地下催化热解对无烟煤焦结构的影响研究

由于地下热解或者气化的原料为几百米甚至千米以下的原始煤层,地面催化法很难直接用于地下催化热解或者气化。文章设计了特殊的地下催化热解法,在卧式热解反应器中使用Ca(OH)_2催化剂对新疆昌吉某无烟煤进行了催化热解实验,获得了催化前后的热解煤焦并对煤焦进行了比表面积、XRD及煤焦气化反应活性测试。实验结果表明:Ca(OH)_2活化了热解煤焦,使比表面迅速增加,孔径分布更加复杂;催化剂加快了煤中有机官能团的热裂解,阻碍了芳香族自由基的热缩聚反应,延缓了热解半焦的有序化与石墨化进度并使煤焦反应活性能力提高。     

典型高阶煤的催化气化特性研究

以碱金属盐（KNO 3 ）、碱土金属盐（Ca(NO 3 ) 2 ）以及过度金属盐（Fe(NO 3 ) 3 ）为典型的催化剂,研究了我国典型高阶煤--奉节煤的催化气化行为。催化剂与煤样通过浸渍方法混合,而后在1 000 ℃进行热解制焦,然后对所得焦样采用热重分析仪进行非等温CO 2 气化,并采用收缩核模型对气化机理进行了探讨。研究发现：奉节无烟煤焦本身很难气化,最大气化速率出现在1 100 ℃,然而随着催化剂的加入,其气化温度显著降低（100 ℃左右）,最大气化速率明显增大,催化作用随催化剂添加量的增加而加强,KNO 3 的低温催化作用较强,而Ca(NO 3 ) 2 和 Fe(NO 3 ) 3 在高温下有较强的催化作用;煤焦的催化气化过程分为过渡区和动力区,且随着催化剂的加入,动力区的起始温度大幅度降低;催化系数不仅与温度有密切的关系,与煤种类型以及催化剂的添加量都有着紧密的联系。     

煤种配合比对煤焦水蒸气气化反应特性的影响

选取长焰煤、气煤及肥煤为原料,通过调配比例得到不同配合煤,采用捣固方法,在终温为1 150℃的程序升温马弗炉中制备坩埚焦,利用实验室固定床反应器考察煤焦的水蒸气气化反应性,并对产气量及产品气组成进行测试。结果表明,配合煤焦水蒸气气化反应性及产品气组成与配合煤比例的变化密切相关,配合煤中对焦的水蒸气气化反应性起提高作用的煤种的顺序为:长焰煤气煤肥煤。气化过程中煤焦孔隙结构的变化行为是影响煤焦反应性的主要因素,具有较大煤阶差的长焰煤与肥煤比例的相对变化对焦结构的影响最为显著,对焦的反应性的影响也最为明显。配合煤比例变化影响催化性矿物质在焦中的含量,适度增加配合煤中肥煤及气煤的比例有利于催化性矿物质在焦中的滞留,当配合煤中肥煤比例为0. 3左右时,该影响作用最为显著,煤种比例变化对配合煤挥发分组成及热解过程孔隙结构发展的影响会改变催化性矿物质在焦中的含量。焦中催化性矿物质可以促进焦气化反应过程中水煤气变换反应的发生,进而可以调变产品气的组成。在利用过剩焦化产能及低质炼焦煤制备气化焦的过程中,研究结果可以为调配配煤方案以有效改善气化焦的反应性并调变产品气的组成提供理论依据。     

黏结性烟煤的催化破黏与气化研究

以平顶山瘦煤和兖州气煤为研究对象,利用等体积浸渍法考察了NaCl、KCl、Na_2CO_3和K_2CO_34种碱金属盐类对黏结性烟煤的破黏和催化气化效果。结果发现碱金属对黏结性烟煤具有显著的破黏作用,实验所用4种催化剂对煤样的破黏效果依次为K_2CO_3Na_2CO_3KCl≥NaCl;当每克平顶山瘦煤添加0.001mol的K_2CO_3时,与原料煤相比其气化活性指数可以提高10倍以上。     

