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。     

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。     

负载碳酸钠煤焦催化气化反应特性研究

基于热重分析仪开展负载碳酸钠神府烟煤/遵义无烟煤煤焦气化实验,并借助扫描电子显微镜和孔结构及比表面积分析仪表征焦样孔结构及表观结构变化,考察了反应温度(650-800℃)、气化剂(水蒸气、二氧化碳)及碳酸钠负载量(钠离子负载量2.2%、4.4%、6.6%,质量分数)对神府烟煤/遵义无烟煤焦样气化反应活性的影响。结果表明,碳酸钠有利于促进神府/遵义煤热解过程孔隙结构的发展。在二氧化碳气氛下,适宜催化剂负载量使神府烟煤反应活性提高,过多负载催化剂堵塞煤焦内部孔隙结构,使得气化反应活性降低,遵义无烟煤反应活性随负载量增加而提高,两者反应活性均随温度升高而提高。在水蒸气气氛下,神府烟煤/遵义无烟煤在一定条件下反应活性随催化剂负载量增大、温度升高而提高。碳酸钠的添加能够在保证气化反应性的前提下降低气化反应温度和活化能。     

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。
     

平朔煤热解过程中PAHs的释放特性

利用热解-气质联用仪(PY-GC-MS)研究了平朔煤在不同热解温度下多环芳烃(PHAs)的释放规律,并探讨了该过程中PAHs的生成机理。研究结果表明,16种PAHs的生成总量随着热解温度的升高先增大后减少,在800℃达到最大值。且PAHs环数分布规律对热解温度具有显著的依赖性,不同环数的PAHs,其最大生成量时所对应的热解温度亦不同。随着热解温度的升高,煤结构中的桥键、芳香环上的脂肪侧链以及较难断裂的甲基、酚羟基等依次断裂,使得PAHs的生成量不断增加,当温度升高至1 000、1 200℃时,伴随着缩合反应加剧,大环PAHs的生成量继续增加。由总体趋势看出,平朔煤大分子网络结构的热裂解主要发生在600~800℃,热解缩合反应主要发生在高温下。平朔煤热解过程中的PAHs除小部分来自煤中可萃取的芳烃结构挥发外,主要来自煤中大分子芳香结构裂解以及热解生成自由基碎片的高温聚合。     

含水量对神府煤快速热解过程气体释放及孔隙结构变化的影响

通过外添加水分改变神府煤含水量,利用高频加热炉进行快速热解,研究了含水量对神府煤快速热解过程的影响,考察了四种含水量神府煤快速热解气相产物分布及变化规律,利用孔/表面分析仪表征了固相产物的结构变化。结果表明,随着煤中含水量升高,热解气总体积和最大释放速率减小;热解焦的比表面积和孔容随含水量升高而增大,与原煤煤焦相比,含水煤制得热解焦中保留了较多小孔,孔隙结构更加发达;水分有利于抑制热解过程孔的阻塞与塌陷,提高煤焦表面的粗糙程度和多孔结构的复杂程度。     

典型烟煤热解机理的反应动力学模拟

建立合理有效的烟煤大分子模型,采用基于反应力场(Reactive Force Field,ReaxFF)的分子动力学方法模拟1400-2600 K典型烟煤的热解过程,得出产物分布和中间自由基的演变历程。研究表明,随着热解温度的升高,焦炭产量先增加后降低,焦油产量的变化趋势与焦炭相反,热解气产量单调增加。煤在低温下热解主要发生一次反应,生成焦油自由基碎片和小分子气体;高温下焦油碎片的二次反应显著,生成含量较多但数量较少的焦炭及含量与数量较多的小分子气体。2000 K是一次反应向二次反应的温度转折点。在高温热解时,煤中的C与H逐渐迁移到焦炭和焦油中,而含氧官能团较为活跃,O逐渐迁移到热解气中。二次反应阶段,O最活泼,H次之,C最稳定。热解过程中最先产生的气体是H2O; NH3主要来源于二次反应; H2S在二次反应阶段被消耗转化为其他产物; H2产量最多,且随热解温度升高而增加,尤其在二次反应中大量生成,主要源于裂解产生的氢自由基碰撞和芳香结构的缩合。基于ReaxFF模拟结果得到煤热解失重活化能为39. 45 k J/mol。     

