煤化工水处理污泥的组成、结构特征及热转化性能

以新疆宜化污水处理厂化学软化工段污泥为研究对象,对样品进行形貌(SEM)、灰成分(XRF)、晶相结构(XRD)和官能团特征(FTIR)分析,并基于热重方法(TG-DTG)测试样品在惰性气氛和氧化性气氛下的热转化性能。结果表明:污泥呈片层状结构,主要由灰分(66.19%)组成,水分也较高(14.34%),具有一定的挥发分(17.38%)。污泥中的氧化物主要为P_(2)O_(5)、Ca O、Fe_(2)O_(3)和MgO等,主要结晶组分为磷酸盐,还有少量的C_(2)H_(5)N_(3)O_(2)。污泥热化学转化性能测试显示:在惰性气氛下的热解失重率为35.48%,主要归因于污泥中小分子或有机质的分解;在氧化性气氛下的燃烧失重率为34.75%,主要是污泥中有机质的氧化所致。基于Coast-Redfern模型的燃烧动力学拟合发现:污泥样品第四阶段的燃烧反应拟合效果更好,其反应级数以3级较为适宜,活化能为301.94 k J/mol,说明污泥中磷酸盐的分解和固定碳的燃烧需要更高的能量。

准东煤燃烧过程中钠迁移转化机制研究进展

近年来,中国西部准噶尔盆地发现的大量低阶准东煤田引起广泛关注。准东煤田是中国目前发现的最大整装煤田,已探明储量3 900多亿t,足够供应中国近100 a的煤炭消耗。准东煤具有低灰、低硫、反应活性好、储量大、易开采等特点,是未来煤化工、火力发电的优质燃料。然而准东煤中含有大量碱金属钠,钠在燃烧过程中极易挥发,致使锅炉受热面极易发生沾污、结渣等问题,特别是氯化钠和硫酸钠的迁移会引起一系列灰相关的问题,严重制约了准东煤的大规模、高效清洁利用。综述了准东煤的分布及煤质特征,以及钠的赋存形态及测量方法,详细探讨了钠的内部、外部转化机理,以及煤中无机元素如硅铝酸盐、氯、钙、钾等对钠转化的影响,总结了反应条件如温度、压力、反应气氛、颗粒尺度、添加剂对钠迁移特性的影响。尽管已进行了试验、热平衡计算、模拟等多项研究,但准东煤碱金属释放及迁移引起的灰相关问题仍未从根本上得到解决,对其原因的了解还不够全面,重点回顾研究进展,揭示其形成原因。

含硒结晶盐富硒实验研究

硒对人体健康有着积极促进作用,天然盐湖产出的含硒盐硒含量达不到富硒盐标准,采用浸润法在80℃下含硒盐中分批加入浓缩含硒卤水并不断搅拌,在100℃下干燥,可明显减少团块的出现。含硒卤水加入量为10mL/100g时硒含量可达到富硒标准以上。

高热强度型煤制备机理与热转化行为研究

为了高效利用新疆地区日益增长的粉煤资源,最简单有效的解决手段是将粉煤制备成型煤,型煤的优劣可以通过冷态抗压强度和热强度进行判断。本文选取沥青渣作为黏结剂,提出了热预处理提升型煤热强度的方法,研究了工艺关键参数对热强度提升的效果和机理,并计算了型煤产品的燃烧动力学参数。研究结果表明,以沥青渣为黏结剂的冷压型煤冷态抗压强度为10.9 MPa、热强度为0 MPa;250℃热预处理后型煤的冷态抗压强度为9.8 MPa,热强度为21.5 MPa;450℃热预处理后型煤的冷态抗压强度为8.5 MPa,热强度为35.3 MPa。热预处理过程中提升了型煤内颗粒之间的固体桥联联结力,在250℃时,随着沥青渣的软化,熔融分散,再冷却形成固桥提升热强度,只发生了物理变化;在450℃时,由于热预处理导致型煤内部发生化学反应,在接触面反应完成后形成稳定的大分子结构,导致热强度提升。采用不同的机理函数对型煤的活化能、指前因子和相关系数进行计算,对比相关系数的结果显示,型煤产品的燃烧遵循二阶反应动力学。研究内容为制备高热强度型煤和完善型煤热强度提升机理提供了支撑。

