高硫煤热解过程活性氢/氧对有机硫变迁行为影响研究述评

随着优质煤资源的消耗,高硫煤的清洁高效转化备受关注,尤其是高硫炼焦煤中有机硫的调控至关重要。煤热解过程中,有机硫的变迁始于煤大分子结构中C–S键的断裂和含硫自由基的稳定,活性氢/氧是影响其转化赋存形态的重要因素。研究表明,煤在富氢/氧氛围下热解或与生物质、含氧有机物共热解的体系中,含有的活性氢/氧可弱化有机硫的C–S键,促进其断裂并及时结合生成的含硫自由基,促进煤中硫分向气相变迁,减少了含硫自由基与煤基质的二次反应。同时,高挥发分煤与高硫煤共热解过程中,相对丰富的挥发分中的活性氢/氧也会影响高硫煤中有机硫的变迁,降低焦炭中的硫含量,这为煤中硫分定向调控提供了理论基础。     

生物质组分及温度对闪速热解挥发分的影响

生物质是一种可再生、污染小的自然资源，它可以直接燃烧产生热能，也可以转化为气体、液体燃料或化工原料。生物质热转化技术近年来受到国内外学者的广泛重视。而热转化过程中，热解是第一步，与生物质组分、热解温度、滞留时间等因素有关。热重仪（TGA）是一种研究热解机理常用的方法，它适用于慢速程序升温的热解研究。研究发现，热解条件及生物质种类对反应表观活化能与表观频率因子等动力学参数有很大影响。层流炉闪速加热设备，已经用于煤的热解研究。本文利用自己设计的以热等离子体为热源的层流炉系统，对椰子壳、棉花秆和稻壳粉末进行了闪速热解实验研究及模型理论分析，探讨了生物质化学组分、热解温度和滞留时间对挥发分的影响，为生物质闪速热解提供了一定的基础数据。     

复杂多相体系煤加氢液化反应与氢传递的研究

研究新疆淖毛湖煤(NMH)在四氢萘为溶剂条件下的加氢液化反应行为,探究了液化过程氢传递规律,并借助XRD、饱和磁化强度和扫描电镜表征手段,研究了煤液化条件下铁系催化剂的相态变化对煤液化性能的影响。结果表明,NMH煤在420℃、17 MPa就具有良好的液化效果;催化剂的活性态Fe7S8在煤液化反应初期发挥了催化作用,加氢液化后期,转变为非活性态Fe_9S_(10)和FeS;提高催化剂加氢活性并延长反应时间有利于沥青烯和前沥青烯加氢轻质化;催化剂有利于活化气相氢向煤的热解产物和溶剂转移,也有利于活化溶剂中的氢向煤的热解产物转移;溶剂对液化反应的活性氢贡献更大,约为气相氢的两倍,气相氢向溶剂传递的氢量随温度的升高、压力的增大和时间的延长变化不大,气相氢和供氢溶剂供氢与煤和沥青质向油气转化呈正相关。     

水热炭化生物质与煤共热解和共气化特性研究

煤和生物质共热化学转化有助于当前化石能源系统的低碳化发展。本研究以烟煤和木质生物质为原料,研究煤和生物质共热解和共气化特性,并考察了不同水热炭化温度和生物质掺混比的影响。利用热重分析仪和在线质谱分析共热解和共气化的协同作用和氢气释放特性。采用Model-fitting方法,单独分析热解和气化阶段的整体反应动力学。结果表明,煤和生物质共气化阶段的协同作用显著强于共热解阶段。生物质比例越高,共气化协同作用越明显,水热炭化会削弱共气化的协同作用。共热解过程,H₂的产生受抑制。共气化过程可采用一级模型描述,而共热解过程需遵循n级反应模型。未处理的或轻度水热炭化的生物质与煤的混合物,共热解整体活化能和反应级数大于加权平均值,而其共气化的活化能变化趋势相反。重度水热炭化生物质与煤的混合物,共热解和共气化的活化能均接近加权平均值。     

