能满足高端客户的要求,需要回收塔精甲醇返精馏系统重新处理。在系统满负荷运行时,因前系统粗甲醇产能大于精馏系统的处置能力,不得不定期销售粗甲醇以避免粗甲醇库存上涨,但直接销售粗甲醇经济性差,因此有必要对原有工艺流程实施优化改造,降低系统运行成本,避免低效益销售粗甲醇。以首期60万t/a煤制甲醇工艺为例,结合甲醇精馏工序的工艺特点,对甲醇产品分级增效实践工作进行探讨。

碱液对提取褐煤黄腐酸的影响

为提高褐煤资源的附加值,探索了NaOH,KOH,LiOH,Na_(2)CO_(3),NH_(3)·H_(2)O,Na_(2)SO_(3),NaHCO_(3),Na_(4)P_(2)O_(7)对萃取褐煤黄腐酸结构的影响。采用碱溶酸析法提取褐煤黄腐酸,以不同弱碱性溶剂为萃取剂再经硫酸酸析,通过容量法测定黄腐酸的纯度,并对提取的褐煤黄腐酸进行光谱表征。结果表明:不同碱液提取褐煤黄腐酸的产率不同,但质量浓度相近,其中LiOH提取黄腐酸的产率(质量分数)最高(5.12%);不同碱液提取褐煤黄腐酸的官能团种类相同,但含量不同,Na_(2)CO_(3)提取的褐煤黄腐酸羰基结构最少,NaHCO_(3)做萃取剂时提取的褐煤黄腐酸的芳香度较高、羟基结构较多;不同碱液提取褐煤黄腐酸的E_(4)/E_(6)值明显不同,相对分子质量差距较大,Na_(4)P_(2)O_(7)可提取出相对分子质量为118157的褐煤黄腐酸;Na_(2)SO_(3)是提取褐煤黄腐酸的最佳萃取剂,提取的黄腐酸中苯环结构较少,芳香聚合度较低,纯度高达0.248 g/L。

黔西与湖南寒婆坳地区煤制石墨烯结构的演化特征

石墨烯作为21世纪的战略性新兴材料,因其优异的性能受到广泛关注。研究表明煤可作为石墨烯碳源,并且煤的属性也影响石墨烯的结构特征,结合我国煤变质成因复杂、煤变质作用类型多样的特点,旨在研究不同变质作用背景对石墨烯结构的影响特征。采集黔西地区深成叠加热液变质作用6个煤样及寒婆坳地区岩浆热变质作用4个煤样,全部利用HCl-HF-HNO3酸洗方法进行处理后得到脱矿煤样,以排除矿物的影响;后使用中频感应石墨化炉对脱矿煤样进行2800℃高温处理后得到煤基石墨样品;最后利用改进的Hummers氧化还原法对煤基石墨进行氧化、超声剥离、还原处理,得到石墨烯样品;用于测试样品微晶尺寸、空间形态等信息的X射线衍射(XRD)对脱矿样、煤基石墨、石墨烯进行表征并得到相关结构参数,用于测试样品缺陷、完整性的拉曼光谱(Raman)对脱矿样、煤基石墨、石墨烯样品进行表征并得到相关参数,用于观察样品微观表面形貌的透射电镜(TEM)对石墨烯样品进行表征并得到图像。实验及表征结果:透射电镜(TEM)得到的图像表明2种变质类型的煤均可制备出3~5层的石墨烯层片。X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)得到的相关参数表明煤的变质程度越高,对应的煤基石墨样品石墨化度越高,对应石墨烯样品的微晶结构片层越大、缺陷更少。以X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)测试参数为依据,相对于岩浆热变质作用,深成叠加热液变质背景石墨烯样品的L_(c)、d_(002)以及峰位差G-D、I_(D)/I_(G)的变化随Ro,max的变化较大;而相对于深成叠加热液变质作用,岩浆热变质背景石墨烯样品的L_(a)和L_(a)/L_(c)变化随Ro,max的变化较大;说明在深成叠加热液变质作用背景下,煤的变质程度越高,越易得到堆砌性好、定向排列强、缺陷少的石墨烯样品,而在岩浆热变质作用条件下,煤的变质程度越高,越易获得横向尺寸大、“扁圆”空间形态的石墨烯样品。如今所进行的工作在后续还有拓展研究的空间,岩浆以及无岩浆对煤制石墨烯结构的影响有何不同,或者温度和压力是如何影响煤制石墨烯结构,这些问题需进一步研究以推进煤制石墨烯领域的科学发展。

