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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“煤化学及煤的加工利用”专题(《煤炭学报》)

来源:煤炭学报

专题整理于2021年5月,为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“煤化学及煤的加工利用”主题论文。

行业视野

煤化工

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  • 作者(Author): 崔瀛丹 , 钟梅 , 哈丽丹·买买提 , 杨超 , 樊星

    摘要:以中温煤沥青为原料,根据Hansen溶解度参数软件(HSPiP)的计算结果,选择无水乙醇、正戊烷、异丙醇、甲苯、四氢呋喃和N-甲基吡咯烷酮为萃取剂对沥青进行逐级索氏抽提,以解析其结构与组成。高分辨质谱分析结果表明各级萃取物中含有3 000多种化合物,分子量集中在100~400 u,CH类化合物的含量高达60%,相对含量较高的20种化合物中芳香杂环为9种,以含氧化合物为主,Nn类化合物的相对含量为4.3%~12.9%,主要是吡啶型和吡咯型氮化物;ONS类化合物的相对含量之和为10.1%~12.0%。各级萃取物的不饱和度双键当量(DBE)值主要分布在15~19,碳数为21~28。对萃余物进行XPS、红外、热重、13C NMR和晶相分析,结果表明C主要以芳碳形式存在,比例高于80%;相较于吡啶氮,吡咯氮更易被溶剂萃取,致使其相对含量随萃取级数增加而下降;S则主要以噻吩硫形式存在。13C NMR分析显示沥青及各级萃余物中表征平均芳环尺寸大小的Xb约为0.7,意味着其平均芳环数约为5;芳桥碳含量fBa超过65%,说明各级萃余物中芳碳缩合度较高。随着萃取级数的增加,各物质中弱键和侧链等基团逐渐减少,分子量增加和芳环缩合度增加,热稳定性增强,各物质的饱和链间距和芳香片层间距逐渐减小,芳香层片间的直径、堆砌高度及芳香片层数逐渐增加。
  • 作者(Author): 王培珍, 刘曼, 王高, 张代林

    摘要:为提高焦煤惰质组显微组分分类的准确性,减少对分类器训练的人工干预,提出一种基于改进极限学习机(ELM)的焦煤惰质组显微组分分类方法。首先根据焦煤惰质组各显微组分在光特性及形貌特性上存在的差异及特点,从亮度、纹理等层面分别提取其显微图像中基于灰度统计分布的亮度比、均值、方差、偏度、一致性及峰度等6个亮度相关特征量和基于灰度共生矩阵的能量、熵、惯性矩、局部平稳性及最大概率等5个纹理相关特征量,构建11维初始特征量集,并采用主成分分析法(PCA)对初始特征进行抽取以降低特征空间维数、去除信息冗余;再将奇异值分解引入到极限学习机中,推导利用奇异值分解求解ELM隐含层输出权值矩阵的方法,构建改进的极限学习机。改进后的极限学习机解决了普通的ELM训练中为了求解权值矩阵需要通过大量实验确定参数的问题,有效地提高了学习机的智能化程度。实验结果表明:与支持向量机(SVM)分类方法相比,改进后的ELM方法对分类器训练及样本测试的速度、对焦煤惰质组测试样本分类的准确率均明显提高;与单一的ELM方法相比,改进后的ELM方法分类器的网络训练更加快速便捷,网络隐含层节点数减少近40%,对测试样本分类的准确率进一步提高,可达96.7%。
  • 作者(Author): 陈旭鑫, 李子琪, 骆丁玲, 张润元, 姚志湘, 张锴

    摘要:针对艾士卡法、库仑滴定法、高温燃烧中和法和红外光谱法等现有国家标准煤中全硫含量测量方法所需化学试剂多、操作复杂和耗时较长的问题,提出了一种采用能量色散型X射线荧光光谱仪快速、无损和可靠测定煤中全硫含量的方法。该方法是一种相对分析方法,通过将未知样品与已知硫含量的样品谱图对比以进行定量分析。通过实验确定了应用该方法分析煤中硫元素的适宜制样方式、制样条件和测量条件;经过样品数据采集、谱图预处理和基体校正后,建立了相应的校准曲线。结果表明:硼酸镶边垫底压片法的制样效果良好,在12 MPa、保压40 s条件下可获得表面光滑平整、不易破裂的样片;实验所确定的硫元素测量管电压和管电流分别为13 kV和800 μA;采用真空装置可以有效控制轻基体背景散射严重及硫元素特征谱线易被空气吸收的问题;通过减小样品粒径和采用经验系数法校正相结合的办法可以降低基体效应的影响;对谱图进行平滑预处理后,有效地增强了谱图分辨率,提高了测量准确性。能量色散型X射线荧光光谱法可将煤中全硫含量的测量时间压缩至60 s;所建立的校准曲线R2为0.996 3,随机选取10个待测样品,除个别样品的测量结果略有差异外,其余均在库仑法的范围内;特低硫样品的再现性和重复性试验RSD分别为3.21%和1.57%,低中硫样品对应的RSD分别为0.56%和0.47%,中高硫样品的RSD分别为0.26%和0.22%。
  • 作者(Author): 侯鸣晓, 张晓雨, 康天合, 康健婷, 汪李龙, 郭俊庆, 李立功

