生物质代替优质煤与石煤混合热解特性研究

利用热重分析仪对石煤与2种生物质的混合物进行混合共热解的实验研究。结果发现高碱金属含量的存在使得玉米秸秆对石煤热解的促进效果好于锯末;升温速率为20℃/min时,混合物中石煤热解所需的活化能最低,其中玉米秸秆-石煤混合热解所需活化能低于锯末-石煤;生物质与石煤的混合比例为3:7时,石煤的热解速率最快。     

纤维素与褐煤共热解协同规律

生物质是一种清洁的可再生有机燃料,生物质能的开发和利用可有效解决环境污染和能源问题。目前生物质与低阶煤的共热解研究受到国内外学者的广泛关注,为解析生物质组分与褐煤共热解过程的协同作用规律,以生物质主要组成纤维素和蒙东褐煤为研究对象,以热重红外联用仪(TG-FTIR)为实验手段,进行纤维素和褐煤的单独热解和不同掺混比例下混合样品的热解动力学特性(加热速率为10、25和50℃/min)及气体析出规律研究。结果表明：纤维素组分可提高纤维素-褐煤混合物的热解活性,使混合物共热解过程中热解失重峰速率高于理论热解失重峰速率;同时,分布活化能模型(DAEM)可较好的应用于纤维素-褐煤混合物活化能的计算,且纤维素的加入可降低共热解过程中纤维素-褐煤混合物的反应能垒,使混合物在不同质量转化率下的表观活化能低于理论活化能。此外,共热解过程中小分子气体(CH₄、CO₂和CO)的析出峰值温度(400～420℃)与纤维素的气体析出温度相一致,且气体析出量高于理论值。随着混合物中纤维素比例的增加,气体实际析出量与理论计算量之间的差值呈现出先增加后降低的变化趋势,且当纤维...     

松枝与浮选尾煤共热解协同效应及动力学分析

为研究松枝与浮选尾煤共热解协同效应及动力学参数,采用热分析天平研究了松枝不同添加比例与浮选尾煤共热解协同效应,并在此基础上计算分析了松枝不同添加比例下与浮选尾煤共热解的N级(n=1,2,3)热解反应模型。实验结果表明:松枝与浮选尾煤单独热解规律不同,松枝的最大热解失重速率大于浮选尾煤。当热解终温为900℃时,松枝和浮选尾煤失重率分别为74.33%和13.25%,二者主要热解阶段的温度范围有相互重叠部分,有存在发生相互协同效应的可能性。当松枝添加比例在20%~80%时,反应级数n=2时松枝不同添加比例与浮选尾煤共热解动力学方程拟合度较好,且共热解过程中所需活化能要低于浮选尾煤和松枝单独热解时所需活化能,有利于共热解反应的进行,进而导致挥发分更易析出。     

烟煤与农业废弃物共热解特性研究

为研究烟煤与农业废弃物共热解特性,采用热重分析仪和固定床反应器对烟煤和玉米秸秆、玉米芯混合物进行共热解对比实验。结果表明:热解温度由200℃升高至400℃时,煤样失重率逐渐增大,TG曲线明显下降,外推起始失重温度409.59℃。共热解生成的气体中H2和CO2的产率明显高于ZC3原煤单独热解,少量玉米秸秆的加入促进了煤的热解。并且高于玉米秸秆单独热解时的加权理论值。煤与玉米芯混合物共热解过程中的协同效应使气体产率增大,焦油产率降低。     

水稻秸秆与煤共降解增产煤层生物甲烷试验研究

为研究水稻秸秆与不同煤阶煤共降解产甲烷的潜力,分析了秸秆与煤的质量比、煤阶对甲烷产量的影响,并利用扫描电镜技术分析了微生物作用下煤与秸秆的相互作用关系。结果表明,水稻秸秆可以显著促进煤层生物甲烷的转化,在秸秆与煤质量比0.3∶1的条件下,高阶煤、中阶煤和低阶煤与秸秆共降解的最大甲烷产量分别为643.25、627.90、208.46μmol/g,比煤单独降解的对照组增加了1 268.08%、1 644.16%和1 633.33%;比秸秆单独降解的对照组增加了556.12%、540.71%和112.24%。正交试验结果显示,煤阶越低,产生最多甲烷时需要添加的秸秆比例越大,秸秆与高阶煤、中阶煤和低阶煤的最佳质量比分别为0.6∶1、1∶1和1.5∶1。扫描电镜结果表明,秸秆和煤共降解后的结构破坏程度更大,秸秆与煤之间具有相互促进的协同作用。研究结果表明水稻秸秆与煤共降解产甲烷的潜力巨大,这为进一步提高煤层生物甲烷产量,以及对秸秆资源的高效利用提供了有效途径。     

