褐煤水脱水提质制备高浓度水煤浆的基础研究

摘要

水煤浆是一种清洁的代油燃料，也是水煤浆气化技术的原料。褐煤等低阶煤储量丰富，价格低廉，且反应活性较高，是一种理想的气化原料。利用褐煤制备水煤浆，可以降低原料成本，拓宽褐煤的应用范围，推动煤炭资源的清洁高效利用。
　　 褐煤含水量较高，热值较低，在应用之前需要进行干燥提质。水热脱水提质是一种“非蒸发”的干燥方式，能够对褐煤进行深度的脱水改性，使得褐煤在干燥之后的重吸水能力大幅度降低，热值大幅度的升高。
　　 本文主要对褐煤进行水热脱水提质，围绕褐煤水煤浆的性质以及褐煤水分的脱除规律，进行了以下工作:
　　 采用多种褐煤制备水煤浆，对褐煤水煤浆的成浆浓度、流变特性和稳定性进行深入研究分析，并与常规的烟煤水煤浆进行对比，得到褐煤水煤浆成浆浓度低的最主要原因是褐煤的煤阶较低，表面亲水性的含氧官能团含量较多，束缚水含量较大。
　　 采用密闭的高压反应釜对褐煤进行水热脱水提质，对水热提质过程中的固、液、气三相产物特性进行分析研究，发现随着水热温度的升高，褐煤的平衡水含量显著降低，热值大幅度的提高，煤阶明显升高。在液体产物中，含有大量的有机物和无机矿物质，且随着水热提质温度的升高，总有机碳的含量大幅度升高。在气体产物中，主要的成分是CO2，同时还有一定浓度的CO、CH4、O2、H2S、H2、N2等产物，其中CO、CH4在反应温度超过240℃后才有生成。
　　 对水热提质前后褐煤的理化性质进行分析，可以发现影响褐煤水煤浆性质的几大因素均得到了改善:经过水热提质之后，褐煤中羧基、羰基和酚羟基的含量明显降低，从而使褐煤的亲水性减弱，表现为煤-水接触角的增大，以及zeta电位的降低，等电点的升高。另一方面，褐煤的孔隙结构也得到了改善，与原煤相比，水热提质固体产物的比表面积、比孔容积以及平均孔径均有不同程度的降低。两方面综合作用，使得褐煤的固水能力大幅度弱化。
　　 将水热提质之后的煤样制备水煤浆，其定粘浓度大幅度升高，其中经过320℃水热提质，褐煤水煤浆的定粘浓度提高约9～14％，同时流变特性和稳定性也得到了进一步的改善;将水热提质的液体产物与固体产物混合制浆，能够使褐煤水煤浆的定粘浓度再度提高约1％，同时回收液体中可燃性物质的能量。
　　 采用热重-差示扫描量热分析研究了水热提质对褐煤水分的赋存形式的影响，发现根据煤水结合能(Eb)的大小可以将褐煤的平衡水分为四个部分:自由水(Eb=0)、物理束缚水（0＜Eb＜2000kJ/kg）、过渡束缚水（2000kJ/kg＜Eb＜9000kJ/kg）和化学束缚水(Eb＞9000kJ/kg)。经过水热提质之后，褐煤与水分之间的结合能降低，自由水与物理吸附水所占的比例增大，化学吸附水的比例降低。根据薄层干燥理论对褐煤脱水活化能进行分析，发现普通褐煤在等温干燥过程中的干燥活化能范围约为21～27kJ/mol。经过水热提质后的褐煤，其平衡水的干燥活化能显著降低，褐煤的固水能力明显减弱。
　　 采用量子化学密度泛函数理论对褐煤水热提质的过程进行优化计算，发现褐煤较长的侧链具有较强的反应活性，在水热提质过程中首先发生化学反应并断裂，使得褐煤的侧链缩短，缩合程度增加。通过计算羧基、羟基、甲基等基团对水分子吸附能的影响，发现褐煤含氧基团对水分子的吸附能约在10 kJ/mol左右，且对褐煤亲水性的影响大小:羧基＞羟基＞甲基;对褐煤水热脱水提质过程中的脱羧和脱羰反应进行热力学和动力学分析，发现在水热提质条件下，脱羧反应的活化能小于脱羰的，羧基在较低的温度下即可脱除，而脱羰反应在较低温度下的热力学可行性较低。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 我国能源利用现状

1．1．2 水煤浆技术的应用

1．1．3 褐煤开发利用及脱水提质的必要性

1．2 褐煤脱水提质技术

1．2．1 热空气干燥技术

1．2．2 蒸汽干燥技术

1．2．3 微波干燥技术

1．2．4 太阳能干燥技术

1．2．5 水热处理脱水(HTD)

1．2．6 机械热压脱水(MTE)

1．2．7 有机溶剂脱水(DME)

