环保型煤自燃阻化剂的阻化特性及机理研究

为了研究环保型煤自燃阻化剂(EFI)对煤炭自燃的阻化特性和机理,采用热重/差热扫描-傅里叶红外光谱(TG/DSC-FTIR)联用技术测试在EFI作用下,煤自燃过程中质量、特征温度、热效应、气体产生量和活化能等参数的变化规律.结果表明:在煤体表面形成液膜从而隔绝氧气、蒸发吸热以及销毁煤氧化过程中的羟基(—OH)和羧基(—COOH)等活性基团是EFI抑制煤自燃的主要机理.添加EFI后的煤样,由于产生更加复杂的结构,加热过程中CO2,H2O和CO的释放与DSC曲线放热峰均出现双峰或三峰,且将原煤的起始放热温度提高20～30℃,脱水脱附吸热量增加4倍.EFI的添加能够促进煤样CO2和H2O的产生而抑制CO的产生,20%添加量的EFI将能够将单位质量煤样的放热量降低4 004J,而且将煤样燃烧的活化能提高60kJ/mol.     

微纳米金属铁粉的燃烧特性试验研究

运用热重分析手段对微纳米尺度金属铁粉燃料的着火和燃烧特性进行了研究.通过不同微米、纳米尺度金属铁粉燃烧过程的热重试验,分析不同粒径金属铁粉的燃烧特性,计算不同微米、纳米尺度金属铁粉在空气中燃烧的着火点、最高燃烧温度和表观活化能.结果表明,30～110nm粒径范围的纳米尺度铁粉的平均着火温度为280℃左右,最高燃烧温度为750～950℃,表观活化能为20～30kJ/mol;2～5μm亚微米级铁粉着火点为380℃,最高燃烧温度为950～990℃,表观活化能为37kJ/mol;而40μm的微米级铁粉着火温度为600℃左右,最高燃烧温度达到1000℃,表观活化能为58kJ/mol.随着颗粒粒径从微米减小到纳米尺度,金属颗粒的比表面积迅速增大,造成TG/DTG曲线上最大增重梯度所对应的反应温度和最高燃烧温度均明显降低,燃烧着火点温度明显降低,表观活化能迅速减小,因此反应活性随粒径的减小迅速提高.     

基于多重扫描速率法的煤矸石失重阶段动力学参数分析

综合运用多重扫描速率法Popescu法、FWO法和KAS法对煤矸石失重过程的反应机理函数、活化能和指前因子进行了计算与分析.结果表明,煤矸石绝热氧化失重过程中不同失重阶段的反应机理不尽相同.煤矸石外在水分失水和固定碳燃烧失重阶段的反应机理为相边界反应的收缩圆柱体(面积)模型,而煤矸石内在水分失水和挥发分燃烧失重阶段的反应机理则分别为三维扩散模型和相边界反应的收缩球体(体积)模型.外在水分失水、内在水分失水、挥发分燃烧和固定碳燃烧4个失重阶段的活化能和指前因子的自然对数值分别为40.089 k J·mol-1和13.17 s-1,80.326 k J·mol-1和24.49 s-1,133.059 k J·mol-1和18.09 s-1,222.018k J·mol-1和23.68 s-1.     

碱液处理对褐煤孔隙结构的影响

为降低褐煤吸水性,选用不同浓度氢氧化钠溶液处理煤样.应用氮气吸附法、扫描电子显微镜(SEM)等对处理前后煤样进行分析表征,探求不同浓度碱液处理对锡林浩特褐煤孔隙结构的影响.结果表明:氢氧化钠浓度低于0.05mol/L时,煤样比表面积与原煤相比有所增加,浓度继续增加则会减小;总孔体积在碱浓度低于0.01mol/L时稍有增加,之后均比原煤小,大于0.5mol/L时总孔体积不再大幅变化;在0.01～0.5mol/L时,随着氢氧化钠浓度增加,处理后煤样的孔隙分布在中、微孔各孔径区域内均逐渐减少,其大孔相应增加;吸脱附等温线解析结果表明,碱浓度在0.001～0.05mol/L时,对其孔形产生影响较小,在0.1～1mol/L时,较小孔径范围内开始出现开放性小孔,并形成裂缝形孔.     

