超临界CO2-水-煤相互作用后冲击载荷下煤的动态响应

CO2地质封存是一种能有效降低大气中CO2浓度的手段。我国存在大量关闭/废弃矿井且其地下空间并未得到有效利用,埋深超过800 m的关闭/废弃矿井是CO2封存的潜在目标。关闭/废弃矿井具有复杂的应力场、水动力场和化学场,大规模CO2注入后可能会诱发断层活化,进而造成动力灾害。为研究CO2注入关闭/废弃矿井中煤的力学行为,利用50 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置,对自然状态、饱水状态和超临界CO2-水-煤作用后煤样分别进行动态压缩试验,分析3种状态煤样试件在冲击载荷作用下的破坏形态、能量特征以及动态力学参数。试验结果表明:① 随应变率增高,相对于自然和饱水状态煤样,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的破碎块度数量更多,碎块粒径更小;② 随入射能增大,3种状态煤样的能量反射率、透射率及耗散率的线性变化趋势不同,超临界CO2-水-煤相互作用后煤样的能量反射率显著增高,能量耗散率显著降低;③ 超临界CO2-水-煤作用后煤岩材料性质发生弱化,在冲击载荷下通过微裂隙萌发扩展来提高耗散能密度,其动态抗压强度和动态弹性模量与耗散能密度间关系介于自然和饱水状态煤样之间。本次试验证实CO2-水-煤作用过程中发生的矿物化学反应、吸附膨胀诱导微观结构改变、裂隙表面能降低等因素能够明显影响煤样的动态响应特征。尽管本文的试验不能完全反映关闭/废弃封存CO2的真实情况,但为后续CO2-水-煤相互作用下煤样动态响应特征研究提供了借鉴。     

煤吸附解吸CO2变形特征的试验研究

无商业开采价值的煤层被认为是理想的CO2储存场所,煤吸附解吸CO2的变形特征是煤中CO2封存的重要问题。利用煤体吸附-解吸变形试验系统,在预定压力的CO2气体环境下,对取自赵各庄煤矿9号煤层煤样的轴向应变和径向应变进行了近600 h的观测,研究煤样在不同气体压力下吸附、解吸CO2的变形特征。实验结果显示：煤样吸附/解吸CO2产生的膨胀/收缩变形,煤样吸附变形需要12 h甚至更长时间才能趋于稳定,原煤样品的吸附解吸变形呈各向异性;经历了吸附和解吸CO2的煤样均有不同程度的残余变形,气体压力低于1.5 MPa时残余体积应变低于0.6×10-3,可近似认为煤样吸附解吸变形过程可逆。通过煤样吸附解吸变形实验数据的拟合发现,Langmuir方程可反映煤样吸附解吸CO2变形随气体压力的变化规律。     

CO2捕捉与地质封存及泄漏监测技术现状与进展

本文介绍了CO₂的捕捉和地质封存技术以及CO₂封存后的环境监测技术。CO₂捕捉主要包括燃烧前捕捉、燃烧后捕捉、富氧燃烧捕捉。捕捉之后需要将CO₂运输到适合的地点进行封存。CO₂封存技术主要包括地质封存、深海封存和矿石碳化技术。以地质封存技术为主,基于对其封存方法的分析,详述了不同地质构造（废弃油气田、地下盐水层、废弃煤层）埋存CO₂后在地下的状态和不同发展阶段。CO₂地下封存完成后,需要长期在地表监测泄漏情况,这也是CCS技术能够成功的关键之一,本文对相关技术的现状与进展进行了介绍。     

沁水盆地深煤层注入CO_2提高煤层气采收率可行性分析

探讨CO2注入深煤层提高煤层气采收率可行性对于解放我国丰富深部煤层气资源具有积极意义。分析了沁水盆地不同深度条件下储层参数的变化规律,开展了CO2注入煤层增产效应的数值模拟研究。结果显示,煤储层参数随埋深呈非线性变化且各参数显著变化深度具有较好的对应性,存在500~600 m,950~1 150 m两个关键转折界限,据此将煤层划分为浅部、过渡、深部三带。随着埋深增加煤储层强非均质向均质转换,即所有参数在浅部较为离散而深部收敛。通过不同深度煤层的CO2注入生产效果模拟显示,注入CO2后煤层气采收率均得到不同幅度提高;注入CO2提高煤层气采收率效果由过渡带、浅部、深部逐步递减;注入时间越早和越长,提高采收率效果越显著;要实现深部煤层气采收率显著增加必须保证一定的CO2注入量;深部CO2封存优势显著。     

