煤炭清洁高效转化理论与技术专刊_中国煤炭行业知识服务平台

煤炭清洁高效转化理论与技术专刊

来源：洁净煤技术

煤炭作为我国的主体能源和重要工业原料，在我国能源供应体系中具有“压舱石”作用。正如谢克昌院士所言，煤炭虽然是化石能源，但实现了清洁高效利用的煤炭就是清洁能源。尤其是在“双碳”背景下，推动煤炭清洁高效利用，是保障我国能源安全，促进能源体系向清洁化、低碳化方向发展的重要途径。煤炭清洁高效转化，不仅可以缓解我国能源供应紧张的局面，也是构建我国清洁低碳、安全高效的能源体系的必然选择。

在“十二五”末年(2015年)，为加快推动能源消费革命，进一步提高煤炭清洁高效利用水平，有效缓解资源环境压力，国家能源局制定了《煤炭清洁高效利用行动计划(2015—2020年)》，提出“依靠科技驱动”，加强基础研究和技术攻关，积极推进将煤炭清洁高效利用重大科学研究和关键技术攻关纳入国家科技重大专项计划，将示范技术列入国家重点研发计划。据此，科技部在“十三五”时期(2016-2020年)组织了“煤炭清洁高效利用”领域重点专项50项，其中2016年12项、2017年17项、2018年18项、2020年3项(山西省定向)，依托该类项目，“十三五”期间我国在煤炭清洁高效转化方面涌现出的理论和技术成果达到新高度，也奠定了我国在煤炭清洁高效转化领域科研水平的世界领头羊地位。

在“十四五”开局之年(2021年)，我们深感荣幸，受《洁净煤技术》编辑部邀请组织本专刊，展示“十三五”时期国内同行在煤炭清洁高效转化理论与技术方面的部分最新研究进展，促进科研成果转化，与作者、读者共同研讨煤炭清洁高效转化的未来发展方向，共同推进我国煤炭转化过程的新理论、新方法、新技术、新工艺等方面的研究。

本专刊从征稿、审稿到发表恰一年时间，收录了来自国家能源集团、国家电网、南方电网、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、东南大学、大连理工大学、华东理工大学、中科院工程热物理研究所、中科院山西煤化所等19家单位27篇文章，包括4篇综述性论文、14篇研究论文、7篇数值模型研究论文和2篇经济性分析论文，对“十三五”时期国内同行在煤炭清洁高效转化理论与技术方面的最新进展进行报道。从投稿论文的单位性质和研究性质，我们可以看出：社会主义建设的新阶段，我国越来越注重技术转化以及大型企业在重大项目研发中的示范效应;研究方法也逐渐从传统试验研究向更深的理论模型研究和更广的软科学政策研究方面拓展。值此专刊正式刊出之际，我们谨代表编辑部对众多学者的踊跃投稿表示感谢，同时也感谢同行专家对稿件认真细致的评阅。希望通过本专刊，进一步促进高等院校、科研院所与企业之间的交流合作，为推动我国能源高效、清洁和低碳利用略尽绵薄之力。

行业视野: 煤化工
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关键词; 152位
专家; 30篇
论文; 18158IP
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基于预热燃烧技术平台的神木烟煤预热段有机硫变化研究

作者(Author)：张嘉航, 朱建国

摘要：煤炭是我国主要能源，然而煤炭燃烧释放的SO2等污染物影响环境。煤中有机硫结构复杂、形式多样，研究相对困难，因此研究煤中有机硫转化特性可为燃煤SO2污染物排放控制提供理论支撑。在30 kW预热燃烧试验平台上对神木烟煤开展了预热燃烧试验，试验过程中对于测量点进行固体取样，利用X射线光电子能谱技术（XPS）和X射线衍射（XRD）对神木烟煤及预热半焦中的有机硫进行分析。结果表明：神木烟煤中有机硫的主要形态可分为4种：硫醇和硫醚（32.6%）、噻吩（16.0%）、亚砜（15.9%）和砜类（15.3%），无机硫有CaSO4、FeS2；当循环流化床的预热温度达到800 ℃以上时，预热半焦中硫形态及含量与原煤相比发生较大变化，表现为预热半焦中无机硫除原有种类外出现了CaS，预热半焦中的有机硫随着预热中空气当量比的增加分解程度加深，其中硫醇和硫醚因分解而减少最多，噻吩、亚砜类次之，砜类物质相对含量增大。砜类物质相对含量增大的原因一方面与其他有机硫形态分解有关，另一方面可能存在硫醇、硫醚等向砜类物质的转化。

