Release and enrichment of 44 elements during coal pyrolysis of Yima coal,China

The coal samples were collected from Yima coal district, China. The pyrolysis experiments were carried out in a simulated bed quartz reactor with a heating rate of 20 °C/min. The 44 elements in raw coal and chars were determined by inductively coupled-plasma mass spectrometry instrument (ICP-MS). The release and enrichment behavior of 44 trace elements during coal pyrolysis of Yima coal was studied.According to the transformation behaviors, chemical features and thermal features under different pyrolysis temperatures, the 44 elements can be categorized to 4 groups: light elements (Li and Be), nonmetal elements (Se, As, B, etc.), heavy metal elements (including 24 elements, Cu, V, Co, etc.) and rear earth elements (REE) (14 elements). The results showed that (1) the higher pyrolysis temperatures, the higher release ratio and release ratio of REE are very low; (2) the enrichment ratios of the elements in chars increase by the sequence of nonmetal elements < light elements < heavy metal elements < REE. The nonmetal elements, light elements and a few heavy metal elements will be emitted out from coal during coal pyrolysis and they will pollute environment.     

The fate of As, Pb, Cd, Cr and Mn in a coal during pyrolysis

Transformation of As, Pb, Cd, Cr, and Mn in Chinese Datong coal during pyrolysis was studied. Experiments were carried out in a fixed-bed quartz reactor with a heating rate of 20 °C min⁻¹. Effects of the final temperature (300–1000 °C) and atmosphere (N₂ and H₂ at 0.1 MPa) were examined. Chemical form distribution of the elements in the coal and coal-derived chars (obtained at 1000 °C under N₂ and H₂) was investigated. As, Pb, Cr, Cd, and Mn in the coal and the chars were classified into five chemical forms (ion exchangeable, bound to carbonates, bound to Fe–Mn oxides, bound to organic matter, and in the residue) by a sequential dissolution method. Results show that As, Pb, and Cd are more volatile and tend to enrich in the volatile phase in the pyrolysis. Cr and Mn are relative non-volatile and tend to enrich in the solid phase. H₂ atmosphere promotes the release of the elements. The elements in all the five chemical forms undergo transformation in pyrolysis, and As, Pb, Cr and Cd show similar behavior.     

高温下煤焦的碳微晶及孔结构的演变行为

以贵州煤为原料,在热解温度950℃~1400℃制备了各种慢速和快速热解焦,主要对高温热解过程中煤焦的碳微晶和孔结构的演变行为进行了研究,同时也研究了高温气化过程中煤焦的孔结构变化规律。结果表明,慢速热解焦和快速热解焦的C和H含量明显不同;随热解温度的升高,煤焦的碳微晶结构向有序化方向发展,但慢速热解煤焦比快速热解煤焦的"石墨化"程度大;快速热解煤焦的微孔比表面积和微孔容积明显高于慢速热解煤焦,即快速热解煤焦的孔隙结构明显比慢速热解煤焦发达;在气化反应初期,煤焦的微孔比表面积下降,微中孔比表面积增加,反应后期煤焦的总比表面积快速下降。     

XANES技术探究酸处理对义马煤中硫形态及其热变迁行为的影响

利用XANES技术研究了酸处理对义马煤的比表面积、体相及表面硫形态分布和热解过程中硫变迁行为的影响。结果表明,由于酸处理过程中部分镶嵌于有机质中的矿物质被脱除导致部分闭合孔打开,煤的比表面积有所增大。HCl-HF和HCl-HF-HNO_3处理脱除了煤中大部分矿物质和无机硫,由于HNO_3的强氧化性,YMN中亚砜和砜硫化物的相对含量均高于YMR和YMD。相比煤样体相,酸处理过程对表面形态硫的分布产生了更为明显的影响。酸处理煤样热解含硫气体释放量减少,但由于大部分碱性矿物质的脱除和煤中易分解形态硫相对含量的增加,含硫气体释放率增加。不同形态硫之间的内部转化使得酸处理煤焦中主要形态硫的分布更为均匀。通过HCl-HF-HNO_3处理可以有效地脱除煤中矿物质及无机硫,并改变煤中形态硫分布,从而为高灰分、富含黄铁矿的高硫煤的利用提供指导。     

