煤液化残渣的性质及应用现状

煤液化技术可以将煤炭能源转化为高效清洁的液体燃料,但同时伴随着大量副产物的生成.煤液化残渣是煤液化技术的主要副产物,占原煤总量的30%.煤液化残渣的高附加值利用不仅可以降低煤液化过程的生产成本,还可以减少对环境的污染,是完善煤液化技术的一个重要组成部分.本文在介绍煤液化残渣成分和特性的基础上,阐述了煤液化残渣的传统应用现状,重点关注以煤液化残渣为前驱体制备碳材料的研究进展.     

离子液体溶胀对煤直接液化残渣结构及热解性能的影响

采用四种相同阴离子不同有机链长阳离子的离子液体([EMIM][MeSO_4]、[BMIM][MeSO_4]、[HMIM][MeSO_4]和[OMIM][MeSO_4])对煤直接液化残渣(DCLR)进行溶胀处理,通过SEM、FT-IR和TG-DTG表征,分析了各离子液体溶胀对煤直接液化残渣溶胀效果、表面形貌、官能团分布、主体结构和热解性能的影响。溶胀结果表明,不同链长离子液体对煤直接液化残渣具有不同的溶胀效果,[HMIM][MeSO_4]对残渣溶胀效果最好,其溶胀度高达1.78。FT-IR表明,不同链长离子液体会不同程度地破坏煤中C-H键,使得脂肪族和芳香族类化合物的相对含量有所差异。由TG-DTG可知,不同链长离子液体溶胀对残渣热解性能的影响具有较大差异,其中,以离子液体[OMIM][MeSO_4]溶胀对残渣的热解最为有利,失重率高达47.5%;而离子液体[BMIM][MeSO_4]溶胀在一定程度上抑制了残渣的热解,其失重率低于未经溶胀处理的残渣。基于Coats-Redfern法的热解动力学分析表明,煤直接液化残渣及其溶胀残渣在低温段(180-480℃)的热解过程均符合二级反应动力学,高温段(480-825℃)均以三级和四级反应动力学为宜。另外,不同链长离子液体溶胀处理明显改变了残渣的热解活化能,其链越长残渣的热解活化能越高。     

神东煤液化残渣显微组分的特征与分类研究

在PSU处理能力为0.1t/d的小型连续液化装置上对神东煤进行了加氢液化试验，对其液化残渣进行了显微光学研究。结果表明，在液化过程中，原料煤中的壳质组和镜质组全部转化，惰质组部分转化，在残渣中可见未反应的惰质组，同时在残渣中出现中间相小球体和半焦等新生组分。矿物质大量富集，并基本保持煤中原有的形态特征。THF处理后残余惰质组反射率在2.0%~3.8%，略高于煤中高反射率惰质组反射率，煤中高反射率惰质组是残余惰质组的主要来源。     

煤直接液化残渣焦CO2气化反应的研究

比较了流化床条件下神华煤及其直接液化残渣焦在CO2气氛中的气化反应性，考察了添加液化催化剂、脱除矿物质以及脱除重质油对煤直接液化残渣气化反应的影响规律。结果表明，残渣焦的气化反应性比原煤焦好，残渣焦在1000℃和1100℃的气化反应性指数为0.135和0.290，而原煤焦的则为0.118和0.200。脱灰后残渣焦气化反应性低于脱灰后的煤焦，说明直接液化反应后剩余的难液化物质的气化反应性低于煤焦；未经脱灰处理的残渣焦气化反应性高于煤焦，反映了液化过程中富集的矿物质及铁系催化剂的催化气化活性。脱除残渣中的重质油会降低残渣焦的气化反应性。     

增容剂对煤直接液化残渣改性沥青低温性能的影响

为了评价不同增容剂对煤直接液化残渣改性沥青低温性能的影响,首先,通过正交实验确定出三种增容剂（硅烷偶联剂、苯甲醛、二甲苯）各自的最佳掺量及掺入方式;其次,采用双边缺口拉伸（DENT）试验评价加入三种增容剂后沥青的低温抗延性断裂性能;最后,结合SEM照片并利用Image Pro plus图像处理软件计算加入三种增容剂后沥青中煤直接液化残渣的分散面积比,以定量地表征三种增容剂对煤直接液化残渣改性沥青低温性能的改善效果。结果表明,加入适量增容剂在一定程度上有助于煤直接液化残渣在沥青中的分散,提高两者之间的相容性,保持煤直接液化残渣改性沥青体系的长期稳定状态,避免因煤直接液化残渣的沉淀聚集而在相界面产生应力集中,增强煤直接液化残渣改性沥青的低温抗延性断裂性能。三种增容剂对煤直接液化残渣改性沥青低温性能改善效果不同,硅烷偶联剂最优,次之为苯甲醛,最差为二甲苯。     