煤的热解动力学研究

热解是煤燃烧、气化和液化等热加工工艺中的基本过程之一,也是成煤过程中的基本环节。因此,研究煤的热解不仅为煤的热加工过程提供科学依据,也能为加深煤化学研究提供重要信息。溶剂抽提既是研究煤化学的重要方法,也是提取某些重要化工原料和燃料油的的重要加工过程,同时还可为抽余煤的合理利用提供必要的基础数据。     

热预处理影响褐煤热解行为研究

采用固定床反应器研究了不同气氛热预处理对内蒙胜利褐煤结构的改变,及其对后续热解行为的影响。结果表明,与原煤相比,热预处理后煤中羟基含量和芳香氢与脂肪氢的比减少,脂肪氢的相对含量增加。与未经处理的煤热解相比,N2、N2+O2、CO2气氛下热预处理后热解水收率下降,热解气收率增加,热解气中CO2含量增高,导致高位热值下降。过热水蒸气热预处理后,焦油质量收率提高3～4个百分点。热解焦油组成的变化与预处理气氛、温度密切相关,过热水蒸气200℃下预处理使得焦油中轻质组分的含量(沸点低于360℃的馏分)比原煤焦油提高了约27个百分点;水蒸气和模拟烟气混合气氛下在200℃及250℃预处理后,其热解焦油中轻油和酚油含量分别提高约60和42个百分点。     

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CO₂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。     

酸洗脱矿对胜利褐煤热解过程中N迁移转化的影响

在石英管流化床反应器中对胜利褐煤进行快速热解实验,考察了773~1 173 K下酸洗脱矿对胜利褐煤热解过程中N迁移转化规律的影响。通过比较原煤和酸洗后煤中N的不同逸出规律可以得出,影响酸洗前后胜利褐煤热解过程中N迁移转化规律的主要是碱金属Na及碱土金属Ca;热解过程中,煤中的Na和Ca促使煤中的N向NH3转化并有效抑制了HCN的生成,金属离子的存在对催化焦油N转化为NH3的作用较为明显;原煤中的碱金属和碱土金属的赋存使半焦裂解反应加剧,降低了固体半焦的产率,半焦N的产率也随之减少;与原煤相比,酸洗煤热解半焦中的吡啶型N(N-6)含量较多,而吡咯型N(N-5)和季N(N-Q)相对较少。     

吡啶预处理抑制煤热解过程中交联反应的研究

采用吡啶蒸气、吡啶溶液两种溶胀方式对伊泰褐煤进行了预处理,用热重结合在线质谱仪考察了两种处理方式对煤热解过程中交联反应的抑制效果。结果表明,两种预处理方法对煤热解过程的交联反应都有不同程度的抑制,但其作用温度和机理不同。吡啶蒸气预处理可能通过与煤形成N—OH氢键、断开煤本身含氧官能团之间的氢键,从而在400℃以前抑制煤本身含氧官能团之间的氢键交联反应;吡啶溶液预处理主要是通过改变煤的结构,减少煤小分子同大分子网络结构之间缔合,提高氢的传递效率等因素来抑制小分子同煤大分子网络结构及其热解过程中间碎片之间的交联反应。     

煤与废塑料共焦化基础研究Ⅲ. 协同作用的热重研究

采用加压热天平研究煤与废塑料共焦化过程中,不同废塑料对太钢焦煤的热解行为,以及德国废塑料对不同煤种的热解行为的影响。认为不同的废塑料对太钢焦煤热重行为的影响不尽相同;不同的煤种在与德国塑料共热解时的协同作用也不相同,德国废塑料与焦煤的相互作用更大些。共热解中废塑料与煤的协同作用受煤与废塑料二者之间的热解温区、失重峰温、失重速率的重叠程度及煤所形成的胶质体数量的影响。废塑料与煤之间的相互作用使得两者     

煤高温快速热解规律研究

利用高温滴管炉在1000℃～1400℃考察了彬县烟煤在高温快速热解过程中失重的变化,同时比较了埃塞俄比亚褐煤和晋城无烟煤的热解规律。结果表明,热解失重率随温度的升高而增加,而且各种煤种的最大失重率在高温下大于工业分析的失重率。对于不同变质程度的煤种其热解特性也不相同,较低的热解温度对高阶煤的影响较小。彬县原煤经过热解后比表面积增加,且随着热解温度的提高而增大,当热解温度超过灰熔点时,总比表面积降低。通过数据回归,得到了三种煤的失重率和热解温度的关联式。     

