低变质煤CO来源及防控技术研究

为了研究低变质煤CO来源,降低煤层自然发火风险;以大南湖一矿3#煤层为研究对象,通过程序升温实验、实验模拟及现场观测等手段,研究3#煤层CO赋存、开采及割煤中CO产生规律及回风隅角CO来源占比等规律。结果表明:煤在无氧下粉碎,煤分子共价键断裂生成的大量官能团、自由基相互作用产生极少量CO;煤在有氧下粉碎,产生大量CO,随煤样比表面积增大,CO体积分数随之增加并最终趋于稳定;采煤机割煤中产生高温使煤体发生氧化产生CO体积分数为(30~50)×10^(-6);回风隅角CO来源于采空区的CO体积分数占回风隅角CO总体积分数的28%,70%以上的CO来源于生产时期后溜破碎煤体氧化。根据低变质煤CO来源,采取了有针对性的架后喷洒CO复合抑制剂、采空区压注冷氮及漏风封堵等综合防控措施,使回风隅角及回风流CO体积分数大幅降低。

CO_2气氛中低变质煤微波热解研究

煤-循环煤气微波共热解是煤清洁高效转化利用的一种新技术。为深入剖析其作用机理,主要研究了二氧化碳气氛中低变质煤的微波热解过程,系统考察了微波功率、热解时间、气体流量和煤样粒度等因素对热解产品收率、组成及煤气成分的影响。结果表明:CO2加剧了低变质煤的微波裂解程度,使原煤中挥发分析出较多,有机质分解加快,兰炭中矿物质有效富集。在微波功率960 W、热解时间40 min、CO2流量0.56 L/min、低变质煤样粒度5~10 mm的优化工艺条件下热解,兰炭收率最高可达60.8%,液体产品(煤焦油和热解水)收率最高可达21.8%,煤气中有价成分(CO+CH4+H2)体积分数达54.03%。所得兰炭中固定碳含量达84.89%,满足FC-4级兰炭标准;挥发分含量为4.86%,满足V-1级兰炭标准。所得煤焦油中烷烃类化合物含量高达35.5%。

低变质煤-循环煤气微波共热解研究

低变质煤干馏热解生产兰炭、煤焦油、煤气被认为是其清洁高效转化利用的最佳途径。现有主流生产工艺普遍对原煤具有一定的粒度要求,煤焦油产量较低、质量不高,煤气中H_2,CH_4,CO等有效组分含量较低。为进一步提高低变质煤热解时煤焦油收率和质量,提出将微波热解低变质煤产生的煤气循环通入微波热解反应器中,进行低变质煤-循环煤气微波共热解。结合FTIR及GC-MS等对热解产品的分析表征,系统考察了微波功率、热解时间、煤样粒度对热解产品收率及组成的影响。研究结果表明:低变质煤在循环煤气流量为0.4L·min^(-1)、微波功率为800W、热解时间为40min、煤样粒度为5~10mm的工艺条件下热解,所得固体产品兰炭收率达62.2%,液体产品(煤焦油和热解水)收率达26.8%。不同微波功率及热解时间下所得兰炭红外谱线基本重合;不同粒度煤样热解所得兰炭中—OH,C=O,C=C和C—O官能团含量差别较大。提高微波功率、延长热解时间、减小煤样粒度均有利于煤焦油的轻质化。

微波场中低变质煤与油页岩的热解

采用微波加热技术对低变质煤与油页岩的共热解特性进行探讨,研究了不同配比混合物的热解产物产率及成分,并通过气相色谱-质谱(GC-MS)联用技术对液体产物的成分进行了分析.结果表明:微波热解过程中,适当配入低变质煤可提高焦油产率,增加热解气中可燃气体CO,CH4及H2的含量;微波热解共混物所得焦油成分主要是烃类(约50%～80%),其中烷烃和芳香烃居多(约40%～50%左右),其次是少量的以苯酚类为主的含氧化合物,而并未检测出含氮化合物,这一组成有利于焦油的进一步加氢处理.

微波功率对低变质煤与塑料共热解焦油的影响

研究了微波场中低变质煤与塑料共热解时微波功率对焦油组成的影响.利用色谱-质谱联用仪(GC-MS)和傅立叶红外光谱仪(FT-IR)对焦油的组成进行了分析表征.结果表明,随着微波功率的增大,热解焦油呈现出轻质化趋势.当功率由480W增加到800W时,焦油中轻质油含量增加13.2%,重质油含量减少24.2%.焦油中烷烃类物质含量增加4.4%,烯烃含量增加9.1%,而芳香烃类物质含量减少14.6%.因此,微波功率对热解后焦油成分具有重要的影响.