神府煤与稻杆共热溶研究

研究了神府煤与稻杆在1-甲基萘溶剂中不同温度下的共热溶行为。相对神府煤,稻杆单独热溶时具有更高的热溶率,表明其具有较好的热溶活性。但稻杆的热溶过程中产生大量的挥发性气体,导致其热溶率和热溶物产率之间的较大差异。神府煤单独热溶时,其热溶率与热溶物产率之间的差异相对较小。神府煤与稻杆的共热溶表明,两者之间存在协同效应,并且该协同效应受温度的影响显著。在热溶温度为320~340℃时,对热溶物产率而言具有正的协同效应,也即其热溶物产率的实验值大于通过神府煤与稻杆单独热溶时热溶物产率经质量加权平均计算得到的理论值。在研究的热溶温度范围内,共热溶的热溶率实验值均低于质量加权平均的理论计算值。相对于理论计算值,在320℃时热溶物产率的实验值增加达到最大,为7.9%。此外,通过对热溶物的性质表征,还进一步探讨了共热溶过程中的协同作用机理。     

污泥与煤共热解过程中磷元素的挥发规律研究

污泥灰分中磷元素含量明显高于煤,其中主要的晶体态含磷化合物为磷酸铁钙和少量的磷酸铝。利用高频加热反应装置考察了污泥-神府煤混合物快速热解过程中磷元素挥发规律。结果表明,污泥-神府煤混合物热解后磷元素主要存在于热解焦中。磷元素挥发比例随污泥添加比例的增加先升高后降低,随热解温度的升高而增加。热解温度不高于1 100 ℃时,混合物中以有机磷的挥发为主,磷元素挥发比例不高于3.2%。热解温度高于1 200 ℃后无机磷中磷元素挥发明显,1 300 ℃下最高有33.0%的磷元素随热解气体挥发出。     

神府煤与稻杆共热溶研究

研究了神府煤与稻杆在1-甲基萘溶剂中不同温度下的共热溶行为。相对神府煤,稻杆单独热溶时具有更高的热溶率,表明其具有较好的热溶活性。但稻杆的热溶过程中产生大量的挥发性气体,导致其热溶率和热溶物产率之间的较大差异。神府煤单独热溶时,其热溶率与热溶物产率之间的差异相对较小。神府煤与稻杆的共热溶表明,两者之间存在协同效应,并且该协同效应受温度的影响显著。在热溶温度为320~340 ℃时,对热溶物产率而言具有正的协同效应,也即其热溶物产率的实验值大于通过神府煤与稻杆单独热溶时热溶物产率经质量加权平均计算得到的理论值。在研究的热溶温度范围内,共热溶的热溶率实验值均低于质量加权平均的理论计算值。相对于理论计算值,在320 ℃时热溶物产率的实验值增加达到最大,为7.9%。此外,通过对热溶物的性质表征,还进一步探讨了共热溶过程中的协同作用机理。     

先锋褐煤及其热溶残煤的过氧化氢氧解

利用1-甲基萘（1-MN）对先锋褐煤进行热溶,并在温和条件下分别对原煤及其热溶残煤进行过氧化氢氧化。结合元素分析和FT-IR对各级产物进行结构表征,用GC/MS对氧化反应水溶性产物的甲酯化衍生物进行分析。结果表明,先锋褐煤在1-MN中的热溶率较低,320 ℃下热溶残煤（TR）的收率为81.01%,该煤主要以共价键交联的大分子结构为主,非共价键缔合的小分子含量较低,并以脂肪结构为主,含一定量的羰基以及少量的羟基和芳香结构。原煤和热溶残煤氧化水溶性产物中α,ω-二羧基烷酸含量较高,同时还发现,相当含量的芳香酸及三元羧酸存在,其中,α,ω-二羧基烷酸主要以丙二酸和丁二酸为主;原煤中可溶小分子易被氧化并生成较复杂的产物。与原煤相比,热溶残煤结构更为规整,氧化主要以共价键交联的大分子结构的氧化解聚为主,氧解率较低,水溶性氧解产物也较简单,种类较少,据此推测先锋褐煤的桥键主要以为-CH₂-和-CH₂-CH₂-为主。     

