碳新篇：女性科学家的能源探索专辑_中国煤炭行业知识服务平台

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碳新篇：女性科学家的能源探索专辑

来源：中国煤炭行业知识服务平台

近些年，“她力量”已撑起科研“半边天”，在煤炭领域做出卓越贡献的女性科学家们，她们的力量为学术领域的海洋激起的不平凡的浪花，于期刊发展的道路上也在贡献自己的力量。

煤炭行业知识服务平台聚焦煤炭行业中的女性科学家，盘点2022—2025年部分女科学家的论文。

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重质油组成与结构对油煤浆流变性能的影响

作者(Author)：刘磊, 靳立军, 钟梅, 代正华, 刘洋

摘要：新疆低阶煤和重质油资源丰富,具有广阔的煤油共液化工业前景,但重质油自身流动性差,极大地限制了煤油共液化的发展。为认识重质油组成结构对油煤浆流变性能的影响,选取5种性质差异明显的重质油和2种工业循环溶剂油,探究其与上湾煤形成的油煤浆流变性能变化规律,在此基础上通过预加氢调控减压渣油的组成结构,分析重质油组成、结构与流变性能,获得重质油组成结构对油煤浆流变性能的影响规律。结果表明,重质油本身是牛顿流体,加入煤粉后转变为假塑性流体,呈现剪切稀化特征;重质油中胶质和沥青质组分含量越高,形成油煤浆的黏度越高,体系内部的触变结构越丰富,非牛顿流体特征越明显。减压渣油稠油预加氢后,形成油煤浆的黏度显著降低,其中,380℃下预加氢2h后制成的油煤浆黏度在135℃时降至451mPa·s,同时油煤浆的触变特性也明显减弱。预加氢促使减压渣油中的长链断裂为短链烃,胶质和沥青质组分转化为饱和分与芳香分,从而抑制胶团的生成,降低油煤浆黏度。其中,380℃下预加氢2h后胶质含量较未处理减少约21%,重均分子量降至1594Da,芳香环β位的H含量增加约20%。

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2024年第02期

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煤沥青交联改性处理对碳结构的影响

作者(Author)：程俊霞, 满梦瑶, 褚宏宇, 吴秋萍, 宋帅超, 文锡量, 朱亚明, 赵雪飞

摘要：沥青基炭制品的碳结构高度依赖前驱体沥青的性质。采用化学交联的方法对沥青进行改性处理时,尽管化学交联的反应机理为亲电取代反应,但交联剂、催化剂的种类不同,沥青改性程度存在差异,进而影响炭制品结构。以中低温煤沥青为原料,探索3种交联剂(对苯二甲醇(PXG)、苯甲醛(BA)、对苯二甲酰氯(TPC))、5种催化剂(对甲苯磺酸、浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸、硼酸)对沥青交联改性后炭制品结构的影响。通过TG-DTG、FT-IR研究交联改性后沥青热稳定性及沥青官能团的变化;借助XRD、Raman表征改性后沥青炭制品的微观结构差异。结果表明:交联剂和催化剂的存在促进了沥青分子的交联,有效阻止了热转化过程中轻组分挥发,提高了沥青的结焦值、软化点、热稳定等指标。以PXG为交联剂,沥青支链上亚甲基CH2的H不易被取代;而以硼酸为催化剂时,支链末端甲基上的H易被取代;以BA为交联剂,取代氢的位置明显发生在芳香环上;以TPC为交联剂、浓硫酸为催化剂时,交联产品的C==O官能团含量增加,说明在这种组合下,TPC参加反应较多。无论与哪种交联剂相结合,浓盐酸为催化剂时,交联反应更易促进苯环上和支链上的C—H键发生取代反应。经过交联改性后的沥青,炭化过程中分子间较强的π-π相互作用减弱,有效阻止碳有序结构的形成,碳无序结构含量ID/IG增大。同时碳微晶层间距d002明显增加,有序堆积平均堆积高度Lc减小,芳香层数降低,说明化学交联不仅影响有序碳结构排列,还可抑制碳微晶结构发育。其中硼酸作为催化剂时,催化效果更理想。获得的炭制品d002在同组产品中最大。PXG、硼酸组合与沥青发生交联时,所得碳材料的d002达0.377nm。本研究为进一步定向调控和构筑沥青基碳材料奠定基础。

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2024年第02期

607

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活性金属Ni d电荷密度对Ni2P/Al2O3催化剂菲加氢性能的影响

