神府东胜煤成浆性及煤焦浆制备研究

摘要

水煤浆气化是煤炭清洁转化的一个重要途径。针对神府东胜低变质煤定黏浓度低、分散剂选择存在的盲目性及兰炭末的利用等问题，以神府东胜煤及其兰炭为研究对象分别制备水煤浆及水焦浆，系统地探讨煤质因素对水煤浆成浆性的影响规律。通过。Materials Studio软件模拟水煤浆体系研究煤/水/分散剂之间的相互作用机制，采用偏最小二乘法建立分散剂和煤成浆性的适配性预测模型，并利用兰炭末配煤制备煤焦浆，探讨影响煤焦浆成浆性的因素。本论文对水煤浆制备中分散剂的选择和煤焦浆的制备提供一定的指导和理论基础。
　　针对煤质因素对成浆性影响的复杂性，采用单因素分析及Spearman相关性分析方法探讨了煤质特性、煤岩组分、灰中氧化物及官能团结构对煤炭成浆性的影响。结果表明，随着煤中水分、挥发分、固定碳及O/C值的升高，在实验条件下，水煤浆黏度为1000mPa·s时的定黏浓度(ω1000)整体呈现降低趋势。随着煤颗粒比表面积和孔容的增大，水煤浆的ω1000降低。惰质组、壳质组与成浆性呈现负相关性，而镜质组与粘土类矿物则呈正相关，相关性系数绝对值大小为惰质组＞粘土类＞镜质组＝壳质组。当灰分含量为5.47%～22.48%时，水煤浆的ω1000随着灰分含量的升高而升高，灰中氧化物CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3与ω1000呈正相关，而SO3则呈负相关，相关性系数绝对值大小为SiO2＞Fe2O3＞Al2O3＞CaO＞SO3。随着煤中C＝O/C-O值的增加，水煤浆的ω1000降低，说明-C＝O对水煤浆的ω1000影响较大。
　　分别采用耗散粒子动力学(DPD)和分子动力学(MD)研究水煤浆体系的微观形态及煤/水/分散剂之间的相互作用。结果表明，当分散剂含量为1%，随着水煤浆浓度逐渐升高到56%时，水煤浆体系由随机的球状分散结构逐渐转变为层状结构；此外，随着分散剂浓度的升高，分散剂在煤颗粒表面的吸附密度逐渐增加，并且主要为单层吸附。随着模拟水煤浆体系中煤与水摩尔比的增加(即水煤浆浓度增加)，水分子的扩散系数从4×10-7m2·S-1降低至2×10-7m2·S-1，水分子之间存在明显的氢键并且强度升高，其中主要为水分子中的-OH和-H产生，说明水煤浆体系中水分子间的氢键作用影响了水分子的扩散系数，从而导致水煤浆体系的黏度增加。煤大分子与SAF(脂肪族类分散剂)分子间的相互作用比煤大分子与水分子间的相互作用强，其中煤分子中的羟基与分散剂中的羟基相互作用最强，主要以煤中羟基氧与分散剂中羟基氢的氢键作用为主。
　　基于变量投影重要性分析法，针对不同分散剂，采用偏最小二乘法建立ω1000预测模型。在ω1000预测模型基础上，建立了水煤浆分散剂类型筛选预测方法。结果表明，影响煤成浆性的主要煤质因素为水分、挥发分和O/C值；针对4种不同类型的分散剂以水分、挥发分和O/C值为参数，所建立ω1000预测模型的预测值与实验值拟合的R2均大于0.84，说明模型比较精确。ω1000预测值最高的分散剂与煤成浆性的适配性最好。
　　基于分散剂的官能团特性及分布，采用PeakFit软件对分散剂的衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)结果进行分峰拟合。以亲水基团(-OH、-SO3-、-C-O、-C=O)和疏水基团(-CH2、-CH3、-C=C)的分布特性为参数，结合偏最小二乘法建立了分散剂官能团与煤成浆性的匹配度(MD)预测模型，当MD＞1，并且MD值越大时，说明该分散剂与煤成浆性的适配性越好，当MD＜1时，说明该分散剂对煤的成浆性起反作用。
　　将兰炭末配煤制备煤焦浆时，随着半焦含量α的增加，煤焦浆的稳定性和流动性逐渐变差，兰炭末的含量以α＜40%为宜。通过兰炭末配煤制备煤焦浆可改善水煤浆定黏浓度低、水焦浆稳定性和流动性差的缺点。为改善兰炭末成浆中存在的问题，采用低温热改质方法在实验室中制备ZJM半焦，探讨了不同热处理温度、时间对ZJM半焦表面性质及其成浆性的影响。结果表明，ZJM半焦表面含氧官能团减少，半焦颗粒表面疏水性增强，同时比表面积和总孔容也相应降低。经过350℃热处理后，ZJM水焦浆的定浓黏度从826mPa·S降低至405mPa·S。浆体的流动性均较好，同时还可得到近3%的煤焦油。析水率在400℃时最高，并且随着热处理时间的增长，析水率越高。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究思路、内容和技术路线

2 实验设计与研究方法

2.1 原料及试剂

2.2实验方法及仪器

3 神府东胜煤成浆性影响因素研究

3.1 水煤浆的成浆性研究

3.2 煤质特性对成浆性的影响研究

3.3 煤岩组分对成浆性的影响

3.4 灰中氧化物对成浆性的影响

3.5 孔结构特征对成浆性的影响

3.6 煤的官能团结构对成浆性的影响

3.7本章小结

4 水煤浆体系的耗散粒子动力学和分子动力学研究

4.1 模拟方法

4.2 模拟说明

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

5 分散剂种类与煤炭成浆性的适配规律研究

5.1 不同分散剂制备水煤浆的成浆性研究

5.2 分散剂种类对煤炭成浆性的影响规律研究

5.3本章小结

6 兰炭末对煤焦浆成浆性的影响研究

6.1 兰炭末性质的表征

6.2兰炭末的成浆性影响研究

6.3 煤焦浆的成浆性

6.4 煤焦浆定黏浓度预测方法研究

6.5 热改质对成浆性的影响

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果