低阶煤与生物质在热溶剂提质萃取过程中的相互作用

作者前期工作中提出了一种针对生物质废弃物或低阶煤的热溶提质萃取方法，该方法可以在350℃下实现生物质或低阶煤的提质及多级分离，获得高附加值的萃取物。与生物质的热溶提质萃取比较，低阶煤的萃取物收率较低。本研究提出对生物质和低阶煤混合物进行热溶提质萃取，通过两者的物理化学相互作用，来提高其萃取收率。研究结果表明，对两者混合物热溶剂提质分离得到萃取物的产率及元素组成与理论计算结果略有不同，理论计算结果是假设生物质与煤之间无交互作用而得到的。煤中的矿物质对生物质热分解起催化作用，导致收率有所增加。煤、生物质及其混合物通过热溶剂提质分离得到的萃取物的元素组成、分子量分布、化学结构、热分解和热塑性非常相似。总体而言，低阶煤与生物质在热溶剂提质萃取过程的交互作用较小。但是，本研究证明了热溶提质萃取方法不仅适用于煤或生物质，也适用于它们的混合物。这意味着热溶剂提质萃取法可以在不改变任何工艺条件参数的情况下，以煤、生物质及其混合物作为原料。     

酸洗脱灰及离子交换对低阶煤热溶剂提质分离的影响

采用酸洗脱灰、酸洗和Na/Co离子交换对两种低阶煤(MM和LY)进行预处理,然后以1-甲基萘为溶剂对预处理煤进行热溶剂提质萃取,把煤分成提质煤(UC)、高分子量萃取物(deposit)和低分子量萃取物(soluble)3种主要固体组分,以及少量水和气体产物。结果表明,通过脱灰和离子交换均提高了两种萃取物的收率及碳含量,并明显促进了煤中含氧官能团的脱除。脱灰后MM煤的高分子量萃取物收率从3.5%增加到9.5%,Na离子交换LY的低分子量萃取物的碳含量高达85.3%、氧含量低于6.4%。离子交换对两种萃取物的物理化学性质有明显的影响,Na+的影响尤为显著。酸洗脱灰和离子交换对低阶煤热溶剂提质萃取有明显促进作用。     

煤液化重质产物压力流体萃取过程的研究 Ⅰ.萃取物料和溶剂的选择

实验室研究结果表明,压力流体萃取是从煤液中分离矿物质和回收低挥发度煤衍生液体产物的有效技术。在萃取氢-煤法减压蒸馏釜液或水力旋风分离器底流物时,这些重质物料可分离成灰分在0.05%以下的低灰液体产品和灰分达60%以上的富灰残渣。以溶剂精炼煤法所得的滤料作为萃取原料时,也得到了良好的结果。分别采用正壬烷、甲苯,乙苯、对二甲苯、四氢呋喃、对甲酚和吡啶作为压力流体萃取用的溶剂,在100大气压和350℃条件下萃取时,上述溶剂中芳香烃是适宜的溶剂。用甲苯、乙苯或对二甲苯萃取时,萃取物收率均非常接近于用吡啶的萃取物收率,而且比用相应溶剂在索氏萃取器中所得为高。可以设想,在压力流体萃取过程中,有一部分甲苯不溶物转化成甲苯可溶物。     

稻杆的热溶剂提质及多级分离

采用1-甲基萘(1-MN)为溶剂,在不同温度下(250、300、350 ℃)对稻秆进行热溶剂提质及多级分离,获得3种主要固体产物:低分子量萃取物(soluble)、高分子量萃取物(deposit)和萃取残渣(residue),以及少量气体产物和液体产物。对各组分的元素组成、化学结构、物理化学特性等进行了详细分析,并采用ICP-MS测定了其碱金属和碱土金属(AAEM)含量。结果发现,低分子量萃取物收率随着温度的升高而增大,350 ℃时碳基收率达到33.48%。3种固体产物的碳含量和氧含量随着温度的升高而分别升高和降低,350 ℃时soluble、deposit的碳含量分别高达82.36%、80.59%,氧含量分别低至9.50%、12.03%,稻杆原样中高达86.99%的氧以H₂O或CO₂的形式释放。soluble几乎无灰,deposit的灰含量也低于1.50%。3种固体产物的高位发热量显著高于稻杆原样。FT-IR结果表明,稻杆热溶剂处理过程中除发生了脱水反应、脱羧基反应外,还有明显的芳香化反应。soluble和deposit的Na、Mg和K含量极低,而且随温度的升高其含量逐渐降低。总之,热溶剂提质及多级分离法实现了温和条件下的生物质脱水脱氧提质,并获得低灰低氧含量、高碳含量和发热量的多种产物,此方法有较好的应用前景。     