生物质与煤混合燃烧动力学分析

为了减少生物质资源的浪费,减轻煤炭燃烧过程中造成的环境污染,利用热分析技术对生物质、煤及其混合物燃烧的动力学参数进行了分析研究。主要考察了生物质种类、原煤煤化程度、生物质添加比例对生物质与煤混合燃烧动力学参数的影响。研究表明:煤燃烧的活化能大于生物质燃烧的活化能。在长焰煤中分别加入同样量的玉米秸秆和木屑,混合燃烧时对应的两个阶段的活化能相差不多。分别在长焰煤、烟煤、无烟煤中加入玉米秸秆,混合物燃烧最后一个阶段的活化能,随原煤固定碳含量的增加而明显变大,且混合物各个燃烧阶段的活化能均显著小于原煤。随着玉米秸秆含量增加,混合物燃烧第二阶段的活化能随之明显变大,而第三阶段的活化能随之先较快降低再较慢降低。单独生物质、煤以及二者混合物的燃烧可以作为一级反应处理。     

低阶煤微波辅助热提质研究进展

微波热处理技术具有快速均匀、选择性加热和操作灵活、安全环保的优势,为实现低阶煤的清洁高效利用提供了新途径。从低阶煤的微波辅助干燥提质和热解提质出发,综述了低阶煤对微波的介电响应特性,梳理了影响低阶煤微波干燥提质过程的因素,阐述了微波干燥提质对低阶煤品质和理化性质的作用规律,不同工艺条件对低阶煤微波热解提质的影响以及引入吸波剂和催化剂对强化低阶煤微波热解提质的作用特性。结果表明:低阶煤中的水分和矿物含量是影响其介电损耗能力的主要因素,内在水分对微波的快速响应有利于实现微波对低阶煤的快速干燥提质。微波加热干燥有效提升了低阶煤固定碳含量和燃烧热值,内在水分被优先加热发生快速迁移可促进孔隙结构形成进而增强了其可磨性,极性含氧官能团在微波诱导下易发生分解有助于抑制低阶煤的自燃倾向。相比常规热解,微波辅助低阶煤热解提质表现出加热速率快、热解效率高、焦油轻质组分丰富以及合成气产量高的优势。微波功率、辐射时间、热解终温和反应气氛是影响低阶煤微波热解提质的主要因素,基于目标导向的热解工艺参数优化是实现低阶煤高效分级分质利用的核心。利用吸波剂和催化剂充分强化低阶煤微波热解提质,有利于提高微波能利用率、加深煤热解程度、定向调控产物分布以及改善热解产物品质。此外,微波辅助低阶煤和生物质、油页岩和废塑料等富氢物质进行共热解,能够增强焦油向轻质化的转变以及提升有效气体收率,是实现低阶煤清洁高效梯级利用的重要发展方向。     

Fe_2O_3/CaO复合催化剂对低阶煤催化热解行为的影响

为了实现低阶煤的分级分质高效利用,采用Fe_2O_3/CaO作为复合催化剂,以子长禾草沟煤矿和大同矿区的煤样为研究对象,采用热重分析研究了不同添加量时,Fe_2O_3/CaO复合催化剂对子长煤和大同煤热解行为的影响,并从动力学角度和煤热解产物气相组分变化方面探讨了催化热解机理。结果表明:Fe_2O_3/CaO复合催化剂的加入对煤的热解有催化作用,对不同煤种的催化效果不同,加入催化剂后,煤催化热解的活化能降低,随着催化剂的加入,各段温度范围显著降低,使反应更加容易进行。同时热解气相组分也发生了明显的变化,促进了挥发分的逸出,使得煤的裂解和缩聚等反应更容易进行。过量Fe_2O_3/CaO复合催化剂的加入会对煤的热解有抑制作用,加入质量分数5%的Fe_2O_3/CaO催化效果最好。     