低煤级煤热解H2生成动力学及其与第一次煤化作用跃变的关系

用开放体系的热重-质谱联用仪(TG/MS)研究了7种低煤级煤的热解特征、H2的生成动力学特征以及它们与第一次煤化作用跃变的关系. 结果显示, 煤热解失重率在碳含量(Cdaf)为80%(质量分数)和镜质组最大反射率(R0max)为0.60%附近发生转折; 氢气生成的特征温度参数以及动力学参数均在Cdaf为80%(R0max为0.60%)左右表现为最低; 氢气的总产率在此处最大. 这些特征参数的极值点刚好与第一次煤化作用跃变点一致, 说明这些参数可以反映第一次煤化作用跃变的发生. 结合傅立叶变换红外(FTIR)光谱法获得的煤结构特征, 对影响机制进行了分析解释, 认为是由以下3个方面的原因导致的: (1)煤中脂肪类含氧官能团的演化特征; (2)可溶有机质的低温热缩聚作用; (3)有机质的“两极分化”作用.     

氢气压力对煤加氢反应影响的热重-气相色谱实验研究

采用加压热重分析仪和气相色谱仪联用的方法研究了府谷烟煤和海拉尔褐煤加氢反应过程中的失重规律和主要气体产物析出规律,升温速率15℃/min,压力0.1~5.0MPa,反应终温1000℃。实验结果表明,煤粉加氢反应主要分为初始干燥脱气、热分解及挥发分加氢,半焦加氢气化和焦炭加氢气化四个阶段。氢气压力的提高促进了挥发分自由基的加氢反应,抑制了含氧官能团脱除形成碳氧化物。在热分解及挥发分加氢阶段,府谷烟煤失重速率随氢气压力的升高而减小,氢气压力对海拉尔褐煤失重速率的影响不大。在半焦加氢气化阶段,CH₄生成速率随氢气压力的升高而增大,当氢气压力较高时(3~5MPa),海拉尔褐煤CH₄生成速率随氢气压力的升高不再增大。海拉尔褐煤O_daf较高,其半焦中含氧官能团提供的活性位较多。府谷烟煤H/C原子比较高,能提供更多的内部氢。府谷烟煤和海拉尔褐煤焦炭加氢反应动力学参数分别为k₀=2.38×10⁷ (min^-1·MPa^-1),E=231kJ/mol,n=1和k₀=2.64×10³ (min^-1·MPa^-0.736),E=127kJ/mol,n=0.736。     

粒径对不同煤阶煤焦气化反应活性的影响研究

选取气流床气化炉所使用不同煤阶的八种煤焦,通过多级筛分制得单分散煤粉样本,利用热重分析仪考察了气化温度、煤焦粒径对不同煤阶煤焦CO_2气化反应的影响。对比了不同碳转化率阶段下的反应差异,并讨论了高碳转化率阶段的情况。研究表明,随着煤阶的升高,煤焦碳微晶结构更为有序,其气化活性也随之降低。煤焦粒径对气化反应的影响与煤阶有关。对于无烟煤,平均粒径300μm的无烟煤煤焦转化率达到95%所需时间可达40μm煤焦的7倍;对于褐煤与烟煤,由于其孔隙结构较为发达,粒径变化对煤焦气化活性的影响并不明显。综合煤阶、气化温度、煤焦粒径对气化反应活性的影响发现,相较低阶煤,提高气化温度、减小煤焦粒径能够更有效地提升高阶煤气化反应活性。     

