“煤基能源清洁低碳利用技术”专刊_中国煤炭行业知识服务平台

“煤基能源清洁低碳利用技术”专刊

来源：洁净煤技术

专刊共收录研究进展总结和研究成果21篇，内容包括碳一化学利用技术、煤炭清洁高效转化技术、煤制新型化学品技术、CO2捕获与利用技术、煤炭制氢技术、煤气化燃料电池技术、煤制炭材料技术、煤系废弃物资源化利用技术以及能源洁净高效利用技术等。本期客座主编为中国矿业大学（北京）王永刚教授和太原理工大学李忠教授。

行业视野: 煤化工
类别; 107个
关键词; 114位
专家; 25篇
论文; 9699IP
点击量; 8405次
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以1,2-丙二醇为循环剂的尿素醇解合成碳酸二甲酯催化反应精馏研究

作者(Author)：安华良, 曲雅琪, 刘震, 赵新强, 王延吉

摘要：以尿素和甲醇为原料合成碳酸二甲酯是煤化工产业链的重要延伸，可提高煤化工产品的附加值。采用1,2-丙二醇为循环剂改善该工艺的反应效果。首先在反应精馏装置上，对Zn-Al氧化物催化尿素和1,2-丙二醇合成碳酸丙烯酯反应及Ca-Al氧化物催化碳酸丙烯酯与甲醇酯交换合成碳酸二甲酯2个分步反应进行了考察，碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯的收率最高分别为82.4%和98.1%。在此基础上，实现了以1,2-丙二醇为循环剂的尿素醇解合成碳酸二甲酯催化反应精馏过程，考察了操作条件的影响。在尿素与甲醇进料物质的量比为17、尿素与甲醇混合液的液时空速为0.5 h-1条件下，碳酸二甲酯收率达到最高，为58.2%。

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2022年第01期

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甲醇制芳烃的工艺流程模拟及换热网络优化

作者(Author)：陈诗瑶, 申峻, 王玉高, 刘刚, 牛艳霞, 盛清涛

摘要：苯、甲苯、二甲苯作为重要的基础化工原料，目前主要来源于石油裂解，而我国富煤少油，同时煤基甲醇产能过剩，因此需积极发展煤基甲醇制芳烃（MTA）生产工艺，对石油制芳烃进行补充，同时在“双碳”背景下，加强节能减排。MTA工艺流程主要分为4部分，即甲醇芳构化单元、芳烃-非芳烃分离单元、芳烃分离单元和非芳烃分离单元。根据不同物质及操作条件对MTA各单元选取了不同物性方法，分别为PRMHV2、UNIFAC、SRK、PENG-NOB，并修正其反应动力学参数，使模拟结果与试验结果基本一致。在此基础上，利用Aspen Plus对MTA工艺进行全流程模拟，通过灵敏度分析，优化了反应器、萃取精馏塔、甲苯提纯精馏塔的操作条件，最后采用变压精馏、完全热耦合精馏方法完成节能改造，并利用Aspen Energy Analyzer对工艺流程进行换热网络优化。结果表明，优化得到的反应器最佳反应条件为470 ℃，催化剂用量为7 000 kg，萃取精馏塔的最佳萃取剂用量为10 000 kg/h，甲苯提纯精馏塔的塔板数量为59，进料位置为29，回流比为3。节能改造后，变压精馏节约能耗43%，CO2排放量降低227.3 kg/h；完全热耦合精馏节约能耗56.26%，CO2排放量降低185.5 kg/h。经换热网络优化，MTA工艺节约能耗52.82%，即36.34 MW，减少CO2排放量64.40%，即6 282 kg/h。最终主产物的模拟结果为：纯度97.89%的苯产量397.28 kg/h，纯度99.99% 的甲苯产量2 772.81 kg/h，纯度99.99%的二甲苯产量5 486.49 kg/h。利用化工流程模拟软件对MTA工艺进行操作条件优化及节能改造，为实现MTA工艺工业化提供了参考意义，同时符合我国节能减排要求。

