低品质煤大规模提质利用的基础研究

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低品质煤大规模提质利用的基础研究首席科学家：刘炯天中国矿业大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：江苏省科技厅一、关键科学问题及研究内容1．关键科学问题针对上述领域涉及的重要科学基础，本项目以低品质煤大规模提质利用为核心，凝炼出拟解决的三个关键科学问题。关键科学问题一：低品质煤中矿物、硫、水等杂质的赋存及化学与物理作用低品质煤提质的科学基础是对杂质赋存及化学和物理作用的认知。有别于传统的基于有机质展开的煤化学研究，煤的杂质赋存化学主要研究杂质的化学组成、结构及其与煤有机质分子间的相互作用，而赋存物理主要研究杂质的形态、形貌及嵌布方式等。煤中的粗粒矿物可通过一般选煤方法脱除，但煤炭深度脱硫降灰是针对煤中微细矿物展开的。煤中微细矿物一般是指肉眼难以分辨的、嵌布在有机质中通过常规选煤方法不能脱除的矿物，如浸染黄铁矿、原生黏土矿物等，微细矿物难于脱除的原因在于其被煤包裹并与煤本体形成复杂的结构关系。因此，需要深入研究微细矿物种类、组成、在有机质中的嵌布形态和分布规律及其对脱除的影响。有机硫存在于煤有机分子结构中，由于煤有机结构的复杂性，目前对煤中有机硫的研究主要关注含硫官能团的辨识以及在利用过程中硫的化学变迁。煤中有机硫定向脱除的关键是深入认识各种含硫组分及含硫化学结构与基团在煤有机质中的赋存规律，阐明煤有机结构与相应含硫基团和结构间的作用类型与作用规律，解析典型有机含硫组分的化学结构、硫键和相关结构对不同形式的外加能量的化学物理响应规律，从而找到有机硫的脱除机理和方法。煤炭高含水的原因在于其含有大量的含氧官能团和发达的孔结构。含氧官能团的组成、结构、存在形态和分布规律对煤持水特性有重要影响；褐煤孔隙中水的富集和作用机制与有机质的内表面吸附性及毛细管作用有关，各种含氧官能团和孔隙结构相互交织形成的多维空间体系使水的赋存更加复杂，不同赋存形态的水与本体间的作用力形式和大小不同。对这些问题的深入认知是煤脱水提质的关键基础。关键科学问题二：杂质组分脱除的能量作用机制和界面调控煤中杂质组分脱除的本质是外界输入能量克服杂质组分与煤本体之间结合能的过程，不同的杂质组分具有不同的结合能。煤脱水的理论基础应当是对煤中羧基和羟基等含氧官能团造成强持水性的原因、发达孔结构中水的表面吸附和毛细管作用机制的充分认知，并系统研究不同赋存形式水脱除所对应的本征能量和不同环境条件下脱水过程的热力学特征，从而为构建煤低能耗脱水的技术原型提供科学理论支持。煤微波辐照下脱硫是基于微波的穿透性和微观靶向能量作用。对煤及其含硫组分的微观化学结构、介电性质及其差异性和表征方法的研究是煤微波脱硫的基础；研究微波频率、功率和耦合谐振方式等条件与硫组分解离效应的匹配，可为微波辐照下煤中硫组分的降解脱除提供科学理论和方法指导。分离过程涉及不同尺度的相界面，相界面能的有效调控是低品质煤高效提质的基础。煤脱水后界面能的改变是引起提质煤界面不稳定性的重要因素，因此需要研究煤在不同能量场作用下表面含氧官能团的脱除机制，揭示导致界面不稳定的不饱和力场和价键形式，从而为有效降低提质煤的界面能，解决提质煤贮存和运输过程中稳定性问题提供理论基础。