神华煤直接液化残渣热解特性研究

通过热重分析技术考察了神华煤直接液化残渣的热解特性。结果表明,和煤热解相比,在相同条件下残渣热解具有更大的失重率和失重速率。残渣热失重分为三个阶段,在173℃以前为残渣热解第一阶段;从173℃～510℃是残渣热解第二阶段,此阶段为残渣的主要失重阶段;510℃以后是残渣热解的第三阶段,在这个阶段残渣继续失重,此阶段的失重是由于残渣的二次分解和残渣中的矿物质分解造成的。通过比较脱油前后残渣热失重曲线发现,残渣主要失重是由于残渣中重质油、沥青烯以及前沥青烯的热解以及挥发造成的。通过脱灰残渣的热解发现,与原残渣相比,脱灰后残渣的失重量变小,矿物质的分解和残渣中有机组分的缩聚是温度高于649℃以后残渣失重的主要原因。由热解特征参数看出,脱油残渣的初始热解温度、最大失重温度以及剧烈热解终温均高于原煤,说明和原煤相比,脱油后残渣中惰性组分不易热解。与原煤和四氢呋喃脱油渣相比,残渣具有最大的失重速率,这是由于残渣中含有大量重质油、沥青烯以及前沥青烯造成的。     

吡啶萃取对烟煤热解过程焦油生成特性的影响

煤中含有以非共价键结合的可萃取物，煤的萃取物和萃余物热解反应性不同。本研究首先用醋酸消除煤中静电作用力，再以吡啶萃取消除氢键作用力，通过热重和固定床研究了煤萃取物和萃余物的热解特性。相对于原煤，萃取物（E1）的H/C原子比较高，而萃余物（R1）比原煤的孔径有所增大。热重实验表明，萃取物热分解温度低，失重率大；萃余物在485℃之前失重大于原煤，温度高于485℃小于原煤。固定床氮气热解表明，萃取物（E1）的焦油产率和气体比原煤高；萃余物（R1）的焦油产率低于原煤焦油产率。而氢气气氛下，萃取残渣的焦油产率明显高于原煤，这是由于吡啶萃余物具有更开放的孔结构，有利于加氢热解过程氢向孔内扩散，减少了缩聚反应。     

O－烷基化对煤中氢键的调控及对热解特性的影响

采用O－烷基化的方法对霍林河褐煤进行预处理，用原位漫反射红外光谱结合热重研究了处理前后煤中氢键的变化规律及热解特性。提出采用煤中高岭土、伊利石等在3690cm－1附近的红外吸收峰作为标准，校正煤的漫反射红外谱图的方法。结果表明，采用O-烷基化方法处理霍林河原煤后，其中的氢键数量有明显的减少，但均不能完全消除煤中的氢键；对于各种氢键调控幅度的大小随氢键强度的增大而逐渐减少；调控后煤中的氢键在高温区的热解稳定性增加；经O-烷基化后，煤的热解转化率增加，初始温度降低，热解温区加宽，失重速率加快。     

水热处理对神华煤质的影响

结合水热处理煤的元素、灰分、挥发分分析以及IR光谱研究，讨论了水热处理对神华煤溶胀、抽提及液化性能的影响。结果表明，较高温度下水热处理存在明显的加氢作用，H/C摩尔比高于原煤；水热处理具有脱挥发分和脱灰作用，水热处理温度升高挥发分降低，灰分增加；水热处理的气态产物主要是CO2，250℃以上产生CO和CH4，其中CO2产率不受水热处理温度影响，CO和CH4产率则随水热处理温度升高而增加；水热处理降低了神华煤的溶胀性能，CS2/NMP混合溶剂抽提减小了抽余物在NMP溶剂中的溶胀度；适当温度水热处理能够提高CS2/NMP抽提率，但是索氏抽提性能有所降低；250℃~300℃水处理能够提高液化转化率，但是油气收率低于原煤，前沥青烯收率显著高于原煤。IR光谱分析表明,水热处理改变了煤分子中氢键等非共价键作用，其中较高温度水热处理将导致醚键、酯键等弱共价键水解和芳环侧链的断裂。     

煤与稻杆共液化性能研究

通过与神府煤和稻杆单独热解和液化的对比,研究了神府煤与生物质稻杆的共热解和共液化行为,考察和揭示了两者之间的协同作用。热重分析表明,稻杆的热解温度较低,在与神府煤共热解时,由于在较低温度下稻杆热解形成的自由基对煤热解的促进作用,使得混合物实际的热解失重高于对应的加权平均计算结果。共液化结果表明,神府煤与稻杆之间存在着明显的协同效应,并因液化反应条件的不同而不同。在较高的液化反应温度和较长的反应时间,由于煤本身的热解速率增加,系统内供氢能力的不足导致逆向缩合反应速率增加,减弱了两者的协同效应。在实验条件范围内,当稻杆配入量为50%,在400℃,60min的反应条件下,神府煤与稻杆共液化时产生的协同效应最大。此时,共液化转化率和正己烷可溶物分别高于对应加权平均计算值的14.8%和9.7%,气体产率也同时降低了2.6%。     

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。