产学研融合的煤化工专业学位研究生培养模式改革——以太原理工大学为例

定向提升专业学位研究生的职业能力,是当前我国研究生教育的重要目标。针对煤化工专业学位研究生培养现状及存在的问题,太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室在对煤化工专业学位研究生特点进行综合分析的基础上,从专业学位研究生培养理念、模式、平台、导师队伍以及培养过程管理与评价等方面入手,深化培养模式改革,构建了以产学研用为支撑的多维度专业学位研究生教育质量管理体系,以期提升学生的工程应用能力和创新实践能力,培养高层次创新型工程技术人才。

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。

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。

煤气化细渣疏水-亲水双液炭/灰分离实验

这是一篇矿业工程领域的论文。煤气化细渣是煤气化过程中产生的一种固体废物,其中残炭严重制约了其资源化利用,从煤气化细渣中提取残炭是一个紧迫的问题。本研究应用疏水-亲水双液分离技术来提取煤气化细渣中残碳,其主要的影响因素有搅拌速度、搅拌时间、疏水液体用量、矿浆浓度、矿浆温度和疏水液体种类。疏水-亲水双液分离技术对煤气化细渣有优异的提碳降灰效果,其碳产品的灰分可达30%以下,灰质产品的灰分可达95%以上。通过表征分析揭示了分离机理,结果表明残炭对煤油的吸附强度远超灰质,使得煤油处理过的残炭疏水性大幅度增加,容易被油相捕获。本研究可为煤气化细渣的高效提碳降灰提供重要指导,有助于实现煤气化固废的综合利用。

炼焦煤成焦机理再认识:“衍构成焦机理”的提出

深度认识煤质特性、探究炼焦煤成焦机理是开发精细化配煤炼焦技术的关键。传统成焦机理仅宏观地解释了炼焦煤炭化过程中的塑性和黏结现象,缺乏对煤转变为焦炭所涉及的化学反应的深层次认识。基于此,从分子水平阐述了炼焦煤成焦特性的演化机制并提出了“衍构成焦机理”,其核心观点是:煤的焦化本质是煤分子在温度作用下发生的一系列化学反应;成焦过程中的一切宏观特性都取决于煤基体的瞬态空间结构,即“结构决定性质”;炼焦过程中传热传质条件的动态变化将影响煤的热转化行为进而影响成焦特性和焦炭质量,即“环境影响行为”。基于煤分子结构特性及热解过程中共价键的断裂和重建规律,重点分析了炼焦煤的流动性、膨胀性及其演化机制,探究了煤分子空间结构重排与焦炭强度的内在联系。流动性源于煤中弱共价键的断裂,终于芳香碎片的交联缩聚。在流动过程中,煤热解碎片以分子链段的形式向孔穴相继跃迁并封闭孔隙,形成了包含塑性层和部分煤层及半焦层的低透气带,限制了挥发分的释放从而产生了膨胀压力;同时,碳基质结构发生重排,取向性增加,sp^(2)杂化和sp^(3)杂化形式的碳原子的空间排布方式决定了焦炭的强度。加热速率的合理调控将明显改善焦炭强度并实现焦化过程节能降耗。“衍构成焦机理”是对传统煤成焦机理的补充和延伸,以期为现代煤焦化工业精细化发展提供理论指导和技术支撑。

基于瘦煤煤质特性的炼焦配煤方案优化试验研究

在炼焦配煤中合理利用瘦煤并提升其占比,可实现焦化企业降本增效和保护优质炼焦煤资源。为探究焦化厂配煤方案中瘦煤比例添加及方案优化调整对焦炭质量的影响,选取贫瘦煤(MC)和瘦煤(LC1和LC2)及采用工业分析、岩相分析等了解单种煤的基本煤质特性,利用红外光谱、热重分析确定煤样的结构特征和挥发分释放行为,并基于瘦煤的煤质特性,采用40 kg焦炉试验对不同瘦煤比例的配合煤进行焦炭质量评价,探究焦炭质量差异原因。结果表明:基于基础配煤方案,将LC1和LC2的占比增加至35%时,焦炭反应性(CRI)降低,反应后强度(CSR)升高,焦炭质量依然优于基础方案所制备的焦炭质量;在基础方案中,MC能对LC1和LC2进行替换,且替换后的CRI降低及CSR升高,焦炭光学组织中的细粒和中粒镶嵌结构增加,焦炭质量未发生劣化;MC占比增加至11%时,CRI升高以及CSR降低,焦炭质量发生明显劣化。基于瘦煤的煤质特性,配煤中的瘦煤比例可达到较高的配比,为后续工业配煤方案中利用高阶煤提供理论依据。