    摘要:煤层注水是一种常见的降低工作面粉尘、防止瓦斯突出的方法,但无烟煤的疏水性强,煤层注水效果欠佳,电化学方法可以显著提高无烟煤表面润湿性和孔裂隙发育程度,达到强化煤层注水的目的。采用0.05 mol/L的Na2SO4电解液对山西晋城寺河煤矿无烟煤进行电化学改性实验,并对改性前后煤样的吸水性能、表面特性和孔隙特征进行测试和分析。研究结果表明:电化学改性后煤样的含水率较原煤的增幅随吸水时间呈现先增大后减小,最后逐渐趋于稳定的趋势,与无烟煤自然煤样相比,电化学改性后阳极、中间和阴极区域煤样自然吸水率分别提高了72.57%,87.14%和102.29%;电化学改性阳极区域发生氧化反应,使煤样中的芳烃和脂肪烃氧化为含氧官能基团,表面润湿性得到增强,煤-水动态接触角较改性前降低了25.96°,煤表面ζ电位为21.38 mV,中间和阴极区域均发生还原反应,使煤样中的烷基支链脱落,芳环发生裂解,氧的相对含量增加,煤-水动态接触角较改性前分别降低了20.40°和15.21°,煤表面ζ电位分别为-68.47,-80.01 mV;在电化学过程中产生的H+和电泳的作用下,无烟煤孔隙内充填的部分碳酸盐类矿物被溶蚀并发生运移,最终脱离煤体,改性后无烟煤中部分微孔产生“扩孔效应”,阳极、中间和阴极区域的平均孔径分别增大了3.77倍,3.67倍和5.02倍,增强了水的渗透性。
  • 作者(Author): 王汝艳, 马凤云, 钟梅, 刘景梅, 张晓静, 陈义涛

    摘要:深入分析了新疆哈密淖毛湖中温煤沥青(CTPZ)和陕西榆林高温煤沥青(CTPG)的元素组成、热稳定性、微晶结构、分子结构特征等,选用Flynn-Wall-Ozawa法计算其热解活化能,对其甲苯可溶物和热聚合后试样的甲苯可溶物进行了GC-MS分析。结果表明,CTPZ和CTPG的H/C分别为1.005和0.510,O/C分别为0.062和0.015;CTPZ的热解反应更加剧烈,轻组分逸出更快,热稳定性差,最终残炭率分别为16.03%和38.47%,CTPZ仅为CTPG的42%;在210~390 ℃,平均热解活化能分别为84.24和104.47 kJ/mol;芳香片层间距分别为0.404和0.356 nm,分别比石墨的芳香片层间距0.340 nm高出18.82%和4.71%,前者芳环上连有烷烃侧链和非平面结构的环烷烃更多,芳环层间有序性更差;CTPZ以正构长链烷烃为主,C20~C28相对含量超过50%,鉴于CTPZ正构烷烃的相对含量超过50%,且碳链长度在石蜡油的要求之内,故可分离制备石蜡油,而CTPG以芳烃为主,相对含量超过70%,其中,荧蒽类物质相对含量约达40%。热聚合结果表明,CTPG热聚合0.5 h,达到改质沥青一级品标准,宜做改质沥青原料,而CTPZ热聚合长达6 h,喹啉不溶物QI、结焦值CV和软化点SP等仍远离标准。经对热聚后试样进行GC-MS分析发现,CTPG中多环芳烃含量增加,表明其发生的是芳烃缩聚反应,而CTPZ中链状烷烃含量增加,表明其发生的是芳烃侧链部分的裂解反应。
  • 作者(Author): 邓锋, 解强, 杨敏建, 万超然, 刘德钱, 梁鼎成