微细粒煤的浮选是低品质煤的深度脱硫降矿物灰的重要方法，（煤）－水界面能的调控是影响浮选行为与效果的关键因素，因此，应当系统研究煤与矿物的润湿性差异、煤－水－药剂的界面作用及其调控机制，以便为提高微细粒煤矿化效果、强化浮选过程提供科学基础。关键科学问题三：低品质煤大规模提质利用的流态化基础与过程动力学传统的流态化基础与过程动力学在动力工程和化学工程等领域研究较多，主要集中在气固或多相流态化的流型及与之关联的物性和结构参数方面，对形成稳定的气固两相流为分离介质的分选流态化研究很少，具有宽尺度多组分特性的煤炭在流态化中的精确分离是研究的热点和难点。因此，应该研究宽尺度气固流态化系统稳定的动力学基础及分离过程，特别是煤炭提质的宽尺度多相流动规律及相间的相互作用机理，颗粒表面化学动力学与颗粒动力学，煤炭分离提质的流态化和能量高效传递。低品质煤炭深度脱硫降灰的核心在于煤中微细矿物的高效脱除，难点是煤与矿物分离过程的非均衡性以及微细矿物的微尺度效应。因此，应该研究煤中微细矿物在分选过程中的界面行为与矿化特性，不同流态条件下微细矿物的能量作用机制、矿化反应规律及高效矿化机理，特别是与矿物的非线性物性匹配的多流态梯级强化非均衡过程动力学，基于非均衡过程的分选动力学等。低品质煤提质前后杂质赋存和物理化学特性发生了显著变化。因此，应该研究提质煤孔隙结构、含氧官能团、矿物成分、表面性质变化对其高效燃烧反应特性的影响机理，灰熔融特性变化及调控规律，杂质元素在燃烧等过程中的迁移及控制规律。2．主要研究内容本项目研究以低品质煤的杂质赋存化学与物理为基础，以低品质煤提质的物质认知基础—能量作用机制和界面调控—过程强化—提质利用为研究主线，以大规模提质为目的，围绕项目的关键科学问题，重点开展以下方面的研究：低品质煤的矿物、硫、水等杂质赋存化学与物理低品质煤中微细矿物组成、赋存及其分配迁移模型低品质煤的有机含硫结构及其典型赋存特性③褐煤含水结构及水的赋存化学与物理煤炭脱水提质的量子/分子力学分析与能量机制煤炭脱水本征能量的量子/分子力学研究煤炭脱水分子机制及技术原型③提质煤的界面稳定性及其调控煤中含硫组分对微波的化学物理响应与脱除煤及其含硫组分的非均质介电特性含硫组分结构对微波的断键响应及硫降解规律③微波脱硫动力学及调控低品质煤干法脱灰脱水的流态化基础大型浓相分选流态化的稳定机制煤炭干法脱灰脱水的分离过程及其动力学③流态化的界面动力学及相间热质传递煤炭深度脱硫降灰的非均衡过程及其动力学微细矿物分离的尺度效应多流态梯级强化的非均衡分离过程③煤炭深度脱硫降灰的界面调控及分选动力学提质煤的高效燃烧气化机理及污染控制提质煤非均相高温高压燃烧气化反应动力学提质煤热转化过程中污染物生成、迁移及阻滞机制③提质煤的高温熔融物相生成及黏温特性调控二、预期目标总体研究目标：针对我国低品质煤大规模开发的重大需求，研究低品质煤中矿物、硫、水等杂质的赋存化学与物理，揭示杂质组分脱除的化学物理响应和界面调控规律，构建以稳定流态化与非均衡分离过程为特征的低品质煤大规模提质的工程基础，提出提质煤的燃烧等高效利用原理与方法，形成我国低品质煤提质利用的理论体系与技术创新。项目的具体目标：（1）通过低品质煤中矿物、硫和水等杂质的赋存形态、化学结构及与煤有机质本体的分子间键合和物理作用机制研究，建立低品质煤的杂质赋存化学与物理理论。（2）建立多元多组分复杂低品质煤的计算模拟研究平台，从分子层次揭示煤炭脱水的本征能量及硫的脱除能量作用机制、界面调控理论，提出煤炭脱水的技术原型，实现煤中水和硫脱除的理论突破和方法创新。