配入低阶煤对制得气化焦气化特性的影响

从7种煤样中筛选出3种制焦配煤,利用高温热解实验装置在不同热解温度条件下制备3种煤焦,分析了温度对热解产物分布的影响规律,测定了煤焦的比表面积、孔体积及孔径分布特征,并揭示了煤焦孔隙特性及煤种与煤焦的CO2气化反应活性的相互关系。结果表明,随热解温度的升高,3种煤焦收率下降,同等温度条件下,配煤CY/QM制得的煤焦收率最低;在制焦终温低于1 150℃时,煤焦的比表面积及孔体积随制焦温度的提高而增大,气化活性亦随之增加,不同配煤所制得的煤焦反应性大小顺序为:CY/QMCY/QM/JMCY/GSJM;而在制焦温度达到1 150℃之后,煤焦部分孔结构坍塌,其气化活性不再明显增加,3种配煤所制得煤焦的反应性亦相差不大。     

钙、镍离子负载方式对烟煤热解-气化特性影响及煤焦结构分析

为研究采用不同负载方式负载钙离子和镍离子后烟煤的热解气相产物分布、焦油组分分布、半焦的碳微晶结构特性,在实验室小型固定床反应器上对酸洗后采用不同负载方式负载钙离子和镍离子的贺西烟煤进行热解实验。通过扫描电镜-能谱分析仪（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、静态氮吸附仪等实验设备探索钙、镍离子不同负载方式的煤样热解后煤焦物理、化学结构变化。实验结果显示：由于离子交换法负载的金属是将活性组分与煤的大分子有机结构相结合,而浸渍法则使活性组分进入煤的孔隙中,机械混合只是使活性组分存在于煤颗粒外表面,活性组分存在状态的不同,进而导致热解反应性出现差异变化。H-EX-Ca、H-IM-Ca、H-MM-Ca生成轻质焦油分别为2.15%、2.17%、1.87%,此时轻质焦油（沸点低于360℃）占总焦油的质量分数分别为46.24%、38.96%、29.36%。与负载镍离子相比,采用离子交换和浸渍法负载的钙离子对于重质焦油的催化裂解作用较强。负载的金属离子分布越均匀,煤焦的微晶结构参数（堆垛高度 Lc、微晶尺寸 La及晶层间距dm）变化程度越小,进而阻碍煤焦的石墨化进程,提高煤焦的气化反应性。     

煤加氢热解及热解焦气化特性试验研究

为给输运床气化试验提供基础数据,采用加压滴管炉反应装置,以次烟煤为研究对象,研究了不同温度、不同压力、不同反应气氛下煤的热解产物特性,并分析了不同热解条件对煤焦结构、基础物化性质及其CO_2气化反应性的影响。结果表明:氢气气氛热解产物中CH_4、C_2H_4的产率超过氮气气氛条件下的3倍,且对煤焦剩余挥发分的影响不大,反应气氛对于失重率的影响因温度而异,600~800℃下常压加氢工况煤的热解失重率相比惰性气氛下更小,总压0.5 MPa含氢气氛则比惰性气氛下的失重率更大。对于热解焦的气化活性,常压加氢工况制得的热解焦,其气化活性高于氮气气氛热解焦,而加压工况的气氛是否含氢对气化活性的影响不显著,氢气与煤的反应主要表现为甲烷化反应,加氢工况提高了热解焦的孔比表面积和孔体积,但对煤焦的化学结构影响很小。     

一种褐煤煤焦水蒸气和CO2气化活性的对比研究

面向循环流化床褐煤热解-部分气化-残炭燃烧分级转化工艺,以宁夏石沟驿褐煤为原料,采用水平管式炉在700～950 ℃,以快速热解和慢速热解方式制备煤焦,考察煤焦表面形貌和结构随制焦条件的变化。利用热分析技术研究气化温度、热解温度和热解速率对煤焦水蒸气和CO2气化反应活性的影响。结果表明：煤焦气化反应速率主要受气化温度影响,受热解温度的影响相对较小;煤焦分别与水蒸气和CO2气化的活性有较大差异,差异随着气化温度的升高而减小;与煤焦的水蒸气气化相比,热解条件对煤焦的CO2气化活性影响更大;煤焦水蒸气气化和CO2气化的反应性指数之间的关系可用二次曲线进行描述,在10%～80%碳转化率范围内分布活化能存在良好的线性关系。     