CO_2气氛对煤热解过程中硫逸出的影响

采用热解-质谱(Py-MS)与热解-气相色谱(Py-GC)相结合的方法对平朔(PS)和义马(YM)原煤、脱灰煤及其脱黄铁矿煤进行了热解实验,考察了CO_2气氛对煤热解过程中硫逸出行为的影响。并采用质谱在线分析H_2S、COS和SO_2的逸出曲线,利用气相色谱分析H_2S、COS和SO_2在气相中的逸出量。结果表明,CO_2气氛有利于H_2S、COS和SO_2进入气相,且逸出量增加,而COS增加幅度更大。同时,CO_2气氛有利于H_2S和SO_2最大逸出峰温提前。另外,CO_2气氛对原煤的H_2S、COS和SO_2逸出温度影响较大,但对脱灰煤的影响较小。在较高的温度下,CO_2有利于煤中稳定有机硫的分解。这进一步验证了在较高温度下COS形成与CO相关,而在较低温度下与CO无关。     

煤焦吸附和还原NO的动力学研究

利用固定床反应器研究了煤焦吸附和还原NO的动力学,分析了热解温度(500℃～900℃)和矿物质对煤焦脱除NO的影响。结果表明,在程序升温反应(TPR)和等温反应中,随着温度的升高(30℃～600℃),煤焦-NO经历了从化学吸附到还原反应的转变。低温时煤焦脱除NO的动力学符合Elovich方程,原煤焦的起始吸附速率随着温度的升高而增大,脱灰煤焦的起始吸附速率先增大后减小,等温吸附过程中煤焦的活化能随着吸附量的增大而增大。随着热解温度的升高,TPR中煤焦的NO转化率降低,等温还原反应的速率常数减小,高温热解导致煤焦脱除NO的活性降低。矿物质对煤焦-NO的吸附和还原反应存在催化作用。     

神府烟煤水煤浆快速热解焦结构演化及其反应性的研究

利用高频热解装置对神府烟煤水煤浆及其原煤进行了600~1 200 ℃条件下的快速热解实验,考察了两者快速热解后的煤焦产率、焦-C产率随热解温度的变化规律.利用XRD、氮气气体吸附法、SEM等测试手段对比分析了水煤浆及煤粉热解后煤焦的微晶结构、孔隙特征及表观结构;在热重分析仪上进行CO₂气化反应活性的测定,对比了水煤浆和煤粉热解后煤焦的气化活性.实验表明,随着热解温度的升高,水煤浆和煤粉的热解焦产率、焦-C产率均逐渐降低,热解温度低于900 ℃时,两者热解焦产率、焦-C产率趋于一致,热解温度高于900 ℃时,水煤浆热解焦产率和焦-C产率明显低于煤粉热解焦;高温热解条件下,水煤浆热解焦的微晶有序化程度比煤粉热解焦略高,比表面积明显高于煤粉热解焦,水煤浆热解焦的气化活性优于煤粉热解焦.     

五彩湾煤中钠在热解过程中的形态变迁

采用不同萃取液进行了新疆准东五彩湾高钠煤萃取实验,并利用微波消解仪和电感耦合等离子体原子发射光谱仪,分析了原煤和不同萃取过程下制得的煤样中的钠元素,确定了五彩湾煤中钠的存在形式。在氮气氛围下进行了原煤及不同萃取过程下煤样的热解实验,分析了热解半焦中钠的存在形式并确定煤中不同存在形式钠在热解过程中的演变规律。结果表明,五彩湾煤中钠主要为水溶钠,有机钠主要以羧酸盐形式存在。450~650℃时,实验煤样热解过程中部分水溶钠和盐酸溶钠会转化为醋酸铵溶钠。在热解过程中,实验煤样中水溶钠和醋酸铵溶钠的析出主要集中于650~850℃,1050℃时则有部分盐酸溶钠析出,此时,在实验条件下钠的挥发达到最大值。煤样半焦中的钠主要以不可溶钠形式存在。     

准东高钠煤热解过程中钠的迁移特性实验研究

针对新疆准东煤田高钠煤(简称准东高钠煤)在发电锅炉燃烧时遇到结渣黏污严重的问题,基于立式管式炉热解,利用电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射(XRD)以及扫描电镜-能谱(SEM-EDX)等检测手段,分析了准东高钠煤在不同热解温度下碱金属钠的析出特性、赋存形态以及热解半焦的微观形貌.利用Fact sage 6.1化学热力学平衡计算软件分析了碱金属的析出形式.结果表明,准东高钠煤中的碱金属钠在热解过程中有部分析出,开始的析出温度为600 ℃,当热解温度达900 ℃时,碱金属钠的析出率为40.2%;碱金属钠在热解过程中主要以NaCl的形式析出;热解温度低于900 ℃时,没有熔融态物质生成.     