    摘要:孔结构调控是活性炭制备研究的核心,碳烧失伴随并决定着孔结构的演化。为研究泥炭基活性炭孔结构演化过程中碳烧失特征,将贵州毕节泥炭样品破碎、粉磨,在氮气氛围进行热重分析,并采用无黏结剂压块成型,再破碎后、炭化,在不同活化温度、时间下水蒸气活化制得活性炭,测定活性炭样品的碘值、亚甲蓝值和焦糖脱色率吸附性能指标,利用气体吸附仪、拉曼光谱和扫描电子显微镜表征其孔结构、碳结构和微观形貌,研究吸附性能、孔结构、碳结构间的关系。结果表明:泥炭基活性炭的孔结构演化随活化温度的升高分为造孔(750~800 ℃)、扩孔(800~850 ℃)、孔塌陷(850~900 ℃)和炭表面烧蚀(900~950 ℃)4个阶段,分别以无序炭(D3)及散乱石墨层结构(D1)、散乱石墨层结构(D1)及平行的石墨层间的不规则层(D2)、活性位点碳(D4)、规则的石墨微晶结构(G)的烧蚀为主;随活化时间的增加分为充分发育期(60~120 min)和过度发育期(120~150 min)2个阶段,分别以无序炭(D3)和活性位点碳(D4)的烧蚀为主。炭表面烧蚀或孔结构过度发育之前有效的调孔以全程清除无序炭、部分消耗缺陷微晶炭、少量激活活性位点碳来实现。随活化程度的加深,活性炭的碳烧失由颗粒内表面为主转为由内向外、再转为由外向内,表面孔依次呈现出生成、融并和坍塌的形貌特征。
  • 作者(Author): 陈帅, 刘明君, 周伟, 赵广播, 曹庆喜, 高继慧

    摘要:H2O2氧化不仅可以用来研究煤的结构,也可将煤转化为高值化学品,是一种有前景的低阶煤利用方法。中国目前储量丰富的低阶煤资源是准东次烟煤,特对H2O2氧化准东次烟煤进行研究,为其利用提供基础数据。利用H2O2氧化解聚准东次烟煤,采用N2吸附仪和FTIR分析其物理化学特性,采用热重分析仪(TG)分析其燃烧特性,并采用GC/MS对氧化产物的组成进行分析。结果表明,随着温度的升高,转化率增大。当温度为80 ℃时,转化率达到45.67%。通过H2O2与准东次烟煤的反应,可破坏煤中的孔隙结构,降低比表面积和总孔容,引起煤颗粒收缩,使煤结构变得致密;可断裂煤中的桥键和C—O醚键,并促使芳香结构开环。氧化残煤中的灰分含量降低,N和S含量降低,挥发分含量增加,H/C和O/C原子比增加。和原煤相比,氧化残煤中脂肪侧链变长,脂肪支链减少,C=O含量增加,C—O含量和脂肪族氢含量减少。同时,氧化残煤较好地保持了原煤的燃烧特性。GC/MS检测到氧化产物中含有14种物质,包括2种链烷酸、2种苯羧酸、5种烃类、4种含氮或含硫物质和1种酯类。在所检测的物质中,(Z)-二十二碳-13-烯酰胺、二(6-甲基庚基)邻苯二甲酸酯和棕榈酸的含量最高。检测的含氮或含硫物质揭示准东煤中有机氮和有机硫的存在形式包括酰胺、磺酸和磺酰。
  • 作者(Author): 毛学锋, 李军芳, 钟金龙, 史权, 颜丙峰, 刘敏

    摘要:以内蒙褐煤提质装置生产的中低温煤焦油为原料,研究建立了中低温煤焦油自身结构-组成-性质的分子水平表征方法,从宏观水平描述了中低温煤焦油的物理化学性质,在分子层次上详细研究了中低温煤焦油及其不同馏程、不同性质亚组分的化学组成。首先将中低温煤焦油全馏分进行实沸点蒸馏分离为16个窄馏分并进行性质分析,其次对>180 ℃重质馏分通过酸碱萃取分离出酸性组分、碱性组分和中性组分,并且中性组分在萃取色谱装置上分离获取6个特征亚组分;利用GC/MS分析了其全馏分、窄馏分及各亚组分的分子结构特征。结果表明,该煤焦油全馏分的水含量为28%,20 ℃时密度1 003.7 kg/m3,氧含量为7.4%,<180 ℃馏分含量为14.24%,<360 ℃馏分含量为63.4%,属一种典型的中低温煤焦油。中低温煤焦油的<180 ℃轻质馏分的分子组成以苯、甲苯和二甲苯为主,含有部分小分子烷烃和烯烃。在>180 ℃重质馏分中,其酸性组分占27.6%,碱性组分占2.46%,中性组分占69.94%。中性组分中饱和分为33.60%,芳香分为38.70%,胶质占为25.10%,沥青质为2.60%。且中间馏分和重质馏分中含有大量酚类化合物,其分子结构类型以芳烃为主,同时存在长链正构烷烃。中低温煤焦油中含有大量含氧化合物,主要是酚类化合物,以烷基苯酚类为主,在160~280 ℃相对丰度较高,少部分以酮类化合物存在。

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