新汴河污泥对煤热解特性的影响研究

为了探究河流污泥与煤混合是否会优于单煤热解,为能源节约与合理运用提供理论参考,利用综合热重分析法将采集的新汴河污泥和任楼煤矿煤样及其混合物进行热解实验,研究其质量分数与热流随温度变化的规律。实验结果表明,污泥与煤有着不同的热解过程,污泥可以影响煤的热解并可在一定温度范围内提高热流值,当污泥的掺混比例为40%时热流曲线发生明显变化,混合物热流值与纯煤热流值的比值约为1.28,说明污泥和煤混合热解效果更佳。分析原因发现,污泥的疏松结构可为煤粒提供空间,使其更好地进行热解反应,并且污泥中含有的重金属元素、有机质都会积极地影响煤热解。     

低阶煤中镉的赋存对其在热解中释放的影响

为了探明重金属镉元素在低阶煤热解过程中的释放机制,在铝甑反应器中考察了不同热解终温下(400~800 ℃)新疆淖毛湖煤和宝日褐煤热解过程中镉的迁移转化行为。提出了“原煤热解行为-镉在煤中的赋存形式-重金属镉的释放行为-FactSage模拟”这一技术路线,首先在TGA反应器中考察了2种低阶煤的热解特性,其次利用逐级化学提取法和电子扫描电镜研究了重金属镉在煤中的赋存形式,然后在铝甑反应器中研究重金属镉在煤热解过程中的释放行为,最后结合FactSage热力学模拟计算,分层次系统地揭示重金属镉元素在热解过程中的释放机制。结果表明,镉在煤中的赋存形式决定了其在煤热解中的挥发性:2种低阶煤中有机结合态的镉元素比例均较高,导致低温时镉元素即可随着有机质的热分解而逸出;宝日褐煤中铁锰结合态镉元素较多,且大多分布于煤颗粒表面,受热容易分解从而导致其挥发;高温时宝日褐煤由于其SiO2含量较高,高温下熔融硅酸盐可与气态的镉元素发生反应,使镉元素的挥发率降低,而淖毛湖煤由于其含有的碱金属和碱土金属较多,可与矿物形成低温共熔物而导致镉元素释放率持续增加。另外,FactSage化学热力学模拟的结果与实验现象相符。计算表明镉是一种易挥发的元素,低温时煤中的镉元素几乎全部以气态单质镉的形式挥发,镉不与煤中Si,Al,Cl,Fe和碱金属等元素反应,但是这些矿物对镉元素进行吸附或包裹会影响镉元素在热解中的释放。     

神华煤及其直接液化残渣热解动力学试验研究

为研究神华煤和神华煤直接液化残渣的热解过程,对神华煤和神华煤直接液化残渣在不同的升温速率下进行了热重分析.根据不同升温速率的热解试验结果,采用分布活化能模型(Distributed Activation Energy Model,DAEM)对神华煤和残渣的热解动力学进行了分析,得到了热解动力学参数活化能和反应速率常数.研究表明:神华煤热解的活化能为53.98～279.38 kJ/mol;神华煤直接液化残渣热解活化能约为170 kJ/mol.对神华煤和残渣热解失重率随温度变化的试验曲线和模拟计算所得曲线进行比较,发现神华煤和神华煤直接液化残渣的试验曲线和模拟曲线重合较好,说明DAEM模型能够较准确地描述神华煤和神华煤直接液化残渣的热解过程.     