煤热解焦油催化裂解和乙烷水蒸气重整耦合提高焦油品质

本文旨在通过在炭基催化剂上发生的煤焦油原位催化裂解与乙烷水蒸气重整过程耦合以提高轻质焦油产率。以平朔煤(PS)为煤样,利用常压固定床反应器在氮气以及乙烷水蒸气混合气氛下进行焦油提质实验,并使用半焦(Char),活性炭(AC)以及活性炭负载金属钴和镍(Co/AC,Ni/AC)作为提质催化剂,对比考察催化剂种类和反应气氛对提质过程中焦油及气体产物的影响。同时,为了解提质过程所得焦油产物的组成和性质,利用模拟蒸馏,GC-MS等表征手段对焦油进行检测分析。结果表明,活性炭负载Ni催化剂(Ni/AC)可催化乙烷水蒸气重整反应,产生的·CH x,·C 2H x,·H等小分子自由基可与焦油催化裂解产生的自由基结合,避免焦油过度裂解。与未加催化剂得到的平朔煤热解焦油相比,采用Ni/AC使轻质焦油(沸点低于360℃馏分)的质量分数和产率分别提高54.3%和52.4%,同时焦油中BTEXN(苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘)等芳烃组分产率明显提高;乙烷水蒸气混合气氛下(耦合过程)比同条件氮气下的焦油产率和轻质焦油产率分别提高38.1%和35.3%,焦油中C2~C3烷基取代苯和C1~C2烷基取代酚的相对含量有明显提高,说明乙烷和水蒸气被活化并参与了焦油形成过程。煤热解焦油的原位催化裂解的总体效果是将焦油中重质组分转化为轻质焦油和热解气,其提质效果与催化剂的活性组分密切相关,且反应气氛在煤焦油的形成过程中具有重要作用。     

煤热解焦油产率影响因素研究

煤热解是煤炭清洁利用的一种有效途径,对新疆小红沟煤进行低温热解,探讨热解工艺因素对焦油产率的影响。结果表明:热解工艺中热解终温和催化剂影响较大,分别使焦油产率较原煤提高0.57%和0.77%。通过最佳热解条件分析,发现影响焦油产率顺序为溶胀热解终温升温速率催化剂超声波保温时间,经过对各种因素分析得出的最佳工艺参数为热解终温570℃,升温速率12℃/min,催化剂1∶20,超声波处理15 min,保温时间18 min。此时,煤样焦油产率16.76%,较原煤提高7.63%。     

切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规开采应力场分布特征对比分析

为了探索切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规留煤柱开采应力分布的区别,以国内外首个切顶卸压无煤柱自成巷开采工业性试验为工程背景,运用FLAC3D数值模拟软件建立了大煤柱开采,小煤柱开采Ⅰ(相邻工作面回采巷道未掘),小煤柱开采Ⅱ(相邻工作面回采巷道已掘),无煤柱开采4种不同开采方式的数值计算模型,并对其应力分布特征进行了模拟和对比分析。得出如下规律:在工作面前方,平行于工作面长度方向,煤柱留设方式对应力分布的影响存在一定范围,在影响范围内垂直应力大小关系为:小煤柱开采Ⅱ大煤柱开采小煤柱开采Ⅰ无煤柱开采;留大煤柱,小煤柱开采时,靠近本工作面回采巷道附近均存在明显的应力集中,而无煤柱自成巷开采由于取消了超前掘进巷道,从而消除了掘巷引起的应力集中;在工作面侧向,大煤柱开采应力集中位置始终位于大煤柱内部,小煤柱开采Ⅱ位于下区段工作面实体煤内部,小煤柱开采Ⅰ和无煤柱开采则位于巷道煤帮内部,应力峰值位置与巷道距离大小关系为:无煤柱开采小煤柱开采Ⅰ小煤柱开采Ⅱ和大煤柱开采;大煤柱开采时侧向应力峰值最大,小煤柱开采时次之,无煤柱开采最小,其峰值较大煤柱开采降低18.1%~20.3%,较小煤柱开采Ⅱ降低11.8%~17.3%,采空区顶板稳定后,无煤柱开采和小煤柱开采Ⅰ峰值较为接近。     

不同沉积期煤层的特点及曲线特征

湖相沉积可分为充填(Ⅰ期)、扩张(Ⅱ期)、稳定沉降(Ⅲ期)和收缩(Ⅳ期)四期。各期对应沉积的煤层特点是Ⅰ期多为不稳定、局部发育薄煤和炭页岩,Ⅱ期带底部分为薄层~中厚煤层,Ⅲ期为稳定的厚~巨厚煤层,Ⅳ期为缩小沉积范围的复式结构的单煤层。铁南井田的煤层对比就是利用了不同沉积期煤层所反映出的不同的曲线特征来区分不同的煤层。     

