高钠煤气化过程中的灰化学研究进展

煤气化是发展煤基大宗化学品及清洁燃料的关键技术,也是实现双碳目标的重要途径。准东高钠煤中碱金属钠含量高,气化过程中碱金属钠释放造成严重的灰释放问题,因此,探究准东高钠煤在气化过程中灰沉积、结渣机理及煤灰流动性对准东煤的清洁高效利用具有重要意义。鉴于此,综述了近年来气化过程中高钠煤的灰化学研究最新进展。总结了煤中钠的赋存形态及含量,阐明了气化过程中钠的迁移转化机制及钠释放导致气化炉受热面造成的灰沉积、结渣问题。由于高钠煤中钠释放主要受气化温度的影响,因此成灰温度不宜高于500℃。气化过程中易生成熔点低的含钠矿物质,降低高钠煤煤灰熔融温度。高钠煤中钙、铁含量高时,煤灰中钙长石及钙铝黄长石在高温下生成低温共晶体、Fe^(2+)与煤中矿物质反应形成低熔点尖晶石均是加剧煤灰熔融的重要原因。同时,热转化过程中气氛对高钠煤中矿物演化具有一定影响。高钠煤灰的熔融区间窄,熔融速率快,表明高钠煤灰流动性强,由于Na+的离子势较低,O_(2)^(-)被Si^(4+)夺取,导致桥氧键断裂成非桥氧键,熔渣网格结构解聚,黏度降低,其熔融机理符合“熔融-溶解”机理。降温过程中晶体的析出对黏度的影响至关重要。Na_(2)O的引入降低了熔渣析晶体温度,改变晶体类型,同时降低熔渣的黏滞活化能及结晶能力。

水煤气变换反应作用下的CO和CO_(2)混合物加氢转化制烃和醇--热力学平衡研究

受水煤气变换反应(或其逆反应)的干预,CO(或CO_(2))加氢反应制烃类或醇类化合物经常会遭遇较高的CO_(2)(或CO)选择性,而目标产物烃和醇的选择性往往较低,这使得对相关反应过程的评估显得非常混乱。为此,本工作对水煤气变换反应作用下的CO、CO_(2)及其混合物的加氢转化制烃(以乙烯为例)和醇(以甲醇为例)反应进行了详细的热力学研究。结果表明,对于CO(或CO_(2))加氢反应,水煤气变换(或逆水煤气变换)反应作为连接CO和CO_(2)的连通器,虽然会给CO(或CO_(2))的平衡转化率带来很大的改变并生成大量的CO_(2)(或CO),但其对目标醇和烃产物的碳基平衡收率影响相对较小。CO加氢反应的烃醇产物的碳基平衡收率比CO_(2)加氢反应的高,而CO和CO_(2)混合物加氢的烃醇产物的总碳基平衡收率位于两者之间。对于CO和CO_(2)混合物加氢,尽管CO或CO_(2)的平衡转化率随原料组成的不同有较大幅度的变化,但烃醇产物的总碳基平衡收率变化较为简单,即随着CO_(2)/(CO+CO_(2))摩尔比的增大而线形降低。鉴于CO或CO_(2)加氢过程的尾气均为CO和CO_(2)混合物,用CO和CO_(2)混合物加氢制烃醇或许更为有利;无论CO、CO_(2)还是其混合物的加氢过程,都应以目标产物的碳基总收率作为评估指标。

碱金属与碱土金属在煤炭热转化过程中的影响研究进展

对比阐述了AAEMs在煤炭热转化过程的影响与作用,论述了催化气化中炭结构转变、碱金属形态变化、催化剂失活等过程。AAEMs是催化气化的催化剂,是活性炭制备过程的造孔剂,也是高AAEMs煤利用过程的有害组分,同样也是煤灰提铝过程的焙烧活化剂。AAEMs与炭相互作用影响炭的表面结构,进而影响气化剂在炭表面的吸附与反应,而AAEMs与炭的相互作用也会影响AAEMs的挥发与释放,耦合催化气化与煤灰资源化利用可以有效降低催化剂回收成本。通过对比认识AAEMs在煤炭热转化中的影响与作用,以期为AAEMs作用下煤炭热转化过程提供新思路与方法。