次烟煤与木质素共热溶物的液化及其Ni-Mo-S/Al_2O_3催化剂循环利用性能（英文）

对神府次烟煤与木质素共热溶得到的四种具有不同热溶产率的热溶物进行元素分析、红外光谱、同步荧光光谱等表征,对四种热溶物和神府原煤的加氢液化性能进行比较,并进行了催化剂在热溶物液化过程的循环利用性能研究。结果表明,神府煤热溶物较同一温度得到的神府煤与木质素共热溶物具有更多的芳香组分和四环及其以上的多环芳烃。热溶物较神府原煤在液化时具有更高的转化率和油收率。在催化剂Ni-Mo-S/Al2O3作用下,热溶物在液化过程中几乎全部转化,并具有很高的油收率,且神府煤与木质素共热溶物较神府煤热溶物具有更高的油收率。在神府煤与木质素共热溶物的液化过程中,催化剂Ni-Mo-S/Al2O3表现出优异的可循环利用性能,经过四次循环利用后没有观察到催化剂表面的炭沉积现象。     

次烟煤与木质素共热溶物的液化及其Ni-Mo-S/Al2O3催化剂循环利用性能

对神府次烟煤与木质素共热溶得到的四种具有不同热溶产率的热溶物进行元素分析、红外光谱、同步荧光光谱等表征,对四种热溶物和神府原煤的加氢液化性能进行比较,并进行了催化剂在热溶物液化过程的循环利用性能研究。结果表明,神府煤热溶物较同一温度得到的神府煤与木质素共热溶物具有更多的芳香组分和四环及其以上的多环芳烃。热溶物较神府原煤在液化时具有更高的转化率和油收率。在催化剂Ni-Mo-S/Al₂O₃作用下,热溶物在液化过程中几乎全部转化,并具有很高的油收率,且神府煤与木质素共热溶物较神府煤热溶物具有更高的油收率。在神府煤与木质素共热溶物的液化过程中,催化剂Ni-Mo-S/Al₂O₃表现出优异的可循环利用性能,经过四次循环利用后没有观察到催化剂表面的炭沉积现象。     

钾元素对生物质及其三组分热解的影响

采用机械混合法将KCl加入到纤维素、半纤维素、木质素以及稻壳和稻壳模拟物等生物质中,得到了一系列不同K含量的生物质样品,通过热重(TG)实验考察了K元素对生物质热解特性的影响.结果表明,K元素对生物质三组分热解特性的影响比较复杂,纤维素的最大热解失重速率随着KCl添加量的增加而降低,但KCl对半纤维素和木质素热解特性的影响不显著.无论是否添加KCl,模拟生物质的热解特性均可以认为是三组分热解的简单叠加.但酸预处理稻壳三组分间的稳定结构,导致其DTG曲线在300 ℃左右的热解峰由稻壳模拟物的尖峰变为肩峰,其热解焦炭收率也比稻壳模拟物的略低.此外,实验还采用浸渍法向酸预处理稻壳中添加了KCl.TG实验结果表明,K元素的存在对生物质热解具有一定的催化作用,但KCl的添加方式不同,生物质的热解特性有明显差别,生物质样品经机械混合添加KCl后,其热解焦炭收率呈下降趋势(纤维素除外),浸渍法添加的KCl导致酸预处理稻壳的最大热解失重速率和焦炭收率升高.     

