宁东典型中低阶煤热解过程中氮和硫元素赋存形态与其变迁规律的关联性研究

作为分级转化比较理想的中低阶煤,认识和理解宁东典型中低阶煤在热转化过程中氮、硫元素迁移转化行为对污染物的调控至关重要。目前,煤热转化工艺多以气化为主,其中热解作为气化的基础阶段,在煤热转化过程中至关重要,因此在深入认识煤质特性的基础上,研究宁东地区典型中低阶煤所含硫、氮元素在热解过程中的迁移与转化规律,不仅有望为宁东中低阶煤的热转化工艺条件优化及污染物控制提供理论参考,也可为目前的气化工艺过程污染物调控提供基础数据。基于此,以宁东地区的羊场湾煤(YCW)、上湾精煤(SW)与梅花井煤(MHJ)为研究对象,使用固定床反应器,探究三种不同硫含量的煤在热解过程中HCN,NH_(3)与H_(2)S的释放规律,主要考察元素的赋存形态、热解温度(300℃~900℃)与升温速率(3℃/min~10℃/min)对氮、硫元素迁移转化的影响。结果表明:HCN的释放量随着温度升高而逐渐增加,NH_(3)的释放主要集中在500℃~900℃,最大释放峰温为700℃,H_(2)S的释放主要集中在400℃~900℃,最大逸出峰温为600℃和800℃(分别对应于硫铁矿硫与部分不稳定有机硫的分解);较高的灰分含量能够阻止自由基间相互结合,使更多的含氢自由基与含氮自由基结合生成HCN,季氮含量越高,NH_(3)的释放量越大,不稳定有机硫占比越高的煤样,H_(2)S的释放越多;适宜的升温速率有利于HCN发生二次反应生成NH_(3),随着升温速率增大,产生热滞后现象,当升温速率由3℃/min提高至10℃/min时,MHJ的HCN,NH_(3)和H_(2)S转化率均呈明显下降趋势,HCN转化率由4.02%降至1.28%,NH_(3)转化率由13.80%降至3.91%,H_(2)S转化率由38.33%降至26.04%。综上,元素赋存形态、热解温度与升温速率对热解过程中氮、硫元素迁移影响均较大。灰分含量、季氮含量与不稳定有机硫含量较低的煤样在10℃/min热解条件下,氮、硫污染物的释放量较低,对环境影响较小。

基于ReaxFF的神府煤的分子模型构建及热解特性模拟研究

基于热解的煤炭分级分质利用是煤炭清洁高效利用的重要途径之一。通过多种仪器分析和表征,构建由5 450个原子组成,相对分子质量达到40 500的神府煤分子体系,并使用反应分子动力学进行热解过程模拟。研究表明:神府煤的有机结构骨架中芳香碳在总碳中质量占比最大,其脂肪碳结构中含有大量分支结构。热解模拟结果显示,随着模拟温度的升高,半焦收率先减少再增加,焦油收率变化趋势与之相反,热解气收率则随着温度的升高而升高,在2 600 K时趋于稳定。在较低温度区间内,升高温度有助于碳元素从半焦向焦油和热解气中迁移;在全温度段内,氢、氧元素主要迁移至热解气中。

