褐煤微波脱水过程中水分的迁移规律和界面改性研究

针对褐煤脱水能耗高、易复吸的难题,运用自制微波脱水系统,对蒙东褐煤进行5种不同功率和4种不同粒度的脱水实验。建立了褐煤微波脱水的数学模型并采用有限差分法求解,实验结果与模型计算结果吻合良好。采用扫描电镜(SEM)和低温氮吸附仪测定脱水前后煤样的表面形态和孔隙结构。采用化学滴定法测定羧基和酚羟基官能团的变化。通过恒温恒湿复吸实验和热重分析确定煤样的复吸和自燃特性。发现微波脱水后褐煤复吸水分远低于热风干燥褐煤的19.87%,着火点也由原煤的275 ℃提高到295 ℃以上。说明微波脱水后褐煤的界面稳定性得到改善,不易复吸和自燃。     

热压脱水对褐煤结构及热解特性的影响

为探究经热压脱水后褐煤的物理、化学结构变化及其热解特性,在小型反应釜上采用热压脱水方法对内蒙古锡林郭勒褐煤进行脱水提质。通过红外光谱(FT-IR)、粒度分析仪、静态氮吸附仪等实验设备探索脱水后煤样的物理、化学结构变化。采用热重天平（TG/DTG）研究了脱水煤样热解和气化反应性的变化情况,并对脱水煤样在最大失重速率区间的动力学参数进行了计算。实验结果显示：温度对于脱水率的影响明显大于压力,而压力对于脱水率的影响主要表现在低温阶段,300 ℃时压力对于脱水率几乎没有影响。温度相同压力较大时,羧基浓度无明显变化,但压力对C-O键的生成起到抑制作用;随着实验温度的升高,C-O键浓度、芳香度先增大后减小。热压脱水煤样的比表面积、总孔体积、平均孔径、粒度都有所降低,但压力对粒度影响较小;微孔和中孔比例增加,大孔比例降低。在压力的挤压作用下褐煤颗粒内部孔隙缩小、坍塌,使脱水煤样在热解初始阶段反应活性降低;而在高温热解阶段反应活性增大。     

基于TG-MS研究不同升温速率下褐煤热解气体产物析出特性及其动力学参数

为研究褐煤热解特性及动力学参数分布规律,采用热重质谱联用分析仪(TG-MS)对锡林郭勒褐煤进行不同升温速率下的热解实验,研究了不同升温速率下煤样的热失重规律、CO和H_2析出过程的变化规律,并对热解气体产物热值及未冷凝气体效率进行了计算。实验结果表明:煤样热解初始阶段,不同升温速率下水分析出速率相等,与热解升温速率关系不大。随着热解时间延长,煤样的质量逐渐降低。不同升温速率下热解煤样最终残留质量相差不大,平均剩余为6.51mg。热解转化率较小时,活化能E值较大,指前因子A较高。随着热解转化率的逐渐增大,反应活化能呈现降低趋势,这表明随着热解温度的升高,煤中分子吸收能量后克服反应势垒差值降低,热解反应速率增大。CO和H_2释放过程可大致分为三个阶段,且析出峰温随着升温速率增大向高温段移动。热解气体产物热值和未冷凝气体效率呈波浪状变化趋势。     

不同变质程度煤样热解气体产物逸出规律研究

为研究不同变质程度煤样对热解产物特性影响,采用热重分析仪(TGA)和固定床反应器对不同变质程度煤样进行热解实验。在此基础上,采用气相色谱分析仪研究了热解气相产物分布。结果表明:热解反应初期,褐煤NM失重速率达到最大;在200℃~300℃时烟煤中主要是非共价键和弱共价键发生解离,此时产生的挥发分较少,因此在该温度段质量变化较小。固定床热解实验表明,焦油产率由大到小依次为:SX(15.81 wt%)HL(12.63 wt%)XJ(10.46 wt%)NM(4.32 wt%)。随着热解温度的升高,成煤环境导致煤样组成的差异是引起煤样热解气相产物产率分布出现差异的重要原因。     

云南褐煤的脱水实验研究

采用热风干燥法和微波脱水法对小龙潭褐煤进行干燥脱水实验,并模拟南方空气湿度条件对干燥脱水后褐煤的水分回吸进行了实验研究.结果表明:温度和时间是影响热风干燥脱水效率的主要因素,干燥脱水效率随着干燥温度的升高和干燥时间的延长而提高,但当干燥温度大于等于160℃,干燥时间为25min时,继续延长干燥时间,干燥脱水效率提高不明显,微波有效输出功率和脱水时间是影响微波脱水效率的主要因素,褐煤粒径对热风干燥的影响比微波脱水大,褐煤干燥脱水的理想目标值为15%左右.     