延长烟煤与玉米秸秆共热解实验研究

为研究内在碱(土)金属对煤炭、生物质共热解过程的影响,对原料进行酸洗脱灰处理,探索内在碱（土）金属对共热解的影响作用机理。在热重分析仪中对玉米秸秆（CS）,延长烟煤(SM)单独以及两者混合共热解的热解特性进行研究。实验结果表明,两者在共热解过程中发生了协同作用。对玉米秸秆,延长烟煤进行酸洗脱灰分处理,考察两者内在碱（土）金属对混合共热解的影响。采用Coats-Redfern法对玉米秸秆,延长烟煤以及两者共热解过程的主要阶段用一级动力学反应过程进行描述,计算其动力学参数。对比酸洗玉米秸秆（DECS）与延长烟煤,酸洗延长烟煤(DESM)与玉米秸秆的共热解实验,酸洗后的共热解过程中,其活化能增加,指前因子下降,证明了生物质中的碱(土)金属对共热解过程起到了催化作用。     

基于活化能指标煤的自燃倾向性研究

运用热重分析手段对煤从常温到燃点之间的氧化热解过程进行了研究，运用不同动力学机制模型函数分别对热重分析数据进行了处理和相关性分析.结果表明，煤炭氧化热解过程符合一级化学反应动力学机制，据此求出活化能，利用活化能指标来划分煤的自燃倾向性.     

低温热解对低阶煤表面疏水性的影响机制及半焦可浮性分析

低阶煤泥表面疏水性差,难以通过常规浮选实现高效分选提质。此外,低阶煤与氧气反应活性高,易发生自燃,但由于煤层或煤堆内部氧气含量低,其主要还是以受高温烘烤作用(类似于低温热解环境氛围)为主,而低温热解转化已逐渐成为低阶煤高效利用的途径之一。因此,探究低温热解对低阶煤表面疏水性的影响,并揭示热解固体产物半焦的可浮性变化规律,对低阶煤的高效合理利用具有指导意义。以不黏煤为研究对象,采用热重分析仪(TGA)描绘煤样热解过程中的失重特性;气相/液相色谱(GC/LC)检测热解过程中挥发性产物的组成;X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电镜(SEM)表征热解前后煤样表面官能团和微观形貌的变化规律;诱导时间测定仪和单元浮选试验分析煤样热解前后疏水性和可浮性的变化情况。结果表明:煤样经低温热解后失重明显,大量挥发性组分(氢气、甲烷等气态产物,苯酚为主的液态产物)逸出,直接导致煤表面亲水性含氧官能团含量相对减少,疏水性官能团含量相对增加;热解半焦表面孔隙、裂痕显著增加,粗糙度增大;与原煤相比,热解半焦诱导时间显著缩短,浮选产率明显增高。低温热解增强了不黏煤表面的疏水性,提升了浮选回收率,从而促进了低阶煤"低温热解转化-半焦浮选提质"联合工艺的发展。     

煤催化热解技术研究进展

基于低温热解以及催化热解方式可以实现低阶煤的高效利用,阐述了用于煤催化热解的催化剂种类及其催化机理;总结了催化热解应用研究过程中催化剂的选择依据;根据催化剂在煤中分散程度和负载方式不同,介绍了目前煤催化热解工艺中ICHP工艺、多段加氢热工艺、流化床热解工艺、逆流式煤催化热解工艺的特点。最后根据煤热解以及催化热解的特点,提出催化热解的研究重点在于煤分级转化技术的过程调控原理和催化剂定向制备原理。     

煤直接液化残渣与褐煤共热解动力学研究

为了解决煤炭液化残渣在热解过程中软化熔融并剧烈膨胀导致难以利用的问题,在温度范围为30 ～900℃,升温速率分别为10、20、30、40℃/min的情况下,借助热重分析仪对煤直接液化残渣与褐煤进行程序升温共热解试验,采用Doyle法分析共热解动力学,将动力学结果与共热解协同作用进行关联.结果表明:共热解过程可用3个串联的一级反应描述,温度区间分别为200 ～310、310～470、470～900℃,其中310 ～470℃对应共热解反应的活泼分解阶段,反应活化能(40 ～ 50 kJ/mol)远大于低、高温反应活化能(10 ～20 kJ/mol).液化残渣与褐煤共热解降低了活泼分解阶段的反应活化能,加快了反应速率,增大了热解失重率,使共热解反应在300 ～550℃表现出正协同作用.     