炼焦煤的结构性质及同类煤种替代对焦炭质量的影响

炼焦煤是生产冶金焦的直接原料,而配煤成本占炼焦总成本的85%以上。随着优质稀缺炼焦煤资源不断减少,合理利用不同种类煤炭资源,同时基于煤质特点将更多的煤种引入炼焦配煤,对实现降本增效及保证连续稳定生产具有重要意义。煤分子结构决定了煤在成焦过程中表现出的性质,最终影响焦炭质量,以焦化厂实际生产使用的炼焦配煤为基础,引入四组同类煤,通过Raman光谱分析、^(13)C NMR分析、基式流动度测定、固定床热解实验等深入分析了煤种特性,利用40 kg焦炉进行了同类煤替代的配煤炼焦实验,探讨了分别添加气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等不同煤种的炼焦煤对配煤成焦过程和焦炭质量的影响,进而为焦化厂基于煤质特性进行同类煤替代炼焦提供理论参考。结果表明:对于两种焦煤(JM1,JM2),JM1较小的芳香团簇支链(S.C.)可能是导致其流动度低和塑性温区窄的主要原因,JM1所得焦炭的质量劣于JM2所得焦炭的质量,JM2替代JM1后,焦炭质量变好;两种肥煤(FM1,FM2)的黏结性能好,化学结构都有着相当一部分的缺陷结构(A_(G_(R)+V_(L)+V_(R))/A_(D)大),有利于塑性体流动性的发展,FM2更好的黏结性使配煤所得焦炭冷态强度更高;两种气煤(QM1,QM2)的黏结性较差,QM2较小的S.C.限制其流动性的发展,流动度较低;所有煤种中贫煤(PM)的黏结性最差,PM的引入使焦炭质量发生劣化。

催化剂对煤热解焦油品质的调控及其表面积炭行为的分析

以催化剂为核心和焦油提质为目的的低阶煤热解技术是保障国家能源安全和实现“双碳”目标的煤炭清洁高效转化技术。鉴于煤焦油品质调控和催化剂表面积炭行为的复杂性,阐述了金属、金属氧化物、天然矿物质、分子筛和炭基催化剂对煤和热解挥发物的催化作用及其对热解产物分布和组成的影响,并对比分析了各类催化剂的优缺点。探讨不同催化剂物理化学性质的区别及其与催化性能之间的关系,结合煤及热解挥发物中C—C、C—H、C=C、—OH、C=O、C—O和—COOH等化学键的断键行为,揭示了不同催化剂的作用机制。在此基础上,针对催化过程中存在的焦油产率低及提质效果差的问题,提出了利用金属尤其是过渡金属改性催化剂活化热解体系中的内部小分子氢供体和外部固体/气体氢供体对重质组分裂解碎片原位供氢的方法,实现焦油产率的提高及焦油品质的改善。同时,针对催化剂易积炭失活问题,分析了积炭的物理化学性质和组成以及积炭形成的原因。从催化剂设计及热解反应体系出发,分析了多种有效抑制积炭的途径,如多级孔与金属活性位点的组合效应、双金属改性调控Brønsted和Lewis酸性位点的比例、酸碱双功能催化剂的开发以及引入H_(2)O、CH_(4)、C_(2)H_(6)和CH_(3)OH等富氢小分子调控挥发物组成等,以期为低阶煤催化热解技术的发展提供理论基础。

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。

高碱煤热转化过程中钠的释出特性实验研究

为研究高碱煤热转化过程中钠的释出特性,采用原煤和水萃取煤分别进行燃烧实验和热解实验来对比分析高碱煤和低碱煤中钠的释出特性,探究不同煤质的煤样在燃烧时煤样中不同赋存形态钠的释出特性变化以及气氛变化对钠释出的影响。结果表明:在进行燃烧实验时,高碱煤在300~500℃时钠的释出量增加缓慢,在500~1100℃时钠的释出量增加较快,低碱煤在300~500℃时钠的释出量增加较快,在500~1100℃时钠的释出量增加缓慢,由此可知煤质是影响钠释出的主要原因之一,钠的释出特性会因煤质中成分差异而受到较大影响;燃烧和热解2种不同气氛下钠释出特性相似,热解过程中钠释出率变化平缓,且热解过程中钠释出率会比燃烧过程低7.0%左右;有机钠和水溶性钠2种不同赋存形态钠因释出途径不同而导致释出特性有所差异。