基于OH-PLIF研究水洗和脱灰对准东煤燃烧特性的影响

为研究水洗和酸碱脱灰(UUC)对煤结构和燃烧特性的影响,选用准东褐煤为对象制备水洗煤(WWC)和脱灰煤(UUC),并运用了X射线衍射(XRD)、比表面积分析(BET)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)和配有燃烧器的平面激光诱导荧光技术(OH-PLIF)进行研究。实验结果表明,水洗和脱灰对准东煤的灰分和主要矿物碱金属都具有一定的脱除能力,水洗可以脱除73.2%的钠和58.8%的灰分,而酸碱脱灰可以脱除95%的灰分和几乎全部的碱金属。利用OH-PLIF观测到,三种煤粉的OH-PLIF的释放总量顺序是:RCWWCUUC,点火延迟时间顺序是:RCWWCUUC,而燃尽时间顺序是:RCWWCUUC。出现以上实验结果的原因一是对比原煤(RC),水洗煤(WWC)的比表面积和微孔体积略有增大,而UUC的增大幅度更加明显;二是煤中的碱金属和碱土金属在煤燃烧过程中所起的催化作用。     

生物/化学氧化对铅山煤硫分去除及燃烧的影响

介绍了一种简单、温和、成本低的煤炭燃前脱硫新工艺——生物/化学氧化法.将铅山煤生物处理(混合氧化亚铁硫杆菌生物沥滤)12d后,处理煤样再置于曝气反应器中深度氧化4h(90℃,0.05mol/LNaOH溶液).处理前后的煤样使用氧弹法、亚硝酸钠爆燃法、X-射线衍射、热重和扫描电镜进行分析.结果表明:化学氧化后,原煤(VC)和生物预处理煤(BTC)总硫去除率分别为47%和63%;其中BTC的硫化铁硫和有机硫去除率分别为94%和24%,比VC的两种硫分去除率分别提高了27%和118%.与VC相比,生物/化学处理煤(B/CTC)燃烧值提高了11%,起燃点降低了15℃.X-射线衍射、热重和扫描电镜的分析结果表明煤经生物处理后结构松动.因此,硫分和矿质成分更易于被化学处理,这使得煤炭既降低了硫分又提高了燃烧性能.     

煤焦固定床等温CO2气化反应动力学研究

利用自建固定床实验台研究了常压下神华煤煤焦等温CO2气化反应特性,实验分析了CO2流量、煤焦质量、气化温度和CO2分压对煤焦固定碳转化率的影响.在建立的化学反应动力学控制实验条件下,根据等转化率法计算得到煤焦气化反应活化能E为155 kJ/mol、CO2分压反应级数n为0.58;通过比对常用42种反应机理函数相关系数大...     

煤粉掺烧污泥的热重及动力学研究

通过热重实验仪,研究了煤粉、污泥及其混合物在不同比例下的燃烧特性。结果表明:单独燃烧时,煤的失重主要受固定碳燃烧的影响,污泥的失重主要受水分析出、挥发性物质析出和燃烧的影响;添加污泥有利于混合物着火,但不利于稳定燃烧,污泥的添加量以不超过30%为宜;随着污泥掺混比的增加,混合物开始失重的温度左移,失重峰的峰值温度与单煤燃烧的接近。燃烧动力学研究表明,煤的活化能为86.79 kJ/mol,高于混合物的任意一个阶段的活化能。混合物燃烧前期(低温段)的活化能小于燃烧后期(高温段)的活化能。     

O2/CO2气氛下煤燃烧过程中孔隙结构演化特征

在固定床和热重分析仪上对云浮烟煤焦在不同温度下 O2/CO2燃烧特性进行研究.研究结果表明热解终温和温度是影响煤焦燃烧特性的主要因素,反应速率随着温度的升高而增大,并且热解终温对焦结构的影响是不可忽略的,这主要是由于孔隙结构的变化主要受挥发分析出和焦受热变形的影响. 云浮烟煤 O2/CO2燃烧过程中起始阶段比表面积（SBET）有增加趋势,这种现象的产生主要是由于煤焦燃烧过程中微孔的扩容和新孔的产生,并且比表面积与微孔孔容积的变化规律非常相似,而这由于 SBET主要是由微孔来提供,但当转换率大于 80 %时由于孔坍塌造成 SBET有减小的趋势.     

煤粉与废线路板混合燃烧特性

利用热重方法研究了煤粉与废线路板的单独及混合燃烧特性.研究结果表明,煤粉与废线路板的混烧特性总体上表现得较为复杂,是两者共同作用的结果.废线路板单独燃烧时,热失重过程的TG曲线有两个明显的拐点,DTG曲线为双峰结构,在200～600℃范围内是剧烈失重过程;当废线路板与煤粉混合燃烧时,随着煤粉含量的增加,TG曲线变为一个拐点,DTG曲线转为单峰结构.利用Coats-Redfern方程求出了煤粉与废线路板单独和混合燃烧反应动力学参数,混合燃烧过程基本分为两个主要反应阶段,混合反应的反应级数在1～3.33之间,活化能在73.1～346MJ/mol之间,随着煤粉掺入量的增加,活化能降低.     