作者(Author)：荆洁颖, 李泽, 赵泽敏, 张雨

摘要：高温煤焦油中菲含量高,将菲深度加氢饱和得到全氢菲,可提升菲利用率,且全氢菲密度大,热值高,可作为喷气燃料理想组分。然而,在菲加氢反应过程中菲与中间加氢产物的竞争吸附不利于菲在催化剂上吸附活化,且对称八氢菲进一步加氢是菲加氢饱和过程的速控步骤,其吸附活化困难不易解决,催化剂活性难以满足加氢需求。根据稠环芳烃与过渡金属间π络合吸附机理,在反应物吸附活化过程中,稠环芳烃分子和活性金属分别充当电子供体和电子受体,故Ni基催化剂中活性金属Ni处于缺电子状态时利于生成全氢菲,但关于Ni缺电子量及其电子结构如何影响催化剂菲、对称八氢菲加氢性能的原因需进一步探究。此外,基于负载型Ni2P催化剂稳定性高、耐硫、耐氮性强等优势,采用次磷酸盐歧化法通过调变P/Ni物质的量比制备具有不同Nid电荷密度的Ni2P/Al2O3催化剂,考察Nid电荷密度对菲、对称八氢菲吸附和反应性能的影响规律。结果表明,在320℃、5MPa、空速1309h-1反应条件下,Ni-2.5P/Al2O3催化剂转换频率fTO最高(44.64´10-3s-1)。通过吸附活化熵描述菲、对称八氢菲与催化剂表面间相互作用强度,发现菲、对称八氢菲在不同Ni-xP/Al2O3催化剂表面吸附强度不同。通过定量计算Nid电荷密度,明确了Ni2P/Al2O3催化剂用于菲加氢反应时适宜Nid电荷密度约-0.24e,对称八氢菲加氢反应适宜的Nid电荷密度约-0.05e。

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2024年第02期

468

181
超级电容器用生物质衍生多孔炭材料研究进展

作者(Author)：曹俊雅, 陈天悦, 罗晨辉, 张莉昕, 桑安

摘要：能源消费增加促使绿色能源开发成为趋势,同时推动能源存储系统快速发展,超级电容器以高功率密度和长循环寿命的优势得到广泛关注,其中电容炭材料逐渐成为研究热点。用来源广泛、有可再生性、价格低廉、绿色环保的生物质制备超级电容器用多孔炭材料,在开发绿色能源的同时解决了能源存储问题。多孔炭材料结构调控与性能完善是提高超级电容器性能的重要途径之一。综述了生物质衍生多孔炭材料及其在超级电容器领域的应用,按原料来源(植物、动物和微生物)及材料维度(0D、1D、2D和3D)的分类体系,多孔炭材料制备方法及技术现状。将多孔炭的制备分为炭化和活化,简述了炭化与活化机理、活化方式选择和常见活化剂特性,但生物质衍生多孔炭材料制备过程中影响因素多,且性能不及传统煤基碳材料,需进行多方面设计优化,包括选择生物质前驱体、合理使用炭化技术、调控活化过程各影响因素和选择改性过程中掺杂物等。基于在超级电容器领域的应用需求,重点探讨生物质多孔炭材料优化方式,包括孔结构调控、表面元素掺杂及与石墨烯复合形成新型炭材料等。梳理多孔炭材料用于超级电容器中时的难题与重点,通过寻找多孔炭材料在高比表面积、均匀孔隙分布和高导电性3方面的最优组合,提升电极材料电荷存储能力攻克超级电容器能量密度低的问题,同时确保超级电容器耐压能力达到要求。在此基础上,提出提升材料电化学性能和循环稳定性、确保原料来源稳定性和一致性、逐步实现量产的商业化需要等有望取得突破的研究方向。

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2024年第02期

582

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神府烟煤及其煤岩组分制备氧化石墨烯的组成、结构演变

作者(Author)：刘国阳, 严心娥, 李可可, 李君, 张亚婷, 贾嘉, 朱由余, 党永强, 段瑛锋

摘要：以煤为原料制备石墨烯是一种非常有前景的煤炭材料化、高值化利用途径。针对煤岩组分的组成、结构差异,探明煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的演变规律,是开发煤基石墨烯制备技术的理论基础。利用重选法富集低变质神府煤中镜质组和惰质组,并将富集煤岩组分通过高温石墨化得到石墨化碳,以石墨化碳为前驱体通过改良的Hummers氧化法制备煤基氧化石墨烯。利用元素分析、红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜等研究煤及其煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的组成和结构演变规律。结果表明炭化处理使煤有机大分子结构向无定形碳结构转变,高温石墨化使煤有机大分子结构向石墨碳结构转变;惰质组呈片状结构且分子结构中芳香结构单元较多导致石墨化碳微晶尺寸较大,高温石墨化处理后其拉曼光谱的(AD1/AG)值为0.382,镜质组高温石墨化处理后的(AD1/AG)值为0.686,原煤高温石墨化处理后的(AD1/AG)值为0.864;利用富惰质组得到的石墨化碳制备氧化石墨烯厚度尺寸约5nm;而镜质组的石墨化碳中石墨微晶结构较小,得到的氧化石墨烯尺寸较小,且氧化石墨烯平均厚度超过10nm;原煤中由于石墨化过程形成棒状结构,较难形成有序片层结构,氧化剥离也难以得到氧化石墨烯。