鼓泡流化床准东煤与松木屑共催化气化过程中焦油的生成特性

生物质气化过程中产生的焦油不仅会影响产气热值,还会对下游管道和设备造成污染,影响可燃气的后续利用。利用催化气化工艺可有效降低气化气中的焦油质量浓度,结合煤与生物质共气化能够进一步降低焦油生成量。为获得准东煤与松木屑共催化气化过程中焦油的生成特性,借助鼓泡流化床气化炉实验装置,研究了床料种类(石英砂、白云石、煅烧白云石)、准东煤掺混比例(0,20%,40%,60%,80%,100%)、气化温度(650℃,700℃,750℃,800℃,850℃)、空气当量比(0.24,0.27,0.30,0.33,0.36)、表观气速(0.15 m/s,0.18 m/s,0.22 m/s,0.26 m/s,0.30 m/s)和气化原料粒径(347μm,513μm,715μm,1005μm,1440μm)对气化气中焦油质量浓度的影响。结果表明:与松木屑单独作为气化原料气化相比,准东煤的添加能够降低焦油质量浓度,并且不会对气化气品质造成较大影响;尤其是准东煤的掺混比例在0~40%的范围内增加时,气化气中的焦油质量浓度下降趋势明显,而CO和H_(2)的体积分数变化不大。与石英砂和白云石相比,在实验设定的六种准东煤掺混比例下,以煅烧白云石为床料的流化床共气化生成的气化气中H_(2)体积分数均最高,同时焦油的含量显著降低。以煅烧白云石为床料,在准东煤掺混比例为40%的条件下,升高温度或提高空气当量比均有利于降低气化气中的焦油质量浓度;提高流化床的表观气速或增大气化原料粒径,气化气中焦油的含量呈现出先减少后增加的现象。

准东煤分步和直接化学链燃烧特性

化学链燃烧作为高效的低碳排放燃烧技术,在提高燃料利用率和减少CO_(2)排放方面显示出其独特优势。采用Fe_(2)O_(3)/Al_(2)O_(3)载氧体,利用两段式固定床反应器开展了准东煤直接和分步化学链燃烧试验,探究了载氧体反应前后理化特性。发现准东煤热解挥发分化学链燃烧碳转化率和CO_(2)选择性随温度和载氧体与煤质量比(OC/C)增加而升高。OC/C和温度升高提高半焦化学链燃烧碳转化率,但降低CO_(2)选择性。相比煤直接化学链燃烧,在相同条件,分步化学链燃烧CO_(2)选择性大幅提高、碳转化率有所降低。反应温度800℃,分步化学链燃烧CO_(2)选择性达89.51%,相比直接化学链燃烧提升了29.18%。反应温度950℃,分步化学链燃烧碳转化率在60.40%,比直接化学链燃烧降低6.78%。与半焦反应后载氧体还原程度高于与煤热解挥发分反应后载氧体,半焦与载氧体的反应是煤化学链燃烧的限制因素之一。本研究为实现准东煤低碳清洁燃烧提供重要理论依据和技术支撑。

大型燃煤锅炉中含Na/Cl/S组分的演变与受热面结渣倾向的数值模拟

提出了一种考虑煤中含Na/S/Cl组分多步释放、气相组分相互作用、气-固反应以及盐蒸气冷凝耦合灰颗粒黏附的结焦模型,以预测炉内受热面气态碱金属组分冷凝行为、受热面结焦风险以及炉膛出口Na/S/Cl组分分布特性。结果表明:炉膛出口气态含Na组分主要以NaO_(2)、NaCl、Na_(2)SO_(4)和NaOH形式存在;最上层燃烧器至分离燃尽风(SOFA)喷口区域、最下层燃烧器至冷灰斗转角区域的水冷壁结焦风险高;炉膛出口区域后屏过热器底部颗粒黏附位置相对集中,炉内辐射式过热器结焦速率远高于气态钠盐冷凝速率,对流受热面颗粒沉积速率约是钠盐蒸气冷凝速率的3~4倍。