微波干燥褐煤复吸特性研究

为了研究干燥后褐煤的水分复吸情况及其影响因素,对蒙东褐煤进行了微波干燥试验,在300W、600W、900W的微波功率下对不同粒级的褐煤分别进行干燥,继而研究褐煤粒度和微波功率对干燥后褐煤复吸水分情况的影响,并与热风干燥进行对比。结果表明:与热风干燥相比,微波干燥后褐煤的水分复吸更少,并且相对湿度越高这种优势越明显;在微波干燥中,干燥后褐煤的复吸能力与颗粒粒度大小以及微波功率成正相关。     

微波场中褐煤水分脱除规律及影响因素分析

为高效便捷地脱除褐煤中的水分,以提高褐煤品质,运用微波干燥实验设备,对锡林郭勒褐煤进行微波干燥脱水及影响因素试验,分析了微波场中褐煤水分脱除规律,探索了煤颗粒粒度、微波辐射功率和初始含水率对微波干燥脱水的影响。结果表明,褐煤微波干燥存在预热、压力升高、恒速干燥和降速干燥4个阶段。预热阶段褐煤温度迅速上升,含水率基本不变。压力升高阶段内部蒸汽压力迅速升高,形成较高的总压力差,促使渗透流出现,脱水率显著增大。恒速干燥阶段蒸汽压力和脱水率保持不变。降速干燥阶段,脱水率下降,温度升高。粒度在0.6~3.0 mm时,干燥速率最快,最大为11%/min。辐射功率小于600 W时,功率越大,干燥速率越快,温升越快。初始含水率越高干燥速率越快,温升越慢。     

响应面法对褐煤微波提质工艺的优化

本试验利用响应面法(RSM)中的中心组合设计(CCD)法,以微波辐照功率、时间、煤样粒度以及煤样质量作为影响微波脱水速率的因素,优化设计微波褐煤提质工艺。根据CCD中心组合试验原理设计了31组试验,依据回归分析确定各工艺条件对脱水速率的影响,并将微波脱水速率数值作响应面和等值线图。试验结果表明,优选得到的最佳工艺为:煤样粒度组成为0.6~1.25 mm、煤样质量为20 g、微波功率为700 W、干燥时间为4 min。验证得到煤样的脱水速率为4.32%/min,与预测值接近。因此,中心组合设计及响应面法可显著优化褐煤微波提质工艺。     

褐煤弱氧化改质脱水水质对比分析

为实现褐煤提质并解决褐煤主产地干旱缺水问题,采用自行设计的固定床反应器及电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)对锡林郭勒褐煤进行不同干燥介质脱水并对冷凝水水质进行对比分析,同时对不同干燥温度下的煤样在干燥过程中产生的气体产率也进行了研究。结果表明:两种不同粒径煤样随着干燥时间延长,煤样含水率逐渐降低,且脱水温度越高,含水率越低。相同干燥条件下,0.5~0mm煤样冷凝水中COD、BOD、NH_3-N和TON值略大于6~3mm煤样。四种重金属离子的析出量均随着脱水温度的升高而逐渐增大,但煤样干燥冷凝水中重金属离子含量远低于地表水环境质量V类标准基本项目标准限值。氧气作为干燥介质时,CO_2和CO的产生除了煤样自身发生分解之外,另一部分CO_2和CO的产生来自煤样在干燥过程中发生的弱氧化反应。     