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2024年第02期

540

293
CO2浓度及配比对焦炭溶损特性影响

作者(Author)：蔡孝庆, 葛东, 宋宪锋, 张代林, 高志芳

摘要：研究块焦、粉焦混合焦炭在CO2气氛下的反应特性可有效提高干熄焦质量、降低溶损率,故采用自制高温焦炭反应测定装置,研究不同粒径配比及不同浓度CO2条件下的碳素溶损反应,结合光学显微镜分析及Coats-Redfern法探讨了混合不同粒径干熄焦的溶损机理。结果表明,不同浓度下粉焦比例增加,粉焦溶损率为混合焦炭溶损率的0.7~0.9倍,较多CO2与粉焦发生碳溶反应,导致块焦-粉焦混合焦炭溶损率随粉焦比例增加而增加。但在不同浓度下块焦和粉焦的各向同性组织含量降低而各向异性组织含量明显增加,其中,粉焦各向异性指数高于块焦,且平均增长4%,其反应活性也高于块焦,反应活化能随CO2浓度、粉焦比例的增加而降低;且同一浓度下,焦炭中粉焦比例越多,碳溶反应越易进行。在低浓度下,粉焦比例对混合焦炭溶损率有显著影响,随粉焦比例增加活化能降幅最大为30%。研究结果可为进一步降低干熄焦溶损率提供理论依据。

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2024年第02期

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天然气-中温太阳能互补的新型低碳分布式供能系统

作者(Author)：王彬, 郝勇, 郭轲, 邵煜, 蒋琼琼, 洪慧, 金红光

摘要：基于化学链循环的天然气-太阳能互补转化具有低碳、储能及高效等特点。目前甲烷化学链循环典型还原温度为800℃。在450℃中温条件下,现有技术的甲烷转化率均较低,导致热化学蓄能效率和分布式能源系统能效较低。基于产物分离促进反应平衡移动原理,提出将甲烷重整制氢与化学链循环结合的蓄能方法,氢气被载氧体消耗使氢气分压降低,促进甲烷重整反应正向进行,进而提升甲烷转化率。对比了甲烷重整耦合化学链循环蓄能方法和传统甲烷直接与载氧体发生化学链反应蓄能方法的甲烷转化率。结果表明,450℃下通过多级循环实现甲烷近完全转化。基于甲烷重整耦合化学链循环蓄能方法,建立了多能互补分布式供能系统模型,太阳能甲烷热化学源头蓄能将低品位太阳能提升为高品位燃料化学能,实现了源头蓄能与脱碳。储存太阳能的固体燃料氧化产生高温热能,通过透平做功发电,然后通过余热回收装置实现吸收式制冷和供热,从而实现太阳能和化石燃料的高效互补利用。对系统在典型工况下的热力学性能进行分析,结果表明基于甲烷重整耦合化学链循环蓄能方法的分布式供能系统太阳能净发电效率达24.90%,系统燃料节省率达43.24%,在节能减排方面具有显著优势。

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2024年第02期

551

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选煤强国建设路径及其评价指标体系初探

作者(Author)：杨茂青, 董宪姝

摘要：为探索选煤强国建设路径及其评价指标体系，基于选煤强国概念与内涵的阐述和分析，指出了我国选煤在应用基础理论、重大关键技术、适用技术开发、人力资源结构和科技投入方面存在的问题，提出了实现选煤强国的主要路径，包括掌握关键核心技术，树立标准与知识产权先行的发展理念，优化人力资源结构，做好老选煤厂技术升级，积极开拓走出去发展路径五个方面。为更好地体现选煤综合竞争力，在充分考虑数据获取难易程度以及可行性和可操作性的基础上，按照高技术含量和高标准的构建原则，提出了选煤强国评价指标体系，包括选煤厂管理、人力资源、绿色环保、科技创新能力、政策要素、对外贸易运营能力、企业竞争力7个一级指标，以及20个二级指标和27个三级指标。探索选煤强国建设路径及其评价指标体系可为选煤行业高质量发展指明方向，有助于我国从选煤大国向选煤强国迈进。

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选煤技术

2023年第06期

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