煤在高浓度CO2环境下的燃烧、气化及吸附实验

利用热重-差热分析（TG-DTA）探讨了大同煤样在20～1 400 ℃,在不同O2浓度（≤5%）的CO2气体环境、不同升温速率及气体流量条件下的燃烧及气化反应特征。同时,对50～200 ℃条件下煤对二氧化碳（CO2）气体的吸附特性进行了研究。随后,应用能谱分析仪对残余灰分进行了碳含量分析。实验结果表明,煤在高浓度CO2氛围中的燃烧是在360～1 100 ℃;煤在高浓度CO2氛围中的气化是在1 100～1 300 ℃。常压下当环境温度低于200 ℃时,煤对于100%CO2气体主要表现为物理吸附,且吸附量随温度的降低遵循阿伦尼乌斯方程。当温度低于1 000 ℃时O2浓度对残余灰分中碳含量有着较大的影响;但是当温度高于1 000 ℃发生气化反应后,残余灰分中碳含量的结果没有显示出过多地依赖O2的浓度。     

基于热力学方法的煤岩吸附变形模型

基于吸附过程的热动力学和能量守恒原理,建立了计算煤岩吸附气体引起的煤岩膨胀应变的理论模型,在获取煤岩对气体的吸附等温曲线的基础上,可通过模型得到煤岩吸附气体引起的吸附应变;利用已有的实验数据对模型的有效性进行了验证。结果表明,实验结果与模型预测的结果吻合较好,模型能够很好地描述煤岩吸附不同气体时产生的差异性膨胀现象;另外,模型可为预测CO₂注入煤层后煤基质收缩/膨胀效应对储层渗透率的影响提供指导。     

New development of sets equipment technologies for coal mine long-wall face in China

Background of the development and achievement on sets equipment technologies for coal mine longwall face in China was reviewed initially. On the theoretical side, a coupling model of hydraulic support and surrounding rock, support parameters optimization and three-dimensional (3D) dynamic design method were presented. On the practical side, this paper outlined some of practical issues and discussed some relative methods and technologies. In thin seam coal longwall mining, how to lower equipment height is the first problem that should be solved. Roof pressure regularity, control of roof-fall and collapse, and hydraulic support stability were investigated preferentially in 5∼7 m coal seam longwall mining. The application of equipment for longwall mining with 5∼7 m cutting height in China was concluded. The characteristics of full-mechanized top coal caving for extra thick seam coal were presented. The automation of top-caving hydraulic support and relevant equipment have achieved important breakthrough. At the end of this paper, further development of China’s coal industry and longwall mining technologies and equipment were prospected in brief. This paper gives readers a comprehensive understanding of China’s coal mine longwall face equipment technologies. It will give help to other countries on its coal mining development.     

北斗精确定位煤制油化工运输车辆调度管理系统研究

我国北斗卫星系统将于2020年如期完成北斗全球系统全面建设,同时全国大多数省市完成了共计近千座北斗兼容CORS站网的升级与新建工作,向省内及其周边地区播发北斗高精度信号。通过深入研究北斗精确定位技术,结合宁夏煤业公司宁东煤化工基地车辆运输现状,提出一种基于北斗精确定位的煤制油化工运输车辆调度管理系统实现方案,并对其组成及关键技术进行详细描述。     