炼焦煤热解过程中膨胀压力的形成机制及对焦炭质量的影响

在工业室式炼焦过程中,膨胀压力过高会造成焦炉炉墙损坏及推焦困难,膨胀压力过低会影响焦炭产品质量。现行焦化工艺通过调节入炉煤挥发分控制膨胀压力,缺乏对炼焦煤膨胀压力形成机制的本质认识,可能导致焦炉运行不稳定、焦炭质量波动大等问题。基于此,通过分析炼焦煤结构特性,从分子水平探究了膨胀压力的形成及演变,并揭示了炼焦煤膨胀性与焦炭质量的本质联系。利用核磁共振碳谱(^(13)C NMR)分析了五种不同煤阶的炼焦煤(Q1,JA1,F1,J1和S1)的化学结构。通过热重分析(TGA)、小型热解实验等方法以及基式流动度测定仪、奥亚膨胀仪、透气性在线检测装置及膨胀压力和膨胀位移检测装置等仪器探究了单种煤热解过程中煤基体分解行为、流动特性和膨胀特性的演化机制。结果表明:热解气体CO,CO_(2),CH4的释放和低透气性带的形成影响了膨胀压力的产生,适宜的膨胀压力可提高焦炭质量;300℃~450℃是煤产生膨胀压力的温区,与煤中f_(al)^(O1),f_(al)^(O2)和f_(al)^(1)~f_(al)^(5)结构的分解有关;膨胀压力过高(120 kPa~180 kPa)的煤,形成的焦炭孔隙多、真密度小,质量差;膨胀压力适中(90 kPa~120 kPa)的煤,形成的焦炭质量较好。

铈改性磁性核壳HZSM-5催化富油煤热解研究

【目的】富油煤是集煤、油气属性为一体的宝贵煤炭资源,催化热解是实现其绿色低碳开发的重要途径。然而,高效可回收催化剂的研发仍面临着极大的挑战。【方法】以HZSM-5@SiO_(2)@MgFe_(2)O_(4)(HSMF)为原料,采用水热法与碱改性制备具有多级孔结构的HZSM-5@SiO_(2)@MgFe_(2)O_(4)(mHSMF),再通过沉淀法制备铈改性mHSMF(5-CeO_(2)/mHSMF);并利用固定床反应器考察了5-CeO_(2)/mHSMF对神府富油煤热解产物的调控作用及其抗积炭性能。【结果和结论】结果表明,CeO_(2)改性有助于在HSMF表面形成微−介孔多级孔道结构;在5-CeO_(2)/mHSMF催化剂上,650℃、N_(2)气氛、反应1 h的条件下,神府富油煤焦油产率达到13.38%,是格金试验焦油产率的176%;相较于原煤热解,催化热解得到的焦油中脂肪烃类及苯类化合物含量分别增加了3.04%和3.07%,煤气中H_(2)和CH_(4)含量提高了10.49%;经CeO_(2)改性后,催化剂的抗积炭性能增幅达86.1%,积炭量仅为11.60 mg/g,且积炭趋于稳定的石墨化结构。5-CeO_(2)/mHSMF对神府富油煤催化热解产物的分布及组成具有明显调控作用,并表现出良好的抗积炭效果和磁性可回收性能。

低阶煤热解过程中铬的迁移释放特性研究

我国低阶煤储量丰富,重金属在低阶煤热解过程中会迁移到热解产物和环境,既影响产物品质又污染环境。为研究低阶煤热解过程中重金属的迁移特性,以新疆淖毛湖煤(NMH)和内蒙古高硫煤(GL)为实验样品,以重金属铬为研究对象,利用逐级化学提取研究了铬的赋存形态,对原煤进行热解,研究了热解终温和升温速率对铬(Cr)迁移行为的影响,利用逐级化学提取制备了单组份,并对它进行热解,研究了单组份Cr的热稳定性。结果表明,NMH和GL中Cr的赋存形态主要包括硅铝酸盐结合态FC_(2)(34.8%和26.4%)、有机结合态FC_(4)(32.9%和35.7%)、碳酸盐结合态FC_(1)(29.8%和34.3%)、二硫化物结合态FC3(2.5%和3.6%)。热解过程中,Cr的释放率随着升温速率的增大而增大;NMH中Cr在800℃的释放率为8.53%,远低于GL的25.24%。

