Biologically derived value-added products from coal

The Idaho National Engineering Laboratory (INEL) has for several years conducted research in the area of coal bioprocessing. Fundamental and exploratory research has been directed toward the conversion of coal to cleaner fuels and the remediation of harmful byproducts of coal utilization. Specific research projects have involved coal depolymerization, coal solubilization, removal of organosulfur and pyritic sulfur from coal, the molecular biology of coal-modifying microorganisms, removal of ash-forming minerals from coal, conversion of coal combustion gases, and the development of novel coal bioreactors. Notable research accomplishments include elucidation of mechanisms by which microorganisms solubilize different portions of coal, discovery and characterization of microorganisms capable of depolymerizing macromolecular coal, discovery of microorganisms capable of removing organosulfur from coal, development of technologies critical to analyzing biologically mediated depolymerization and organosulfur removal, novel methods of pyritic sulfur removal, novel methods of removal (and conversion) of CO₂, SO_x, and NO_x from combustion gases, and new technologies for bioconversion of waste gypsum generated in coal combustion gas scrubbers.     

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。
     

橄榄石基固体热载体影响褐煤热解产物分布的分析

为了提高固体热载体煤热解工艺中焦油的品质,降低焦油中沸点大于360 ℃的重质组分含量,本实验采用固定床反应器,在450~600 ℃下进行褐煤固体热载体快速热解反应.分析对比了橄榄石基和石英砂固体热载体对褐煤热解产物收率、焦油馏分、气体组成的影响.结果发现,Co能改变煤内部挥发分氢元素的分布,橄榄石负载Co热载体能将焦油中重质组分转化为轻质焦油和热解气.热解温度为550 ℃时,与橄榄石相比,负载Co的橄榄石固体热载体使焦油收率提高了19.2%.与石英砂相比,负载Co的橄榄石固体热载体使焦油中重质组分含量降低了17.0%,轻质组分收率达5.1%,其中,轻油、酚油和萘油分别提高了19.6%、17%和15.2%,气体产物中H₂、CH₄含量下降.     

镧系收缩效应对稀土-煤相互作用的影响及煤中有机态稀土的赋存形式研究

通过酸洗脱灰及腐殖酸提取等方法对伊敏褐煤进行处理,并应用ICP-MS对处理前后的样品进行了稀土元素测定。在对脱灰前后稀土元素与灰分和C、H、O等有机组成元素的相关性以及稀土元素在腐殖酸中的赋存特征分析的基础上,认为煤中稀土元素-有机质相互作用受煤化作用过程中的脱氧、脱氢和增碳作用控制。稀土与煤中各类官能团相互作用形成四类有机态稀土元素复合物,第一类是与被烷基侧链高度取代的芳香结构单元形成的复合物;第二类是与氢化芳香结构单元形成的复合物;第三类是与低取代度的芳香结构单元形成的复合物;第四类是与含氧官能团作用形成的复合物,后两类的稳定性差。这些有机态稀土元素复合物的稳定性在总体受镧系收缩效应控制的基础上,还受稀土元素化学价态的影响;重稀土与有机质形成的有机态稀土元素复合物的稳定性大于轻稀土。轻稀土在原煤中和腐殖酸的结合不稳定,且具有与镧系收缩相反的效应;轻稀土在脱灰煤中和腐殖酸的结合,与中稀土、重稀土在原煤和脱灰煤中腐殖酸结合规律相同,都体现了良好的镧系收缩效应。     

褐煤水热提质改善水煤浆的成浆性、流变性和稳定性的实验研究

采用水热法对小龙潭褐煤进行提质处理,从煤质特性、含氧基团、表面亲水性和粒度分布等因素,探究了水热提质对褐煤水煤浆成浆浓度、流变特性以及稳定性的影响。结果表明,水热提质脱除了褐煤中的水分,氧含量降低,煤阶升高。水热提质脱除了褐煤中含氧基团,煤水表面接触角增大,褐煤表面亲水性得到改善。小龙潭褐煤颗粒粒度呈现双峰分布,水热提质后褐煤颗粒粒径减小且趋于规则。水热提质改善了水煤浆的成浆性能,成浆浓度由提质前的44.09%,最高可提升到61.94%。在相近的表观黏度下,水热提质后水煤浆的稠度系数K减小,流变指数n增大,水热提质在降低浆体黏度的同时,仍保持假塑性流体特征。水热提质降低水煤浆的析水率,延缓了浆体出现硬沉淀的时间,改善浆体的稳定性。水热提质从理化特性对褐煤进行深度改性,从而获得高浓度,假塑性以及稳定性良好的符合工业应用的水煤浆。     

取代基效应对褐煤模型化合物离解焓影响的理论研究

为了探究褐煤热解过程中氧桥键C-O均裂这一重要反应, 选取α-O-4和β-O-4类结构单元作为褐煤模型化合物, 运用不同密度泛函计算了部分模型化合物中C-O的离解焓, 并以CBS-QB3作为理论基准值进行比较, 最后选取M05-2X进行离解焓计算. 结果显示, 对于选定的α-O-4和β-O-4类模型化合物, 其平均离解焓分别为51.0 kcal/mol和66.1 kcal/mol. 周围取代环境能显著影响C-O离解焓, 芳环上存在给电子基团(OH, OCH₃和CH₃)能降低C-O离解焓, 而吸电子基团COOH则能增加其离解焓. 然后深层次分析了取代基效应对C-O离解焓的影响. 此外, 分子内氢键的形成对离解焓也有很大的影响. C-O的离解焓与其键长没有特定的相关性, 不能简单的通过C-O键长来预测其离解焓.