快速和慢速热解对棉秆生物炭理化特性及土壤持水量的影响

以新疆棉秆为原料,在300~700℃下利用快速和慢速热解方式制备了生物炭,研究了快速和慢速热解对棉秆生物炭形貌、表面官能团、pH值、元素组成的影响.利用室内土柱试验,研究了不同条件下制备的生物炭对土壤持水量的影响.结果表明:1)随着热解温度的升高,生物炭产率下降,pH值提高,孔隙度增加.快速热解生物炭具有孔隙发达、芳香性高、稳定性强的优点.2)土壤持水量随着生物炭添加量和热解温度的升高而提高.生物炭添加量为0.03 g/g时,土壤持水量分别为51.7%和49.7%,比未添加生物炭提高了32.5%和27.4%.3)添加生物炭土壤15 d后保水量仍有40.3%,远高于纯土壤,且添加快速热解生物炭的土壤保水量高于慢速热解生物炭.

NiW/SAPO-11催化剂对煤焦油加氢尾油模型化合物二十烷加氢异构性能的影响

以SAPO-11分子筛为载体,采用机械化学法制备Ni系催化剂,引入W调节其电子结构、晶粒尺寸与形态分布以及催化剂的孔结构、酸性与酸量等,基于对XRD、TEM、BET、NH3-TPD、吡啶吸附红外等结果的深入分析,探究催化剂NiW配比对催化剂性质和煤焦油加氢尾油模型化合物正二十烷(n-C_(20))加氢异构性能的影响规律。结果表明,Ni/SAPO-11负载W后,比表面积不同程度增加,W质量分数为0.5%时比表面积达到最大值149 m^(2)/g;Ni的平均粒径减小,W质量分数为1%时降至最小值4.43 nm,比Ni/SAPO-11减小36%,且Ni^(0)的含量和表面酸量均最高。此外,W促进了Ni的还原,使得还原峰温向低温方向移动。XPS分析表明,随着W含量的增加,Ni^(0)的结合能降低,W5+的结合能升高。二十烷(n-C_(20))的加氢异构产物分布显示,3Ni1W/SAPO-11作用下n-C_(20)的转化率和异二十烷(i-C_(20))的收率均最高,分别为88.23%和75.72%,且以单支链异二十烷(Mono-i-C_(20))为主,收率达71.65%。在线取样结果显示,n-C_(20)在金属位点与酸功能的双重作用下先生成单支链异构体,随着反应的进行向多支链异构体转化,不稳定的多支链异构体会进一步裂解成小分子烷烃。

新疆高碱高氯煤燃烧条件下细颗粒物生成特性研究

为比较新疆地区典型高碱煤和高氯煤在燃烧条件下颗粒物生成特性,采用三段式高温沉降炉系统开展在空气气氛下燃烧准东煤和沙尔湖煤的实验,分析燃烧后颗粒物特征。采用Dekati低压撞击器(Dekati low pressure impactor+,DLPI+)进行了颗粒物的分级收集,对其质量粒径分布、元素分布特性以及颗粒物微观形貌进行了讨论分析。结果表明:2种煤样燃烧生成的颗粒物均呈现双模态分布,沙尔湖煤的细颗粒物产率明显高于准东煤;细模态颗粒物的主要成分是Na和Cl,准东煤与沙尔湖煤产生的PM_(10)中的Cl占原煤中Cl质量的11.8%和28.9%,Na占煤灰中Na质量的2.66%和7.53%;高含量的碱金属和Cl会促进细颗粒物生成,沙尔湖原煤中的Cl大量迁徙进入颗粒物中,对细模态颗粒的生成贡献较大。

棉秆掺烧对燃煤锅炉燃烧特性影响的数值模拟研究

以某热电公司330 MW锅炉为研究对象,基于Fluent数值模拟软件对煤粉与棉秆混燃特性进行研究。以其结构参数与运行参数为依据,研究纯煤工况以及生物质不同掺烧比例、不同掺烧方式的6种工况。通过分析各个工况时炉膛的速度场、温度场、烟气组分及污染物NO的变化趋势,确定出最佳燃烧方式以提高燃煤效率,减少NO污染物排放。结果显示:相比于纯煤燃烧,掺烧棉秆后炉内主燃区温度降低,炉膛出口O_(2)含量减少,NO排放量随掺烧比例增大而减小。在掺烧方式的比较中,只在D层喷入棉秆有利于减少NO排放,其NO排放率较混合燃烧工况降低了15.2%。