基于煤层封存CO2的煤中有机质超临界CO2萃取试验装置的建立

为研究煤中Sc-CO2可溶性有机小分子对煤封存CO₂影响及煤中生物标志物温和条件萃取方法研究奠定技术基础,以深部不可采煤层封存温室气体CO₂所涉及的超临界CO2(Sc-CO2)与煤有机质作用为背景,建立一套煤的Sc-CO2萃取试验装置。根据煤中可萃取物量低和煤粉易于进入气路特点,开发出了可适于Sc-CO2静态/动态的煤萃取试验装置。详细分析了CO2增压和防煤尘方法、萃取条件控制方式、萃取物收集与富集过程。所开发的萃取装置集CO2增压、煤萃取、萃取物收集和富集于一体。该装置可用于在可控及高压条件下煤中微量可溶性有机化合物的Sc-CO2萃取试验研究。     

动力煤期货价格波动对我国煤炭经济影响研究*

采用中国煤炭价格指数、中国煤炭市场景气指数、中国煤炭市场预期指数和煤炭行业失业率作为我国煤炭经济发展的代表变量,选取2013年9月～2018年7月之间的交易数据,构建VAR模型,研究了动力煤期货价格与中国煤炭价格指数、中国煤炭市场景气指数、中国煤炭市场预期指数和煤炭行业失业率之间的动态关系。格兰杰因果检验表明:国内动力煤期货价格是中国煤炭价格指数、中国煤炭市场景气指数、中国煤炭市场预期指数和煤炭行业失业率的格兰杰原因。脉冲响应和方差分解分析表明:动力煤期货价格波动会引起中国煤炭市场景气度同方向变动;滞后2阶的动力煤期货价格上涨会使得中国煤炭市场预期指数上升;滞后2阶动力煤期货价格上涨,失业率降低。长期来看,动力煤期货价格上涨会使得失业率降低,动力煤期货价格与我国煤炭经济发展之间呈现动态均衡关系。     

燃料电池——煤炭工业的新型发展之路

简述了煤炭行业对我国的可持续发展的影响及未来应对措施,介绍了燃料电池技术目前在移动电源、固定式电站上的进展。进而展望了煤炭行业将提供氢和甲醇原料推动新兴燃料电池产业进步,燃料电池也将促进煤气化联合循环发电(IGCC)和煤气化燃料电池系统(IGFC)的进程,认为燃料电池—热电联供系统在未来的综合效应将随燃料电池与煤气化的结合方式而会得到不断的优化。     

高灰细泥细粒煤浮选技术进展

我国是世界上最大的煤炭生产和消费国。随着采煤机械化程度的提高,原煤粒度越来越细且灰分很高,导致高灰细泥细粒煤的分选成为选煤界的一大难题。文章针对高灰细泥细粒煤的分选现状,综述了一些比较典型的用于高灰细泥细粒煤浮选的技术,并指出了高灰细泥细粒煤分选的发展方向。     

煤炭工业发展面临几个问题的讨论

在我国一次能源结构中,煤炭将长期是我国的主要能源,煤炭工业能否健康发展是事关我国能源安全和经济可持续发展的重大问题．目前,尽管我国的煤炭产量和消费已占世界的1／3,但整个煤炭行业距离经济有竞争力、充分考虑安全与环境保护的健康发展还有很多问题没有根本解决．论文对煤炭工业发展在经济、安全和环境等方面存在的主要问题进行了探讨和深入分析,提出了煤炭资源开发中要遵循经济原则、安全原则和环保原则的理念,并就实现这一理念,提出了相关的技术对策与政策建议．     

有机化学在煤炭行业的发展及应用

为消除伴全球化石油危机对我国经济发展影响,有关学者结合于我国自身煤炭优势,提出要加强有机化学在我国煤炭行业中的发展及应用的对策。本文介绍了现国内煤炭企业在有机化学技术方面的实际应用,并对其运用的优势和缺陷进行总结和研究,并相应的提出改革与创新的具体措施。     