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2021年第04期

719

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宁东煤热解初始段硫迁移的分子动力学模拟

作者(Author)：王坤, 梁文政, 王翠苹

摘要：为探究硫元素在煤热解过程中的迁移规律和污染物的形成，以宁东煤为研究对象，采用X射线光电子能谱、13C固体核磁等表征手段结合工业分析、元素分析对宁东煤内部元素种类、化学价态以及成键方式进行分析，构建了2种含硫低阶宁东煤干燥无灰基下的化学结构模型。在Material Studio软件中经过分子动力学退火模拟和几何结构优化得到了立体结构明显的化学结构，保证了每个模型盒子中有4个硫原子，以正确归纳煤热解过程硫的迁移路径和产物。采用ReaxFF力场在参考温度2 500 K下进行200 ps的分子动力学模拟，发现热解产物分布与参考模拟结果吻合较好，证明了模型构建的合理性。通过归纳硫醇和硫酚存在形式的S原子分别在煤热解过程初段的转变特性，发现2种存在形式的硫原子均进入焦油产物中，但具有不同的迁移速率和稳定链结构。这属于硫在煤热解初始阶段的迁移，可解释实际低温煤热解时煤焦油中含硫较高的现象。需提高模拟参考温度或延长计算时间，才能确定煤热解过程硫迁移的二次反应行为。

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2021年第04期

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低阶煤低温干馏工艺煤焦油组分还原与组成分析

作者(Author)：杨秦林, 刘永琦, 唐星, 么秋香, 孙鸣, 马晓迅

摘要：中低温煤焦油的真实产率与组成分布对于评价煤低温干馏工艺具有关键的指导作用。为了得到煤焦油的准确产率、轻重油分布规律和全组分信息，以中低温煤焦油轻油（LCT）和重油（HCT）为原料，对LCT∶HCT∶水=1∶1∶1的混合物进行加热重组，得到重组煤焦油（RCT）、重组煤焦油轻油（RLCT）和重油（RHCT）。通过正己烷超声萃取分别得到正己烷萃取物（E-CT、E-LCT、E-HCT、E-RCT、E-RLCT以及E-RHCT）和萃余物（I-CT、I-LCT、I-HCT、I-RCT、I-RLCT以及I-RHCT），利用气质联用仪（GC-MS）和热重分析仪-傅里叶红外联用（TG-FTIR）技术，对各萃取物和萃余物的组成结构、热解行为及气体逸出特性进行分析。结果表明，通过煤焦油重组试验，RLCT为24.93%，RHCT为75.08%；重组煤焦油正己烷萃取物以烷烃、芳烃和酚类物质为主；E-CT相较于E-LCT和E-HCT，脂肪烃含量减少、酸性化合物增多；E-RCT相较于E-CT，芳烃含量明显降低，E-RHCT富集芳烃和酸性化合物，脂肪烃含量降至35.05%；重组煤焦油萃余物主要由饱和分和芳香分构成；重组后I-RHCT与I-RLCT轻质组分减少，萃余物的热稳定性更好。

