冠醚对准东煤水洗液中碱/碱土金属离子萃取动力学

超分子化合物冠醚对碱金属/碱土金属具有特殊的选择性配合能力,将其应用于煤化工领域中,为研究煤中自带单一碱/碱土金属元素对煤燃烧、热解、气化的影响提供新方法。研究了稀释剂种类、冠醚种类、萃取时间、冠醚浓度、萃取温度对准东煤水洗液中碱/碱土金属的萃取影响。结果表明,稀释剂极性越大,冠醚萃取效果越好。相同孔径的不同种类冠醚对相同离子的配位能力有差异,这是由于冠醚环上的取代基不同造成的。氯仿作为稀释剂,二环己基18-冠醚-6作为萃取剂,对准东煤水洗液中非Na碱/碱土金属离子具有较高的选择能力和萃取能力。提高有机相萃取剂浓度可有效提升萃取率,但分离系数并不随萃取剂浓度的增大而增大。萃取反应为放热反应,升高温度不利于萃取反应进行。     

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。     

水溶Na对高碱煤热解及氮热变迁的影响

新疆准东煤田煤炭资源丰富,部分新疆煤含有超过0.4%的高碱金属含量而被称为高碱煤。在热利用过程中碱金属Na作为催化剂可改变煤的反应活性,进而影响其热反应过程及氮氧化物的排放。为研究水溶Na对高碱煤热解特性及氮热变迁规律的影响,选取准东煤作为典型新疆高碱煤,并采用盐酸对其进行脱灰预处理,在脱灰煤中添加不同含量的NaCl代表高碱煤中水溶钠,利用热重-差示扫描量热、红外、质谱(TG-DSC-FTIR-MS)联用仪开展热解实验,运用Coats-Redfern积分法对煤热解反应进行动力学分析。结果表明,少量Na促进低温段(40～295℃)的干燥脱气反应,大量Na促进高温段(>800℃)二次脱气反应,Na对主热解阶段(中温段)影响较小。动力学分析表明Na含量≤0.6%时,煤热解表观活化能降低,Na对煤热解具有催化作用。通过红外与质谱的综合分析,发现在低加热速率条件下,对煤燃烧过程NO_x气态前驱物以HCN为主,其生成量远大于NH₃。Na的添加可明显促进煤热解NH₃生成,0.7%Na的含量使NH₃的析出量增加...     

N2和CO2对煤明火燃烧灭火性能的对比实验研究

为掌握N₂和CO₂对煤明火燃烧过程的不同灭火效果,采用自主研制的煤明火燃烧实验装置,对平煤八矿煤样进行了通入相同流量N₂和CO₂气体灭火剂的煤明火燃烧灭火实验,测定了在煤有焰燃烧和阴燃熄灭阶段的温度场温度、标志性气体(O₂、CO和CH₄)组分、热释放速率以及火焰图像面积的变化规律。结果表明:相比于煤自由燃烧,在煤有焰燃烧阶段,通入CO₂时明火火焰熄灭时间、煤温上升速度、耗氧量、热释放速率以及CO和CH₄浓度的下降速度比通入N₂时更低;同时,通入CO₂时火焰图像面积呈指数下降,而通入N₂时呈线性下降;在煤阴燃熄灭阶段,通入CO₂时煤温、CO和CH₄浓度下降速度比通入N₂时的更高,而通入CO₂时的耗氧量和热释放速率比通入N₂时的更低;说明CO₂比N₂具有更好的熄灭煤明火燃烧的能力。     

煤低温氧化CO与CO2的同位素指标研究

煤自燃火灾是矿井生产过程中的重大灾害之一,对矿井安全生产存在巨大威胁;煤自燃是一个复杂的氧化过程,要经历不同的氧化阶段,故要建立相应指标来判断不同的煤氧反应阶段。利用程序升温-气相色谱联用实验,分析了长焰煤自燃氧化过程中标志气体随温度变化规律,依据升温氧化实验数据,将煤自燃划分为4个阶段;以φ(CO)/φ(CO₂)和第三火灾系数R₃作为辅助指标,对煤氧反应阶段进行划分;同时通过检测低体积分数CO、CO₂中氧同位素的丰度值,得到气体产物中δ¹⁸O(氧同位素值)随温度变化的规律,并以δ¹⁸O为指标,根据δ¹⁸O变化规律将煤自燃划分4个阶段。     