含油污泥与配合煤共热解煤焦的微观结构与气化反应特性

以含油污泥与配合煤为原料在850-1150℃热解制得焦样,采用N_2吸附-脱附和X射线衍射(XRD)分析煤焦孔隙结构及碳微晶结构,并运用热重分析(TGA)考察热解温度和含油污泥添加量对煤焦气化反应活性的影响。结果表明,提高热解温度和添加含油污泥能促进煤焦形成更加丰富的孔隙结构,强化煤焦-CO_2气化反应接触并抑制煤焦石墨化进程,从而提高煤焦气化反应活性;然而,热解温度过高或添加油泥量过多则会致使煤焦结构致密或孔隙堵塞,气化反应活性反而降低。     

硝酸钙对内蒙古褐煤热解和气化特性的影响

在小型固定床反应装置上开展了内蒙古褐煤原煤(RC)和脱灰煤(DC)以及分别负载钙盐的煤样的热解实验,并对热解所得焦样开展了焦样与水蒸气气化反应的实验研究。结果表明,硝酸钙的添加对煤的热解和气化阶段均有影响。在热解阶段,硝酸钙的存在能显著改变主要气相产物H₂、CO₂和CO等组分的逸出规律和累积生成量;在气化阶段,作为催化剂的碱土金属,降低了焦样的气化反应活化能,更有利于气化反应的进行。     

激光诱导击穿光谱在煤质检测中的应用现状

我国当前主要能源仍是煤炭资源,煤质快速检测有利于其清洁高效利用。激光诱导击穿光谱（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）作为一种快速光谱检测技术,具有样品需求量小、制样简便、可多元素同时测量等优点,其在煤质快速检测中的应用潜力已得到广泛认可。本文从激光诱导击穿光谱仪器（实验室台式、在线式和便携式）的研发现状、激光诱导击穿光谱对煤质（金属元素、非金属元素和工业指标）的检测现状、煤质分析性能提升方法,以及激光诱导击穿光谱定量分析模型研究等方面介绍了近几年来LIBS技术在煤质检测中的应用现状及未来展望。     

低阶烟煤热解过程中氯的迁移释放特性研究

为探明氯元素在低阶烟煤热解过程中的释放机制行为,采用热重红外光谱质谱(TG-IR-MS)联用技术和管式热解炉,考察热解温度、粒径等级、升温速率对陕北低阶烟煤热解过程中氯的迁移转化行为特性的影响,并建立氯迁移释放动力学模型。红外光谱和质谱分析结果表明,陕北低阶烟煤热解气体产物中含氯组分主要为HCl和微量的Cl_2。管式炉热解过程中,相比于粒径和升温速率而言,氯的释放率受温度影响最为显著。在300-800℃,随着温度升高,煤中氯的释放率迅速增大,800℃时氯的释放率为49.5%;半焦中氯的分布率逐渐减小,焦油和热解气中氯的分布率逐渐增大。煤样粒径为3.0-4.0 mm时,氯的释放率达到最大值35.8%;粒径的变化也会一定程度影响热解产物中氯的分布率。提高热解升温速率有利于挥发分的释放,升温速率为15-25℃/min时,煤中氯的释放率变化趋势明显,但过高的升温速率不利于煤中氯的释放。热解焦油中氯元素主要以无机含氯化合物的形式存在,超纯水萃取可明显降低焦油中氯的含量。低阶烟煤中低温热解过程中,氯释放的活化能均在20 k J/mol左右。     