不同低变质煤自然升温特性参数实验研究

为了研究不同低变质煤种的自然升温过程中自燃特性参数的变化规律,选用低变质程度的长焰煤、不粘煤、弱粘煤3种煤样为研究对象,运用XK-Ⅶ型煤自然发火实验装置对3种松散煤体进行煤自然发火的特性参数测定,运用气相色谱仪对其不同温度下的气体进行分析,对煤自然发火参数进行测算。分析了耗氧速率、放热强度、CO、CO2、CH4的生成速率以及C2H6/CH4、C2H4/CH4比值的变化规律。实验结果表明,相同温度下CH4的产生速率随煤质加深增大;80℃以前,相同温度下放热强度随煤质变质程度加深降低,在100℃后,相同温度下放热强度随煤质变质程度加深反而逐渐增大。

低变质煤与塑料微波共热解研究

进行了微波加热条件下陕北孙家岔低变质煤与塑料共热解的实验研究.结果表明:随着塑料添加比例的增大,兰炭产率逐渐降低,焦油产率明显提高.当塑料加入量为10%时,焦油产率可达到17%,同时煤气中H2,CO和CH4的含量显著增加,分别可达到44.21%,18.75%和21.97%.塑料的加入有利于提高焦油的回收率,优化热解煤气成分,对煤气的进一步综合利用具有重要意义.

TG-FTIR法研究低变质煤共热解过程气体的析出规律

采用热重-红外联用技术(TG-FTIR)对比研究了陕北低变质粉煤(SJC)与重油(HS)、焦煤(JM)、液化残渣(DCLR)共热解过程中气相产物的析出特性。研究表明,随热解温度升高,SJC与HS,JM,DCLR的共热解过程均可分为三个阶段。第一阶段表现为原料表面吸附物的释放,第二阶段发生解聚和分解反应,随温度继续升高,第三阶段形成更为稳定的半焦。在热解第二阶段中均存在煤与添加剂之间的协同效应,SJC作为主要的供氢体,热解产生的氢自由基与HS,JM,DCLR热解产生的小分子自由基碎片之间发生相互作用生成焦油和煤气。SJC和SJC+DCLR在450℃附近的温度区间内热解反应进行的更加充分,大部分N元素转移到了焦油组分中。热解过程气相产物中H2O和酚类物质、含N杂环物质及CO的析出伴随着热解的整个温度区间,SJC+JM和SJC+HS热解过程含N物质的转移主要集中在400～650℃区间,CH4和脂肪烃类物质的析出最高峰出现在450℃附近,而SJC+DCLR和SJC则出现在550℃。JM,HS及DCLR的添加可促使焦油中芳香族化合物的析出,SJC+JM与SJC+HS热解过程芳香族物质大量析出的温度区间在400～550℃。该研究结果为低变质粉煤的清洁转化与提质分级新技术的研究开发提供理论依据,对低变质煤的增值利用具有重要的意义。

低变质煤的密度与粒度对可磨性和能耗的影响

采用哈氏可磨性指数测定仪和激光粒度仪分别对某电厂4种不同粒度和4种不同密度低变质煤样的可磨性指数(HGI)和研磨后的粒度分布进行了测定,并用功耗模块测试了不同煤样研磨过程中的能耗,分析了煤样粒度与密度特征对其研磨特性的影响规律。结果表明,粒度级别相同时,密度对HGI值、研磨功耗和磨后产品的粒度分布均有很大的影响。密度级别相同时,1.25～0.63 mm级别物料的HGI值最大。物料的研磨功耗随着粒度的增大而增大,但研磨后产品粒度分布与原煤粒度相关性较小。

生物质供氢体协助低变质煤加氢热解提质的研究进展

煤炭在我国能源结构中占据着举足轻重的地位,但其主流利用方式存在较大的能源浪费和环境污染等问题。生物质作为绿色可再生能源,具有廉价、挥发分高、氢碳比高等特点,但由于缺乏合理的有效利用,导致生物质中大量的氢组分被低端消费,造成不必要的资源浪费。将低变质煤与生物质共热解,不仅改善了低变质煤的热解特性,提高了热解产品收率和质量,而且充分利用了生物质资源,缓解了环境污染,实现低变质煤资源和生物质资源高效清洁分级提质利用的“双赢”。目前,国内外在低变质煤和生物质共热解领域的研究主要集中在热解工艺优化、热解产品分布规律、共热解协同机制等方面。大量研究结果表明,热解温度、升温速率、生物质组成等因素会对共热解产物分布、产物收率及质量产生影响。此外,与传统热解相比,新型热解方式(如微波热解、红外热解等)均能显著提高热解效率,有效改善热解产物收率和质量,已引起国内外学者的高度关注。本文全面分析了农林产物、藻类、禽畜产物、城市垃圾等四类不同生物质供氢体协助低变质煤加氢热解反应的产物特性,探讨了共热解过程中碱金属的催化作用、自由基反应和挥发分的二次反应等协同作用机制,介绍了新型微波热解、红外热解技术进展及特性。最后,展望了生物质供氢体协助低变质煤加氢共热解的发展前景。