基于环境保护与燃烧品质双重考虑的煤炭分类研究

以煤粉颗粒粒径分布为切入点,将环境保护与燃烧品质的双重考虑引入煤炭分类中,在试验设计与研究的基础上,依据污染潜势、燃烧性能和自吸附能力,通过聚类分析,将煤炭划分为4种类型：58%的样品为较理想的环保优质燃料;21%的样品燃烧性能较好,但环保性能有待提高;12%的样品环保状况较好,但燃烧性能有待提高;另有9%的煤炭样品环保性能和燃烧性能均相对不理想.     

多源矿井水质量分区与“分质”利用研究

矿井水“分质”利用是解决矿区水资源短缺、保护矿区生态、防治水污染的重要途径。为实现矿井水综合利用,通过改进层次—可变模糊集模型对敏东一矿多源矿井水进行质量分区,并提出相应的“分质”利用思路。研究结果表明,敏东一矿充水水源水样中Ⅰ、Ⅱ含水层水质较好,第四系含水层和Ⅲ含水层中存在COD和Fe、Mn、Zn超标,由于采煤活动和人为活动的影响,使采煤过程、水仓和排水沟水样中多数指标超标且变动较大;利用模型得到间接充水水源中第四系含水层水质为Ⅱ级,Ⅰ、Ⅱ含水层为Ⅰ级,直接充水水源为Ⅱ级,采煤过程中采空区和巷道为Ⅲ级,工作面为Ⅳ级,水仓和排水沟均为Ⅳ级。质量分区中,Ⅰ类区水质较好,可简单消毒后利用;Ⅱ类区个别指标超标,需针对性处理利用;Ⅲ类区受采煤活动影响较小,较多指标超标,需针对性或深度处理利用;Ⅳ类区受采煤活动影响较强,多指标超标且变动较大,需深度处理利用。     

煤岩单轴压缩变形破坏机制及与其冲击倾向性的关系

煤岩冲击倾向性是煤岩的固有属性,是决定其产生冲击破坏的能力和发生冲击地压的必要条件。煤岩单轴压缩条件下变形破坏机制和全应力-应变曲线蕴含有冲击倾向的丰富信息,是测定和分析煤岩冲击倾向性的比较简便和实用的方法。通过对不同煤级煤的单轴压缩试验研究表明:煤岩的单轴压缩变形破坏形式主要有4种类型(X状共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏、楔劈型张剪破坏以及拉伸破坏);煤岩的单轴压缩全应力—应变曲线也可以概括为4种类型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ),其中类型Ⅰ的冲击能指数最大,而类型Ⅳ的冲击能指数最小。     

地下煤火土壤典型重金属砷迁移规律

通过火区土壤采样,研究了不同温度条件（25,50,70 ℃）目标火区各土壤层（Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ）对砷的吸附解吸特性。实验结果表明：火区各土壤对砷的吸附量随外加砷浓度的增加而增大,并随温度增加而增加;解吸量变化趋势一致,即解吸量随吸附量的增减而增减。结合实验数据,采用Freundlich模型拟合火区土壤对砷的等温吸附过程,分析了拟合参数KF及其变化趋势：25 ℃时,各土壤层对As吸附的KF值大小依次为Ⅳ>Ⅴ>Ⅵ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,与各土壤层的CaCO3含量基本一致;50 ℃时各土壤层对As吸附的KF值大小依次为Ⅵ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅴ>Ⅱ>Ⅰ,与各土壤层pH和CaCO3含量基本一致;70 ℃时各土壤层对As吸附的KF值大小依次为Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅴ,与pH基本呈相反的变化趋势;形态分析表明残渣态As含量随土壤有机质含量增加而增加,随土壤pH值变化则呈相反的趋势。采用火区土壤样,构建不同土壤柱开展了各土壤层及复合土壤层土柱淋滤实验,结果表明淋滤初期土壤对砷的释放速度最快,砷跟随淋滤液快速向下迁移;淋滤中、后期土壤对砷的释放速度减小,砷在土壤中的迁移逐渐平衡;在火区土壤砷吸附解吸特性与土柱林滤实验基础上,采用COMSOL软件,模拟研究了内加砷源、表层土壤加砷、外加砷源条件下土壤柱内重金属砷的迁移,结果表明：单层土壤柱数值模拟结果与实际土壤柱淋滤实验结果基本相符;内加砷、表层加砷及外加砷复合土柱数值模拟结果表明,土柱砷含量随土柱温度增加而增加,土壤温度是影响土壤砷迁移的主要因素之一。     