微波吸收剂对褐煤微波提质的影响规律

褐煤微波辐照过程中,仅有煤中的水分和微量物组分对微波的吸收能力强,如果在微波辐照过程中添加吸收微波能力强的微波吸收剂,可以加强褐煤微波提质过程。以褐煤半焦和活性炭为微波吸收剂,运用微波干燥试验设备,对锡林郭勒褐煤进行了微波干燥脱水试验研究,分析了微波场中吸收剂对褐煤水分脱除的影响规律,探索了吸收剂对微波提质褐煤的理化特性的提升机理。结果表明:加入微波吸收剂后的微波提质过程依然遵循微波脱水提质的预热,升速和等速干燥;微波提质褐煤的煤质明显提高,含氧官能团数量降低,自燃情况得到抑制。与没添加吸收剂煤样相比,加入微波吸收剂后的提质煤样水分含量降低1.6%、脱水率提高了9.46%、脱水速率提高了0.013%/s;碳元素含量提高2%、氧含量降低0.8%;干燥无灰基低位发热量增加1 059.318 k J/kg和干燥无灰基高位发热量增加了1 059.99 k J/kg;燃点最高可提高23℃。     

升温速率对煤热解特性的影响

利用热重分析仪对煤样分解特性进行了研究,探讨了升温速率对煤热解失重过程的影响,得出煤的热解过程可以分为3个阶段,本次试验褐煤的热解温度主要在300℃～500℃.升温速率对热解参数均有一定的影响.     

基于微波技术的褐煤脱水实验研究

 褐煤的脱水是褐煤利用的前提和基础,基于微波辐射的干燥原理,对内蒙古额吉褐煤进行微波干燥实验研究。考察了干燥时间、煤样粒径、微波功率、加热方式对褐煤脱水提质的影响,得到工艺条件为：干燥时间5min、微波功率720w、褐煤粒径3~6mm、加热方式为间歇加热,褐煤脱水率为64.10%。     

褐煤热重分析与恒温失重特性研究

热重分析法是研究褐煤脱水和热解机理的有效手段。通过热重分析仪研究了不同加温条件下褐煤的失重规律,得到了匀速加热和恒温状态下褐煤的失重曲线。结果表明:以10℃/min的加热速率对褐煤进行加热,褐煤的最大失重速率主要发生在100℃和500℃左右,分别对应褐煤的主要失水点和热解温度点,且褐煤的失水主要在30 min以内完成。在300~600℃,热解终温对褐煤的热解有着直接影响,同一温度下恒温有利于热解的继续进行,且随着温度的升高失重率越高。     

基于热重的煤热解反应动力学试验研究

采用热重分析法对4种不同粒径范围内的5种不同煤样进行热解特性试验研究,以考察煤化程度和粒径对煤热解过程的影响规律,同时对其热解动力学进行了特性分析。试验结果表明,煤的热解反应活性随着煤化程度的增加而逐渐降低;煤的传质传热受到粒径影响,煤的热解总失重率随着粒径的增大而减少,但当粒径小于一定数值时,蒙东褐煤、河曲2#煤和孙家沟煤的热解总失重率反而随着粒径的减少略有增加。在热重试验的基础上建立热解反应动力学模型并求解模型参数,把握热解特征和规律,以期在一定程度上对煤炭地下气化提供相应的理论指导。     

预处理对鲁霍褐煤的成浆及气化特性的影响

针对褐煤原煤成浆特性较差,难以直接应用于水煤浆气化的问题,通过对水洗或酸洗后的鲁霍褐煤煤样进行热处理以达到改善其成浆特性的目的,并利用BET、工业分析、元素分析对预处理前后的褐煤性质进行表征。用预处理后的褐煤湿磨制浆,考查其成浆性,结果表明：预处理使得煤样的孔隙结构遭到破坏,比表面积减小,平均孔径增大,其成浆浓度和流动性均得以改善,酸洗后进行热处理的鲁霍褐煤成浆浓度可达到60%。用TherMax500热重分析仪对预处理后的鲁霍褐煤进行常压气化热重分析,研究了不同预处理方法对气化的影响,结果表明：水洗后热处理对煤样的气化反应活性影响不大,而酸洗后热处理会大大降低煤样的气化反应活性。     

煤化程度对煤样热解焦油组成特性的影响

为研究煤化程度对煤样热解焦油组成特性的影响,采用热分析装置对不同变质程度煤样进行热解实验。在此基础上,采用气相色谱质谱联用分析仪(GC-MS),研究了煤样热解焦油的组成特性。结果表明:随着煤样煤化程度增大,焦油中重质组分含量(沸点360℃)逐渐降低,而烟煤S热解焦油中轻油(170℃)、酚油和萘油(170~230℃)、洗油(230~300℃)含量略高于褐煤NM和烟煤XJ、HL。四种煤样热解焦油中含有2个和3个苯环结构的芳香化合物含量较含有1个苯环的芳香化合物含量低,且随着煤样中碳含量而逐渐增大。     