打造我国主体能源(煤炭)升级版面临的主要问题与对策探讨

我国"相对富煤、贫油、少气、缺铀"的能源禀赋特征决定了煤炭资源作为我国主体能源的地位在短期内不会改变;同时,相对丰富的煤炭资源仍然是我国目前稳定供应最有保障、成本可接受的优势能源矿产,抛弃以煤为主的现实能源选择去解决中国的能源问题,是本末倒置,是不现实、不科学、不明智的,应该有清醒的认识;可以说,煤炭产业虽然不是"朝阳产业",但短期内也决不会变成"夕阳产业"。但是,应该看到煤炭资源在过去的地质勘查、开发和消费利用全生命周期过程中带来了环境污染、生态损害、资源浪费、超高排放等诸多问题。因而,在新时代我国煤炭工业的发展必将发生重大变革,以科学化、安全化、生态化、高效化、标准化、数字化、和谐化和智能化等为特征的科学勘查和开发及清洁化、低碳化的消费利用方式,将是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路。针对我国煤炭工业面临的挑战和机遇,分析了煤炭资源从地质勘查到开发和利用全生命周期过程中的现状与存在问题,制定了打造我国主体能源(煤炭)升级版的战略思路,提出了在实现我国主体能源(煤炭)升级版过程中面临的十一大关键科技难题,即:煤炭资源在地质勘查过程中的综合协调、绿色、深部、智慧难题和开发过程中的绿色化、安全、采出率、职业健康、高效益难题以及消费利用过程中的清洁化和低碳化难题,并探讨性地提出了相应的解决对策措施,对推动我国从煤炭生产大国转变为煤炭工业强国的转型升级、破解我国目前经济社会发展与生态环境保护之间的尖锐矛盾,具有指导意义和实用价值。     

注能(以CO_2为例)改性驱替开采CH_4理论与实验研究

在简述煤层气开采技术发展历程基础上,针对煤层气抽放开采率低的问题,提出了注能改性驱替开采煤层气技术,并从有效应力与热力学原理,能量平衡理论等方面进行了可行性分析。通过自主研发系列实验设备,对大尺寸、低渗透煤样进行了不同应力与温度条件下的渗透与驱替置换实验,揭示了注CO_2驱替开采煤层气的机理、规律与特征。研究结果表明:CO_2在煤体表面的吸附势大于CH_4,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热均强于CH_4,注能(CO_2)有助于煤层气采收率提高;在一定的约束应力条件下,注入压力升高,CO_2吸附引起的煤体表面自由能变化和吸附热升高,同时作用在煤体上的有效应力降低,煤体的渗透性增强,CO_2驱替置换效果提高,反之,注入压力不变约束应力增大,有效应力增加,煤体渗透率降低,驱替置换效果变差;煤体对超临界态CO_2有很强的吸附性,在较大的有效应力和较低渗透率条件下,依然能保持较高的CO_2/CH_4置换率;提高注入CO_2温度,有助于部分吸附CH_4解吸,但同时煤体对CO_2吸附能力也减弱,导致CO_2/CH_4置换率有所降低。     

煤低温氧化过程中自由基浓度与气体产物之间的关系

利用煤低温氧化装置和顺磁共振实验,研究了褐煤、气煤、气肥煤和无烟煤在不同氧化温度下气体及自由基的变化规律,宏观和微观相结合来揭示煤自热低温氧化规律。研究结果表明：煤低温氧化过程中,煤被氧化分子侧链断裂,产生气体与自由基,生成的CO,C 2H 4标志性气体生成量随温度增加而增加,相应地自由基浓度也随氧化温度的增加而增加。煤被氧化生成CO,C 2H 4标志气体量与自由基浓度呈阶段性规律：低温氧化蓄热阶段,CO气体生成量小或未出现CO气体,此时自由基浓度变化小;从开始出现CO至出现C 2H 4气体的氧化自热阶段,CO生成量随氧化温度缓慢增加,而自由基浓度也逐步增加;从出现C 2H 4至出现H 2气体的深度氧化阶段,CO和C 2H 4生成量随氧化温度增加而快速增加,自由基浓度随氧化温度增加而增幅变小。     