基于对应分析技术的煤体结构判别:以沁水盆地安泽区块为例

准确预测煤体结构平面与纵向分布规律对煤层气勘探开发具有重要的指导作用。对安泽区块13口探井88个煤样的6种测井数据进行对应分析结果表明,由煤芯获得的不同煤体结构的样品点在对应分析获得的因子载荷图中聚类分布(对应分析划分结果与岩芯获得的煤体结构类型吻合度高达97.7%),可据此划分区内其他井的煤体结构类型并预测全区煤体结构分布。预测结果表明:纵向上,原生结构煤发育于煤层的顶底两端,碎粒结构煤发育于煤层中部,碎裂结构煤多发育于原生、碎粒结构煤之间;平面上,北部及南部An12井附近原生煤和碎裂结构煤发育(Ⅰ区),南部An28井与An22井附近和中南部断层F1与F2附近发育碎粒结构煤(Ⅱ区);安泽区块Ⅰ区较南部和中南部Ⅱ区储层条件相对有利。     

东北地区早白垩世含煤岩系层序地层研究

利用煤田钻孔资料,对东北地区早白垩世主要盆地群的含煤岩系层序地层格架及聚煤规律进行研究。根据区域不整合面、下切谷砂砾岩体底面以及沉积相转换面等4类型层序界面,在研究区识别出6个层序界面,将区内含煤岩系划分为5个三级层序。层序Ⅰ属于盆地的初始断陷阶段,层序Ⅱ、层序Ⅲ是盆地持续沉降阶段,层序Ⅳ、层序Ⅴ时期是湖泊缓慢回升,萎缩的过程。聚煤作用从层序Ⅰ到层序Ⅴ的趋势依次为：弱,强,弱,强,弱。层序Ⅱ处于盆地的缓慢裂陷期,层序Ⅳ处于盆地缓慢回升期,这两个时期都有适度的湖平面上升速率,能保证可容空间增加速率与泥炭堆积速率之间的相对平衡关系,从而形成了区域性的厚煤层,这两个层序分别对应形成了区域上的下含煤段和上含煤段。     

两煤层坚硬顶板联动冲击致灾机制

针对宽沟煤矿“3·7”、“3·8”震动事件呈现短时间隔“连锁”效应的现象,采用现场实测方法研究两煤层开采后的岩层结构特征,采用理论分析、微震监测的方法分析了两煤层开采形成的结构形态与失稳演化过程,基于数值模拟方法揭示了两煤层开采坚硬顶板联动效应引起的煤体应力演化过程,提出了两煤层联动冲击致灾机制。研究表明:I010203面形成了侧向悬顶的结构,实测确定了结构Ⅰ的悬顶长度为18.5~37.5 m,两煤层坚硬顶板呈现由低位向高位、煤柱侧向实体侧失稳的演化过程,揭示了两煤层坚硬顶板联动演化过程;通过数值模拟、采前PASAT探测获得了结构Ⅰ和结构Ⅱ联动过程的应力演化特征,认为岩层结构的变化是煤(岩)体应力的演化的重要原因,联动过程临空巷道应力不断升高,加剧了工作面冲击危险性;两煤层开采扰动致使坚硬顶板联动,剧烈释放结构Ⅰ与结构Ⅱ积聚的弹性能,诱发高静载条件的临空巷道冲击显现或局部巷道变形。     

采空区高速公路路基破坏的数值模拟分析

现沿用的按Ⅰ级破坏作为高速公路破坏的变形参考值造成了煤炭资源的浪费,本文通过数值模拟手段研究采空区高速公路路基的破坏,指出高速公路路基能承受地表水平变形Ⅱ级变形(即水平变形≤4mm/m),据此进行采空区处治理设计与煤柱留设计算,能够节约一定的煤炭资源量,节约建设成本,从而为相关工程设计与施工提供理论指导。