燃用准东煤过程中碱/碱土金属迁移规律及锅炉结渣沾污研究进展

准东煤灰分含量低、着火温度低、燃尽性能优良,是优良的动力用煤,但准东煤灰中碱/碱土金属含量高,在燃烧过程中易挥发进入气相并冷凝在受热面上从而强化锅炉的沾污、结渣过程,要实现安全、高效、洁净燃用准东煤,需对准东煤燃烧过程中矿物尤其是碱/碱土金属转化特性和灰熔融特性进行研究。对准东煤中碱/碱土金属(AAEM)赋存形态及燃用过程中AAEM的迁移转化、煤灰熔融特性、准东煤结渣、沾污机理等研究进展进行了介绍,总结了锅炉结渣、沾污关键影响因素及目前常用的防控方法。由于实验样品和条件的差异,AAEM在煤燃烧过程中的释放、转化特性及其对灰熔融特性的影响尚未有一致结论;对于AAEM释放多采用热力学平衡计算,相应的动力学模型缺乏深入研究;由于燃烧试验台实验工况与实际锅炉烟气组分、热参数等存在一定差异,燃烧试验台获得的结渣、积灰特性能否反映真实锅炉情况有待验证;实际锅炉沉积样品分析面临锅炉工况调整困难、可重复性差等问题,需对锅炉实际结渣污特性进行深入研究;锅炉设计、掺烧、参数调整等方法仅能减轻准东煤结渣、沾污等问题,为实现准东煤的安全、高效、洁净利用,仍需更加深入的研究煤灰结渣、沾污机理。应加强灰化温度、气氛等对煤热转化中AAEM的释放和转化特性影响的系统研究,进一步开展AAEM在煤热转化过程中的释放、矿物转化动力学模型研究,同时,需针对温度、气氛、煤灰组分等对准东煤结渣、沾污的影响规律开展更加细致地研究,为结渣、沾污防控提供支持。     

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。     

配煤对准东煤灰烧结特性的影响

对准东煤进行不同种类和比例的配煤,利用CCD(电荷耦合元件)相机监测系统和烧结探针对混烧灰的烧结熔融特性进行实时在线监测。研究结果表明:准东煤和北塔山煤、准东煤和乌东煤都分别按照9∶1,8∶2和7∶3的质量比进行混合可以抑制灰块烧结熔融,起到较好的防结渣效果。烧结灰块的横截面具有3层颜色和烧结程度差异显著的层状结构,由内层到外层烧结程度逐渐增加,且随着配煤比例的提高,最外层的熔融物质减少。同时利用基于Matlab软件开发的GUI数字图像处理系统得到各烧结灰块的高度和面积收缩率,在烧结最终时刻纯准东煤灰块的高度和面积收缩率分别为0.125和0.225。配煤影响烧结灰块的高度和横截面积变化,且随配煤比例的提高,最终时刻灰块的高度和面积收缩率都逐渐减小。利用XRD(X射线衍射)技术分析发现,配煤的种类和比例影响矿物相的转化,但是对外层的矿物质影响较小,外层矿物相主要成分均为钙长石(CaAl₂Si₂O₈)。进行SEM(扫描电镜)分析,发现配煤后烧结灰块外层的孔结构直径有所减小,外层基质呈现出光滑且致密的结构。同时通过EDX(能量...     

煤表面与CH4，CO2相互作用的量子化学研究

利用量子化学从头计算方法研究了煤表面与CH₄，CO₂分子间的作用能，发现二者在煤表面的吸附都属于物理吸附，且煤表面对CO₂分子的吸附势阱远大于对CH₄分子吸附势阱，说明CO₂在煤表面的吸附更稳定，从而在微观上解释了煤对CO₂吸附能力大于对CH₄的实验现象.     

CO2防控氧化煤复燃效率的试验研究

为掌握不同体积分数CO₂对氧化煤复燃过程的抑制效果,采用自主研制的煤自燃氧化程序升温试验装置,对平煤八矿煤样分别通入体积分数为10 %、20 %、30 % 和40 % 的CO₂进行试验研究,测定了煤初次和二次氧化升温过程中的耗氧速率、CO产生率以及表观活化能的变化规律。结果表明:与煤在纯空气条件下的氧化自燃相比,不同体积分数的CO₂对煤氧化升温过程均具有抑制作用。同时,通入的CO₂体积分数越大,煤初次和二次氧化升温过程的耗氧速率和CO产生率越低,表观活化能越高,即CO₂的体积分数越大,对氧化煤复燃过程的抑制效果越好。     