Eu_2Zr_2O_7/ZrO_2(3Y)材料制备过程的合成动力学

共沉淀法制备Eu_2Zr_2O_7/ZrO_2(3Y)纳米粒子.用XRD,DTA-TG,SEM对材料的物相变化及形貌进行表征,对粉体制备过程中晶粒合成动力学进行分析.结果表明:将两种不同溶液分别处理后制备得到Eu_2Zr_2O_7粉体和ZrO_2(3Y)前驱体按不同体积比混合研磨后,置于马弗炉中600℃煅烧2.5 h合成出近似球形、粒径均匀且分散性好的Eu_2Zr_2O_7/ZrO_2(3Y)纳米粒子.Eu_2Zr_2O_7前驱体物相变化分3个阶段,用Doyle-Ozawa和Kissinger法分别计算各阶段的表观活化能,其平均值分别为108.29、142.23、412.93 k J/mol;晶粒生长活化能为24.91 k J/mol.     

脉冲气压疲劳对原煤力学特性及渗透率的影响

利用自行组装的高压气体增压系统开展了原煤煤样的脉冲气压疲劳试验,分析了脉冲次数对原煤煤样变形及渗透性的影响,并对疲劳试验前后煤样的单轴力学特性进行了对比.结果表明:煤样的应变表现出周期性变化,且在一个脉冲气压循环内,煤样体积应变表现为膨胀-收缩.随着疲劳次数增加,残余应变逐渐累积,原煤煤样的轴向应变、环向应变和体积应变均朝膨胀方向增长;在初始疲劳阶段,应变变化较大,当疲劳次数超过一定范围后,原煤煤样的应变基本趋于平衡.原煤煤样的渗透率随脉冲次数的变化与应变类似,开始阶段渗透率随着疲劳次数增加急剧提高,当超过疲劳阈值后,疲劳对煤样渗透率影响较小,其疲劳阈值为50~100.疲劳后原煤煤样的单轴力学性质与没有开展气体疲劳试验的煤样相比,抗压强度、弹性模量显著降低,分别仅为未疲劳煤样的16%和8%,峰值应变则增加了117%,且疲劳后原煤煤样表现出高度体破裂.试验表明在脉冲气压疲劳作用下,煤样内部产生了大量的微裂隙,改善了煤样的渗透率,有利于瓦斯的流动和抽采.     

过氧化二异丙苯的热动力学研究

采用同步热分析仪测定在不同升温速率下过氧二异丙苯(DCP)的热流和热失重数据,通过相关模型确定DCP的热动力学参数.热流曲线表明DCP先熔融再分解,熔点为39.5℃,吸热焓为110 J/g,放热峰温为165℃,分解热焓500 J/g;随着升温速率的增加,热分解温度参数出现热延滞,放热峰断面扩大;采用 Borchardt-Daniels方法确定DCP的活化能为140 kJ/mol,反应级数为1.热重曲线表明DCP为一阶段热失重,失重峰峰温为170℃,失重率近90%;随着升温速率的增加,热失重温度参数出现延滞,但失重率降低;采用非模型动力学方法确定DCP在转化率为0.3～0.9之间的表观活化能接近,其均值为102.8 kJ/mol.     

煤粒瓦斯解吸扩散规律实验

进行了不同粒径煤样、不同温度和不同吸附平衡压力条件下的等温吸附-解吸实验.通过对解吸实验前600s实验数据的甲烷解吸率和槡t线性拟合,并结合计算得到了煤粒甲烷的初始有效扩散系数和扩散动力学参数.结果表明:吸附平衡压力越大,初始有效扩散系数越大,瓦斯解吸率越大;温度越高,初始有效扩散系数和扩散动力学参数也越大;煤样的粒径愈大初始有效扩散系数愈大,而动力学扩散参数越小,相同解吸时间内的甲烷解吸率越小.通过Arrhenius方程得到了甲烷解吸扩散活化能的表达式,通过处理数据得到1#和3#煤样的解吸扩散活化能分别为14.38kJ/mol和9.99kJ/mol.     

模型流体扩散系数与温度关系的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟的方法,计算了模型流体氩及氩/氪溶液的自扩散系数和互扩散系数,及其与温度的关系.计算结果表明:对不同状态下氩的自扩散系数的计算与实验结果符合较好,误差在10%左右;采用Green-Kubo法和Einstein法计算的扩散系数相等;扩散系数与温度的关系均服从D=D0e-E/RT的关系,对Ar/Kr体系自扩散系数和互扩散系数的MD模拟结果进行拟合,得到Ar、Kr自扩散系数及互扩散系数的活化能分别为1 278 J/mol、1 340 J/mol和1 296 J/mol.     