单一应力下义马原煤热解产物演变规律及动力学模拟

以义马原煤为研究对象,构造晶胞,在ReaxFF力场中施加5×10^(9)s^(-1)的应变率,模拟1000K,1500K,2000K,2500K,3000K终温下义马原煤热解演化过程,分析单一应力对褐煤热解的作用效果。结果表明:不同模拟终温下,不同方向上的应力是上下波动的,在允许一定误差下,应力范围保持在±70GPa之间,即此应力对褐煤热解的作用受温度的影响较弱。模拟过程中,在26ps~33ps之间分子数出现极小值点而种类数出现极大值点,义马原煤热解模拟起始温度点不变,但缩聚反应的温度区间前移,表明反应前期单一应力作用效果优于温度作用效果,应力促进了整体的反应进程。受缩聚反应的影响,CO,CH_(4),H_(2)O和NH_(3)含量先升后降,符合热解一般规律,说明应力没有改变反应的最终趋势。H_(2)和·H的数量随反应进行持续上升,说明缩聚反应过程中,此应力作用促进焦油裂解生成的·H的数量大于缩聚反应消耗的·H的数量;同时,·H和H_(2)含量升高,促进·SH与·H结合,提高了H_(2)S的产率。

小龙潭褐煤的高温气化反应动力学研究

以小龙潭褐煤为研究对象,在下落式固定床中对其二氧化碳高温气化反应性进行了研究。在1000~1500℃温度范围内,测定了小龙潭褐煤气化碳转化率与时间的关系。采用缩核芯模型、均相体积模型和表观动力学模型,对气化实验数据进行了拟合,得到了煤样二氧化碳高温气化反应的速率常数、活化能和指前因子等动力学参数。从三种模型的拟合结果可以看出:三种模型均能有效拟合褐煤的高温气化过程,相关系数都在0.96以上;相比之下,缩核芯模型的拟合效果最好,表观动力学模型次之,表明缩核芯模型的模型假设更接近褐煤高温气化反应过程,即褐煤高温气化反应以气体扩散控制为主,反应主要在煤样/半焦外表面进行;由三种模型拟合计算所得褐煤的表观活化能分别为45.6 kJ/mol、45.8 kJ/mol、47.1 kJ/mol,缩核芯模型和表观动力学模型拟合所得活化能非常接近,印证了模型拟合结果具有较高的可信度。

机器学习模型预测煤热解产物分布研究

热解技术是煤清洁高效转化利用的主要技术之一,然而由于煤成分复杂、热解反应难以控制,对于各煤种都需要消耗大量时间和精力重复进行热解产物分布研究。以煤的组成和热解终温为输入条件,煤热解产物收率为输出条件,采用机器学习模型调参后的随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和极限梯度提升(XGBoost)算法对煤热解产物收率进行了预测,分析了不同输入特征对热解产物收率的重要性,并使用双因素部分依赖分析(PDP)评估了输入特征对热解产物收率的影响。结果表明:三种算法模型中,XGBoost算法对煤热解产物收率预测的性能最佳,其对焦油收率的决策系数(R^(2))和均方根误差(R_(MSE))分别达到最高的0.95和最低的0.86;焦炭收率主要受到固定碳、挥发分、氧元素和热解终温的影响,占比为84%,而焦油收率主要受挥发分、氢元素、氮元素和热解终温的影响,占比为83%;PDP分析表明,随着煤中氢原子和挥发分质量分数的增加,煤热解焦油收率会随之上升;根据XGBoost算法计算可知,当煤中氢元素的质量分数在5.0%~6.0%,挥发分的质量分数位于30%~40%时,热解焦油收率可达到9%以上,当固定碳的质量分数大于50%时,煤中氢元素和挥发分的质量分数减少以及热解终温下降,都会引起热解气收率的降低。