煤加氢液化残渣的流变特性研究

采用从煤直接液化实验装置取得的液化残渣，研究了它的流变性及温度和油、沥青质、固体含量对其流变性的影响。液化残渣是剪切变稀的非牛顿型假塑性流体，非牛顿指数随温度升高而不断减小，温度越高越接近牛顿流体行为。液化残渣对温度非常敏感，在升温过程中其表观黏度下降很快，且没有出现黏度峰。在液化残渣中加入少量的循环油后其表观黏度大幅下降；而在加入少量沥青质后则表现出低温下黏度变大，高温下黏度变小的现象；固体含量则始终是黏度增大的因素，表明其黏度与油、沥青质和固体含量关系密切。液化残渣的黏度－温度关系符合Arrhenius关系式，但在升温过程中出现了拐点，低温段的黏流活化能比高温段的要大。     

神华煤直接液化残渣水蒸气和CO_2气化反应性研究

分别对神华煤和神华煤直接液化残渣的水蒸气和CO2气化反应性进行了研究。结果表明,水蒸气气化反应中,煤半焦的反应性强于残渣半焦;CO2气化反应中,残渣半焦的反应性强于煤半焦。这主要是影响煤和残渣水蒸气和CO2气化反应性的关键因素不同。水蒸气气化反应受煤化程度的影响较大,而CO2气化反应受煤化程度的影响较小,受矿物质催化作用的影响大。     

基于Hansen溶度参数的煤直接液化残渣超临界萃取

以丙酮、 异丙醇和苯为溶剂在超临界状态下对煤直接液化残渣进行萃取, 应用溶度参数分析了超临界萃取环境中溶剂和萃取原料的变化; 基于Hansen拓展方法建立了关联Hansen溶度参数和萃取收率的理论方程. 结果表明, 临界温度较高. 以色散力溶度参数为主的苯的萃取收率明显高于其它2种溶剂; 液化残渣中可萃出组分的理想溶解度随温度的升高而增大, 该效应也是超临界溶剂萃取重质组分时萃取收率提高的重要原因; 萃取收率与Hansen溶度参数之间的回归模型与实验结果具有较好的一致性, 证明Hansen溶度参数理论和Hansen拓展方法适用于描述煤直接液化残渣的超临界萃取过程.     

神华煤直接液化残渣水蒸气和CO2气化反应性研究

分别对神华煤和神华煤直接液化残渣的水蒸气和CO₂气化反应性进行了研究。结果表明,水蒸气气化反应中,煤半焦的反应性强于残渣半焦;CO₂气化反应中,残渣半焦的反应性强于煤半焦。这主要是影响煤和残渣水蒸气和CO₂气化反应性的关键因素不同。水蒸气气化反应受煤化程度的影响较大,而CO₂气化反应受煤化程度的影响较小,受矿物质催化作用的影响大。     

合成气气氛下褐煤与生物质共液化残渣的燃烧特性

利用热重研究了不同液化条件(溶剂、温度、气氛、水分)下褐煤与生物质共液化所得残渣的燃烧特性。通过比较共液化残渣燃烧的三个特征温度,着火点、燃烧峰温和燃尽温度,对比分析了液化条件对残渣燃烧特性的影响及其原因,同时研究了残渣燃烧的动力学。结果表明,四氢萘为溶剂所得残渣的燃烧特性好于甲苯为溶剂的;360℃下所得液化残渣燃烧反应性好于420℃下的;合成气气氛下所得液化残渣燃烧反应性好于氢气气氛下的;液化过程加入水后,所得残渣的燃烧反应性降低。不同液化条件下所得残渣的加氢程度和收率不同,使残渣具有不同的H/C原子比、比表面积和灰分,从而对残渣的燃烧特性产生影响。残渣的燃烧特性符合三段二级反应,大部分残渣三段活化能遵循"高-低-高"的变化规律。     

Experimental study on interaction and kinetic characteristics during combustion of blended coals

