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《洁净煤技术》中青年科学家专刊

来源：洁净煤技术

专题来源于《洁净煤技术》2019年第3期

行业视野: 环境保护
类别; 123个
关键词; 131位
专家; 26篇
论文; 19469IP
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新型煤基微晶炭的制备及电容特性研究

作者(Author)：鲍倜傲, 王振帅, 马爱玲, 邢宝林, 张传祥, 侯磊, 袁绍辉, 赵晶, 郭梦瑶

摘要：超级电容器具有广泛的应用领域，但由于传统活性炭在能量密度和导电性方面不能充分满足社会对超级电容器的需求，严重限制了其在大型储能装置中的应用。因此，研发具有更高储能性能的材料具有重要意义。本文以资源丰富的太西无烟煤为前驱体，采用预炭化-KOH活化联合工艺制备新型煤基微晶炭，并将其用作超级电容器电极材料。利用X射线衍射(XRD)、低温N2吸附等手段表征煤基微晶炭的微晶结构及孔结构参数，并利用恒流充放电，循环伏安，交流阻抗等探究对应电极材料的电化学性能。结果表明，煤基微晶炭含有大量较为完整的类石墨微晶结构，且随着碱炭比用量的增加，类石墨微晶结构被逐步破坏，其层间距d002由0.391 5 nm逐渐增至0.405 9 nm。在碱炭比4∶1、活化温度800 ℃、活化时间为2 h的条件下，可制备出比表面积为928 m2/g、总孔容为0.527 cm3/g、中孔率为2646%的微晶炭。将该煤基微晶炭用作电极材料在以1 mol/L (C2H5)4NBF4/PC为电解液的超级电容器中，表现出优异的电化学性能:50 mA/g的电流密度下比电容为94.8 F/g，能量密度可达40.3 Wh/kg，在500 mA/g电流密度下1 000次循环后比电容保持率为87.3%，具有良好的循环稳定性，并且在阻抗曲线中体现出更小的离子扩散阻力和内部阻抗。首次充电过程中充电曲线发生折转，发生了“电活化”现象。这时，微晶炭片层周围的电解液离子和溶剂分子进行插层作用，利用片层空间充分储存电子以提高能量密度。煤基微晶炭的电容特性主要由插层电容和双电层电容2部分组成，其中“电活化”现象所造成的插层电容是决定微晶炭较高能量密度的主要原因。新型煤基微晶炭优异的电化学性能与其微晶结构和丰富的孔隙结构密切相关。

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2019年第03期

746

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新疆高碱煤四喷嘴气化炉结渣特性研究

作者(Author)：吾买尔江·卡瓦, 林雄超, 杨远平, 吕俊鑫, 周梦远, 姚刚, 王永刚

摘要：针对新疆高碱煤为气化原料造成气化炉堵渣的问题，以四喷嘴气化炉实际运行过程中产生的渣块为研究对象，采用扫描电子显微镜结合X射线电子能谱(SEM-EDX)、X射线荧光光谱(XRF)和灰熔点测试仪等分析了灰渣物化及矿物学特性。对新疆北山煤和牧场煤以及2种煤的混煤进行气化试验，考察了煤中矿物质高温演变行为规律。结果表明，新疆煤中矿物质具有不均一性，在高温热转化过程中，矿物质相互作用发生一系列复杂的物理化学反应，导致形成的矿物质灰渣具有多样性。采用新疆煤为气化原料时，大量灰渣在气化炉渣口处积累，形成了层状灰渣，主要由Na、Ca、Mg和Fe的硅酸盐或硅铝酸盐共熔物和Na-Al-Si-O构成。新疆煤气化后不同形态灰渣中Na含量差别较大，Na含量差异导致矿物质灰渣的黏温特性及固化温度不同。通过热力学模拟发现，Na-Si-O体系中其初始液相形成温度仅为800 ℃左右，随着Na2O含量升高，其初始液相形成温度基本保持不变;混入一定量Al2Si2O7后，其液相初始形成温度迅速升高至1 050 ℃左右。矿物质高温下发生熔融形成组分复杂的共熔物，随温度降低液态灰渣中具有高熔点的矿物质体系将结晶形成晶核，晶核迅速生长形成结晶颗粒而析出。在高温热转化过程煤中活性Na可与石英黏土类矿物质反应生成低熔点的NaAlSiO4;而Ca、Mg和Fe等与酸性矿物质反应生成具有高熔点的硅铝酸盐矿物质，在降温过程中首先从熔渣中析出，导致堵渣的发生。通过选取或调配煤种的熔渣黏温特性和灰熔融温度与气化运行参数一致可预防煤灰结渣发生。