低变质煤热解气体产物的析出特性

通过改变热解终温,分析气体产物成分与固体产物官能团变化关系,探究低变质煤热解过程中气体产物的析出特性。结果表明:气体产物CO在低温区主要是由于羧基、醛或酮类结构中的弱键断裂分解和小部分醚键、含氧杂环发生裂解产生的。CO2主要是醌、醛或酮类结构和醚键结构发生裂解,以及焦油中含氧杂环或羰基官能团的断裂产生的。CH4是由弱甲基键的断裂以及甲氧基、侧链甲基和焦油中烷烃类物质的裂解形成,固态产物与氢气发生二次反应也会产生甲烷。H2是由极少部分游离氢自由基组合以及固态产物结构芳构化和气体分子间的聚合反应或小分子裂解产生。气体产物析出主要分四个阶段:第一阶段,煤表面吸附物质释放以及一些不稳定弱键开始断裂;第二阶段,热解程度增强,各个官能团裂解反应更为剧烈,自由基碎片大量增加;第三阶段主要是焦油发生二次裂解;第四阶段为固态产物芳构化脱氢。

微波场中低变质煤快速热解特性研究

微波加热条件下对2种低变质煤进行热解实验研究。研究了微波功率、微波时间、煤样粒径对煤的热解的影响,结果表明:微波功率800 W及微波时间30 min时,2种煤微波热解热解油的收率分别为15.45%和14.10%,2种煤的煤气中氢气含量均在40%以上。

低变质煤的热解技术

我国低变质煤的储量十分丰富,对其充分有效的利用可以极大的缓减当前资源紧缺的现状,同时也带来较大的经济效益,而对低变质煤进行热解处理是比较常用的方式。微波热解技术是一种节能高效、加热速率高、反应速率快的新型煤炭转化技术,在煤、油页岩及生物质等综合利用领域有着广泛的前景。在对我国低变质煤资源性质、特点分析的基础上,归纳总结了煤的低温热解技术及微波热解技术的研究发展现状和利用情况,研究了低变质煤的热解特性。

低变质煤配入量对焦炭性能的影响研究

通过对榆林低变质煤和其他炼焦煤基本性质的分析,将低变质煤配入炼焦煤炼焦,研究了低变质煤的配入量对焦炭性能的影响。结果表明:随着低变质煤配入量的增加,焦炭的各项性能均在降低,在低变质煤配入量为12%时,焦炭的抗碎强度和耐磨强度能达到冶金焦三级标准的要求。综合各项性能指标,认为低变质煤的配入量为10%左右时,较为适宜。

低变质煤微波热解数值模拟研究

采用COMSOL Multiphysics软件对低变质煤微波热解过程进行了数值模拟分析,研究了微波功率、热解时间和煤样位置对微波炉腔体内电场和煤样温度场的影响,以模拟最优工艺条件进行热解实验,并对产物收率和组成进行了表征分析。结果表明:微波功率和煤样位置对腔体内电场和煤样温度场影响十分明显;热解时间对腔体内电场几乎没有影响,而对煤样温度场影响较大。微波腔体中电场强度、煤样的升温速率和热解终温都随微波功率的增大而增大。在腔体中心靠近波导3 cm的位置(-3 cm)时,煤样处在高温区域的面积最大,热解终温最高。数值模拟低变质煤微波热解的最优工艺条件为微波功率700 W、热解时间1800 s和煤样处于-3 cm位置。在此条件下进行热解实验,其产物兰炭、煤焦油、热解水和煤气的收率(质量分数)分别为70.25%,3.99%,5.31%和20.45%,其中,煤焦油中轻质油含量为37.43%(质量分数),煤气中“富氢”气体组分含量为53.02%(体积分数)。