中国不同变质程度煤制备水煤浆的性质研究

在相同的制浆条件下,以中国煤种资源数据库为依据,考察了24种不同地区、不同变质程度煤制备成水煤浆的成浆性、流变性及静态稳定性。结果表明,山西阳泉、山东淄博石谷、河北下花园等煤种适宜制浆,这些煤的浆体质量分数均可达到66%以上,浆体呈假塑性流体,且煤浆产生软沉淀的静态稳定性均在15d以上;山西潞安石圪节、安徽淮南、淮北石台等煤成浆性较好,稳定性在7d左右,浆体呈胀塑性流体;山东枣庄八一、甘肃靖远红会、河南鹤壁等煤可达到较高的煤浆质量分数,浆体流变性及稳定性均较差,其他的煤则不适宜用于制备水煤浆。

生物质与煤混合颗粒流化特性的实验研究

在 D1 1 5 mm× 1 0 0 0 mm有机玻璃制成的圆柱型流化床中 ,对玉米秆、稻秆、煤及其混合物的流化特性进行了实验研究 .实验结果表明 ,单一生物质颗粒不能形成良好的流化状态 ,而加入一定量煤构成生物质和煤二组分混合颗粒可以实现稳定流化 .当生物质和煤混合颗粒中生物质的质量分率小于 5 0 %时 ,可以达到很好的流化状态 ,生物质和煤二组分混合颗粒的最小流化速度随生物质质量分率的增加而减小 .

煤显微组分分子结构模型的量子化学研究

采用分子力学和半经验量子化学方法,研究了神木煤显微组分的分子结构模型,比较了镜质组和惰质组分子模型的能量构成、不同类型键的键长和键裂解能。研究结果表明,扭转能和范德华能是分子中的主要作用力,取代基对体系能量有明显影响,烷基取代基使体系能量增加,而苯基取代基使体系能量降低;脂肪C—C键长比芳香C—C键长长,说明脂肪C—C在受热过程中比芳香C—C更容易断裂分解。对各键裂解能的计算结果表明,Car—Cal键的裂解能高于Cal—Cal,Car—O醚键的裂解能高于Cal—O醚键。而惰质组结构模型中除C—O醚键外,各键的裂解能均高于镜质组,说明惰质组结构模型比镜质组有较高的热稳定性。

煤和生物质共气化制备富氢气体的实验研究

在煤处理量为8kg/h的小型流化床反应器上,以富氧空气和水蒸气为气化介质,对煤和生物质共气化制取富氢燃气进行了实验研究。在850℃～1 050℃主要考察了空气当量比、水碳比、生物质比例和生物质种类对燃气组成和气体产率的影响。结果表明,对煤和稻草混合体系,稻草质量比为33%时,空气当量比增加,CO2含量显著增加,H2、CO和CH4含量减少,气体产率增加;水碳比增加,CO2和CH4含量增加,CO和H2含量减小,气体产率先增加后减小;生物质比例增加,CO2、H2和CH4含量增加,CO含量降低,气体产率先增加后减小,当生物质比例小于50%时,可以实现体系的稳定运行。对于三种不同的煤与生物质混合体系,煤与高粱秆共气化所得煤气中H2含量最高,气体产率的顺序为:煤/木屑>煤/高粱秆>煤/稻草>煤。实验中H2在煤气中的体积分数最高可达37.25%,最大产率为0.54m3/kg。

固体热载体热解霍林河褐煤实验研究

在处理量为10kg/h的粉煤-固体热载体移动床实验装置上,以循环灰为热载体对其进行了热解特性评价实验。考察了热解温度(460℃～610℃)、反应时间(6min～8min)及煤粒粒径对热解产物产率和组成的影响。结果表明,随着热解温度的升高,气体产率增大;焦油产率在520℃时达到最大值4.94%。热解煤气的热值为19.80MJ/m3～23.20MJ/m3。与淮南烟煤相比,热解焦油中BTX、PCX的含量较高,特别是PCX的含量在反应温度为610℃时达到23.82%。热解半焦具有很好的燃烧特性而且硫含量明显低于原煤,有利于减轻循环流化床锅炉的脱硫负荷。