The combustion behaviors and kinetic parameters of three parent coals (A1, A2, and A3) and their blends (A1/A2 and A2/A3) have been evaluated under oxidizing atmosphere (O₂ and N₂ mixtures), using a non-isothermal thermo-gravimetric analyzer. The aim of this study is to investigate the interaction between the blended components during the process of co-combustion, and the effects of blending ratio and oxygen concentration (10, 15, and 21%) on combustion performance of blended coals. When high reactivity and low reactivity coals are co-combusted, double peaks are observed in the DTG curves, and significant interaction occurs in the temperature range between the two peaks (T _p1 and T _p2). The activation energies obtained by Coats–Redfern method indicate that the activation energies of blended coals are lower than that of parent coals. The combustibility index S is used to evaluate the combustion performance of blended coals, and the results show the non-additive effects of the combustion characteristics of blended coals. The increased oxygen concentration results in a significant improvement of combustion performance of blended coals. In addition, as the blending ratio of high reactivity coal is increased, the oxygen can greatly enhance the combustion stability of blended coals.     

煤液化残渣与生物质混合燃烧过程中硫污染物动态排放特性研究

生物质在全球总能源消耗中占有相当大的比例，世界各国对生物质能利用新技术的研究日益重视。用生物质燃料替代传统的化石燃料，不仅可以缓解日益严重的能源问题，也可以减少环境污染和降低CO2的排放心。但生物质的热值比较低，单独利用效率较低，因此一些欧美发达国家采取了将部分生物质与煤混和燃烧发电或气化的新技术。     

不同液化条件下生物质残渣的燃烧特性研究

对锯屑在不同液化条件（溶剂、气氛、温度、催化剂）下所得液化残渣在热天平上进行了燃烧特性研究，通过比较液化残渣燃烧的三个特征温度，着火点ti、燃烧峰温tp和燃烬温度tb，分析了液化条件对残渣燃烧特性的影响。同时通过热重曲线所得数据探讨了液化残渣燃烧过程的动力学，并计算了活化能和频率因子 。结果表明，不同溶剂下所得液化残渣的燃烧特性显著不同，以四氢萘为溶剂所得液化残渣具有较好的燃烧特性；不同气氛下所得残渣的燃烧特性没有明显的不同；350℃下所得液化残渣的燃烧特性要好于300℃下所得液化残渣的燃烧特性；由于催化剂的影响，加入1%Mo后降低了所得液化残渣的燃烧特性；液化残渣的燃烧反应符合两段一级反应动力学。     

水热污泥与煤在混燃过程中的协同效应特性研究

以城市污泥衍生的水热污泥(SS-derived hydrochar)为对象,结合傅里叶红外光谱分析(FT-IR)、X射线荧光光谱分析(XRF)和X射线衍射分析(XRD)等对比研究了水热污泥与三种不同品阶煤(褐煤、烟煤和无烟煤)在有机/无机结构与燃料特性上的异同;同时,通过热重(TG)与偏差分析(Deviation)考察水热污泥与各阶煤在不同混合比例条件下的协同燃烧行为及其作用机制。结果表明,污泥经过水热处理后其有机结构和燃烧行为均提升至与煤相似的水平,该过程不仅改善污泥的燃烧特性,并增强其与煤之间的协同燃烧效应。水热污泥中适量的轻质组分与(碱)碱土金属能在混合燃烧过程中加速煤的失重速率,其对三种煤的促进作用可达4.4%-16.1%(褐煤)、1.9%-9.4%(烟煤)和4.8%-12.1%(无烟煤)。总体而言,水热污泥与褐煤混合而成的燃料在燃料性能上具有较大的优势,并且其混合比例以30%(水热污泥):70%(褐煤)与50%(水热污泥):50%(褐煤)为宜。     

O2/CO2燃烧气氛对混煤灰中矿物质间反应影响研究

对蒙煤与平七煤两种单煤及其按照不同比例组成的混煤,分别在O₂/CO₂和O₂/N₂气氛下,采用管式炉燃烧制取灰样;对灰样进行灰熔点、XRD及同步热分析（TG/DSC）测试,并进行相关热力学计算,分析了O₂/CO₂燃烧方式对混煤灰中矿物质间反应的影响。结果表明,常规灰熔点测试方法测得的两种气氛下的混煤灰熔点没有明显差别。O₂/CO₂气氛促进了煤灰/混煤灰中钙的碳酸化,且明显抑制了高温下CaCO₃的分解。气氛的改变影响了含钙矿物的转化,进而影响了混煤中钙与莫来石反应生成低温共熔物;O₂/CO₂气氛下钙更易于与莫来石发生反应生成低温共熔物,从而会增加结渣倾向。当混煤中蒙煤比例达到或大于75%时,随着蒙煤比例的逐渐增加,莫来石含量减少,O₂/CO₂气氛对钙与莫来石之间的反应影响减弱,但对含铁矿物的影响更加明显,使其更易于生成含铁玻璃体,从而也会增加结渣倾向。     