高挥发分气煤在配煤炼焦中的应用探究

为扩展炼焦用煤资源范围,合理高效利用不同类型煤炭资源,开发新的可用于炼焦生产的煤炭资源,以山西焦化股份有限公司炼焦生产配煤方案为基础,选取一种高黏结性、高流动度、高挥发分的气煤,分析其与基础配煤中气煤、中黏煤的煤质特性差异,通过40 kg焦炉炼焦试验,考察了高挥发分气煤对配煤焦炭质量的影响。结果表明:高挥发分气煤以适宜比例替代配煤中部分气煤或中黏煤,配煤焦炭质量明显高于基础焦炭,且配煤成本降低。

焦炉煤气-甲醇产业链延伸技术方案的经济分析

与煤制甲醇和天然气制甲醇工艺相比,焦炉煤气制甲醇不仅可以有效利用焦炉煤气中的氢,而且具有低成本的优势。在焦炉煤气制甲醇工艺基础上,文中提出了3种具有发展潜力的焦炉煤气综合利用方案:①气化煤气-焦炉煤气制甲醇生产方案;②焦炉煤气-乙炔-甲醇下游产品方案;③气化煤气-焦炉煤气-乙炔-甲醇下游产品方案。以200×104 t焦炭的生产规模分析了3种方案经济性,其毛利润分别为24.21亿元,18.92亿元和28.74亿元;内部收益率分别为28.29%、24.34%和27.11%。气化煤气-焦炉煤气-乙炔-甲醇下游产品方案充分发挥了规模效应和产品高附加值的特点,具有明显的经济优势;系统灵活性高,抵御市场风险能力强。

中美洁净煤转化技术现状及发展趋势

基于煤炭在中美两国能源结构中的重要地位,指出洁净煤转化技术仍将是2050年前两国解决煤炭利用和环境问题的主导技术。本文阐述了先进煤化工涉及的洁净煤转化技术现状及发展趋势,重点以煤气化、煤液化、煤制烯烃和煤制乙二醇等技术为例,指出未来中美两国应优先在化学链气化技术、合成气一步合成低碳烯烃、煤炭转化系统CO2减排等核心技术发展,在化工作用机制、化学反应机理、高效催化剂开发、新型反应器设计等基础领域展开合作的战略建议。

洁净煤技术的源头创新——煤分子工程及其关键问题的进展

煤分子工程是在分子水平上,以煤组成结构及其反应性关系为基础,对煤的高效和高选 择性转化技术和工艺的途径与方法进行研究的一门工程学科,通过"分子-产品-过程"三位一 体的多尺度集成的方法来解决煤洁净利用过程的效率、环境及效益等问题.其关键问题主要有 (1)分子水平上煤组成结构与反应性关系;(2)煤与其洁净转化技术适应性评价的理论与方法; (3)煤转化过程反应的控制与分级定向转化;(4)基于煤组成结构特征的新转化技术与工艺的开 发.在对国内外文献调研的基础上,结合该研究组近年来的工作,对这些关键问题的研究进展进 行了简要的评述.同时指出在洁净煤技术发展战略中,必须重视煤组成结构与反应性关系这一煤 分子工程基础等问题的研究,实现我国洁净煤技术的可持续发展.

市场不确定条件下煤制烯烃技术经济分析方法

建立了一种用于市场不确定条件下现代煤化工项目技术经济分析的方法。以煤制烯烃投资项目内部收益率、投资回收期、财务净现值、税后利润和单位利润CO2排放量为主要目标,以聚烯烃价格、煤炭价格、建设投资及碳税税率为表征市场不确定性的4个变量,建立煤制烯烃技术经济分析模型。根据该模型,绘制了预测公式曲面图和等高线图,并在此基础上开展了敏感性分析和不确定性分析。敏感性分析表明聚烯烃价格变化与煤炭价格变化对各评价指标的影响最显著;利用Monte Carlo模拟的方法量化考察了市场不确定条件下煤制烯烃技术的经济性以及各风险因素对评价指标的影响,分析结果表明,在市场低迷情况下,当聚烯烃价格处于6000~8000元/吨、煤炭价格处于100~300元/吨的低位时,煤制烯烃仍可盈利。