两种不同还原性次烟煤可溶有机质分子组成差异

本研究首先利用等体积二硫化碳/丙酮溶剂对弱还原性淖毛湖次烟煤（NS）和强还原性不连沟次烟煤（BS）进行萃取得到萃取物和萃余物（ERs）,再利用环己烷和甲醇对ERs进行连续热溶得到热溶物（SPs）。NS和BS的萃取物产率分别为10.6%和8.0%,在300℃下NS和BS热溶物的总收率分别为36.3%和11.5%,这说明NS中存在更多可溶有机质。NS和BS萃取物中化合物均以芳烃为主。与BS相比,NS热溶物中脂肪烃和酚类的相对含量明显较高,萃取物中化合物的相对分子量分布范围较宽,而热溶物中化合物的相对分子量分布范围较窄。     

两种不同还原性次烟煤可溶有机质分子组成差异（英文）

本研究首先利用等体积二硫化碳/丙酮溶剂对弱还原性淖毛湖次烟煤(NS)和强还原性不连沟次烟煤(BS)进行萃取得到萃取物和萃余物(ERs),再利用环己烷和甲醇对ERs进行连续热溶得到热溶物(SPs)。NS和BS的萃取物产率分别为10.6%和8.0%,在300℃下NS和BS热溶物的总收率分别为36.3%和11.5%,这说明NS中存在更多可溶有机质。NS和BS萃取物中化合物均以芳烃为主。与BS相比,NS热溶物中脂肪烃和酚类的相对含量明显较高,萃取物中化合物的相对分子量分布范围较宽,而热溶物中化合物的相对分子量分布范围较窄。     

两种煤的次氯酸钠水溶液降解产物的分离与分析

两种煤于温和条件下在次氯酸钠水溶液中进行降解,所得水溶液经酸化后,水溶物依次用乙醚、CS2、石油醚、乙酸乙酯和苯进行分级萃取,萃取物经重氮甲烷酯化后用GC/MS分析。结果发现氯代物、脂肪酸和芳酸是煤的NaOCl水溶液降解的典型化合物,不同极性溶剂分级萃取可以实现产物的初步族组分分离。通过该研究建立煤的次氯酸钠氧化反应混合物有效分离和分析的方法,为煤的高附加值利用提供有效的途径。     

Separation and analysis of the degradation products of two coals in aqueous NaOC1 solution

两种煤于温和条件下在次氯酸钠水溶液中进行降解,所得水溶液经酸化后,水溶物依次用乙醚、CS2、石油醚、乙酸乙酯和苯进行分级萃取,萃取物经重氮甲烷酯化后用GC/MS分析.结果发现氯代物、脂肪酸和芳酸是煤的NaOCl水溶液降解的典型化合物,不同极性溶剂分级萃取可以实现产物的初步族组分分离.通过该研究建立煤的次氯酸钠氧化反应混合物有效分离和分析的方法,为煤的高附加值利用提供有效的途径.     

神府煤煤岩显微组分的浮选分离及富集物的低温热解产物特性研究

研究了神府煤煤岩显微组分的浮选法分离及富集物的低温热解产物特性,考察了矿浆pH值对浮选分离效果的影响,探讨了显微组分富集率对低温热解产物收率的影响,对比分析了显微组分富集物低温热解产物特性,为煤岩显微组分的分级利用提供理论指导。结果表明,调节矿浆pH值可控制煤岩显微组分的分离效果;煤样中镜质组含量越高,低温热解的焦油收率越高,而惰质组含量越高,焦油收率越低,半焦收率越高;镜质组富集物低温热解后半焦表面出现明显的大孔和裂隙,惰质组富集物低温热解后半焦的结构更加疏散、易碎,小颗粒增多;神府煤及各显微组分富集物低温热解焦油中酚类物质的相对含量较高,镜质组富集物热解焦油中的酚类、萘类和链烃类物质含量高于惰质组,而惰质组富集物焦油中多环芳烃类及苯类相对含量较高;神府煤及各显微组分富集物低温热解气的主要成分为CH4、H2、CO、CO2及少量C2~5碳氢物,镜质组富集物热解气中CH4、H2及C2~5的相对累积产率高于惰质组,而CO和CO2产率低于惰质组,原煤热解气中CH4和H2的相对累积产率高于镜质组和惰质组。     