淖毛湖煤加氢热解产物特性及半焦气化反应性

在加压固定床反应器中进行淖毛湖煤在常压和1.5 MPa氢气和氮气中的热解试验,利用多种表征方法对比研究了氢气和氮气下的热解产物产率和组成及半焦结构的变化,并利用热重分析研究热解半焦的CO_(2)气化反应性。结果表明:与常压N_(2)中热解相比,煤在加压的H_(2)中热解可有效提高热解气体中CH_(4)和C_(2)~C_(3)的产率,在800℃热解CH_(4)和C_(2)~C_(3)的体积产率分别由53.5和16.6 mL/g增至345.6和20.8 mL/g。焦油和轻质焦油产率也有效提升,在600℃下,与常压N_(2)中热解相比,1.5 MPa H_(2)中煤热解的焦油产率由19.3%升至22.8%,焦油中脂肪烃含量由35.5%降至14.8%,单环芳烃含量由8.3%增至28.9%,轻质焦油质量分数和产率分别升至95.0%和21.8%。半焦的N_(2)吸附和拉曼光谱分析结果表明,煤在加压H 2中热解得到半焦的比表面积和孔体积由常压氮气下的40 m^(2)/g和0.05 cm^(3)/g增至289 m^(2)/g和0.16 cm^(3)/g,孔结构显著发展,有利于半焦的CO_(2)气化反应进行;而半焦的石墨化程度及大芳香环比例增加,不利于半焦气化反应;但由热重分析得到的加压加氢热解半焦的CO_(2)气化反应性明显提高,表明孔结构对半焦CO_(2)气化反应性起主要作用。

模拟生活干垃圾循环流化床气化试验

为给工业化循环流化床垃圾气化技术研发提供基础数据,在中试规模循环流化床气化试验台,研究过量空气系数和系统富氧体积分数对模拟生活干垃圾(简称“干垃圾”)气化特性影响。试验用干垃圾为单组分垃圾料配置而成的压块料,组成包括纸张、织物、木屑、灰渣和水,分别按质量分数60%、10%、10%、10%及10%配比,并通过用干垃圾压块料和工业锅炉底渣交错加料的方式解决了中试试验中压块料进料不畅的问题。通过试验发现干垃圾空气气化条件,过量空气系数由0.31提至0.50,气化温度会由850℃提至950℃,生成的煤气热值3976~2590 kJ/m^(3),煤气中CO产率增加,H_(2)产率先增加后减少,CH_(4)产率减少,煤气产气率2.28~3.08 m^(3)/kg,冷煤气效率42.97%~51.01%,碳转化率83.11%~92.45%;在900℃条件系统富氧体积分数由30%升高至50%时,水煤气反应得到强化,煤气有效组分(CO+H_(2)+CH_(4))产率和煤气热值均得到提高,煤气热值5274~7294 kJ/m^(3),煤气产气率1.37~1.93 m^(3)/kg,碳转化率83.32%~81.11%,冷煤气效率55.39%~53.77%;模拟生活干垃圾在中试规模循环流化床气化炉内实现稳定空气气化和富氧-水蒸汽气化运行,炉膛底部温度低,炉膛底部至顶部高度范围内温度分布较为均匀,装置稳定连续运行108 h,温差在19.7℃以内,中试规模循环流化床内部物料循环稳定。

基于ReaxFF MD模拟的低阶煤热解产物演化规律及反应机理

热解是实现煤炭资源清洁高效利用的重要途径,深入认识煤热解过程中挥发分自由基的变化规律对调控热解产物至关重要,但实验方法难以捕捉其细节。本文选用经典的褐煤分子模型,结合反应分子动力学(ReaxFF MD)模拟探究了低阶煤热解过程中挥发分自由基的演化规律及反应机理。ReaxFF MD模拟结果表明,挥发分产物的收率随升温速率的增大而增加,较高的升温速率抑制了气体产物的生成、提高了焦油产物的收率,但焦油的重质化严重。含氧官能团的裂解是煤热解的触发机制,热解过程主要分为活化(800~1200K)、热解(1200~2400K)和缩聚(2400~2800K)三个阶段。在高温缩聚阶段,焦油片段之间更容易交联,进而发生缩聚反应形成焦炭,并伴随着气体生成,导致焦油收率降低,气体和焦炭产率增加。因此,改善焦油收率和品质的关键是促进焦油片段的裂解,抑制其缩聚。分析了气相产物的形成机理,CO_(2)主要来自羧基和酯基的裂解;甲氧基侧链和桥键裂解形成·CH_(3)和·CH_(2)自由基并捕获·H,最终形成CH_(4)分子;焦油的二次热解和缩聚释放大量·H和H_(2),·H之间进一步反应生成H_(2);而煤中的硫醚结构与含氮支链裂解后,进而被·H自由基稳定为H_(2)S和NH_(3)。这些从分子层面获得的机理认识,可为实验或工业调控热解产物提供重要的参考依据。