（3）揭示大型浓相分选流态化的稳定和流态化高效能量传递的机制，建立高灰煤干法脱灰以及褐煤脱灰脱水协同机制，为高灰高水煤炭的干法流态化高效提质提供理论基础和技术支持。（4）建立基于微细矿物可浮性，与非线性物性相匹配的多流态梯级强化非均衡分离过程，提出微细粒煤的高效分离方法，实现稀缺煤资源二次开发的技术突破。建立国际一流的低品质煤提质利用研究平台，在煤的杂质赋存、提质分离的界面调控及动力机制、流态化基础与过程动力学等方面实现理论创新；实现煤炭高效脱灰脱水、微波脱硫、稀缺煤资源二次开发等关键技术突破，取得一批具有国际影响的研究成果。可为保有储量约2300亿吨的褐煤和高灰煤开发奠定科学基础，可每年多回收稀缺炼焦精煤约3000万吨（相当于少用稀缺煤资源6000万吨）。凝聚并培养本领域的优秀专家，形成国内一流的低品质煤提质利用的高水平研究团队，培养硕士、博士共150名；在国内外学术期刊发表论文300篇，出版专著3～5部，申报专利20项。三、研究方案1．研究思路本项目以低品质煤提质的物质认知—能量机制—过程强化—提质利用为研究思路，综合运用矿物加工学、煤化学、量子化学、界面化学、流体力学和反应动力学等多学科基础理论，采用理论分析、实验研究、数值模拟等多种方法，开展系统的理论和方法研究，构建适合我国低品质煤大规模提质利用的理论体系。总体研究思路如图1所示。2．技术路线总体技术路线如图2所示。如图2所示，本项目以学术思想为指导，基于对低品质煤的杂质赋存及作用的认识，预测煤炭脱水与煤有机硫脱除的技术途径，提出以工程应用为背景的干法流态化分离提质和多流态非均衡过程强化分离提质的方法，以期达到低品质煤大规模提质的目的。具体技术途径如下：（1）采用原位分析、萃取与反萃取等分离方法，运用光学/电子显微镜、光谱、能谱、热重、孔隙分析等表征手段，解析低品质煤中矿物、硫、水等杂质赋存形态及其化学和物理作用机制，并通过分子设计、量子/分子力学计算模拟，构建典型低品质煤结构模型簇。（2）采用量子化学/分子力学方法，计算煤炭脱水的本征能量，结合实验研究，提出煤炭脱水的技术原型。通过对微波能量调控与匹配的研究，探索低品质煤有机硫脱除的技术途径。（3）采用实验研究、数值模拟、工程基础试验等方法，研究流态化的稳定性与高效能量传递机制、非均衡过程梯级强化与分选动力学，构建低品质煤的干法流态化高效提质、非均衡过程强化分选的理论基础。（4）综合运用多组分在线分析、燃烧过程激光诊断等方法，研究提质煤的燃烧气化反应机理、杂质迁移脱除及灰熔融性调控规律，提出提质煤的燃烧等高效利用原理与方法。3．创新点与特色（1）创新点①创立低品质煤的杂质赋存化学与物理理论突破传统煤化学研究框架，揭示低品质煤中矿物、硫和水等杂质的赋存规律，解析煤中杂质与煤有机质本体结构间的作用，丰富和完善煤化学理论体系。②提出基于量子化学/分子力学分析的低品质煤提质的技术原型从分子层次揭示褐煤脱水、含硫结构脱除的本征能量；阐明典型脱水方法的热力学特征和微波脱硫的机理，构建煤炭脱水和微波脱硫的理论体系和技术原型。构建大规模分选流态化稳定、高效传递及协同分离机制揭示大型浓相分选流态化的稳定和高效能量传递的机制，提出高灰（硫）煤干法脱灰（硫）以及褐煤脱灰脱水协同机制，实现传统流态化基础理论的突破。建立基于多流态梯级强化的微细粒分选方法以粗粒煤脱硫降灰为基础，根据矿物可浮性的非线性过程特征，建立与物性匹配的多流态梯级强化非均衡过程，实现低品质煤深度脱硫降灰。