煤焦与生物质焦共气化反应特性研究

以晋城无烟煤和生物质(肉骨粉Meat and Bone Meal:MBM)为原料,在固定床上采用快速热解法制备了煤和生物质焦样。采用扫描电子显微镜结合X射线能谱分析仪(SEM-EDX)分析了煤焦和MBM焦的表面形态和组成;在热天平上采用等温热重法进行了煤焦/MBM焦混合物的水蒸气气化研究。实验结果表明,煤/MBM焦混合物的共气化实验碳转化率高于两者不存在协同作用时的计算值,这是由于MBM焦含有较多的Na、Ca等元素,这些物质对煤焦气化起到了催化作用。当对MBM焦进行脱灰处理后,其气化反应性显著下降。混合物中MBM焦的质量分数在20%~80%时,随着MBM焦含量的增加,混合物中的煤焦反应性相应提高。     

Co-gasification properties of coal char and biomass char

以晋城无烟煤和生物质(肉骨粉Meat and Bone Meal∶MBM)为原料,在固定床上采用快速热解法制备了煤和生物质焦样.采用扫描电子显微镜结合X射线能谱分析仪(SEM-EDX)分析了煤焦和MBM焦的表面形态和组成；在热天平上采用等温热重法进行了煤焦/MBM焦混合物的水蒸气气化研究.实验结果表明,煤/MBM焦混合物的共气化实验碳转化率高于两者不存在协同作用时的计算值,这是由于MBM焦含有较多的Na、Ca等元素,这些物质对煤焦气化起到了催化作用.当对MBM焦进行脱灰处理后,其气化反应性显著下降.混合物中MBM焦的质量分数在20％～80％时,随着MBM焦含量的增加,混合物中的煤焦反应性相应提高.     

混合溶剂超临界萃取大柳塔煤的研究

在一半连续装置上考察了以甲苯为主体的混合溶剂在超临界状态下对神府煤田大柳塔煤的萃取结果，得到了萃取物和气体生成速率随温度的变化关系，并与甲苯为溶剂时的萃取结果作了比较。实验结果表明，萃取过程中萃取物生成速率随温度的变化与煤热分解时失重速率变化相似。煤在各溶剂中的膨润比与其对应的萃取转化率无明确的相关关系。动力学处理结果表明，甲苯及其混合溶剂对大柳塔煤的萃取过程在宏观上都可分两段用二级反应来描述，其分界点在３３０℃左右。低温区表观活化能为２～２８ｋＪ／ｍｏｌ，高温区为１２０～１８５ｋＪ／ｍｏｌ。     

昭通褐煤氨解可溶化转化及热溶物中氧和氮的赋存形态

褐煤碳含量高且富含氧、氮等杂原子,是制备炭材料的重要原料。但由于褐煤可溶有机碳含量低,杂原子分配无规律,导致以褐煤为原料制备炭材料面临诸多挑战。因此,亟需实现褐煤的可溶化转化。本研究以氨水为溶剂,旨在温和条件下,同步实现昭通褐煤的可溶化和褐煤热溶物中氧和氮的调控。实验结果表明,在氨水质量分数15%、温度160℃条件下反应3 h,热溶物收率最高为76.66%,昭通褐煤表现出良好的热溶效果。基于对热溶物的表征和分析,发现氨解在一定程度上改变了煤中的大分子结构,表现为氨基与羟基置换,或与部分羧基、羰基直接反应生成有机态氮。对比发现,原煤中氮元素赋存形态以季氮和吡咯氮为主,而可溶物中氮元素赋存形态以氨基氮和吡啶氮为主,表明褐煤氨解热溶过程产生了氨基或酰胺基。     