长焰煤泥高剪切油团聚分选提质的试验研究

针对我国低阶煤煤泥含水率高、表面含氧官能团含量高、孔隙发达等使得其亲水而可浮性差,难以通过浮选方法有效分选提质的问题,采用接触角测量仪、傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪等手段对陕西某长焰煤泥性质进行了分析,并采用高剪切油团聚法对难以采用浮选法有效分选的长焰煤泥进行了分选提质的试验研究。通过单因素探索试验,得到了矿浆质量分数为10%、搅拌速率为2200 r/min、团聚油柴油用量为干矿量的40%、搅拌时间为20 min等最佳参数,在最佳参数条件下,分选效果为精煤产率13.51%,可燃体回收率71.04%。

麦秸秆与黑龙江褐煤共热氧化法制备腐植酸及其结构分析

结合矿源腐植酸(HA)产率高及生化HA活性高的特点,本研究提出将低阶煤与生物质共热氧化制备复合型HA(MIXHA)的想法。将黑龙江褐煤(HL)及麦秸秆(WS)的混合物(MIX)在10%的HNO_(3)溶液中进行了共热氧化,制备了MIXHA。通过SEM、FT-IR、^(13)C NMR等分析,重点从HA的宏观形貌及微观结构对比了MIXHA与HL、WS分别单独制备的矿源HA、生化HA,分析HL与WS在共热氧化过程的协同作用。结果表明,MIXHA含量高于理论值,HNO_(3)分子的分解产生的活性氧原子、氮氧化物进攻HL与WS的分子结构,由于氢键重排、糖苷键断裂、交联等作用,WS纤维素与半纤维素产生的大量烷基自由基结合在HL缩合芳环上被氧化产生的醌基、羧基的邻对位,从而将芳香环上的质子碳转化为脂肪取代碳。得到的MIXHA含氧官能团丰富、活性高,FT-IR谱图具有明显的特征峰。本研究为低阶煤与农林废弃物的分级、资源化利用提供了一种新思路。

煤泥不同预处理方式对其微生物降解过程的影响研究

利用超声波、硝酸及超声波→硝酸3种方式分别对煤泥进行预处理,得到超声波预处理煤泥(CMN)、硝酸预处理煤泥(XMN)和超声波→硝酸预处理煤泥(CXMN),再采用苍白杆菌属对预处理前后的煤泥进行微生物降解,研究煤泥预处理方式对煤泥微生物降解过程的影响。实验结果表明:经过预处理的煤泥微生物降解效果均比未经预处理的煤泥(MN)微生物降解效果好,其中CXMN的降解率最高,为30.03%,超声波→硝酸预处理方式中超声波所用功率为200 W,时间为2 min,硝酸的浓度为8 mol/L;通过傅立叶红外光谱仪(FTIR)对原煤泥及不同预处理方式后的煤泥进行表征,发现经过预处理的煤泥芳香度、芳香环缩合度均降低,含氧官能团含量均增加,说明超声波和硝酸可以破坏煤泥中的芳香环结构、降低芳香环缩合度、增加煤泥表面含氧官能团含量;扫描电镜分析结果发现,CMN出现裂缝,XMN出现层状结构,CXMN呈粉末状,不同方式预处理后煤泥结构的改变有利于煤泥与微生物接触,从而提高煤泥的降解率;氮吸附分析结果发现,CMN与MN相比,孔径减小、孔体积增大、孔隙率增加,XMN孔体积和孔径较MN孔体积和孔径变化不大,CXMN孔体积和孔径较CMN孔体积和孔径均增大;采用气相色谱-质谱联用仪对不同预处理方式煤泥降解的液相产物进行表征,发现苍白杆菌属降解不同方式预处理后煤泥液相产物中的化合物组成相似,都包含烷烃类、酯类、醛酮类、羧酸类等物质。