煤焦外表面分形维数在燃烧过程中的变化

煤燃烧的化学反应及其物质输运过程均具有非线性动力特征，燃烧过程是孔洞分形体的变化过程，其外表面结构的变化部分的反映出颗粒内部孔结构的变化过程，本文利用分形理论及其相关的图像处理方法对不同煤种，不同燃烧阶段煤焦外表面结构的SEM图像进行研究，研究结果表明，XIE法较适合计算煤焦表面分形维数，在燃烧过程中煤焦的外表面分形数呈现两种变化趋势，通过最小二乘法多项式拟合确定煤焦外表面分形维数与燃尽率之间的关系式，并得到不同煤种的方程参数。     

煤焦颗粒催化气化过程中分形特性的原位研究

通过高温热台原位研究气化阶段钾基催化剂对神府煤焦的催化气化作用。考察了气化温度（800-900℃）和催化剂负载量（4.4%、10%（质量分数））对煤焦反应性能的影响。通过热台显微镜对煤焦颗粒催化气化过程进行可视化研究并引入分形理论对煤焦颗粒表面结构进行分析,揭示分形维数所表征的气化反应性。实验结果表明,煤焦颗粒的分形维数与之碳转化率呈正相关性,即催化剂负载量一定,改变气化温度,分形维数愈大,煤焦颗粒的碳转化率越大;气化温度一定,改变催化剂负载量,分形维数愈大,煤焦颗粒的碳转化率越大;煤焦颗粒的初始气化反应速率与分形维数关系与碳转化率一致;煤焦颗粒的分形维数与煤焦球度、角度间相关性较大,存在指数关系;即分形维数随煤焦颗粒角度的增加而增大;煤焦颗粒分形维数指标可用于煤焦催化气化过程的研究。     

石灰岩对褐煤模拟地下气化残焦物化性质的影响

基于煤炭地下气化过程中石灰岩可能影响煤焦的组成和结构,借助煤炭地下气化模拟实验系统对不同石灰岩掺量(质量分数为0-30%)的褐煤进行水蒸气气化,并采用低温N_2吸附-脱附、XRD和FT-IR等分析手段研究石灰岩对褐煤模拟地下气化残焦的组成、比表面积及孔结构特征、微晶结构和表面官能团等物理化学性质的影响。结果表明,石灰岩对煤焦的元素组成有较大影响。石灰岩可促使煤焦中的微孔向中孔发育,增大煤焦的比表面积和孔容积;当石灰岩掺量从0增加到30%时,煤焦的比表面积增大21.91%,介孔率增加21.49个百分点。XRD分析表明,钙的存在破坏煤焦的芳香结构,使煤焦无序化程度增加,晶面间距(d_(002))增大,抑制煤焦的石墨化发展倾向。FT-IR分析表明,石灰岩存在下,煤焦的羟基官能团减少。     

五级谢尔尔宾斯基基三角形形的制备

正分形结构是指不同尺度下具有自相似特性的一类几何结构,由Mandelbrot首先提出~1。分形结构广泛存在于自然界内,例如冬季的雪花、大陆的海岸线等,无不包含着分形的特征。分形研究对于自然科学、工程学以及美学都具有重要意义。尤其在纳米尺度上,构建具有高度自相似的分形结构,对于纳米技术的发展具有一定价值。     

煤燃烧过程中表面结构变化的SEM图像分析

介绍了SEM图像分析的多种方法,并讨论了各自的描述能力,利用这些方法分析煤在燃烧各阶段SEM图像,通过研究得到煤在燃烧过程中表面分形维数的变化规律,同时可获得表面孔的某些参数变化历程。分析表明,淮南低变质煤在850℃燃烧过程中,煤焦颗粒表面的分维数有一个先变低后变高的过程,煤焦表面分维数在2.2至2.5区间内变化;同时孔径分布由近双曲线分布变化为近正态分布,孔油加权平均形状因子增加,在研究过程中发现,不同的计算方法会对图像的分形维数值产生影响,确定合适的计算方法是分形理论在煤燃烧领域中应用的关键。通过比较发现Xie法较为适合计算煤焦表面SEM图像。     