低变质煤结构分析及其与热解焦油产率关联性研究

通过元素分析仪和固体13C-NMR检测6种不同低阶煤的组成和结构,采用Peak-fit软件对13C-NMR谱图进行分峰拟合并半定量计算煤样中各类型有机碳含量,由Matlab数学软件分析了影响焦油产率的有机碳结构类型。结果表明:①WCW、PLQ、JJM、TCG、HG和HF煤样中亚甲基碳分别占总脂碳含量的34.41%、34.29%、34.01%、44.78%、41.62%和49.94%,说明煤样结构中脂肪碳中亚甲基碳含量较多,脂链数N均小于9,说明连接在短链上的支链,主要以脂环侧链形式存在;②HF煤样的平均亚甲基碳数Cn=2.13,其余均小于2,WCW最小,仅为1.05,说明脂肪族以短链为主,链长一般在1~3个碳;③影响煤焦油产率的关键因素为亚甲基碳(I2)、带质子芳碳(I4)和烷链支链化度(I7)为辅助因素;二元组合I2和I4表现出良好的线性关系,三元组合I2、I5(酚羟基或醚氧连碳)和I7与焦油产率的关联性最大,其Radj^2=0.992;④不同煤样中镜质组含量从26.10%增至82.10%,易断裂桥键数n与脱氢含量WH分别从5.37增至8.17、3.24增加到5.92,交联桥键数P 0越小,交联反应程度越低,易断裂桥键数n和脱氢含量WH越大,交联桥键数P 0越小,焦油特征指数X tar越大,对焦油生成过程越有利。

微波功率对低变质煤与塑料共热解的影响

对陕北孙家岔(SJC)煤和聚丙烯塑料(PP)进行了微波共热解实验,采用红外光谱仪、气相色谱-质谱联用仪、煤气分析仪等仪器对热解产物进行了分析表征,主要研究了热解终温为800℃时,不同的微波热解功率对热解产物组成的影响规律.结果表明:随着微波功率的降低,热解后所得固态产物中灰分的含量逐渐降低,挥发分的含量逐渐升高,其他元素的含量变化不大,C元素的含量基本保持在一定区域内而不发生变化;CO和H2含量逐渐减小,CH4含量呈现增加的趋势,CnHm和CO2含量基本不变;热解后所得焦油成分中烷烃类和烯烃类物质的含量逐渐减小,而芳香烃类物质的含量逐渐增大.

低变质煤水热提质及气化特性研究

将低变质煤在高压反应釜中进行不同温度(100℃~250℃)的水热提质试验,然后采用非等温热重分析法对不同提质煤进行CO2气氛下的气化特性分析。分析结果表明,水热提质后煤样表面形貌发生较大变化,煤整体结构发生收缩,表面结构致密化并产生裂缝和断裂。原煤和提质煤在气化过程中均经历了热解和碳气化这2个主反应段。随着水热温度增加,提质煤由于挥发分含量减小使其热解段的反应速率明显下降,而碳气化段反应速率增加不明显;在碳气化段,提质煤的碳转化率随着水热温度的升高而有所增加,煤焦气化活性指数整体上略呈增大趋势。研究表明,该低变质煤提质后的气化活性受物理孔隙结构变化的影响可能超过煤阶和化学微晶结构等因素的影响。

低变质煤红外光谱表征的研究

用傅立叶变换红外光谱法技术(FTIR)对五种典型中国低阶煤样的官能团结构进行表征。结果显示,红外光谱技术可作为一种研究煤官能团结构的快捷方法,可以初步推测煤的变质程度,煤的大分子相结构与小分子相结构在一定程度上存在着可关联性,这种可关联性因煤种而异。

CaSO_(4)、CaO与CaCl_(2)对神府低变质煤的低温热解影响研究

用共混法将CaSO_(4)、CaO与CaCl_(2)催化剂分别按不同配比与神府低变质煤混合,在铝甑中进行低温催化热解实验,以探索CaSO_(4)、CaO与CaCl_(2)催化剂对神府低变质煤热解的影响.结果表明:在相同反应条件下,加入CaSO_(4)和CaCl_(2)催化剂可提高焦油产率、半焦产率、热解水产率,降低煤气产率;加入CaO催化剂轻微降低了焦油的产率,相对于原煤热解煤焦油的含量仅下降了0.03%,但半焦产率降低了4.79%,煤气产率增加了4.37%,变化十分显著,且CaO催化剂对煤焦油轻组分的选择性极强,使原煤中C20以上物质的相对含量从12.40%下降到1.51%,长链烯烃极少,烷烃类物质基本没有,且催化热解后煤焦油中苯酚类、萘类、菲类和蒽类物质相对含量较原煤焦油中的多,并产生了原煤焦油中不具备的醇和茚类物质.