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碱/碱土金属对煤热解半焦燃烧特性的影响

作者(Author)：郑洪岩, 黄有航, 曾浩, 赵消旭, 冯智皓, 侯冉冉, 白宗庆

摘要：低温热解提油-半焦燃烧可以实现低阶煤的梯级高效利用，是目前低阶煤高效利用的研究热点。由于热解半焦挥发分低，导致其燃点高、难燃尽，而添加助燃剂是改善低挥发分煤热解半焦燃烧特性的有效途径。采用热重法研究了碱金属（K2CO3）和碱土金属（CaCO3）添加剂对半焦燃烧特性的影响，并利用Kissinger-Akahira-Sunose （KAS）模型对不同条件下的燃烧活化能进行研究。结果表明，半焦着火温度高、燃烧性能差，半焦中碱性矿物质对其燃烧性能有一定催化作用；CaCO3的添加对半焦燃烧特征参数的影响不大，说明其对半焦燃烧性能的促进作用不明显；与碱土金属CaCO3不同，添加碱金属K2CO3能显著降低煤热解半焦的燃点、最大燃烧峰温及燃烧指数；同时随着K2CO3添加比例的增加，半焦表观燃烧活化能显著降低，说明其能明显促进半焦的燃烧反应性；在本研究试验条件下，添加2% K2CO3对改善半焦燃烧性能效果最好，同时采用浸渍法添加K2CO3的分散效果更好，因此相比机械混合方式，浸渍法添加K2CO3更能改善半焦的燃烧特性。

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2021年第04期

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压力对热解煤焦结构及其燃烧反应性的影响

作者(Author)：闫华青, 张先炼, 许凯, 李寒剑, 徐俊, 汪一, 江龙, 苏胜, 胡松, 向军

摘要：加压富氧燃烧被认为是一种更加高效清洁的第2代富氧燃烧技术而备受关注。热解作为煤燃烧的第1步，不同的热解条件（压力、气氛、升温速率等）将直接影响煤焦的物理和化学结构，导致其燃烧反应性的差异，目前加压富氧燃烧条件下，煤焦反应性与结构性质之间的关联研究鲜见报道。自主设计并建立了一套加压聚光光热快速升温试验平台，最大升温速率可达80 ℃/s，选用红沙泉（HSQ）和五彩湾（WCW）2种准东煤，制备了不同压力（常压～1.5 MPa）及热解气氛（N2、CO2）下的煤焦，采用比表面积分析仪、拉曼分析仪、热重分析仪等表征手段考察了压力及热解气氛对煤焦的结构特性及其燃烧反应性的影响。结果表明，在惰性N2气氛下，HSQ和WCW煤在压力1.5 MPa时的煤焦产率较常压下分别增加了3.54%和10.49%；在CO2气氛下，HSQ煤在压力1.5 MPa时的煤焦产率较常压下降低了16.40%，煤焦产率在2种气氛下随压力的改变呈相反趋势。N2气氛下，随着压力从常压增至0.4 MPa，HSQ/WCW煤焦的比表面积增加，从24.20/14.85 m/g增至26.27/46.19 m/g，但压力继续增至1.5 MPa时，HSQ/WCW煤焦的比表面积呈下降趋势，从26.27/46.19 m/g降至21.21/39.46 m/g；相同压力下，CO2气氛下制备的煤焦孔隙结构更发达，常压和1.5 MPa压力时，CO2气氛下制备的HSQ煤焦比表面积分别为N2气氛制备煤焦的6.46和9.03倍，这也是CO2气氛下制备的HSQ煤焦燃烧反应性优于N2气氛煤焦的主要原因。随着压力增加，2种气氛下，2种煤焦拉曼光谱分峰拟合计算得到的I(GR+VL+VR)/ID值均逐渐下降，煤焦的化学结构趋于更加稳定，这也使得高压下制备煤焦的燃烧反应性下降。但相同压力下，CO2气氛下制备的HSQ煤焦I(GR+VL+VR)/ID值低于N2气氛制备的HSQ煤焦，高压下由于CO2与焦炭的气化反应增强，消耗更多的无定形碳，2种气氛的I(GR+VL+VR)/ID差异更明显，但由于物理孔隙结构差异的主导作用，使CO2气氛下制备的HSQ煤焦燃烧反应性更好。可见，煤焦的燃烧反应性受其物理结构和化学结构的共同影响。

