“碳中和愿景下煤和生物质协同热化学转化”专刊

来源：燃料化学学报

力争 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和的目标，是党中央深思熟虑的重大战略决策，实现“双碳”目标的技术创新也成为当前的研究热点。煤是中国最主要的化石能源，生物质是唯一可再生的含碳能源，煤和生物质协同热化学转化 ( 热解、气化、燃烧等 ) 是实现化石能源和非化石能源耦合高效利用的重要技术手段，对于实现“双碳”目标具有重要现实意义。目前，国内外研究人员围绕煤和生物质协同热化学转化展开了大量研究，并取得了积极研究进展。研究成果丰富并发展了含碳物质协同能源化利用的理论体系，为推动相关技术的工业应用提供了重要支撑。

为了促进煤和生物质协同热化学转化相关的前沿研究、跨学科和原创研究的成果交流，在《燃料化学学报》编辑部的大力支持下，组织了“碳中和愿景下煤和生物质协同热化学转化”专刊。本专刊从 2021 年 7 月开始征稿，历时 8 个多月完成了论文的征稿和审稿，得到了西安交通大学、厦门大学、华东理工大学、中国矿业大学、太原理工大学、中国科学院山西煤炭化学研究所、华北电力大学、新疆大学、沈阳化工大学、菏泽学院等专家同仁的大力支持。共计收录了 13 篇论文，包括综述论文 2 篇、研究性论文 11 篇，涵盖了煤、生物质及其混合物 ( 共 ) 热解 / 气化反应机理、污染物排放及控制、矿物质迁移转化等方面的研究成果。

行业视野: 煤化工
类别; 58个
关键词; 71位
专家; 13篇
论文; 2258IP
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氧化锌催化木质素选择性解聚制备对香豆酸甲酯

作者(Author)：黄哲超, 吴远昊, 吕凯奇, 饶一楠, 龙金星

摘要：木质素是自然界中含量最丰富的芳香族可再生碳资源，具有极高的利用价值。针对当前木质素解聚技术存在反应条件苛刻、产物选择性低等难题，构建了一种廉价的金属氧化物催化剂体系，研究了草本木质素选择性解聚制备对香豆酸甲酯的性能。考察了不同金属氧化物、反应温度、反应时间以及溶剂等因素对于对香豆酸酯收率和选择性的影响。研究结果表明，金属氧化物ZnO对于草本木质素选择性解聚制备对香豆酸甲酯的过程具有最佳的催化活性。在优化的反应条件下，可获得9.8%的对香豆酸甲酯收率和61.6%的选择性；通过对木质素解聚产物的分析并结合反应前后木质素的傅里叶红外光谱（FT-IR）和二维核磁（2D HSQC NMR）表征结果发现，木质素分子中H结构单元的选择性断裂是其催化解聚过程中对香豆酸甲酯收率和选择性高的主要原因。

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离子液体催化热解纤维素制备左旋葡萄糖酮的研究

作者(Author)：徐安邦, 黄鑫, 冉景煜, 唐广川, 杨仲卿, 秦昌雷, 曹景沛

摘要：纤维素是世界上含量最丰富的可再生有机碳资源之一，左旋葡萄糖酮（LGO）是来源于纤维素热解的一种高附加值平台化合物。本研究考察了离子液体烷基侧链长度对纤维素催化热解制备LGO的影响规律。实验结果表明，最短侧链的1-丁基-2,3-二甲基三氟甲烷磺酸咪唑离子液体对LGO表现了最好的催化效果，其原因是侧链长度减少导致离子液体阴阳离子间相互作用减弱，使离子液体扩散增强。在300℃热解时LGO产率达到15.6%-C，离子液体的回收率为95.9%，其重复利用三次后LGO的产率只有轻微下降。通过密度泛函理论得到了LGO的最佳生成路径，其最低反应活化能为176.2 kJ/mol。此外，本方法也可同时获得多孔性的焦炭，其最高比表面积和孔容分别为389.4 m~2/g和0.689 cm~3/g。