煤基硬炭在钠离子电池负极材料中的应用研究进展

煤炭是全球储量最丰富、分布最广泛且使用最经济的能源之一。在可预见的未来,煤炭仍将是世界主要能源。在“双碳”背景下,探索煤炭资源的高效清洁利用是一项重要而紧迫的工作。本文简述了硬炭在钠离子电池中的存储机理,分析了以4种不同变质程度的煤作为前驱体调控硬炭结构的方式和电化学性能的差异,总结了煤基硬炭材料在钠离子电池应用中存在的共性问题,指出了目前煤基硬炭的研究重点和改进方向。研究成果可为煤基硬炭原料选择、结构调控、缺陷设计等提供参考。

淖毛湖煤和棉秆共热解协同效应分析

煤和生物质共热解过程中,填料方式会显著影响挥发分之间相互作用及产物分布。分析分隔放置(Case 1)、机械混合(Case 2)、煤在棉秆上层(Case 3)和煤在棉秆下层(Case 4)4种填料方式下淖毛湖煤(NMH)和棉秆(CS)共热解产物的分布、组成及性质,并结合分形理论研究共热解半焦的孔隙特征,探究共热解协同效应。结果表明,NMH和CS协同作用因填料方式不同而变化,填料方式对共热解产物分布及性质影响大。用Case 4方式时,共热解焦油产率最高,为15.94%,较理论计算值增加3.89%,正协同效应最显著。此时,CS热解产生的富氢组分及时与NMH热解挥发物发生交互作用,导致H_(2)、CH_(4)和C_(2)~C_(4)产量较理论值降低,共热解焦油产率增加。不同填料方式对共热解焦油中轻油馏分均产生负协同作用。含氧化合物相对含量减少可能是因为共热解过程促进脱氧反应(如脱羧和脱羰基化等),进一步生成脂肪烃,减少含氧官能团发生交联反应;在共热解中,·H自由基与活性含氧基团产生正协同作用,促使焦油中O、N、S原子向固体或气体产物转移。由半焦分形结果可知半焦分形维数D_(1)和D_(2)均在2~3间,说明半焦粗糙度和孔结构均满足分形结构基本特征。对于Case 3和Case 4方式,位于下层样品半焦的表面更粗糙。用Case 3方式所得CS-C孔隙更小;而Case 4方式所得NMH-C孔隙更不均匀,孔结构更复杂。

不同变质程度煤在胶质体阶段的碳结构演变探究

煤炭清洁高效利用对实现双碳目标具有重要意义。利用自制焦炉对5种炼焦煤(观音堂焦煤、马头焦煤、五沟肥煤、萧县肥煤和兖州西气煤)进行热解成焦,并提取了不同温度段的煤样。结合傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)等表征手段对煤样的碳结构进行了探究。FTIR结果显示,5种原煤的芳香结构以苯环二取代和四取代为主,相对含量均达到50%以上,随着温度升高,5种煤样的苯环二取代相对含量均有不同程度降低,而苯环四取代和五取代相对含量变化则呈现两段性。5种原煤的脂肪结构以甲基和亚甲基为主,随温度升高,观音堂焦煤、马头焦煤、五沟肥煤和萧县肥煤中的亚甲基相对含量分别降低了18.85%、13.75%、16.50%和12.65%,而兖州西气煤的亚甲基相对含量在450℃达到最低,其次甲基相对含量在450℃后迅速从42.11%降低至22.87%。计算了5种煤样的FTIR结构参数,发现450~550℃阶段煤样的芳碳率、芳氢率均明显增加,脂肪支链长度迅速减短。XRD结果显示,随着温度升高,焦煤和肥煤的层间距减小至0.344~0.346 mm,而气煤的层间距只减小了0.007 nm,5种煤样的横向尺寸呈现先减小后增加的趋势,而堆垛高度则呈现增加的趋势。焦煤和肥煤的碳结构参数变化明显,焦煤的芳香度提高至0.82左右,肥煤的提高至0.73左右,而气煤的芳香度仅有0.57。