煤基碳纳米管制备技术和生长机理研究进展

我国煤炭资源丰富,但现阶段以燃烧、热解和气化等为主的传统利用方式存在资源浪费、环境污染和经济效益低等问题,且我国以煤炭资源为主题的能源结构在短期内不会发生改变,因此,清洁、高效利用是新时期煤炭资源的立足点和首要任务。另一方面,碳纳米管因其独特的一维结构在力学、电学和热学等方面具有优异的特性,使其在复合材料、电子材料和能源材料等领域具有广泛的应用,但是碳纳米管制备成本偏高的问题较为突出,严重限制了其大规模的应用,现阶段急需开发新型、环境友好的碳纳米管制备技术。宏量、低成本的煤基碳纳米管制备技术可以同时较好地解决上述2个问题。笔者基于文献重点分析了反应原料、放电气氛和催化剂等因素对电弧放电法和等离子体射流法2种煤基直接制备碳纳米管技术的影响,讨论了原料种类、催化剂、反应温度、升温速率和反应气氛等因素对化学气相沉积法-煤基间接碳纳米管制备技术的影响过程。分析发现,在电弧放电法和等离子体射流法中,原料种类对碳纳米管产物的产量具有重要作用,放电气氛对碳纳米管产物的类型具有重要影响,催化剂对碳纳米管产物产量和类型均具有重要影响;在化学气相沉积法中,原料种类对碳纳米管产物形貌、长径比和有序度等性质具有重要影响,催化剂对碳纳米管产物的生长过程具有重要影响,反应温度和升温速率对碳纳米管产物的管径变化和类型具有重要影响,反应气氛可改变催化剂的催化效果。此外,总结了煤基碳纳米管直接和间接制备技术中碳纳米管的生长机理的类型及特点:其中,直接制备技术中碳纳米管生长过程符合碎片式生长机理,而间接制备技术中碳纳米管生长过程可分为气-液-固(VLS)、气-固-固(VSS)、气相成核(VPN)和阶梯式等类型。分析认为应当深入开展以下工作:探究煤、煤热解气和商业煤气等廉价原料制备碳纳米管的过程,进而建立和完善原料与碳纳米管产物之间的关系体系;开发新型、高效的煤基碳纳米管催化剂制备技术;建立新的碳纳米管生长模型,进一步丰富和完善碳纳米管生长模型体系。

适宜“三高”煤利用的煤气化技术探讨

我国煤炭资源中高灰、高硫、高灰熔点煤(简称"三高"煤)所占比例较高,开发高效、洁净的"三高"煤加工技术对我国煤炭资源的可持续发展和利用有重要意义。本文通过对"三高"煤煤质特点进行分析,结合国内外发展较快的粉煤气化技术,综述了"三高"粉煤气流床气化的可行性,为促进"三高"煤高效、洁净利用提出了积极的建议。

煤液化技术研究现状及其发展趋势

能源安全和环境保护是我国21世纪应引起高度重视的问题,煤炭既是能源的主要提供者,也是大气污染的主要污染源,其高效洁净利用不容忽视,煤炭液化技术是解决此矛盾的有效途径之一。对煤液化的发展历程、开发和应用现状以及发展趋势和产业化前景进行了概括,详细介绍了煤直接液化、间接液化和煤与废塑料共液化技术的特性、影响因素及其关键问题,并提出了煤液化技术在我国今后发展的一些看法和建议。

我国洁净煤节能技术研究进展

我国是世界上少数的以煤炭为主要能源的国家之一.但由于转化技术的落后而导致煤炭资源利用率低下,浪费及污染严重,而洁净煤节能利用技术正是解决这一问题的关键所在.我国洁净煤技术在煤的液化、气化、水煤浆以及燃煤发电等方面已经取得突破性进展,但面临的形势依然十分严峻,大力发展洁净煤节能技术是我国今后能源工业的战略性选择,任重而道远.