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2022年第01期

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煤焦油中分离精制2-甲基萘技术进展及工业化现状

作者(Author)：胡发亭, 毛学锋, 李军芳, 赵鹏, 刘敏

摘要：2-甲基萘是一种重要的有机化工原料，用途广泛，随着我国精细化工行业的迅速发展，从洗油中分离精制2-甲基萘受到重视。基于洗油加工，论述了从煤焦油中分离精制2-甲基萘的技术特点，介绍了国内外生产2-甲基萘的工业化现状及工艺，并对2-甲基萘分离精制技术研究、产业化发展方向进行了展望。洗油中多种组分相互间可形成多种共沸物和共熔物，很难利用单一的分离精制工艺方法从洗油中得到高纯度2-甲基萘。目前2-甲基萘的分离精制技术是精馏法、共沸精馏法、烷基化法、酸碱洗涤法、异构化法、溶剂重结晶法、溶剂萃取法、冷冻结晶法等单一分离方法的组合。洗涤精馏结晶法成熟可靠，是工业上使用最广泛的2-甲基萘生产技术，但酸碱洗涤存在环境污染、设备腐蚀等问题。洗涤和多级精馏相结合的方法工艺流程简单、生产效率高，但产品纯度有待提高。精馏和共沸精馏相结合的方法绿色环保、成本低，产品中吲哚含量低，是未来分离精制2-甲基萘的发展方向。化学反应和精馏结晶相结合分离精制2-甲基萘的收率高，产品纯度高，但化学反应所需的特殊反应器和催化剂增加了生产成本。国内生产2-甲基萘的企业与国外相比，在产品种类和纯度、能耗、环保等方面存在差距，绿色环保和高效节能是洗油加工企业未来的发展趋势。加强新技术、新工艺的开发，提高产品收率和纯度，解决2-甲基萘分离精制中的产业化、规模化的技术问题，是提高煤化工企业经济和社会效益的有效手段。开发洗油加工中2-甲基萘的绿色分离过程工艺，提高各种分离精制方法的耦合水平，既符合化工生产过程中“节能低碳”的环保要求，也是未来洗油深加工技术的发展方向。

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2022年第01期

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MgO对NiMgAlCa复合催化剂结构及吸附强化制氢性能的影响

作者(Author)：许凯, 王世东, 荆洁颖, 刘璐, 冯杰, 李文英

摘要：CO2吸附强化甲烷水蒸气重整制氢工艺大规模应用的关键技术之一是开发一种具有高催化和吸附能力的复合催化剂。本研究采用共沉淀法制备了系列不同MgO添加量的NiMgAlCa复合催化剂，探究了MgO添加量对NiMgAlCa复合催化剂结构及CO2吸附强化甲烷水蒸气重整制氢性能的影响。研究发现：少量MgO的添加可显著提高NiMgAlCa复合催化剂的活性。在CO2吸附强化CH4/H2O重整反应过程中，MgO添加量为1 wt%的复合催化剂可获得高浓度H2（98.7%），CH4转化率达96.5%。高的制氢性能归因于MgO的添加，它赋予了NiMgAlCa复合催化剂中活性组分Ni和载体之间适当的相互作用，同时复合催化剂高的比表面积（42.5 m2·g-1）提供了更多的反应活性位点，增强了CO2的吸附能力；而小粒径的活性组分Ni（13.2 nm）提升了复合催化剂的抗烧结能力，赋予了复合催化剂优越的稳定性。