AP-TPR-MS法考察六枝煤固定床热解过程中的硫变迁行为

实验选取六枝(LZ)原煤及其在固定床热解所得半焦,采用常压程序升温还原 质谱法（AP-TPR-MS）与化学法相结合考察温度和气氛对固定床热解过程中硫变迁行为的影响。对于LZ煤而言,经氮气气氛500℃热解后,只能使煤中部分不稳定有机硫分解,黄铁矿硫却不能分解;而经氮气气氛700℃热解后可以使不稳定有机硫和黄铁矿硫全部分解。合成气气氛在500℃以前煤中的不稳定有机硫和黄铁矿硫就能全部分解,且随着温度的升高,合成气表现出与氢气相近的脱硫活性。1.0% O₂-N₂对于六枝煤并没有明显的脱硫效果,这与氮气气氛相差不大。     

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。     

升温速率对神木煤热解半焦结构性能的影响

利用管式炉和微波材料工作站分别对神木煤煤样进行终温为750 ℃的慢速(3和5 ℃/min)、中速(10和15 ℃/min)及快速(50、100、225、350和750 ℃/min)热解,基于热解半焦X射线衍射谱图解析热解半焦的微晶结构参数,采用傅里叶变换红外光谱表征热解半焦的表面化学,并借助热重分析仪、选用气化活性参数R_T评价热解半焦的气化反应活性。结果表明,随着升温速率的增大,神木煤热解半焦总体上呈现的趋势是:表面含氧官能团含量降低,半焦的微晶层片尺寸L_a和石墨化度明显提高,层间距d₀₀₂和堆积高度L_c略微减小,说明神木煤半焦结构随升温速率的提高变得规整;随着升温速率的增大,半焦的气化活性R_T从0.178 2降低至0.103 6。热解终温为750 ℃的神木煤热解过程中,快速热解有利于获得易石墨化、表面非极性化、气化反应性低的产物。     

不同煤阶热解半焦的FT-Raman光谱研究

在热天平上采用慢速升温制备了褐煤、高挥发分烟煤和低挥发分烟煤的半焦。采用FT-Raman光谱对半焦进行了分析。半焦800cm^-1至1800cm^-1的Raman光谱可分解为10个谱带,以表征高度无序炭材料中的典型结构。光谱和谱带的强度比都可用来描述半焦的结构特征。在600℃低温热解时,三种煤半焦的结构差异明显。随热解温度升至800℃或900℃,这种差别消失。褐煤中可交换的钠离子影响热解过程中的成焦反应。     

煤焦分形维数及其对比热容的影响研究

比热容是煤炭热物理性质之一,在煤矿的矿井防火、防止煤与瓦斯突出、井下降温设计及煤炭加工利用(如煤炭的燃烧、气化、焦化、液化等)等方面是关键参数之一,对提高煤炭热能利用率、提高经济效益、减少环境污染等,具有非常重要的意义。比热容的影响因素很多,如煤化程度、水分质量分数、热解温度等,煤焦微观结构的影响也是其中很重要的一方面。分形几何由Mandelbrot 1982年创立,是定量描述自相似或自相关等不规则形体的工具。研究表明,煤焦微观结构具有分形特征。在煤焦分形的研究中,常用的实验技术方法为吸附法、小角度X射线散射法和孔度法,采用扫描电子显微镜和数字图象处理方法研究煤焦的分形结构,能更加深入地理解其分形维数与性能的关系。     

胜利褐煤半焦冷却处理对其微观结构及反应性能的影响

采用不同的冷却方式对胜利褐煤热解"热"半焦进行冷却处理,考查了冷却方式对半焦微观结构及反应性能的影响.利用特制两段新型石英反应器,在高纯氩气、400、600、800 ℃的条件下,对褐煤热解30 min制得的"热"焦,分别浸入室温、干冰及液氮环境中得到冷态半焦,然后在15%水蒸气、900 ℃、10 min的条件下对冷态半焦进行非原位气化反应.为了比较,同样热解条件下制得的"热"半焦不经冷却,通过直接切换反应气氛为15%水蒸气进行原位气化(气化条件与非原位气化相同).利用TGA、SEM、BET和Raman光谱仪对半焦反应性和微观结构进行表征和分析.结果表明,"热"焦的水蒸气原位气化半焦产率低于冷态半焦的非原位气化.冷却处理对半焦的孔结构影响较大,随着冷却速率的增大,半焦比表面积及总孔容积显著降低,但对半焦的化学结构(芳环体系和含氧官能团)的影响非常小.冷却速率越大,半焦的反应性越低,冷态半焦反应性能降低主要由于冷却对半焦孔结构造成的不可逆转的破坏.