多段分级转化流化床煤气化技术研究开发进展

为提高流化床煤气化炉的碳转化率和处理能力,中国科学院山西煤炭化学研究所对已有的灰熔聚流化床煤气化技术进行了升级,集成快速流态化技术,开发了多段分级转化流化床煤气化技术.该气化炉分为下部浓相射流段和上部快速提升段两部分,下部浓相射流段保留了灰熔聚气化技术的特征;在上部快速提升段,通过强化细粉循环以提高气固接触和细粉停留时间,并采取分段给氧方式以提高气化温度和细粉转化效率.通过基础研究,获得了煤加压热解特性和高温高压气化反应动力学规律;获得了加压气固流态化行为特征,分析了操作参数和关键结构对气固流场、浓度场分布的影响;完成了操作状态下气化炉内气固流动行为的数值模拟计算,研究了二次风对提升段流场的影响规律.在此基础上,建成了3.0 MPa、日处理煤量100t的中试装置,并开展了1.0MPa^2.8 MPa压力下的神木原煤及其热解半焦氧气/蒸汽鼓风中试试验研究.中试结果表明:在试验压力范围内实现了平稳长周期操作;可以直接气化热解半焦;带出细粉碳含量明显下降,气化碳转化率最高可达到95%;气化指标达到同类型气化炉先进水平.进而完成了千吨级工业示范装置的工艺软件包设计和经济评估.

重油残渣与不同煤阶煤共热解/气化实验研究

采用快速热解固定床在恒温热解条件下研究了不同混合比例不同煤阶煤与重油残渣共热解焦的形貌和焦产率的规律,进而在热重分析仪上采用非等温气化方法研究了煤焦、重油残渣焦及混合焦的气化反应性。结果表明,煤与重油残渣共热解焦有明显的结块现象,但焦产率与理论值一致,表明共热解过程中两者没有相互作用。重油残渣焦的气化反应性较褐煤和烟煤的低,比无烟煤活性略高,重油残渣与褐煤和烟煤混合焦气化反应速率比计算值高,表明气化过程有促进作用存在,进一步分析表明,煤中的矿物质如Ca、Fe,对重油残渣气化有一定的催化作用。

固体热载体热解淮南煤实验研究

自制处理量为1kg煤的间歇式固体热载体热解装置,以淮南烟煤为原料,石英砂作热载体,对该煤进行热解特性评价实验。考察了热载体初始温度700℃～900℃、反应4min～16min、煤粒径及热载体与煤的质量比5～9对热解产物产率和性质的影响。结果表明,提高热载体初始温度,气、液产率增加;延长反应时间和提高热载体比例,气体产率有所增加;热载体初始温度对热解气组成影响显著。提高热载体与煤的质量比和热载体初始温度,可以抑制半焦对热解反应器内壁的黏附。

催化裂化油浆与兖州煤共处理的研究 Ⅰ.反应条件对煤转化及产物分布的影响

考察了石家庄炼油厂所产催化裂化油浆与兖州煤加氢共处理中油浆加入量和反应条件对煤转化及产物分布的影响。通过与油浆和煤单独加氢处理的结果比较 ,阐述了油浆与煤的相互作用原理。煤 -油浆共处理可显著提高煤的转化率 ,同时可使轻质产物的产率显著提高。当油浆加入量为 66.6%时 ,油浆对煤转化的协同促进作用最大 ,轻质产物的产率比煤和油浆单独处理的结果高

兖州煤与石家庄减压渣油共处理的研究Ⅰ——共处理对煤液化转化率及产物分布的影响

研究了兖州煤与石家庄减压渣油共处理中反应条件对兖州煤转化及共处理产物分布的影响变化规律 .通过与煤及渣油单独处理结果的比较 ,阐述了共处理中煤与渣油之间的相互作用 ,以及这种相互作用随反应条件的变化规律 .结果表明 ,石蜡基渣油与煤的相互作用取决于渣油的裂解程度 ,当较低温度时 ,渣油裂解程度低 ,而且渣油的存在阻碍了煤和催化剂与氢的接触 ,因此降低了煤的转化率 ;当较高温时 ,渣油裂解明显 ,促进了煤裂解自由基的稳定 ,提高了煤的转化率 .

原位漫反射红外光谱中采用新的实验手段研究煤岩显微组分中的氢键

首次提出采用小瓷片反应器 ,结合增大载气流量的方法进行产生挥发组分固体的原位漫反射红外光谱实验 ,研究了两种煤的镜质组和丝质组中的氢键分布及热稳定性 .两种显微组分间氢键分布的规律相似 ;镜质组中 SH—N、羧酸二聚体和自缔合羟基等的热稳定性比丝质组中的高 .但对 OH— N、羟基四聚体和OH— OR2 的热稳定性随煤岩组分的变化无明显规律 ;随着温度的升高 ,OH-π含量先升高后降低 ,于 3 5 0～3 80℃达最大值 ,其中镜质组 OH-π的含量增加较快 .