煤与焦油、秸秆混合压球共热解的动力学

针对采用不同方法计算混合物共热解的动力学参数易出现发散、范围较宽等问题。采用热分析(TGA)方法对两种不同性质的煤样(ZC和XL)、秸秆(ST)和煤焦油(T)混合压球进行共热解实验研究,在此基础上采用等转化率方法(Ozawa-Flynn-Wall(OFW)和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS))计算单独和混合共热解的动力学参数并进行对比,分析了产生差别的深层原因。实验结果表明:在较高升温速率下,单独组分热解达到所需热解温度的时间缩短,而在低的升温速率下单独组分的加热发生在颗粒内部的热传递更加有效率。单独热解采用KAS和OFW法计算得到反应过程平均活化能平均值由大到小依次为ZCXLTST。无论是采用等转化率方法还是采用等温方法对不同性质的物料进行热解反应动力学参数计算受选择计算方法的影响。在热解过程中,随热解温度升高,失重率呈现先增大后降低的变化趋势,E1,E2,E3,E4失重率的实验值和计算值的差值在800℃时达到最大。通过混合压球热解失重的实验值与计算值对比,ZC,XL与ST共热解的协同作用不明显。     

煤与废塑料共热解时氯的释放及其动力学特性

研究了煤与PVC类废塑料共热解过程中氯的释放特性,并探讨了释放过程的动力学性质,发现加入PVC的焦炭中氯含量明显高于一般的焦炭。动力学研究结果表明,加入PVC后的热解过程是分解反应过程,表现为一级反应,活化能在80kJ／mol左右,热解产生的HCl量比例较小,且随温度的升高而增大。     

低阶煤干燥过程水分析出动力学行为分析

使用热重分析仪对伊敏褐煤(YM煤)和天池能源次烟煤(TC煤)进行干燥过程实验研究,采用等转化率等方法对低阶煤热重数据进行分析,得到煤中水分析出活化能E。根据求得的活化能,由Achar方程和Coats-Redfern方程确定最概然机理函数,并确定干燥过程级数n和指前因子A。同时,采用差式扫描量热法(DSC)对煤中不同赋存形式的水分进行定量分析,以此验证热重分析结果。结果表明:低阶煤水分析出的活化能E为45~55 k J/mol,干燥过程遵循简单级数模型f(α)=(1-α)n,n≠1。YM煤水分析出活化能为53.28 k J/mol,干燥过程级数n=1.82~1.95,指前因子A=(3.52~3.96)×108s-1;TC煤水分析出活化能为47.44 k J/mol,干燥过程级数n=1.39~1.44,指前因子A=(6.62~8.17)×107s-1。DSC的定量分析结果表明,低阶煤中以自由水和弱束缚水为主的不稳定组分含量达到70%~80%。干燥过程中,自由水先析出,其析出活化能略高于纯水蒸发活化能;强束缚水在干燥末期析出,其析出活化能随干燥过程的进行急剧升高,且远大于纯水蒸发活化能。     

不同镜惰比低阶煤的结构特征及其热解行为

热解是煤液化、气化等洁净煤技术的基础，尤其是对于低阶煤的利用上。为进一步研究低阶煤的热解特征，以一系列不同镜惰比赵家庄(ZJZ)、马蹄罕(MTH)、豆塔(DT)煤(V/I分别为0.1、0.76、1.76)为研究对象，采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)与X射线衍射(XRD)技术分析样品的化学结构；通过热重-质谱(TG-MS)联用技术，检查了样品在30～900℃的热解过程及其气体逸出行为。结果表明：不同镜惰比低阶煤中的化学结构含量有较大差异，与富惰质组ZJZ煤相比，富镜质组煤有着相对丰富的脂肪族结构，长脂肪侧链，以及含氧官能团，尤其DT煤中含有丰富的C—O。相应的芳香结构含量随着镜惰比增加而减少。同时，随着煤中镜惰比增加，芳香层片间距d002、横向延展度与纵向堆砌高度之比(La/Lc)增大，芳香层堆砌高度Lc、芳香层尺寸La以及堆砌层数N减小。DT、MTH、ZJZ煤在热解中失重量依次为36.4%、32.2%、28.9%，随着镜惰比降低，最终热解气态产物产率以及最大热解速率相应降低。在热解过程中有H₂、H₂O、CH₄、CO、C...