煤快速热解焦的微观结构对其气化活性的影响

在滴管炉内对中国三种不同煤阶的典型煤种在800~1 400 ℃进行快速热解实验,利用XRD和氮气气体吸附法对所得煤焦进行微晶结构和孔隙特征分析,在热重分析仪上进行CO₂气化反应活性的测定,研究不同热解温度煤焦结构特性与气化活性之间的关系。结果表明,随着热解温度的升高,内蒙古褐煤焦和神府烟煤焦的比表面积在1 200 ℃达到极大值,但气化活性却相对较低;遵义无烟煤焦在800~1 200 ℃气化活性逐渐提高,但比表面积在900 ℃达到极大值,表明煤焦比表面积与气化活性不存在严格关联。煤焦碳微晶结构变化所反映出煤焦石墨化进程与煤焦气化活性随热解温度的变化具有一致的变化趋势,表明快速热解煤焦的碳微晶结构变化对煤焦气化活性的影响更大。     

煤及煤焦微观结构特征与气化反应性

研究了不同煤化度煤及煤焦的微观结构及其对气化反应性的影响。结果表明,褐煤焦具有丰富的分支孔系统和较大的比表面积,并含有较多对气化有催化作用的可交换阳离子。无烟煤焦分支孔贫乏,比表面积很小。煤焦的总孔容、比表面积和芳核大小之间有很好的对应关系。不同煤化度煤焦气化反应性差异很大,脱矿物质后煤焦反应性差异显著减小,但是脱矿物质前后煤焦的反应性随煤化程度的变化趋势相似。     

用DSC直接法测量POM晶体的比热容

比热容是物质的特性参数之一。测定比热容的经典方法通常是采用各种类型的精密量热计,该方法测量精度高,但操作繁琐,费时费力。采用差示扫描量热法(DSC)测定比热容精度可达到0.3%,具有速度快、试样用量少等优点。 本文用DSC法测量人工晶体3-甲基-4-硝基氧化吡啶(POM)在320～380K之间的比热容,以往尚无文献报道。     

随机孔模型应用于煤焦与CO2气化的动力学研究

考察970 ℃～1 165 ℃，北宿、神府、忻州、潞安煤焦与CO2在热天平中的气化反应，用恒温法进行热重分析，考察煤种、气化温度、灰分对煤焦气化的影响。用随机孔模型模拟北宿煤反应速率与碳转化率的关系曲线，与未反应芯缩核模型和混合模型模拟结果比较。在化学控制区内，实验数据用随机孔模型拟合最佳。1 066 ℃和1 165 ℃气化数据拟合的相关系数为0.99，970 ℃拟合效果较差。随机孔模型作为简单、精度高的模型可应用于煤炭气化反应中。应用此模型计算四种煤焦反应活化能、指前因子、孔结构参数、A0等动力学参数值。同一煤种气化反应温度越高初始反应速率越大，结构参数体现了孔结构变化对反应的影响，随着温度的升高值减小。     

神府煤热解的结构变化及煤焦加氢反应性研究

将煤加氢过程分解为原煤热解和焦加氢两个过程,在固定床反应器内研究了煤热解和焦加氢反应。采用红外气体分析仪、拉曼光谱仪和X射线衍射仪,分析研究了煤热解过程中气体组分含量与煤焦微观结构变化的相互关系以及煤焦微观结构对其加氢反应特性的影响。结果表明,热解温度对煤焦的微观结构和加氢反应性有较大影响,400-800℃,随着温度升高,煤焦拉曼分峰面积比A_(D1)/A_G、A_(D2)/A_G、A_(D3)/A_G、A_(D4)/A_G均上升,A_G/A_(All)减小。800-900℃,A_G/A_(All)增大,无序碳的相对含量增加,石墨化进程明显。煤焦的XRD分析与拉曼光谱分析结果一致。400-800℃,随着温度升高,煤焦中碳结构晶面间距d_(002)先增加后减小,堆垛高度L_(002)增加,晶面间距与堆垛高度比d_(002)/L_(002)减小,煤焦中石墨碳结构的含量增加。800-900℃,d_(002)减小,L_(002)明显增大。采用拉曼分峰比(aA_(D1/G)+bA_(D2/G)+cA_(D3)/G+dA_(D4/G))与加氢反应性特征参数τ_(0.5)进行线性拟合,得到代表碳微晶结构加氢反应性的拟合因子,且拟合因子越大,相应碳微晶的加氢反应性越好。     