实现煤炭高效脱灰脱水、微波脱硫和稀缺煤炭资源二次开发的方法创新和技术突破。（2）特色①针对我国低品质煤特性的大规模提质开发项目针对我国煤炭资源复杂特性，从低品质煤杂质的本质特性入手，进行煤的赋存化学与物理研究，首次将研究视角直接面对煤中杂质，全面地揭示煤中矿物、硫和水等杂质赋存的内在本质及相互联系，拓展以煤本体结构为背景的传统煤化学体系。其次，项目针对我国低品质煤炭大规模开发的迫切需求，以实现大规模开发为研究目标，进行系统的提质理论和方法创新研究。如干法流态化研究针对我国西部缺水及煤炭开发西移的特点，将为我国西部低品质煤的干法提质提供理论基础。②以杂质赋存尺度为主线，综合应用多种研究手段构建以杂质赋存（颗粒）尺度为主线的低品质脱除方法与技术路线：首先是针对粗颗粒或原煤的煤炭提质，包括高灰（硫）煤脱硫降灰以及煤炭的脱灰脱水；然后是针对细粒煤的煤炭深度脱硫降灰；最后是采用微波方法脱除煤本体结构中的有机硫，实现低品质煤的洁净化。整个研究综合应用了多种方法与手段，如量子/分子力学分析、微波电磁场、分选流态化、非均衡分离过程强化等。基础研究与工程技术的紧密结合具体表现为：分选流态化高效提质将应用于煤炭脱灰脱水与高灰（硫）煤的分离提质相结合；多流态的非均衡分离过程强化将支撑微细粒分选，并与稀缺煤二次开发结合；微波脱硫将主要针对煤中有机硫脱除，致力于解决高硫煤脱灰后形成的粗精煤，把它由燃料变成炼焦用煤。④低品质煤的提质与利用研究交叉优化低品质煤提质后杂质赋存和物理化学特性发生了显著变化，提质过程对提质煤的利用必然产生影响。如煤孔隙结构、含氧官能团、矿物成分、表面性质变化对其高效燃烧气化反应特性产生重大影响，杂质元素在燃烧气化过程中的迁移规律也发生变化。因此，本项目通过提质煤的利用研究来反馈指导提质研究，优化提质参数及指标，实现提质与利用研究的交叉优化。4．可行性分析项目实现重大突破的关键点是：认知低品质煤的杂质赋存及化学物理作用，构建高效提质的技术原型，创立大规模提质工程基础。其可行性分析如下：（1）低品质煤的杂质赋存的认知实现低品质煤大规模提质的科学基础在于对煤的杂质赋存形态，杂质与本体有机质间的化学与物理作用的深入认知，而其关键在于研究思路和技术手段的创新。对典型的低品质煤样分三个层次进行解析，首先采用原位分析，对低品质煤的杂质赋存总貌初步认识；然后进行分离表征；最后通过分子设计、量子/分子力学模拟计算，硫、解析煤中矿物、水等杂质赋存形态及其化学与物理作用机制。对于高灰煤主要采取原位分析。利用光学/电子显微镜、X射线衍射仪、元素分析、能谱等手段表征煤样的煤岩组分，矿物组成、元素组成、杂质赋存形貌等；采用温和萃取与反萃取方法，将复杂微细矿物与煤本体分离，对于被有机质包裹的矿物采取低温灰化方法，释放其中矿物质并进行表征。将各步结果对比分析，获得矿物的赋存认知。综合利用多种手段对高硫煤进行分析表征。首先采用测硫仪、X射线原子吸收光谱仪、X射线光电子能谱仪等，分析和表征原煤中硫的分布及结构；采用分级分次萃取方法，根据相似相容的原理，时序性溶解煤中组分，得到按分子大小和性能分离的组分簇，分别对其进行光谱/色谱/质谱/能谱解析；对于难溶解的残渣采用浮沉实验，对有机质催化热解，对解聚产物再进行光谱/色谱/质谱/能谱解析；对比分析各步骤结果，采用分子设计和量子/分子力学方法，构建含硫结构模型，计算含硫结构与有机质结合的弱键结构和能量。