CO2驱替煤层CH4中混合气体渗流规律的研究

CO2驱替开采煤层气过程中,由于CO2和CH4的竞争吸附,CO2/CH4混合气体在运移时CH4体积分数会不断发生改变,进而影响煤体变形和渗透特性。利用自主研发的三轴渗流系统,采用稳态渗流法对焦煤样进行单一组分气体(He,CH4和CO2)和不同配比的CH4/CO2混合气渗流试验。渗流过程中保持温度和体积应力(30 ℃、33 MPa)恒定,并利用LVDT测量煤体的轴向变形。结果表明:① He和不同配比CH4/CO2混合气的渗流过程均受滑脱效应的影响,气体渗透率随入口压力增大呈先减小后缓慢增大的变化;对于非吸附He,入口压力Symbol|@@2 MPa时滑脱效应对气测渗透率的影响要远远大于有效应力效应;② 在一定的体积应力条件下,不同配比CH4/CO2混合气体吸附引起的煤体膨胀应变随入口压力增加而增大,变化规律符合Langmiur方程,且在相同入口压力条件下,混合气体中CO2浓度越高,煤体膨胀应变越大;③ 在考虑有效应力效应、吸附膨胀应变对渗透率的动态影响以及滑脱因子b随煤体渗透率变化的基础上,建立了煤体气测渗透率理论模型,该模型能够描述不同配比CH4/CO2混合气体以及He渗透率随入口压力的变化;④ 随着煤储层CH4/CO2混合气体压力增大或者CO2体积分数升高,基质膨胀应变对煤体渗透率的影响逐渐减小。煤体中靠近孔裂隙的基质吸附膨胀对渗透率的影响(β)随入口压力的增加逐渐减小;CH4/CO2混合气体中CO2体积分数越高,β减小速率越大。     

Low CO2 emission technologies for iron and steelmaking as well as titania slag production

The world wide discussion on climate change caused by CO₂ and other greenhouse gases (GHGs) attributable to human activities has put the focus on the energy intensive production technologies for iron and steelmaking. Taking into account the enormous production increase for these versatile materials in the last years, modern technologies with lower CO₂ and GHGs emissions are imperative to keep at least today’s status, though a decrease is challenged.Outokumpu Technology has developed direct reduction technologies that allow in combination with smelting reduction processes or electric arc furnaces a substantial lowering of CO₂ emissions.In the presented contribution to MMME 06 three examples will be given:The Circofer^® process, already demonstrated in pilot plant scale, uses coal as reductant in a two stage CFB (circulating fluidized bed)/FB (fluidized bed) reactor configuration to obtain a highly metallized product suitable for charging into smelting processes.One possible application of Circofer is, in a single stage configuration, as prereduction unit in combination with HIsmelt^®, a smelting reduction technology to produce hot metal using iron ore and coal fines. Using Circofer as prereduction step, the capacity of a given HIsmelt installation can be increased by the factor three to four compared to cold feed and CO₂ emission can be lowered to values about 20% below the standard of a modern blast furnace, as this combination of technologies requires no agglomeration plant or coke ovens.A second application of Circofer is the combination with an electric arc furnace (EAF) to produce steel directly from direct reduced iron (DRI). The direct charging of metallic fines into an EAF was successfully tested, observing no increased dust emission from the furnace. Charging hot DRI into an EAF decreases drastically electric power consumption and thus further lowers CO₂ emission.Applying Circosmelt, the combination of a single stage Circofer system with an electric reduction furnace for ilmenite processing, only half of the electric power consumption required today for titania slag production using cold, unreduced feed material is required.A common additional advantage of all Circofer based routes is that a 99% pure CO₂ stream is removed for process reasons from the process gas and can be used for enhanced crude oil production or sequestration methods.The paper will report on the status of the different developments and its market introduction.Outokumpu Technology GmbH (formerly Lurgi Metallurgie) has been involved in the development, design and supply of plants for processing iron bearing ores in fluidized bed reactor systems for more than 30 years.     

燃煤污染现状及其治理技术综述

我国是煤炭生产和消费大国,煤主要用作动力燃料和发电。煤中的碳、氢、氧、氮、硫等元素,在燃烧过程中生成SO2、NOx、CO2并产生大量粉尘,这些污染物尤其是SO2污染给自然环境和人体健康带来了很大的危害。燃前脱硫、燃中固硫、燃后净化、建立大型干法选煤坑口电站、发展煤炭转化技术及寻找无污染替代燃料等措施对提高煤炭利用率、降低污染物排放、改善环境状况有重要意义。