模型流体扩散系数与温度关系的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟的方法,计算了模型流体氩及氩/氪溶液的自扩散系数和互扩散系数,及其与温度的关系.计算结果表明:对不同状态下氩的自扩散系数的计算与实验结果符合较好,误差在10%左右;采用Green-Kubo法和Einstein法计算的扩散系数相等;扩散系数与温度的关系均服从D=D0-e E/RT的关系,对A r/K r体系自扩散系数和互扩散系数的M D模拟结果进行拟合,得到Ar、Kr自扩散系数及互扩散系数的活化能分别为1278J/mol、1340J/mol和1296J/mol.     

流化床O_2/CO_2气氛对烟煤焦反应速率的影响研究

流化床O_2/CO_2燃烧是实现煤炭清洁利用及近零碳排放的有效技术之一.为进一步探究工业流化床O_2/CO_2燃烧条件下的煤颗粒燃烧机制,本研究在小型流化床试验台上,通过在线测量流化床出口烟气中O_2和CO的浓度,深入考察了O_2/CO_2取代O_2/N2后,不同的床层温度(800~900℃)、O_2浓度(4%~10%)及颗粒粒径(2~8 mm)下的烟煤焦燃烧特性.实验结果表明:O_2/CO_2气氛下,煤焦反应速率随床层温度的升高、O_2浓度的升高和颗粒粒径的降低而增加;煤焦燃烧反应由O_2扩散控制,气化反应由反应动力学控制;相较于O_2/N2气氛,低床温下,O_2/CO_2气氛下的O_2扩散速率降低是煤焦反应速率改变的主要原因;高床温下,除O_2/CO_2气氛下O_2的扩散速率降低外,煤焦气化反应对煤焦反应速率的影响同样不可忽略.     

CaO催化煤焦CO_2气化反应研究

以分析纯CaO为催化剂,利用固定床实验研究了烟煤煤焦等温CO2催化气化反应特性,分析了添加方式和添加比例对煤焦催化气化影响。研究表明:机械混合添加CaO对煤焦气化影响不大;去离子水浸渍添加时,去离子水对煤焦气化特性影响与温度有关,温度越高,去离子水浸渍后煤焦气化特性与原煤煤焦之间差别越不明显;不同温度下煤焦催化气化CaO装载饱和度均为5%,且气化反应活性随温度的升高和催化剂添加比例的增加而增大。通过比对常用反应动力学机理函数相关系数大小确定煤焦催化气化反应符合n=2的三维扩散方程,并计算得到气化反应活化能、指前因子和反应速率常数等动力学参数。     

不同煤阶煤中温热解半焦微观结构及形貌研究

采制胜利褐煤、神木烟煤及太西无烟煤煤样进行终温为750℃的慢速升温(3~15℃/min)及中快速升温(50~750℃/min)热解;借助X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电镜(FESEM)对3种煤样及其热解半焦的微晶结构及微观形貌进行表征,基于XRD谱图解析获得煤样及半焦样的微晶尺寸L_c和L_a并计算石墨化度g.结果表明:随着煤化程度的增加,煤的石墨化度g,微晶堆积高度Lc和径向尺寸L_a增加,层间距d002降低;随着热解升温速度的提高,褐煤热解半焦石墨化度g增加,烟煤则先增加后降低,而无烟煤表现出先大幅度增加后下降、但下降趋势逐渐变缓;煤焦微晶结构参数受升温速率影响的敏感程度不同,3种煤样煤焦微晶层片大小L_a受到中快速升温的影响较大,在慢速升温过程中变化较小.而层片高度L_c受到升温速率影响程度较小,煤焦微晶单元的内部生长受升温速率尤其是快速升温的影响更大;褐煤慢速中温热解有利于获得反应活性高的产物,无烟煤热解有利于制备高石墨化度的炭素材料,而烟煤的可塑性较高,可通过改变升温速率来获得反应性较好或类石墨化等性质不同的产物.     

O_2/CO_2气氛下碱金属对煤燃烧特性的影响

采用热重分析仪对O2/CO2气氛下碱金属对无烟煤燃烧特性的影响进行研究.研究结果表明NaCl、K2CO3能够改善无烟煤的燃烧性能,这主要由于Na、K对无烟煤着火后挥发分和固定碳的燃烧起促进作用,而K对无烟煤燃烧的促进作用更明显.通过TG-DTG切线法计算得出着火温度,与煤样相比分别降低了19.1℃和23.7℃,这主要由于Na、K催化剂在煤燃烧过程中,充当了氧的活性载体,促进氧从气相向碳表面扩散,从而降低了固定碳表面着火温度.同时,计算得到煤和Na、K负载样品的燃烧特性指数分别为4.39×10-6、11.14×10-6、17.22×10-6,可见Na、K负载样品优于煤的燃烧特性,其燃烧特性指数的提高主要在于着火温度的降低,表明Na、K均可降低无烟煤高温燃烧区的表观活化能,提高燃烧反应速度.