新一代煤化工和洁净煤技术利用现状分析与对策建议

在论述煤炭的战略地位、利用现状和分析新一代煤化工技术与洁净煤技术利用现状的基础上 ,以科学规划所应遵循的原则 ,结合作者的科研实践 。

低阶煤热解含尘焦油气品质调控及除尘分析

“双碳”背景下,以热解技术为核心的低阶煤分级分质转化利用对煤炭加工产业绿色低碳发展具有重要意义。针对低阶煤转化过程中存在的含尘热解焦油气高温除尘及品质调控等瓶颈问题,从煤热解和挥发物反应机理出发,阐述了含尘焦油气组成及挥发物反应特性等对焦油品质、析炭行为的影响,提出利用挥发物反应规律,通过煤种特性与工况条件的优化匹配,抑制含氧化合物对析炭形成的诱导作用,并对自由基碎片进行有效供氢,进而提高焦油品质,减少析炭形成,是有效缓解后续焦油气油尘分离压力的可行方法。并基于此,详细分析了热解焦油气除尘技术及焦油原位提质相关研究进展及技术应用情况,指出利用颗粒床除尘技术通过改变过滤材料的物理、化学特性和床层的空间效应调变挥发物反应路径,可实现高温含尘焦油气除尘和原位提质的协同效果。在保证焦油产率前提下开发适用于颗粒床过滤和焦油气原位提质的多功能介质材料尤为重要。多级孔炭基催化剂作为颗粒床过滤材料,在过滤粉尘的同时可实现重质组分裂解以及富氢组分活化的功能,既可减小重质焦油在孔结构中的传质阻力,又可通过活性位和孔隙结构的组合效应实现“同步供氢”,有效提质焦油并抑制析炭,有望为大规模粉煤热解及含尘焦油气高效气固分离技术的发展提供理论指导。

XANES技术探究酸处理对义马煤中硫形态及其热变迁行为的影响

利用XANES技术研究了酸处理对义马煤的比表面积、体相及表面硫形态分布和热解过程中硫变迁行为的影响。结果表明,由于酸处理过程中部分镶嵌于有机质中的矿物质被脱除导致部分闭合孔打开,煤的比表面积有所增大。HCl-HF和HCl-HF-HNO3处理脱除了煤中大部分矿物质和无机硫,由于HNO3的强氧化性,YMN中亚砜和砜硫化物的相对含量均高于YMR和YMD。相比煤样体相,酸处理过程对表面形态硫的分布产生了更为明显的影响。酸处理煤样热解含硫气体释放量减少,但由于大部分碱性矿物质的脱除和煤中易分解形态硫相对含量的增加,含硫气体释放率增加。不同形态硫之间的内部转化使得酸处理煤焦中主要形态硫的分布更为均匀。通过HCl-HF-HNO3处理可以有效地脱除煤中矿物质及无机硫,并改变煤中形态硫分布,从而为高灰分、富含黄铁矿的高硫煤的利用提供指导。

萃取剂性质对煤液化油渣萃取性能的影响

针对煤液化油渣如何高效萃取的问题,选择脂肪烃、芳烃、含氧化合物和模拟焦化苯等不同性质的萃取剂对煤液化油渣进行萃取,考察了萃取剂的溶解度参数和极性参数对煤液化油渣萃取物收率和萃取物组成的影响。结果表明:随着萃取剂溶解度和极性参数的增加,萃取物收率呈先增大后减小的趋势,萃取剂溶解度参数对煤液化油渣萃取效果的影响主要体现在其与可萃取组分溶解度参数的匹配上,萃取剂极性参数对萃取效果的影响主要体现在其对煤液化油渣缔合结构的破坏作用。当萃取剂和萃取物的溶解度参数相近时,具有较好的萃取效果,并且它们的萃取物以多环芳烃为主。而极性参数较大的萃取剂更易破坏煤液化油渣的缔合结构,进而导致丙酮、乙醇和甲醇萃取物的N和S元素含量较高。模拟焦化苯是一种萃取煤液化油渣的良好溶剂,对煤液化油渣的萃取物收率可达50%以上。

造纸黑液和煤泥制备水煤浆的技术研究

将干燥的块状煤泥研磨至不同粒度的煤粉,与造纸黑液按一定比例配制成水煤浆,考察其综合性能指标.当黑液添加量为7.2%,煤粉粒度小于160目时,制备的水煤浆浓度为67.44%,流动性为A级,稳定性达到20d保持良好.改变黑液的pH值,研究其配制的水煤浆,发现废液pH对水煤浆的成浆性没有太大的影响.由于造纸黑液中含有大量有机质,因此还可提高同等条件下水煤浆的燃烧热值.利用GB 213-87测定所制备水煤浆的恒容高位发热量为21.63MJ/kg,低位发热量为15MJ/kg.