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2021年第04期

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新疆淖毛湖煤直接液化反应行为研究

作者(Author)：单贤根, 舒歌平, 曹雪萍, 王洪学, 高山松

摘要：为研究新疆淖毛湖煤直接液化反应特性和产品分布规律，在0.5 L间歇式高压釜中，以四氢萘为溶剂，纳米氧化铁为催化剂及S为助剂，考察了不同反应温度、反应时间条件对煤转化率和液化产物收率的影响。结果表明：淖毛湖煤易液化，在反应器温度刚加热到425 ℃时，煤转化率和液化油收率已分别达到96.6%、56.68%；随着反应温度的升高以及反应时间的延长，煤转化率、氢耗、气体产率、油收率逐渐增加，而沥青类物质产率下降，水产率基本保持不变；当反应温度进一步增加以及反应时间继续延长，轻质油将会发生裂解，导致气体产率进一步增加，而油收率有所降低。当反应温度为455 ℃、反应时间为80 min时，煤转化率达到99.6%，油、沥青和气体收率分别为73.42%、1.64%、16.61%，氢耗为4.85%。基于液化试验结果，建立了5集总的反应动力学模型，采用优化算法获得动力学模型参数，煤转化率、沥青类物质和油气收率的模拟值和试验值的相对误差分别为0.5%、1.0%、8.0%。

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煤直接液化残渣的成焦行为及在配煤炼焦中的应用

作者(Author)：陈智辉, 吴幼青, 吴诗勇, 黄胜, 陈大波, 孙硕, 顾嘉乐

摘要：红柳林煤(HLL)经温和加氢液化(430 ℃)和炭化(410 ℃)得到的液化残渣(DCLR)与其他5种原料煤在实验室条件下配煤炼焦制备坩埚焦，有利于缓解优质炼焦煤短缺的现状，降低配煤炼焦的成本，有利于实现煤炭资源的综合利用。研究了原煤黏结指数，利用不同配比的煤样进行实验室坩埚焦的制备，分析了其焦炭成焦率、冷态强度和热态强度等性质，并提出配煤体系中加入DCLR的作用机理。结果表明：加入5%和10%的DCLR可分别替代12%和18%的优质炼焦煤，且得到的焦炭品质不变。DCLR加入量从5%增至10%时，焦炭的抗碎强度提升了1.20%，耐磨强度降低了1.04%，焦炭的热反应性提升了3%，反应后强度增加了2%；此外，DCLR的添加量不宜过高(<15%)，这是因为DCLR的高活性和高含量的惰性组分使配合煤的黏结性下降。DCLR最佳的制备条件为：液化温度430 ℃、炭化温度410 ℃、1%碱式氧化铁催化剂，此时制备的DCLR的黏结性指数为68，黏结性较强，适合作为配煤炼焦的添加剂和黏结剂。DCLR和气煤(QM)相互作用可部分替代肥煤(FM)，使中间相的流动度增加、配煤的熔融温度区间拓宽，体系中大量气体冲刷胶质层，使胶质体充分渗透到煤颗粒的孔道中，得到高强度的焦炭。焦化初期，DCLR和QM的相互作用对于焦化关键过程有一定的影响，焦炭的各向异性程度增加。

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移动式颗粒床气固分离性能冷态试验

作者(Author)：樊英杰, 刘今乾, 马琛, 郭伟, 杨伯伦, 吴志强

摘要：以热解为首要步骤的煤炭分质转化技术可在较温和的条件下实现煤炭高效利用，其中含尘热解气净化是该技术规模化应用需要解决的关键问题之一。颗粒床过滤技术具有过滤效率高、滤料成本低等优势。为考察移动式颗粒床对粉煤热解气除尘过滤的有效性，选用小麦为颗粒床冷态试验的滤料介质，硅胶粉为试验粉尘，在自行设计的冷态试验平台上考察各操作条件对颗粒层过滤除尘效率的影响规律。结果表明：过滤效率的影响因素顺序为：表观风速＞过滤层厚度＞滤料下料速度；过滤效率随表观风速的增大而减小，随过滤层厚度的增加而增大。过滤层厚度增至200 mm以上时，过滤效率变化较小；而滤料下料速度增大，过滤效率减小。粉尘粒径达10 μm后，过滤效率基本可维持在98%。在优化的过滤条件下（过滤层厚度为300 mm，滤料下料速度为0.002 m/s，过滤时间为10 min），最佳过滤效率可达98.1%。试验结果不仅实现了对常温下移动颗粒层过滤性能的预测，也为粉煤热解含尘煤气颗粒床热态除尘装置的设计提供了依据。

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