对于高含水煤，首先利用光学/电子显微镜、能谱、热重、孔隙分析等手段表征含水构造的形貌特征、水的释放规律等；然后定性定量分析褐煤中腐植酸和含氧官能团，研究其中水的赋存方式；采用萃取分离，分别对各级萃取物进行水分分离，获得作用力不同的各类水分子的近似质量；最后通过分子设计、量子/分子力学模拟计算，将研究结果进行比对和详尽分析，解析煤中水分赋存形态及化学和物理作用机制。（2）高效提质技术原型的构建煤炭脱水、有机硫脱除的关键是高效能量的输入，而其本征能量能够通过量子/分子力学分析得到。基于课题1的研究结果，采用量子化学/分子力学方法对低品质煤的杂质赋存结构进行模拟，建立典型结构单元模型簇。采用组合量子力学和分子力学方法，获取杂质脱除的热力学判据和本征能量。运用分子动力学模拟MD，研究外界条件（热效应、机械效应、电磁效应、溶剂效应）对煤结构与界面的影响，探索煤中含氧官能团与水分子之间、水－溶剂分子等相互作用的物理化学性质，脱水过程的可能通道与机理。根据煤炭脱水的本征能量，研究典型脱水方法的热力学特征；探讨脱水煤组成、结构与界面特性。利用实验结果不断修正和完善本征能量的计算模型，从而得到煤炭脱水的技术原型。对于脱除有机硫的过程，利用量子化学方法，通过煤中含硫化学结构相关计算预测弱键位置和脱硫的可能性，研究含硫结构与外界能量场的响应，脱硫过程的可能途径与机理。为微波定向脱硫提供理论依据。（3）大规模提质利用工程基础的创立微波对煤本体的穿透性和对具有高介电损耗的含硫结构的靶向吸收效应是实现微波脱硫的基础。目前开展的炼焦煤微波脱硫试验已取得初步脱硫效果。本项目的基础研究将不仅提供理论支持，而且也为完善工艺试验创造条件。低品质煤大规模干法脱灰脱水的关键是解决大型浓相分选流化床的稳定和流态化高效能量传递问题，煤炭深度脱硫降灰的关键是解决微细颗粒条件下多流态非均衡分离过程强化问题。综合运用现代分析测试手段、实验研究和数值模拟，研究宽尺度气固流态化系统的形成及控制机制、非均衡分离过程动力学、能量作用机制及矿化反应规律等，建立分选流态化的稳定机制、多流态非均衡分离过程强化的理论体系，推动低品质煤大规模提质技术的发展。综上所述，本项目立足国家重大需求，总体思路合理，研究方法正确，技术路线可行，实验手段先进，工程应用背景强。研究队伍聚集了国内煤炭加工利用相关领域的优势力量，体现了能源与化工等相关学科的交叉融合。相关单位与个人承担过多项国家重点与重大项目，能准确把握技术发展趋势与关键科学问题所在，为本项目研究提供了保障。5．课题设置课题1:低品质煤的矿物、硫、水等杂质的赋存化学与物理研究目标：通过低品质煤中矿物、硫和水等杂质的赋存形态、结构特征、与煤有机质的键合作用和非键作用机制研究，建立低品质煤的杂质赋存化学与物理，为低品质煤大规模提质利用的研究提供认知基础。研究内容：①低品质煤中微细矿物组成、赋存及其分配迁移模型研究微细矿物的地质成因以及在煤层中的分布特征。探讨微细矿物类型、组成、粒度分布、物理化学特性及其与有机质的结构关系等赋存特征，建立主要微细矿物、浸染黄铁矿等在煤炭深度脱硫降灰过程中的分配及迁移模型。②低品质煤的有机含硫结构及其典型赋存特性针对高硫煤和高硫稀缺炼焦煤，研究其有机含硫组分的化学组成、结构、与煤有机质本体的化学物理作用与机制；通过量子化学分析不同含硫组分在能量场下断键规律，模拟形成的含硫结构并建立典型结构模型。③褐煤含水结构及水的赋存化学与物理研究褐煤中有机含氧官能团、孔隙结构的赋存特征及其持水机理；研究褐煤中腐植酸及所含矿物离子的胶体特性及其影响；研究水在多维空间