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2019年第03期

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白石湖煤不同密度级组分热解特性

作者(Author)：朱川, 武琳琳

摘要：高碱煤直接燃烧/气化过程呈现严重的沾污和结渣等问题限制了新疆地区高碱煤大规模利用。煤热解分质利用技术不具备发生沾污和结渣的高温与氧化气氛，应用前景广阔。如何提高热解油气的收率和品质是高碱煤分质利用研究的重要方向，通过分选可实现高油产率组分富集的同时降低钠钙等碱和碱土金属的不利影响。笔者通过有机重液对富镜质组白石湖煤进行浮沉-离心分离，采用傅里叶红外光谱对不同密度级组分表面官能团进行表征，利用热重分析仪和格金低温干馏试验装置研究了热解特征参数和动力学参数变化规律和热解产物分布规律。结果表明，白石湖煤不同密度级组分氢含量与H/C原子比均先降低后增加，氧含量和O/C原子比逐渐增加。-OH官能团主要为羧酸官能团和酚羟基，在中密度级相对富集。随密度级增加，最大质量变化速率和失重率均逐渐降低，活化能和指前因子均呈先降低后升高趋势;焦油产率先降低后升高:BS<1.3焦油产率高达25.25%，BS>1.6焦油产率与BS1.3-1.4相当，约为15%。黏土矿物结晶水析出导致BS>1.6具有最高的水产率。

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2019年第03期

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微波协同化学助剂强化脱除煤中硫

作者(Author)：周丙义, 周涛, 李洋, 葛涛

摘要：硫是煤中主要有害元素，煤炭利用过程中硫的排放是酸雨的重要成因，脱硫是煤炭洁净利用的研究热点之一。微波具有促进反应发生、加快反应速率的作用，微波协同化学助剂脱硫是煤炭脱硫的重要手段。本文通过微波辐照结合3种化学助剂研究煤中硫的脱除效果，利用正交试验考察微波辐照时间、化学助剂种类和煤种对脱硫效果的影响。结果表明，煤种对微波协同不同助剂的脱硫效率影响较大，所选3种煤样的最佳辐照时间各不相同;硝酸与微波联合的脱硫效果最好，其中贵州(GZ)煤在微波协同硝酸作用下，全硫脱除率可达71.2%。形态硫测试分析表明煤样经脱硫后无机硫脱除效率较高，最高可达90.5%，有机硫脱除效率在20%~40%。XRD谱图分析显示微波协同化学助剂脱硫后，煤中主要矿物和煤质结构没有明显变化，微波在脱除煤中硫分的同时可保持煤炭基质稳定。XPS谱图分析表明，煤样硫醚(醇)类有机硫脱除效果较好，脱除率可达49.4%，亚砜类略低，脱除率为23%~28%，噻吩类有机硫脱除效果最差，脱除率在10%~20%。