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气体加压烘焙对玉米秸秆提质及热解特性的影响

作者(Author)：高攀, 赵泽衡, 刘禹彤, 郭得忠, 杨少霞

摘要：在不同温度及压力下对玉米秸秆进行了烘焙，通过元素分析、FT-IR、TGA以及固定床热解等方式分析了烘焙产物的理化特性与热解特性，研究了气体加压烘焙对生物质燃料特性及热转化行为的影响，结果表明，烘焙样品的脱氧效率及能量密度均随烘焙温度的升高而增加；在相同质量收率时，加压烘焙所需温度比常压烘焙低约40℃，且能量收率、碳收率、脱氧效率以及烘焙产物的能量密度分别为常压烘焙的1.125、1.142、1.539和1.131倍；加压烘焙样品比常压烘焙表现出更好的疏水性，且更易于脱水；当烘焙温度为250℃时，加压烘焙样品热解气相产物中CH4和H2含量分别为常压烘焙的2.135和1.439倍；加压烘焙样品热解液相产物中酚类相对含量增加，最高可达51.11%，而呋喃类和酸类物质含量则明显下降。相较于常压烘焙，加压烘焙在相同温度下对生物质具有更好的提质效果。

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不同植物纤维的热解和燃烧特性研究

作者(Author)：郑泉兴, 刘秀彩, 吴添文, 陈辉, 黄朝章, 许寒春, 蓝洪桥, 马鹏飞, 于德德, 谢卫, 伊晓东

摘要：本研究采用不等温热重法研究六种纤维（针叶、阔叶、竹、亚麻、草和棉）在N2和空气气氛下的热解和燃烧特性，并采用Friedman法对其进行动力学分析。结果表明，纤维不同的热解和燃烧特性参数与其自身结构组成有关。纤维在热解和燃烧过程中，其挥发分析出温度Ts、终止温度Th、DTG峰温Tmax、固定碳燃烧峰温、最大质量损失速率、热解指数P和燃烧指数S均随着升温速率的增加而增加；在N2气氛下，亚麻纤维Tmax最大，竹纤维Tmax最小，棉纤维的Ts最大，草纤维的最大热解质量损失速率-（dm/dt）max、热解指数P和燃烧指数S均最小；在转化率为0.05-0.85条件下，阔叶纤维平均表观活化能最小（173.3 kJ/mol），竹纤的最大（201.10 kJ/mol）。在空气气氛下，所有纤维的热解过程的Tmax均低于N2条件下，在转化率为0.05-0.65时，纤维在空气中热解的表观活化能Eα低于其在N2条件下的表观活化能。

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染布厂污泥对高灰熔融温度（AFT）煤灰熔融行为的改性及其机理（英文）

作者(Author)：赵超越, 李风海, 马名杰, 李洋, 赵薇, 张许静, 房倚天

摘要：为解决煤气流床（EFB）气化过程中的结渣问题，在还原气氛下研究了染布厂污泥（TDS）对高灰熔融温度（AFT）煤的熔融特性的影响。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和FactSage计算研究其变化机理。结果表明，当TDS含量添加20%-25%时，流动温度降至1380℃以下，满足EFB气化的液态排渣要求。随着TDS含量的增加，低熔点矿物（如铁尖晶石、钙长石和钠长石）的形成导致AFT降低。网络结构的桥氧键被金属离子(如Fe2+、Ca2+、Na+)破坏，大量的非桥氧（NBO）键生成，导致硅酸盐网络结构疏松，AFT降低。Si-O-Si键和Si-O-Al键的峰值强度逐渐降低，Fe-O键和Si-O-M(M:Ca2+或Na+)键的振动增强被FT-IR证实了NBO的形成。FactSage计算的结果与实验中灰熔融行为具有一致性。