准东煤在液态排渣锅炉中的结渣特性和元素迁移规律

高碱煤的清洁高效转化及资源化利用对实现双碳目标具有重要战略意义,液态排渣锅炉在燃用高碱煤方面存在较大优势,但目前尚缺乏全烧高碱煤的灰沉积和元素迁移特性相关研究。研究了准东煤在20 MW卧式液态排渣炉上燃烧时的积灰结渣特性和元素迁移规律。通过在捕渣屏前后设置灰沉积探针1和2,研究了换热器表面灰沉积对传热效率的影响。结果表明,初始层形成阶段通过探针表面的热流密度迅速下降,随沉积物的生长热流密度缓慢下降,沉积物生长趋于稳定时,热流密度也会在一定范围内波动。按照探针表面的热流密度变化速率,可将灰沉积的形成过程分为3个阶段,分别为快速下降阶段、缓慢下降阶段和稳定阶段。探针1和2最终稳定的相对热流密度分别为0.75和0.83。此外,通过分析炉膛不同位置灰渣和沉积物的外观形貌、矿物组成和化学成分,探究了元素迁移对积灰结渣的影响。灰沉积的微观表征表明,Al_(2)O_(3)、Fe_(2)O_(3)、SiO_(2)等氧化物在高温区渣样中富集,而CaO、MgO、Na_(2)O、SO_(3)则主要出现在低温区域的沉积物中。换热器表面沉积初始层的形成与碱金属及其硫酸盐的冷凝密切相关,高温和低温区域样品中的平均Na_(2)O质量分数分别为1.38%和4.70%。铁元素会在渣中富集并充当助溶剂的作用,与硅-钙-镁-铝体系形成低温共熔体,从而导致灰熔融温度降低。

不同压力下榆神地区富油煤原位热解产物特性

运用加压反应装置和分子动力学等方法模拟富油煤地下原位热解的气体压力环境,探索富油煤在不同压力下的热解特征。在实验室选用粒度1mm的富油煤为原料,利用加压热重仪和高压反应釜模拟富油煤的原位热解,采用分段法对富油煤不同压力下的热解活化能进行了计算并使用ReaxFF数值模拟分析不同压力下的富油煤分子的热解过程。讨论了不同压力、温度、焦油收率和焦油成分特征之间的关系。研究发现,热解压力的变化对富油煤的热解活化能影响有限,而对产物特性有显著影响。富油煤热解形成半焦的反应中热解第一阶段活化能随热解压力的增大而略微降低,在热解第二阶段活化能随压力增大而增加,增幅亦不大。在模拟富油煤原位热解条件下,600℃时的最大产油率为9.54%。在2MPa时,随着压力的增加,最大产油率降至5.42%,焦油中多环芳烃含量随压力的增大而增加。通过对富油煤在不同温度压力下进行分子动力学模拟,得到与实验相近的热解趋势。分子动力学模拟中产焦油总量在2000K以内随温度上升而增加,在每个温度点焦油产量随压力增加呈现下降趋势,在2000K、3MPa工况下产焦油量达到最大值23.67%,对应实验条件600℃常压下的焦油产出最大值。ReaxFF数值模拟结果表明,温度越高压力的影响越明显,在2300K下产生气体量与压力成反比,产焦油量相较2000K开始下降。本研究完成加压状态下富油煤的热解相关实验,并用分子动力学模拟的方法得到的加压状态下富油煤热解结果相佐证,为富油煤原位热解方面研究提供数据支持。