不同φ(CO2)/φ(O2)比例对煤自燃特性的影响

为了研究CO₂对煤自燃特性的影响,利用热重与质谱联用技术测试了阳泉五矿煤在不同φ(CO₂)/φ(O₂)比例下的氧化燃烧过程,分析了热重曲线,特征温度点,放热量与气体逸出规律。研究结果表明:随着φ(CO₂)/φ(O₂)比例增大,热重曲线向高温偏移,特征温度点升高,燃烧剧烈程度降低,气体逸出温度升高;温度小于360℃前,放热量相差较小;温度继续升高后,在相同温度下,放热量随氧浓度降低而降低;由于CO₂与H2反应产生CH₄,所以CO₂含量越高,CH₄逸出强度更高;同时,煤在低氧浓度下更易不完全燃烧,所以会产生更多CO;相较于空气氛围,CO₂浓度高于88%时才具有抑制作用。     

水溶性钠对高碱煤及模型化合物燃烧特性的影响

新疆准东高碱煤中钠、钙等碱金属和碱土金属含量高,其中钠分别以水溶态、醋酸铵态、盐酸态和不溶态4种形态存在。水溶态钠占比高达82%,易于水洗去除,且对燃烧过程挥发分的析出速度及对着火温度和燃尽温度有明显影响。为进一步探究水溶性钠对准东高碱煤燃烧特性的影响机制,利用差示扫描量热值仪与质谱联用仪(DSC-MS)开展燃烧试验,对比研究水溶性钠对准东脱灰煤(DC)及模型化合物(MH)燃烧特性的影响,分析着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率、综合燃烧特性指数等燃烧特性参数,并采用Coats-Redfern积分法对燃烧反应进行动力学分析。结果表明:(1)MH与DC的平均失重速度和综合燃烧指数都有较好的一致性,可以利用模型化合物代替高碱煤开展燃烧特性及污染排的放特性研究;(2)钠对DC和MH的挥发分析出阶段无明显影响,主要促进了固定碳的燃烧;(3)动力学分析验证DC和MH的反应级数均为1级;(4)钠对DC及MH的挥发分析出及着火阶段(温度低于490℃和530℃)无明显影响,但对固定碳的燃烧起到进作用。     

管径与出口流量对液态CO2输送过程特性影响

管输液态CO₂不仅可以进行采空区火灾防治,还能够将CO₂有效储藏到地下,符合当前全球经济发展模式。根据液态CO₂相变特性,同时结合CO₂输送技术以及矿井防灭火的需要,采用商业模拟软件ASPEN HYSYS V8.4对液输CO₂过程进行模拟,研究了不同管道规格与出口流量对液态CO₂输送过程中温压特性影响以及输送距离的变化规律。结果表明,过小的管径会使CO₂输送过程中产生较大的压降;管径过高,会导致CO₂在输送过程中流速过慢,与周围环境换热更充分,液态CO₂容易发生相变;同时对于不同管道规格,应设置不同CO₂出口流量以确保CO₂安全、经济高效运输。该研究对建立从煤矿地面向井下安全输送液态CO₂管道系统具有重要的指导意义。     

液态CO2在矿井防灭火中的应用

液态CO2防灭火技术就是借助液态CO2汽化后本身的气体压力进行输送,并将其注入防灭火的区域.将液态CO2防灭火应用于矿井防灭火中有着氮气、烟气等惰性气体无法比拟的优点,在经济上节省,运输上方便、灭火性能好等特点.文章在系统分析液态CO2的性能、灭火机理及压注系统的基础上,结合南屯煤矿实际情况,成功地将液态CO2防灭火技术运用于煤层自燃火灾的防治,利用电厂冷却塔的水进行水式汽化,成功地解决了在CO2释放后由于气体温度较低而引起的管路冻缩的问题,具有较强的推广应用价值.     

水溶钠对准东煤快速热解煤焦燃烧特性的影响

采用不同萃取液对准东五彩湾烟煤进行逐级萃取,分别利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和离子色谱仪对萃取制得的滤液进行相应的元素分析和阴离子检测。测试结果表明,准东煤中金属钠的赋存形态以水溶钠为主,且主要以NaCl,Na2SO4,NaNO3,NaHCO3等化学形态存在。在酸洗煤样中加载不同化学形态水溶钠,并在沉降炉快速热解条件下制备煤焦。热解煤焦的热重燃烧实验表明,添加水溶钠使煤焦的燃烧初始反应温度、着火温度和燃尽温度都较酸洗煤煤焦有所降低,表明水溶钠盐对高钠煤煤焦的燃烧具有促进作用。不同化学形态水溶钠的催化作用不同,以Na2CO3的作用最为显著。通过积分法计算得到了5种快速热解煤焦燃烧的活化能,加载水溶钠盐使煤焦燃烧的活化能降低,不同化学形态水溶钠的影响不同。     