低温热提质褐煤的理化结构演化及燃烧特性

选取胜利褐煤在流化床台架上进行不同温度(200～500 ℃)和气氛(氮气、模拟烟气和有机气氛)的温和热解提质实验,采用热重分析仪研究提质煤的燃烧特性,分别使用傅里叶转换红外光谱（FTIR）和氮气等温吸附方法研究提质前、后煤的化学和物理结构的变化规律。结果表明：热解过程提高了褐煤的发热量,降低了水分和自燃倾向。模拟烟气增加了提质煤的热值损失率,而有机气氛降低了热值损失率。煤中的含氧官能团和脂肪烃结构随着热解温度的升高而逐渐分解,挥发分的析出和热变形导致了提质褐煤平均孔径的减小和比表面积的增大。500 ℃模拟烟气气氛下煤的理化结构变化最为显著。褐煤提质后物理化学结构的变化使得提质煤燃烧热稳定性增强,自燃倾向降低,而提质气氛对煤的燃烧特性影响较小。     

内在矿物对高灰褐煤热解焦收率及特性的影响

利用分选、酸洗和添加矿物的方法制备出不同灰含量和矿物成分的褐煤煤样;使用沉降管反应器(DTR)和热重分析仪(TGA)研究内在矿物在800~1 200℃对褐煤热解的影响。结果表明,内在矿物可以降低褐煤的热解反应活性,增加低温(800)热解焦收率;碱金属和碱土金属(AAEM)是起主要作用的矿物成分。在高温条件下(≥1 000℃),内在矿物可通过催化原位水蒸气气化反应降低焦收率。焦收率的减少量正相关于煤样的灰分含量和内水含量,以及碱性金属总量。Raman光谱分析表明,内在矿物有延缓半焦微晶结构有序化和抑制交联键断裂的作用。内在矿物可促进半焦孔结构的形成,增大半焦的比表面积;钙为起主要作用的矿物成分。随热解温度的上升,过多的矿物会抑制半焦孔结构的进一步扩展。     

流化床热解试验的褐煤碎裂特性研究

褐煤在流化床热解过程中易受热力和机械力影响而发生碎裂形成粉尘,严重影响褐煤梯级加工利用发展,因而需研究褐煤在热力与机械力交互作用条件下的碎裂特性,以期为其热解、燃烧、气化等煤转化利用技术发展提供数据参考。选取内蒙古的2种褐煤,利用微型流化床热解试验装置,研究粒径、加热温度、升温速率、停留时间以及流化数各因素对褐煤碎裂特性的影响。实验研究表明：褐煤热解破碎后产生半焦的粒级主要分布在原粒级及低一档粒级范围内,颗粒的粒度变化率和粉化率随入料粒径增大而均提高,加热终温升高及升温速率增大则均加剧煤样的碎裂程度,停留时间的延长会使颗粒碎裂程度逐渐增大至粒度稳定,流化数的升高会促进颗粒粉化且对细颗粒生成的影响更明显;在流化床热解中热力、机械力分别是产生粉化的主要作用力以及辅助作用力,褐煤受热力作用下的碎裂形式为外围发生细颗粒的剥落、内部破碎为大块颗粒;通过扫描电镜分析不同温度下的半焦孔隙结构可知,随着挥发分的析出则半焦孔隙结构逐渐发育,最终由于集聚胀力与热应力作用而导致孔隙结构被破坏直至坍塌、碎裂。     

固体热载体褐煤热解过程的数学模型与模拟计算

根据褐煤热解动力学特性,针对固体热载体褐煤热解反应器中的热量传递特点,建立了相应的数学模型,并采用差分法进行了模拟求解,得到了固体热载体的冷却曲线和煤加热的升温曲线,以及褐煤挥发物随热解时间的变化曲线.计算结果表明:煤的挥发分及粒度对煤粒的温分布影响很大,挥发分越高、粒度越大,煤粒内外温差越大.同时,获得了未分解挥发物与热解时间的定量结果,为固体热载体煤热解反应器的设计提供了依据.