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基于煤气化细渣构建碳基氧还原催化剂及其催化性能研究

作者(Author)：王思敏, 龚岩, 李恒, 赵丽丽, 郭庆华, 于广锁

摘要：气化细渣是煤气化过程产生的一种含碳量较高的固体废弃物。经炭灰分离得到的高炭是制备炭材料的潜在碳源。本研究以气化细渣浮选-酸洗后的高炭为前驱体，通过高温活化制备了氮掺杂碳基催化剂，结合拉曼光谱、XPS和SEM等表征，探究了活化剂比例和氮源对催化剂理化特性的影响，揭示了两者与催化剂氧还原性能的内在关联，验证了气化细渣作为原料制备碳基氧还原催化剂的可行性。结果表明，随着活化剂KOH比例的增加，碳基催化剂的氧还原催化性能先增加后减小，当高炭和KOH质量比为1∶4时其催化性能最优。此外，相较于氯化铵，以三聚氰胺作为氮源具有更强的氮掺杂效应，使得CKN6-143催化剂的起始电位可达0.87 V（vs. RHE），极限扩散电流密度为4.95 mA/cm~2，平均电子转移数为3.82，表现出良好的电催化性能，为气化细渣的高值化利用奠定了基础。

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煤热解挥发物对炼焦煤塑性体渗透性的调控研究

作者(Author)：郭江, 王美君, 申岩峰, 孔娇, 常丽萍, 鲍卫仁, 谢克昌

摘要：本研究以低挥发分烟煤C1和高挥发分烟煤C2为研究对象（以下煤样简称为C1和C2），引入褐煤L1和C2在两个温度下热解脱除部分挥发物的半焦作为对照，设计单种煤、混合煤/半焦和分层渗透性实验，结合热重和基式流动度分析，揭示了炼焦煤塑性体渗透性受挥发物释放行为的影响。研究结果表明，低挥发分烟煤C1存在塑性体低渗透性平台期，高挥发分烟煤C2塑性体的渗透性达到最低值后迅速改善，挥发物传质驱动力和阻力的差异导致了两种煤塑性体渗透性的差异；C2会增强挥发物的传质驱动力且热解后半焦颗粒成为塑性体惰性组分，同时也提供部分可转移氢，既改善塑性体渗透性又不破坏其稳定性；软化温度前C2释放的富氢挥发物促进C1塑性体低渗透性的形成并达到最大值；热塑性温区内C2释放的挥发物帮助维持C1塑性体的低渗透性平台期；延长C2挥发物反应消耗部分富氢挥发物，有利于改善C1塑性体的渗透性。

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基于MFBRA和XPS的山西高硫无烟煤热解脱硫动态释放和相互转化规律的实验研究

作者(Author)：鲁鹏, 付亮亮, 徐铮, 白浩隆, 李亚芾, 白丁荣, 许光文

摘要：利用微型流化床反应分析仪（MFBRA），开展了两种山西高硫无烟煤的热解脱硫实验。通过对含硫气体动态释放的在线快速检测、结合原料煤和热解半焦的形态硫以及含硫组分的X射线光电子能谱（XPS）分析，研究了含硫气体释放特征及相应半焦含硫组分在热解过程中的变化，重点探讨了高硫无烟煤在氢气气氛下各含硫组分的动态释放和相互转化过程及规律。研究结果表明，高硫无烟煤有机硫含量越高，在氢气气氛下的脱硫效率越高；两种高硫无烟煤在氢气气氛下热解硫释放均呈现两个阶段，对应热解脱硫峰值温度分别为530-560℃和812-830℃。第一阶段由黄铁矿的还原反应引起，第二阶段以有机硫裂解为主；在低温热解条件下高硫无烟煤中无机硫会向有机硫转变，而在较高温度下发生不同形态有机硫之间的迁移。本研究结果将为高硫无烟煤制备低硫煤的技术开发提供方法指导和基础数据。

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