平朔煤和生物质共热解实验研究

利用热重分析技术对平朔煤、生物质及两者混合物的热解特性进行了研究,考察了生物质掺混比例对平朔煤热解的影响。结果表明,不同掺混比例下生物质与平朔煤共热解时,平朔煤的挥发分析出温度和最大热解速率对应的温度呈现出规律性变化。将混合样品热解时的实际失重速率曲线与按比例折算后的曲线进行对比,发现实际失重速率曲线与折算曲线有所偏差,并不是平朔煤与生物质热解失重速率的简单加和,说明混合热解过程中有协同作用。同时,利用Coats-Redfern法,对平朔煤、生物质及两者混合物的热解主要阶段用一级反应过程描述,计算其动力学参数,发现反应活化能E和指前因子A随着生物质掺混比例不同呈现出规律性变化,对其规律进行了机理分析,证明了掺混生物质对平朔煤热解起到了促进作用,认为平朔煤与生物质共热解过程存在协同效应。     

白音华褐煤可溶有机质的组成和结构特征

依次采用石油醚、环己烷、二硫化碳、丙酮、甲醇和等体积的丙酮/二硫化碳混合溶剂对白音华褐煤(BL)进行分级萃取得到萃取物(E_1-E_6),利用甲醇、甲苯和等体积的甲醇/甲苯混合溶剂对萃取残渣进行连续热溶得到热溶物(SP_1-SP_3)。利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、气相色谱质谱(GC/MS)和实时直接分析-质谱(DART-MS)对萃取物和热溶物的组成和结构特征进行了分析。BL总的萃取物产率和热溶物产率分别为9.37%和21.84%。E_5和E_6的FT-IR谱图中有较强的羟基吸收峰,而E_1的FT-IR谱图中脂肪C-H的伸缩振动峰强度明显高于其他萃取物;三种溶剂热溶物的FT-IR谱图相似,但SP_1和SP_3的FT-IR谱图中羟基吸收峰较强。E_1和E_5中GC/MS可检测化合物分别以烷烃和芳烃为主,E_5中还含有较多的含氧化合物;三种热溶物中化合物均以烷烃和芳烃为主,SP_3中酚类、酮类和酯类等含氧化合物的含量较高。DART-MS可检测出萃取物和热溶物中GC/MS无法检测出的较强极性和难挥发化合物;热溶物中含量较高的化合物的碳数和等价双键数(Double bond equivalent,DBE)分别集中分布在10-25和2-16,并且DBE随碳数增加而增加。     

先锋褐煤热溶及热溶物红外光谱表征

利用高温热溶装置研究了不同溶剂中先锋褐煤热溶性能,并对热溶物和热溶残煤分别进行了红外光谱表征。结果表明,先锋褐煤以化学交联大分子结构为主,非共价键缔合低分子化合物含量较低;虽然高温热溶可以显著提高热溶效率,300℃甲苯和四氢萘溶剂中热溶率达到20.7%和21.3%,但是以热断裂煤结构中的非共价键作用,促进低分子化合物溶解为主;300℃热溶过程中不存在明显热解反应,供氢溶剂及氢键型溶剂作用不明显;先锋褐煤热溶物中含有丰富的脂肪结构和羧酸酯,羟基和芳香结构含量较低;热溶溶剂明显影响热溶物结构与组成。
     

盐酸酸洗对油页岩小分子溶出行为的影响

以广东茂名和辽宁抚顺油页岩为样品,对其进行盐酸酸洗,利用两种溶剂二氯甲烷和四氢呋喃对酸洗前后的油页岩进行索氏萃取,并利用GC/MS对萃取液进行分析,得出两种溶剂在酸洗前后萃取到的物质种类。研究油页岩在有机溶剂萃取条件下,小分子化合物的溶出规律。结果表明,酸洗更有利于油页岩中的小分子溶出,可以提高萃取率。酸洗对于萃取物组分中的烷烃化合物组分影响较小而对含氧小分子化合物组分影响相对较大。对比同一样品酸洗前后的萃取液,一些重复出现的物质的相对含量或检出物的个数发生了变化。二氯甲烷的溶出物主要是烷烃,四氢呋喃的溶出物主要是含氧小分子化合物。