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2019年第03期

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刚柔耦合弹性筛分机理与动力煤3mm分级试验

作者(Author)：潘淼, 段晨龙, 石巍, 周治国, 江海深, 赵跃民

摘要：动力煤广泛应用于电力、冶金，建材以及化工等领域，筛分是动力煤加工利用的关键环节。随着采煤机械化的发展，其细粒含量逐渐增加，当物料水分较高时易造成颗粒团聚，筛分作业难以进行，因此开展黏湿动力煤高效干法深度筛分至关重要。传统干法筛分过程多为6 mm分级、甚至13 mm以上分级，原煤入选比例低，造成资源浪费和环境污染等问题，降低其分级下限是目前亟待解决的技术难题。传统筛面为刚性筛面和弹性筛面，前者容易造成物料卡堵，后者在筛分过程中筛面局部易发热老化，大大降低筛分效率和筛机处理能力。为提高黏湿动力煤3 mm干法高效筛分效果，笔者提出了刚柔耦合弹性筛分方法。采用振动测试手段研究了刚柔耦合弹性筛面运动学特性，阐明了筛面的运动行为与弹性区域形变规律，揭示了刚柔耦合弹性筛分机理。采用多因素逐项试验方法，探究了处理能力与外水含量对动力煤3 mm刚柔耦合弹性筛分过程的影响规律与机制。结果表明:弹性区域较刚性区域位移幅值增加87.69%，加速度幅值增加98.08%;随处理能力的增加，综合分离指数呈先升高后降低的趋势，处理能力为2.00 kg/s、物料外水含量为6.13%时，综合分离指数在89.00%以上;外水含量的增加导致综合分离指数降低，外水含量升至11.01%时，综合分离指数达78.92%，表明刚柔耦合弹性筛面可实现黏湿动力煤3 mm的干法高效筛分。

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2019年第03期

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基于响应面法优化SDBS对低阶煤泥浮选的促进作用

作者(Author)：马椽栋, 刘嘉友, 张庆建, 迟亚妮, 李琳

摘要：针对低阶煤表面含氧官能团多，传统浮选药剂分选效果较差的难题，采用阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为浮选促进剂开展了低阶煤浮选试验研究。通过单因素条件试验，确定适宜的柴油和SDBS用量分别为6~9 kg/t和800~1 500 g/t，仲辛醇与柴油用量比为1∶10~1∶5。在此基础上，采用响应面法对柴油、仲辛醇和SDBS的用量进行优化，优化试验结果表明，柴油、仲辛醇、SDBS之间存在交互作用，其主效应关系为:SDBS >柴油 >仲辛醇，并获得了以浮选完善度为响应值的二阶回归方程，确定了柴油、仲辛醇、SDBS的最佳用量分别为8.57 kg/t、1.28 kg/t、1 307 g/t，此时浮选完善度的理论值为24.16%，在最优药剂用量条件下开展了浮选验证试验，获得的浮选完善度为23.98%，与响应面法得到的理论值基本相符，表明采用响应面法优化药剂制度准确可行。XPS宽程扫描检测结果表明，低阶煤表面的氧碳比为1.40%，吸附SDBS、柴油和柴油+SDBS后，氧碳比分别降至1.26%、1.12%和1.01%;XPS C1s分析结果表明，低阶煤表面的C—C/C—H基团含量为66.47%，吸附SDBS、柴油和柴油+SDBS后，分别提高到72.60%、75.13%和77.12%;吸附前后，低阶煤表面含氧官能团含量均明显降低，C—O基团含量由吸附前的16.59%分别降低至15.71%、14.66%和12.71%，C.O基团由10.09%分别降低至7.70%、4.23%和5.64%，O-C-O基团由6.85%分别降低至3.99%、5.98%和4.54%。XPS检测结果表明，将柴油和SDBS复配使用，作用效果优于单独使用柴油和SDBS。SDBS作为促进剂时，低阶煤表面C—C/C—H基团含量的增加以及含氧官能团含量的降低，表明SDBS与低阶煤表面发生了以氢键吸附为主的物理吸附，实现了对低阶煤表面含氧官能团的有效覆盖，同时，SDBS中的C—C/C—H基团暴露在低阶煤表面，增强了低阶煤表面的疏水性，有利于改善低阶煤泥的可浮性。