混合煤制浆对水煤浆性质的影响

实验选用三种性能较差，不适宜制浆的煤作为原料煤，选用成浆性、稳定性或流变性较好的三种煤作为配煤进行混合煤制备水煤浆。实验结果表明，在相同的制浆条件下，加入成浆性、稳定性较好的煤种，使得水煤浆性质较差的煤成浆性、稳定性均有不同程度的提高，浆体流变性得到改善，煤浆粘度明显降低。根据配煤加入量的不同，煤的成浆浓度可提高约2%～3%，浆体稳定性增加，产生软沉淀的时间由1 d提高到10 d。加入成浆性较差的褐煤，亦可明显提高难制浆煤种的稳定性和改善浆体的流变性，使得浆体由胀塑性流体变为假塑性流体。煤的表面性质分析表明，配入表面性质差异较大的煤种，有利于改善难制浆煤种的水煤浆性质。     

神木煤与不同黏结煤共热解交互作用规律的研究

利用程序升温热天平研究了神木煤（SMC）分别与气煤（QM）、肥煤（FM）、焦煤（JM）不同比例配合后的共热解交互作用规律,通过分布活化能模型（DAEM）对配合煤的热解动力学进行了考察。结果表明,随着SMC配入比例的增加,配合煤水分集中释放的速率增大,挥发分释放速率峰对应的温度t_max降低,配合煤在塑性固化温度后（>460-480 ℃）的热解过程中抑制作用减弱,表明配合煤黏结性降低。随着升温速率增加,配合煤热解抑制作用增强,表明配合煤黏结性提高。随着黏结煤变质程度加深（QM、FM、JM）,配合煤共热解发生促进作用（促进挥发分释放）的温度分别低于、介于、高于黏结煤塑性温度区间,因此,对缓解胶质体膨胀压力及改善胶质体分散性的作用逐渐降低。通过分布热解活化能实验值与理论值的比较,证实了配煤共热解过程中的交互作用规律。     

电石渣催化煤燃烧特性的影响因素分析

用热重法研究了不同条件下电石渣的催化煤燃烧特性，发现电石渣对晋城煤的着火温度和固定碳燃尽率都具有一定的促进作用，而且随添加量的增加助燃作用增强。采用干法混合方式添加0.5%电石渣的助燃作用很小，而采用浆状混合方式则具有较为明显的助燃效果。添加0.5%电石渣能使晋城无烟煤的着火温度由582 ℃降低到576 ℃，使潞安贫煤的固定碳燃尽率由89.41%提高到94.84%，而对长广高灰烟煤的着火和燃尽特性都影响很小。     

Co-firing of biomass with coals

The combustion of coal and coal/fir (Abies bornmulleriana) wood blends at the proper ratio (20, 40, 50 wt%) was investigated with thermogravimetric analysis (TG). The influence of biomass blends on thermal and kinetic behavior of coal was studied under non-isothermal conditions. The activation energy of the samples was evaluated with the Ozawa–Flynn–Wall model which compares the combustion of these biowastes with coal under non-isothermal conditions. Our research found that blending influences activation energy of coal; moreover, activation energy related to 50 wt% blend was more similar to pure wood combustion than to coal combustion. Therefore, the activation energy profile shifted from 80.6 to 169.3 kJ/mol. The average reaction order of the samples ranged from 0.13 to 0.35.     

污泥与煤和煤矸石共燃特性研究

利用STA 409 PC型同步热分析仪,对煤、煤矸石和污泥不同质量比样品的燃烧过程进行了热重分析。结果表明,单一煤和煤矸石的DTG曲线都只有一个明显的失重峰,污泥的DTG曲线有两个明显的失重峰,而混合物的DTG曲线都有两个失重峰。通过分析不同样品的混燃过程,发现随着煤所占质量比的增加,最大失重峰速率所对应的温度都有所降低。煤、煤矸石、污泥及其混合物的活化能为16.93kJ/mol～109.89kJ/mol。随着污泥所占质量比的增加,混合物的着火温度有所降低,当达到70%时,污泥与煤混合物的着火点接近单一污泥的着火点。