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2022年第01期

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煤基固废制泡沫陶瓷的发泡工艺研究及应用进展

作者(Author)：孟凡会, 张敬浩, 杜娟, 李忠

摘要：煤基固体废弃物主要包括采煤和选煤过程中排放的煤矸石、燃煤电厂排出的粉煤灰等，由于无法进行大规模利用并不断堆积造成了严重的环境污染。环保要求的提高使得煤基固废的处理成为煤炭行业的重中之重。泡沫陶瓷是一种具有耐高温特性的新型多孔材料，性能优异，应用范围广。利用煤基固废制泡沫陶瓷，不仅可实现煤矸石和粉煤灰的规模化利用，减少环境污染，还可降低泡沫陶瓷的生产成本。综述了煤矸石和粉煤灰制泡沫陶瓷的主要方法，包括发泡法、添加造孔剂法和有机泡沫浸渍法。不同类型的发泡剂均可在高温下反应或分解产生气体，从而在坯体中产生孔隙，重点阐述了造孔剂的造孔机理，造孔剂添加量对泡沫陶瓷孔分布、孔径大小、孔形貌以及对泡沫陶瓷性能的影响，如气孔率、抗压强度等。对比了不同制备方法的优缺点、应用范围和主要发展方向，其中发泡法可以控制产品的各向异性，但对原材料的要求相对较高，制备工艺条件不受控制；有机泡沫浸渍法可调控泡沫陶瓷的形貌和组成，但需要较长时间排塑；添加造孔剂法可获得形状复杂、气孔结构不同的产品，但造孔剂易发生团聚现象。概述了泡沫陶瓷在不同领域的应用进展，针对不同的应用领域，泡沫陶瓷的性能侧重点也不尽相同，对孔结构要求也不同。由于煤基固废组成成分复杂程度不同，在一定程度上阻碍了泡沫陶瓷的发展，指出了今后煤基固废制备泡沫陶瓷所需解决的问题，即深入研究煤基固废的物料特性和烧结活性，加强对形成过程中孔结构的理论研究，建立煤基固废制不同类型泡沫陶瓷的性能指标体系和性能标准，从而为后续泡沫陶瓷性能的研究和大规模应用提供参考。

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2022年第01期

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橡胶补强填料中煤矸石活化改性的研究进展

作者(Author)：黄伟, 杨凯, 张乾, 刘建伟, 郝泽光, 栾春晖

摘要：煤矸石是煤矿开采过程中排放的固体废弃物，其大量堆积导致了严峻的环境问题和资源浪费。炭黑是橡胶生产中最主要的补强填料，生产过程伴随严重污染。煤矸石可以用作橡胶填料来代替或部分代替炭黑/白炭黑，实现固废资源合理化利用，但煤矸石和橡胶相容性不好，需对其进行活化改性。介绍了煤矸石的存在形式、化学组成和应用现状，对目前常见的活化改性方法和改性效果等进行了评述，指出了当前煤矸石作为橡胶补强填料研究和应用中存在的问题，并对其产业化应用进行了展望。煤矸石主要由Al2O3、SiO2和C组成，用于橡胶补强填料时，其中SiO2可以增加橡胶的强度，Al2O3起增量作用，碳表面富含氧和羟基的活性位点，易与高聚物分子互相交联。主流的活化改性方法有机械改性、煅烧改性、微波改性、表面化学改性等，经过复合改性降低了煤矸石的粒度，增加了煤矸石中非晶相Al2O3、SiO2的比例，改变了其表面性质，从而提高了煤矸石填料在橡胶中的分散性和相容性。目前通过直接法和间接法检测对煤矸石填料改性效果进行综合评价，研究发现煤矸石表面化学改性对于橡胶性能的影响最为显著，选择合适的表面改性剂可以改变橡胶产品的特性。推进行业间合作研究、开发新型质优价廉的表面改性剂、优化产品检测方法，达到煤矸石橡胶填料规模化利用的目的。