粉煤灰基Y型分子筛的制备及其对CO_(2)加氢性能的研究

以粉煤灰为原料制备Y型分子筛,并探究其CO_(2)加氢活性.采用化学焙烧法活化粉煤灰,以Na_(2)CO_(3)作为化学活化剂,探究焙烧温度、焙烧时间、粉煤灰与碳酸钠的质量比对活化粉煤灰的影响,实验结果表明在焙烧温度800℃、焙烧时间2 h、粉煤灰与Na_(2)CO_(3)质量比为1.0∶0.8条件下,粉煤灰焙烧后产物以霞石为主.以洗涤后产物为原料,采用水热合成法制备Y型分子筛,探究HCl/SiO_(2)比、晶种加入量、H_(2)O/SiO_(2)比、水热温度、水热时间对分子筛结晶度影响,在HCl/SiO_(2)=2.7,晶种加入量为6%,H_(2)O/SiO_(2)=80,水热温度100℃、水热时间12 h所制备的Y型分子筛结晶度最高.将所制备的Y型分子筛进行CO_(2)加氢实验,实验结果表明在反应温度600℃,反应压力为4.0 MPa条件下,CO_(2)转化率达到60%,CH_(4)选择性达44.9%.

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。

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。

基于反气相色谱技术研究煤表面性质和热力学参数

采用反气相色谱(IGC)技术测定煤的表面性质和热力学性质。在303.15~343.15 K温度范围内,以30种有机溶剂作为探针分子,测定探针溶剂的保留体积。用Schultz和Dorris-Gray两种方法计算了煤样的表面色散自由能,结果为20.26~36.56 mJ/m^(2),并且呈现随着温度的升高而递减的趋势。计算Lewis酸碱常数得出的能够表征煤样总酸碱能力的数值KB/KA值为6.66,说明表面偏碱性。另外,测定了无限稀释活度系数γ_(12)^(∞)、质量活度系数Ω_(1)^(∞)和Flory-Huggins相互作用参数χ_(12)^(∞)、溶解度参数δ_(2)等热力学参数。结果表明,γ_(12)^(∞)随着温度的升高而下降,表明探针溶剂与煤样之间的相互作用力随着温度的升高而增强;χ_(12)^(∞)随着温度的升高而递减,可知四氢呋喃和二氯甲烷的χ_(12)^(∞)值小于0.5,Ω_(1)^(∞)值小于5,说明探针溶剂四氢呋喃和二氯甲烷是良溶剂;煤的溶解度参数随着温度的升高呈下降的趋势。为加深了解煤性质和后续浮选提质技术提供了借鉴和理论支撑。

重质油高温快速热解自动反应网络的动力学建模

重质油高温快速热解过程模型对提高产品收率、附加值及降低能耗具有重要意义。利用自动反应网络生成器RMG(reaction mechanism generator)构建重质油高温快速热解的机理模型。选择了分步构建方法,最终合并的模型包含230种物质和1468个反应。采用高频炉对二十烷、十氢萘、乙苯和不同质量比例混合物(二十烷、乙苯和十氢萘)进行快速热解实验验证,结果表明:机理模型可准确模拟出重质油高温快速热解主要气体产物生成结果,当重质油中链烷烃含量较多时和芳烃含量较多时,分别控制温度在1300℃左右和800℃左右有利于乙烯的生产。