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。     

用热重红外光谱联用技术研究混煤热解特性

用热重分析仪和傅里叶红外光谱仪，对混煤在惰性气氛中的慢速热解特性进行了动态分析，考察了煤种、掺混比例以及加热速率对热解的影响。结果表明，混煤的热解与单煤的热解有相似之处，热解组分的析出随温度的变化规律一致，但其组分析出量并不是单煤热解析出量的简单叠加。由于掺混煤种间的相互作用，混煤热解气体在析出时间和析出量上均发生了变化。通过对红外吸收光谱的分析，发现混煤热解气体析出规律受掺混煤种的影响很大，高活性煤种的存在会降低混煤热解的初析温度，增加热解气体的析出量，其掺混比例越高，影响也越明显。     

岩相及煤阶对煤的燃烧特性的影响

为了确定手选富显微组分煤及焦的燃烧特性，从显微组分和煤阶的角度用热天平的燃烧曲线研究反应性，并给出焦的活化能。煤和焦的比表面积由液氮等温吸附求得，并用扫描电镜观察了焦的表面形态。用灰色关联法分析各显微组分和煤阶对反应性和表面形态的影响。结果表明，镜质组对煤和焦反应性和表面形态均有重大影响，煤的反应性受显微组分的影响比煤焦更显著，若不考虑矿物质的影响，则各因素对煤及焦反应性影响次序为Ｖ＞Ｒ＞Ｉ＞Ｅ。     

生物质焦的表征及其吸附烟气中汞的研究

选用四种生物质即稻杆(RS)、稻壳(RH)、松木屑(WC)和棉花杆(CS)制备了生物质焦,利用N₂吸附/脱附和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪,对制备的生物质焦的孔隙结构和表面化学性质进行了表征,分析生物质种类和制焦条件对生物质焦性质的影响。在固定床汞吸附实验台上研究了生物质焦的脱汞性能。结果表明,随着热解温度的升高,生物质焦的比表面积、微孔容积、分形维数等参数有先增大后减小的趋势。WC600、RS600、RH600均有较好的孔结构特性;热解温度升高,生物质焦表面官能团的数量和种类随之减少。不同生物质制备的焦样表面官能团的数量和种类差异较大。其中,RH600和RS600的表面官能团的种类比较丰富,而且含量相对较多。但WC600和CS600表面的官能团种类和数量都很少。生物质焦的单位汞吸附容量与其分形维数以及微孔容积之间并非简单的依附关系,其吸附能力还受含氧官能团等其他因素的影响。     

热解过程中生物质半焦比热容的测定

采用热重-差示量热扫描法(TG-DSC)测量了生物质和一次热解焦炭及不同转化率下半焦的比热容,建立了计算半焦比热容的数学模型并与实验测量结果进行了对比。结果表明,生物质样品和热解焦炭的比热容在60~200℃随温度升高而线性增大。生物质焦炭的比热容低于生物质样品的比热容,从60℃时的1.2 J/(g·K)增大到200℃附近的1.8~2.0 J/(g·K)。生物质半焦比热容随热解转化率的提高而降低。由半焦比热容数学模型计算得到的结果在接近150~200℃时与实验测定的半焦比热容数值基本一致。     

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。     

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。     

煤岩有机显微组分热解过程中HCN和NH3生成规律的研究

经等密度梯度离心分离，从褐煤、长焰煤、气煤和贫煤四种不同变质程度煤中获得了高纯度的有机显微组分。用石英管式反应器在600 ℃～900 ℃考察了煤岩有机显微组分热解过程中HCN和NH3的生成规律。实验结果表明，在显微组分热解过程中HCN主要是挥发分二次裂解的产物。在镜质组热解过程中，煤的变质程度越高，HCN的生成率越低，热解温度越高，HCN的生成率越高；同一种煤三种有机显微组分热解过程中，HCN的生成不仅与显微组分挥发分的质量分数有关，而且与显微组分中氮的存在形态有关，在较低温度热解时吡咯型氮质量分数高的煤样HCN的生成率较高。显微组分热解过程中NH3来自于挥发分的二次热裂解，与焦的热裂解有关，随煤变质程度增高，镜质组热解过程中NH3的收率降低；对同一种煤三种煤岩有机显微组分，由于其黏结性不同，含氮官能团和氢自由基的接触几率不同，生成NH3的能力也不同，惰质组的NH3生成率最高，壳质组最低；温度对NH3的生成也有影响，800 ℃NH3的生成率最高，惰质组NH3的生成率为11.8%，壳质组NH3的生成率为5.2%。