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洁净煤技术

2019年第03期

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细粒煤干法深度筛分技术进展及研究方向

作者(Author)：赵环帅

摘要：细粒煤干法深度筛分技术在煤炭工业中具有重要作用，已成为当今国内外筛分领域研究热点与难点。目前细粒煤干法筛分粒度界限主要为6和3 mm，尤其对于3 mm动力煤不经分选可直接用于火力发电。因此，实现原煤的6或3 mm细粒级干法深度筛分，不仅能提高粉煤的利用率，也可节约大量分选成本。笔者论述了目前国内外细粒煤干法深度筛分相关理论研究成果，着重阐述了国内外典型细粒煤干法深度筛分设备结构及性能特点，并深入探讨了今后细粒煤干法深度筛分技术的研究方向。目前国外细粒煤干法深度筛分相关理论研究成果主要为概率筛分原理、等厚筛分理论、电磁激振理论，弛张筛分理论、强化筛分理论。论述了黏附细粒物料深度筛分模型，潮湿细粒物料的黏结力计算公式及减少黏结力方法，降低潮湿细粒物料堵孔方法以及双质体共振与网振筛分技术等。国内研究主要为实用概率筛分模型，潮湿细粒物料在筛面上积聚原因和黏附机理及黏附力、黏附厚度的影响因素，克服潮湿细粒原煤深度筛分堵孔、黏孔现象的设计方案，采用筛板振动、筛箱不振动的形式实现难筛物料的筛分，弹性筛面克服堵孔的机理及与刚性筛面筛分效果对比，细粒煤粒度分布模型分布特性研究等。在筛分技术和设备开发上不断创新，目前已开发出的概率筛、等厚筛、博后筛、高幅筛、节肢筛、琴弦筛、弛张筛、抛射筛、谐振式泰勒振动筛、双质体振动筛、电磁高频细筛等细粒煤干法深度筛分设备结构与性能特点各异，且适应于不同用途。基于目前细粒煤干法深度筛分技术发展现状，建议未来应深入研究方向为筛分理论、关键技术、筛机结构优化、振动参数优化配置、筛板相关技术及多样化研究等方面。

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2019年第03期

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化学链燃烧中铁基载氧体研究进展

作者(Author)：魏泽华, 刘道诚, 荆洁颖, 李文英

摘要：化学链燃烧是我国应对气候变化的重要技术之一。载氧体作为氧和热的载体，是实现化学链燃烧的关键因素。近年来，寻找廉价载氧体成为研究者们关注的问题。铁基载氧体由于具有价廉、资源丰富、环境友好、机械性能好等优点受到了广泛关注，但其反应活性相对较差，如何提高其反应活性是其大规模应用的关键。笔者详细论述了化学链燃烧中铁基载氧体活性改进的研究进展，针对如何提高铁基载氧体的反应性能，从铁基载氧体制备方法的优化、组分掺杂、结构调控等3方面进行了阐述。指出，对于载氧体制备方法，应综合载氧体反应性能、制备周期和成本等因素，对其进一步选择或改进。对于载氧体组分，惰性载体的添加、制备成复合载氧体以及碱金属掺杂均可在一定程度上提高载氧体的反应性能，但采用单一措施均存在一定的问题，如活性组分与惰性载体的相互反应、复合载氧体的烧结以及碱金属的流失等，因而需要进一步研究各种因素间的相互作用。对于不同结构的载氧体，虽具有良好的结构稳定性或热稳定性，但也存在各自的缺点，如钙钛矿结构储氧能力较低，氧释放能力较低;在长时间的循环过程中，尖晶石结构的载氧体产生晶相分离和颗粒烧结而失活的现象;为了保持壳核结构的载氧体在循环过程中的稳定性及反应活性，对壳材料需要进一步选择及优化。基于目前研究现状，笔者指出铁基载氧体反应性能的进一步提高需综合考虑各方面因素并深入探究各因素之间的相互作用。

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875

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