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2022年第01期

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分子筛材料在煤气脱H2S中的研究进展

作者(Author)：郭燕, 项裕桥, 赵柏, 王伟, 李瑞丰, 常丽萍, 廖俊杰

摘要：焦炉煤气和高炉煤气是重要的二次能源，其中的含硫化合物不仅会造成环境污染，还会导致后续加工利用中的催化剂中毒，很大程度上限制了其后续利用，因此H2S的高效脱除是实现煤气清洁利用的必需途径。分子筛吸附脱硫技术因其具有操作简单、运行费用低、循环再生性好、使用寿命长等优点，在煤气脱硫领域具有广阔应用前景。本文对分子筛脱除H2S的相关研究和应用进行了综述，总结了脱除H2S的分子筛种类和特点，归纳了分子筛脱除H2S的机理，探讨了分子筛的改性对脱硫性能的影响，分析了煤气中的CO、CO2、H2O和O2等气体组分对H2S的竞争吸附作用，并基于分子筛脱硫机理及与其结构特性间的关联提出了分子筛吸附材料用于煤气净化的相关建议。结果表明，分子筛具有优异的择形选择性以及酸碱位、金属位可调性，被广泛应用于H2S的吸附脱除，用于脱除H2S的分子筛主要有斜发沸石、LTA型分子筛、FAU型分子筛、MFI型沸石分子筛、钛硅分子筛等；H2S在分子筛上的吸附机理与活性位密切相关，根据活性位点的不同，分子筛吸附剂可通过羟基吸附机理、碱金属解离机理、过渡金属配位机理和表面酸碱反应机理有效脱除H2S；分子筛晶体结构和表面物化性质不同，吸附H2S的机理也不相同；金属元素改性和表面酸碱位调控可有效提升其脱硫性能。煤气成分也会影响分子筛脱硫性能：H2O分子与H2S分子结构相似性，产生较强的竞争吸附；CO可与过渡金属离子，如Cu+等进行配位，从而产生竞争吸附；酸性气体CO2会与分子筛表面碱性位结合产生竞争吸附，此外还会与H2S反应生成COS；O2可引起单质硫的生成，给吸附剂再生带来困难。基于对已有研究的分析，指出今后研究中，需进一步明确吸附剂的构效关系及竞争吸附的内在机制，以及规模化气体净化中吸附H2S的动力学行为；在分子筛吸附剂应用开发过程中，需针对不同脱硫工况，匹配合适的吸附机理，使脱硫性能和再生性能达到最佳，避免或抑制煤气中其它组分对H2S的竞争吸附，同时兼顾成本是其未来发展的必由之路。

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2022年第01期

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城市固体废弃物焚烧飞灰碳酸化研究进展

作者(Author)：郑旭帆, 杜艺, 苗恩东, 熊卓, 赵永椿, 张军营

摘要：城市固体废弃物焚烧 (Municipal Solid Waste Incineration,简称MSWI) 飞灰作为一种危险废弃物，通过合理手段进行资源化处理一直是研究热点，近年来用城市固体废弃物焚烧飞灰进行碳酸化反应封存CO2受到广泛关注，系统分析了城市固体废弃物焚烧飞灰碳酸化处理研究现状。首先简述了固体废弃物焚烧飞灰成分及处理方式,其主要成分包括CaO、SiO2、Al2O3和可溶性Na、K盐以及重金属等，目前主要通过水泥固化法、熔融固化法和化学药剂处理法等方法处理。阐述了碳酸化反应机理，从飞灰组分对固碳率的影响方面对固体废弃物焚烧飞灰隔离CO2潜力进行了介绍；然后分析了固体废弃物焚烧飞灰碳酸化反应的影响因素，包括反应温度、液固比、反应气氛、CO2体积分数、反应压力、粒度、反应时间以及工艺条件等，结果表明，不同反应条件对温度和CO2体积分数要求差异较大，液固比在0.3左右为最优，反应气氛中SO2的存在会阻碍反应正向进行，反应压力不影响碳酸化平衡，但是其在整个动力学过程中起重要作用，粒度过大或过小均不利于反应，碳酸化反应速率会随反应时间增加逐渐降低，液相反应优于气固直接碳酸化反应。介绍了固体废弃物焚烧飞灰碳酸化反应过程模型，包括浸出—沉淀模型、缩核模型和表面覆盖模型，分析了碳酸化反应动力学模拟结果，结果表明水量的多少决定了相界面反应与扩散作用的相对强度。最后分析了固体废弃物焚烧飞灰碳酸化反应对重金属和可溶性盐浸出行为的影响，展望了碳酸化处理城市固体废弃物焚烧飞灰潜在应用前景与挑战，为固体废弃物焚烧飞灰碳酸化处理提供借鉴。

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2022年第01期

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