重质油组成与结构对油煤浆流变性能的影响

新疆低阶煤和重质油资源丰富,具有广阔的煤油共液化工业前景,但重质油自身流动性差,极大地限制了煤油共液化的发展。为认识重质油组成结构对油煤浆流变性能的影响,选取5种性质差异明显的重质油和2种工业循环溶剂油,探究其与上湾煤形成的油煤浆流变性能变化规律,在此基础上通过预加氢调控减压渣油的组成结构,分析重质油组成、结构与流变性能,获得重质油组成结构对油煤浆流变性能的影响规律。结果表明,重质油本身是牛顿流体,加入煤粉后转变为假塑性流体,呈现剪切稀化特征;重质油中胶质和沥青质组分含量越高,形成油煤浆的黏度越高,体系内部的触变结构越丰富,非牛顿流体特征越明显。减压渣油稠油预加氢后,形成油煤浆的黏度显著降低,其中,380℃下预加氢2 h后制成的油煤浆黏度在135℃时降至451 mPa·s,同时油煤浆的触变特性也明显减弱。预加氢促使减压渣油中的长链断裂为短链烃,胶质和沥青质组分转化为饱和分与芳香分,从而抑制胶团的生成,降低油煤浆黏度。其中,380℃下预加氢2 h后胶质含量较未处理减少约21%,重均分子量降至1594 Da,芳香环β位的H含量增加约20%。

新疆富油粉煤快速热解特性研究

针对我国富油粉煤资源未被充分合理利用的问题,设计并搭建了一种高频炉快速热解装置,以新疆富油粉煤为原料,研究了快速热解对初始热解产物生成规律的影响。结果表明:随着热解终温和升温速率的增加,轻质可燃气体产量增加,H2摩尔分数超过45%;焦油产率提高,最高可达到煤样格金焦油产率的125%,但也伴随重质组分增加,导致焦油品质降低;GC/MS分析表明,与慢速热解相比,快速热解下焦油中长链烷烃的质量分数降低至1.33%(主要为十六烷),而多环芳烃类物质的质量分数显著增加至61.26%,焦油组分的相对分子质量和芳香性增加;通过比表面积分析发现,快速热解半焦的孔结构部分坍塌或融合,比表面积和微孔数量减少,降低了对氧气的吸附能力,从而降低了半焦自燃的可能性。

沙尔湖煤与准东煤不同温度快速热解产物特性对比研究

对沙尔湖矿区的3个煤样与准东矿区的准东煤、宜化煤、红沙泉煤6种煤样在400℃、600℃、800℃、1000℃进行快速热解反应,并对热解气体进行气相色谱分析、焦油产物进行GC-MS分析,探究温度对6种煤样热解产物特性的影响。结果表明:沙尔湖矿区3个煤样在4个温度段中的气体产物组分更丰富,在600℃下热解产生的煤焦油成分中,酚类含量最高、烯烃含量最低;准东煤、宜化煤的热解焦油中以烷烃为主;此外,沙尔湖矿区3个煤样与红沙泉煤的热解产物特性类似。

低阶煤与聚丙烯共热解协同效应分析

新疆地区煤炭储量丰富,低阶煤占比较高。其中,哈密地区的煤炭普遍具有挥发分高的特点,适宜通过热解提取其中的油气组分。然而热解焦油存在重质组分含量高、黏度大、易带尘等问题,因此如何降低焦油中重质组分含量,提升焦油品质是实现其高值化利用的关键。塑料与煤具有相似的热解温区,且塑料的H/C原子比远高于煤,其在热解过程中产生的富氢组分可促进煤的一次热解反应或抑制煤热解过程中的交联现象。煤与塑料共热解过程中,挥发物之间存在相互作用,其机制与二者接触方式密切相关。通过TG、TG-MS和TG-FTIR-GC/MS探究聚丙烯(PP)和淖毛湖煤(NMH)共热解过程中相互作用。TG-MS结果显示二者快速分解阶段主要热解温度区间基本重合,PP热解过程生成·CH_(3)。PP置于NMH上方时,二者质量比显著影响NMH热失重行为和挥发物释出规律,当NMH、PP_(exp)质量比为8:2时,正协同效应最明显。TG-FTIR-GC/MS结果显示,8NMH-2PP_(exp)热解过程中,PP热解自由基促进NMH化学键断裂,形成的相互作用改变氧的释放形式,CO和H_(2)O增加,CO_(2)减少。烯烃及醇类物质相对含量分别比理论计算值高30.58%和16.18%,CO_(2)和烷烃类分别低8.89%和14.43%。Flynne-Walle-Ozawa计算结果表明,共热解平均活化能比理论计算值低6.8 kJ/mol,与PP促进NMH挥发物的释放印证。