循环流化床煤燃烧/热解双反应器压力分布的实验研究

实验测量了一种新型的循环流化床煤燃烧/热解冷模反应器中提升管及立管内的压力分布,其中提升管的内径为100mm、高为6m;立管内径为44mm、高为3m,热解室的截面为200mm×200mm、高为770mm。分别考察了提升管内的表观气速Ur、循环量Gs、加到热解室内的松动气量Qa以及初始装料量G等对系统压力分布的影响。结果表明,在立管底部阀门开度不变的情况下随着Ur的增加,提升管及立管内的压力梯度都趋于减小;在提升管内表观气速一定的情况下随着循环量Gs的增加,提升管及立管内的压力分布也随之增大;加到热解室内的松动气对立管内的压力分布影响较大,而对提升管内的压力分布影响相对较小;在立管底部阀门开度及Ur一定的情况下,随着初始装料量的增加提升管及立管内的压力分布也趋于增大。

超临界水中煤焦油沥青轻质化的实验研究

采用间歇超临界水(supercritical water,SCW)反应器,考察了反应温度(400℃～480℃)、停留时间(1min～80min)和反应压力(25MPa～40MPa)对煤焦油沥青轻质化的影响。与常压N2热解相比,煤焦油沥青在SCW中反应后产物中的轻油质量分数高,残焦质量分数低,表明SCW可以促进煤焦油沥青的轻质化反应进行并抑制缩合反应。沥青质是煤焦油沥青在SCW中发生反应的主要组分。在440℃和34MPa时反应20min,产物中轻油的质量分数可达原料的两倍,说明煤焦油沥青在SCW中可以发生明显轻质化反应。与温度相比,压力和停留时间的影响相对较小。

山西“两高”煤灰分对石灰石助熔机制影响的研究

以山西"两高"煤为研究对象,考察了洗选改变灰分对添加助熔剂Ca CO3的影响。研究发现,随着洗煤灰分的降低,煤灰中二氧化硅含量及硅铝比(Si/Al)降低,煤灰流动温度降低至液态排渣气流床气化所需温度时,Ca CO3的添加比例与洗煤高温下生成的矿物质种类及其含量相关,经过洗选降低灰分后的FH与SH洗煤,通过添加一定比例的助熔剂Ca CO3,高温下煤灰渣类型由结晶渣变为玻璃体渣,排渣温度范围宽,能够很好地满足气流床气化液态排渣的要求,洗选与添加Ca CO3助熔剂配合使用的方式,可以有效调控山西"两高"煤灰流动性质。

煤大分子结构的量子化学研究

对文献报道的煤结构中代表性模型分子簇的局部结构进行了包括从头计算法在内的量子化学计算,得到了各种方法下的优化结构,在对煤分子的局部结构特征分析的基础上,进一步对其电子结构进行了分析,解释了煤结构的反应性。

亚临界水脱除煤中硫的实验研究

Pre-combustion desulfurization of coal is an important method to control SO2 emission in a coal fired power plant. Desulfurization of Huayinshan coal with sub-critical water in a semi-continuous reactor was studied. The effects of temperature （320℃450℃）, pressure （5MPa15MPa） and extraction time （10min100min） on the removal of sulfur and weight loss of coal were examined. The results show that with the increase of temperature, pressure and reaction time the weight loss of coal and the removal of total sulfur in coal increase, and with the increase of temperature and reaction time the removal of organic sulfur increases. At higher temperature, sub-critical water has the characteristic of selective desulfurization. The inorganic sulfur removal is mainly a physical process. Below 370℃ the organic sulfur removal is higher than inorganic sulfur removal, but above 370℃ it is opposite. It is suggested that considering the practicability, the suitable high temperature and low pressure should be taken in the sub-critical water operation condition.

煤炭能源中的化学问题

煤炭是我国的主要能源 ,国家可持续发展要求煤的高效洁净燃烧和高效洁净转化。煤炭能源中的主要化学问题就是解决效率、污染、能源形式转化过程中所遇到的化学问题 ,包括对煤组成结构的认识、煤中不同组分在热场中的化学变化与相互作用和阶段特征 ,特别是煤中污染组分的赋存形态和变迁规律、煤基合成气的催化反应等。