H2O2-咪唑类离子液体脱除煤中硫分及灰分研究

为了考察H₂O₂-咪唑类离子液体体系脱除煤中硫分和灰分的效果,选取具有相同阳离子的5种亲水性离子液体和2种疏水性离子液体(ILs),即:[BMIM][Br],[BMIM][Cl],[BMIM][BF₄],[BMIM][HSO₄],[BMIM][H₂PO₄],[BMIM][PF₆]和[BMIM][NTf₂],分别与30%H₂O₂共同作用于宁东SM煤,对反应后的离子液体进行回收再利用。用化学法测定反应前后煤样的形态硫,并用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X-射线衍射仪(XRD)、比表面及孔隙度分析仪(BET)及热重分析仪(TG)等对反应前后煤样进行表征。结果表明:离子液体的加入,改善了H₂O₂的脱硫脱灰能力,其中H₂O₂-[BMIM][PF₆]体系处理后煤样的脱...     

高温热解过程中新疆高碱煤中钙的演变

以新疆准东地区高碱煤(五彩湾煤和天池能源煤)为实验煤种,通过萃取法研究煤中钙的存在形式及其在热解过程中的演变规律。研究表明,本实验中两种高碱煤中钙主要为醋酸铵溶钙和盐酸溶钙,其中天池能源煤含有较多的水溶钙。1 500℃热解后天池能源煤焦炭中水溶钙的含量明显较高,主要是因为天池能源煤中本身存在一定量的硫化钙,在高温热解的过程中保存在焦炭中;五彩湾煤焦炭中的醋酸铵溶钙含量高于其它煤种,主要是因为五彩湾煤中硅铝的含量较少导致部分钙仍以氧化钙的形式存在于焦炭中。高温热解过程中,煤焦中钙均以较为稳定的形式存在,随着热解温度的上升,焦炭中钙的含量呈上升趋势。1 200℃时焦炭中的钙主要以硬石膏和氧化钙等醋酸铵溶钙为主;1 200~1 400℃硫酸钙分解,导致水溶钙小幅上升,但整体依然以醋酸铵溶钙为主,此时的醋酸铵溶钙主要以氧化钙形式存在;1 400~1 500℃氧化钙与硅、铝等物质反应使醋酸铵溶钙转化为盐酸溶钙。     

原料煤的结构特性和添加剂对活性炭孔隙结构及吸附CO2 性能的影响

选用5 种原料煤,3 种添加剂分别考察煤结构特性和添加剂种类对制备活性炭性能的影响,以比表面积、孔径分布、CO₂ 吸附量、碘值、微晶结构尺寸对活性炭进行表征。结果表明:由于5 种原料煤结构特性的不同,经炭化之后微晶高度和层片宽度都有不同程度的变化。太西煤炭化料的微晶结构在后期活化阶段最为适宜,从而以灰分低、挥发分适中的太西无烟煤为原料,制备的活性炭微孔最为发达,吸附CO₂ 的性能最佳;3 种添加剂中NH₄Cl+KNO₃ 效果最为显著,制备的活性炭比表面积为1 093 m² / g,微孔孔容为0. 415 mL/ g,CO₂ 的吸附量为2.41 mmol/ g(0.1 MPa,25 ℃)。     

液态CO2防灭火管路输送特性影响分析

管道输送液态CO₂不仅可以进行煤矿火灾防治,还能将温室气体CO₂有效储藏到地下,符合当前全球经济发展模式。由于矿井环境温差和巷道倾斜等原因,管道不可避免地会发生热交换还会产生较大压降;为了避免液态CO₂在输送过程中发生相变,有必要考虑环境温度、风速、保温棉、管道倾角和地形海拔等因素,以确保安全、经济高效的运输;基于商业模拟软件ASPEN HYSYS V8.4对管道输送CO₂过程进行模拟。结果表明：环境因素中管道倾角对于CO₂输送过程影响很大;对于公称直径为32 mm的管道,流量设置为2 500 kg/h最有利于液态CO₂输送。     

煤矿CO2防灭火技术研究进展

CO2因其良好的惰化效果在煤矿防灭火中得到广泛应用,煤矿CO2防灭火技术是将气态、液态或固态CO2输运至井下发火区域的上风侧,依靠风流流动将CO2带入发火区域进行窒息防灭火。通过回顾国内外研究进展,对煤矿利用CO2进行井下防灭火的关键技术进行总结;从CO2防灭火工艺、惰化机理、降温效果以及CO2在采空区内的流动规律与分布规律等方面介绍领域内的主要研究进展;重点分析CO2防灭火工艺及其特点,并结合目前存在的问题探讨CO2防灭火未来可能的发展方向;最后对CO2防灭火技术的研究方向和发展趋势进行归纳和展望。