1．2．8 其他脱水方式

1．3 量子化学在煤结构计算中的应用

1．3．1 量子化学计算的基本原理与方法

1．3．2 密度泛函数理论

1．3．3 量子化学计算在煤大分子结构中的应用

1．4 本文研究的主要内容

第二章 褐煤水煤浆的特性及影响因素

2．1 引言

2．2 实验仪器、样品和测试方法

2．2．1 样品制备

2．2．2 实验仪器和测试方法

2．3 褐煤水煤浆的成浆特性

2．3．1 煤样的煤质分析

2．3．2 褐煤水煤浆的粘-浓特性

2．3．3 添加剂对成浆特性的影响

2．4 影响褐煤水煤浆成浆特性的主要因素

2．4．1 煤阶对成浆特性的影响

2．4．2 褐煤含水量对成浆特性的影响

2．4．3 含氧官能团对成浆特性的影响

2．5 褐煤水煤浆的流变特性

2．6 褐煤水煤浆的稳定性

2．7 小结

第三章 褐煤水热脱水提质实验及产物的理化特性

3．1 水热实验系统与实验方法

3．1．1 水热实验系统与实验流程

3．1．2 水热产物成分的测试仪器与分析方法

3．1．3 褐煤微观表面特性的测定方法

3．2 水热脱水提质固、液、气三相产物特性

3．2．1 水热脱水提质的温度与压力条件

3．2．2 水热脱水提质固体产物特性

3．2．3 水热脱水提质液体产物特性

3．2．4 水热脱水提质气体产物特性

3．3 水热脱水提质对褐煤理化特性的影响

3．3．1 含氧官能团的量变规律

3．3．2 含氧官能团的XPS谱图分析

3．3．3 孔隙结构的变化规律

3．3．4 表面润湿性的变化规律

3．3．5 zeta电位的变化规律

3．4 小结

第四章 水热脱水提质促进褐煤成浆性及其微观机理

4．1 水热脱水提质温度对褐煤水煤浆特性的影响规律

4．1．1 水热提质温度对褐煤水煤浆定粘浓度的影响

4．1．2 水热提质温度对褐煤水煤浆定粘浓度的影响

4．1．3 水热提质温度对褐煤水煤浆稳定性的影响

4．2 褐煤理化特性变化对水煤浆定粘浓度的影响

4．2．1 煤阶与含水量对定粘浓度的影响

4．2．2 含氧官能团与表面润湿性对定粘浓度的影响

4．2．3 影响褐煤水煤浆定粘浓度的关键因素

4．3 水热反应固、液产物混合制浆特性研究

4．3．1 废液水煤浆的定粘浓度

4．3．2 废液水煤浆的流变特性

4．3．3 废液水煤浆的稳定性

4．4 小结

第五章 水热脱水提质对褐煤水分赋存形态的影响规律

5．1 褐煤水分的赋存形式

5．2 热重实验仪器和实验方法

5．3 褐煤等温脱水过程特性

5．4 基于结合能划分的褐煤水分分布

5．4．1 基于煤-水结合能的褐煤自由水与束缚水划分方式

5．4．2 水热提质对褐煤束缚水与自由水含量的影响

5．4．3 褐煤束缚水的等温干燥机理方程

5．4．4 以煤-水结合能划分褐煤水分赋存形态

5．5 小结

第六章 水热脱水提质褐煤的薄层干燥动力学分析

6．1 薄层干燥动力学简述

6．1．1 有效水分扩散系数

6．1．2 薄层干燥活化能

6．2 褐煤薄层干燥动力学分析

6．2．1 褐煤薄层干燥的有效扩散系数

6．2．2 褐煤薄层干燥活化能

6．3 水热脱水提质对褐煤干燥动力学参数的影响

6．3．1 水热提质温度对褐煤干燥有效扩散系数的影响

6．3．2 水热提质温度对褐煤干燥活化能的影响

6．4 小结

第七章 褐煤含氧官能团热稳定性与亲水性的量子化学计算

7．1 量子化学计算软件与计算方法

7．1．1 计算软件介绍

7．1．2 密度泛函数计算方法

7．1．3 计算基组的选择

7．1．4 计算方法可靠性验证

7．2 褐煤结构模型优化与裂解能计算

7．2．1 褐煤大分子结构模型选择与裂解能计算方法

7．2．2 褐煤结构单元裂解能计算结果分析

7．3 含氧官能团对水分子吸附能力的量子化学计算

7．3．1 吸附模型选择与计算方法简述

7．3．2 三芳香环结构模型对水分子的吸附性能

7．3．3 四芳香环结构模型对水分子的吸附性能

7．4 小结

第八章 水热反应条件下褐煤含氧官能团脱除热动力学研究

8．1 计算方法简介

8．1．1 过渡态理论与过渡态确定方法

8．1．2 计算模型与温度、压力条件

8．2 单缩合环模型苯甲酸和苯甲醛的水热脱氧过程

8．2．1 苯甲酸与苯甲醛的重叠布居数分析

8．2．2 苯甲酸与苯甲醛的脱氧反应路径

8．2．3 脱氧路径中各物质的结构参数

8．2．4 苯甲酸与苯甲醛脱氧过程的热力学分析

8．2．5 苯甲酸与苯甲醛脱氧过程的动力学分析

8．3 三缩合环模型9-菲甲酸和9-菲甲醛的水热脱氧过程

8．3．1 9-菲甲酸和9-菲甲醛的重叠布居数分析

8．3．2 9-菲甲酸和9-菲甲醛的脱氧反应路径

8．3．3 三缩合环模型脱氧路径中各物质的结构参数

8．3．4 9-菲甲酸和9-菲甲醛脱氧过程的热力学分析

8．3．5 9-菲甲酸与9-菲甲醛脱氧过程的动力学分析

8．4 小结

第九章 全文总结和展望

9．1 总结

9．1．1 主要结论

9．1．2 创新点

9．2 工作展望

参考文献

作者简历