几种烟煤及其热处理后的溶胀性能研究

研究了四种不同变质程度烟煤及其二硫化碳/N-甲基-2-吡咯烷酮（CS2/NMP）混合溶剂(1∶1,vol)的抽提物在不同溶剂中的溶胀性能，同时考察了四种煤样不同温度热处理后其溶胀性能的变化。结果表明，煤的溶胀率随煤化度增加而有所降低;变质程度较低的烟煤在极性溶剂中的溶胀率大于非极性溶剂，随着煤化度的增加，两者溶胀度差距减小;四种烟煤经混合溶剂抽提后，其抽余煤的交联密度降低，溶胀率增加。四种煤样150℃热处理后在CS2中的溶胀率均有所增加，表明热处理可以降低煤的交联密度。随着热处理温度提高至240℃，除气煤外，其余三种煤样在NMP和CS2中溶胀率均进一步增大，说明其交联密度进一步降低。这一结果与热处理煤样在混合溶剂中抽提率的变化趋势一致，如240℃热处理后瘦煤的抽提率由原煤的6.9%提高到17.3%。红外光谱研究表明，经过适当温度的热处理，可以脱除煤分子中的羰基和羟基等含氧官能团，破坏煤结构中的氢键，从而降低煤的交联密度，提高煤的溶胀率及其在混合溶剂中的抽提率。     

加压下煤的着火特性的研究 Ⅱ.煤及煤焦性质的影响

在加压条件下,研究了煤化程度、煤的岩相成分、煤焦及其制备方法、添加催化剂等与着火特性的关系。随煤化程度增加,煤的着火点和燃烧时间随之增加。所研究煤中镜质组的着火点高于丝质组的,而快速成焦后丝质组焦的着火点高于镜质组的。快速干馏焦的着火点显著地低于慢速干馏焦的,且煤焦着火温度随干馏温度增加而下降。在无烟煤及煤焦中添加催化剂K,Na碳酸盐后,可使着火点下降。     

Hydrogen Bonds in Coal -The Influence of Coal Rank and the Recognition of a New Hydrogen Bond in Coal

By means of in-situ diffuse reflectance FTIR.The IR spectra of 6 coals with different ranks were obtained from room temperature to 230℃.A new curve fitting method was used to recognize the different hydrogen bonds in the coals.and the influence of coal ranks on the distribution of hydrogen bonds(HBs) in the coals and their thermal stability were discussed.The results show that there is another new HB(around 2514cm^-1) between the-SH in mercaptans or thiophenols and the nitrogen in the pyridine-like compounds in the coals.and the evidence for that was provided.The controversial band of the HB between hydroxyl and the nitrogen of the pyridine-like compounds was determined in the range of 3028-2984cm^-1,and the result is comsistent with but more specific than that of Painter et al.It was ound that the stability of different HBs in the coals is influenced by both coal rank and temperature,For some HBs.the higher the coal rank,the higher the stability of them.Within the temperature range of our research,the stability of the HB between the hydroxyl and the π bond increases to some extent for some coals at temperatures higher than 110 or 140℃.     

镜煤抽提物热解特性的实验研究

采用热重分析仪和热解/红外联用仪（Py-FTIR）考察了镜煤四氢呋喃抽提物的热解过程。热重的研究结果表明：抽提物的热解失重行为与镜煤的热解失重行为有很大不同，前者有两个明显的DTG峰，190 ℃左右时出现一个DTG峰，在439 ℃出现第二个DTG峰，与镜煤相比，抽提物的失重速率显著高于镜煤，且最大失重峰向低温区移动。抽提物的热解产物中脂肪烃的释放量多于镜煤，而且脂肪烃类产物释放的温度区间小，说明脂肪烃的释放更集中和快速，但是甲烷的生成量明显少于镜煤；抽提物热解产物中有少量的CO2生成，几乎没有产生CO。     

煤热解过程中含氮产物的析出及金属离子的催化特性研究

选择3种典型煤种为研究对象,通过脱灰和添加含Fe、Ca、Na等金属盐,研究煤热解过程中金属离子对含氮气相产物析出特性的影响以及与煤种和温度的交互关联。结果表明,脱灰煤HCN和NH3的产率均比原煤样下降,而随温度的升高HCN的产率逐渐增大,NH3的产率则先增加后减小,在800℃有最大值。金属离子对不同变质程度煤的含氮气相产物析出的催化作用不同;Fe和Na抑制中等变质程度煤HCN的析出,而对低变质程度煤起促进作用,Ca则对HCN的析出均有一定的促进作用。而对于NH3的形成,3种离子均对中等变质程度煤有抑制作用,而对低变质程度的煤则有促进作用。不同金属离子对HCN和NH3析出的催化作用均有一定的范围。煤热解时含氮气相产物的析出是煤中固有多种金属离子共同作用的结果。