洁净煤技术的源头创新--煤分子工程及其关键问题的进展

煤分子工程是在分子水平上,以煤组成结构及其反应性关系为基础,对煤的高效和高选择性转化技术和工艺的途径与方法进行研究的一门工程学科,通过"分子-产品-过程"三位一体的多尺度集成的方法来解决煤洁净利用过程的效率、环境及效益等问题.其关键问题主要有(1)分子水平上煤组成结构与反应性关系;(2)煤与其洁净转化技术适应性评价的理论与方法;(3)煤转化过程反应的控制与分级定向转化;(4)基于煤组成结构特征的新转化技术与工艺的开发.在对国内外文献调研的基础上,结合该研究组近年来的工作,对这些关键问题的研究进展进行了简要的评述.同时指出在洁净煤技术发展战略中,必须重视煤组成结构与反应性关系这一煤分子工程基础等问题的研究,实现我国洁净煤技术的可持续发展.     

神东煤镜质组和惰质组热解甲烷生成反应类型分析

采用等密度梯度离心分离方法,对神府东胜矿区马家塔露天煤矿2号煤层煤进行了镜质组和惰质组煤岩显微组分的分离富集。利用TG/MS对两种显微组分热解脱挥发分行为进行了升温速率为20℃/min条件下的测试,获得了热解甲烷生成的速率曲线,并对其热解生成特征进行了分析。采用分峰拟合的方法,将其分为6个峰,计算得到了各基元反应的动力学参数及其热解特征参数,认为神东煤镜质组和惰质组热解甲烷的生成由煤大分子裂解、缩聚过程中的6种反应所致。通过动力学分析,结合煤大分子的热解规律、热解过程中其它挥发分的逸出特征及相关模型化合物的量子化学计算结果,对热解甲烷生成的6种反应类型进行了具体分析。     

煤显微组分热解过程中脂肪氢的演化特征及其动力学

采用热台与FTIR考察了平朔煤和神东煤显微组分热解过程中脂肪氢的演化特征.结果表明,随着热解温度的升高,脂肪氢经历了快速减少、缓慢减少和基本不变三个阶段,揭示出煤大分子体系依次发生了脂肪碳氢链的裂解、环烷化反应、芳构化反应、芳香结构氢化反应以及芳香缩合反应等;动力学分析表明,脂肪氢脱除反应的活化能较低,与反应体系中存在大量自由基有关;甲基与亚甲基的相对脱除速率随温度呈现M型关系.     

太原西山煤田太原组砂岩的物源分析

太原西山七里沟剖面为我国华北石炭-二叠系标准层型地层剖面。采用岩石学和重矿物学方法对太原西山七里沟剖面太原组砂岩进行了研究,结果表明:太原组砂岩的母岩类型主要为富含燧石结核或条带的沉积岩,部分为岩浆岩和变质岩。Dickinson碎屑组分三角图解显示太原组砂岩的物源区为再旋回造山带。结合古水流特征,认为太原组砂岩的物源主要来自华北北缘的内蒙古隆起。物源区的风化剥蚀从寒武-奥陶系的富含燧石结核或条带的碳酸盐岩开始,向下逐渐剥蚀到新元古界震旦系的石英岩。     

中等变质程度煤中羟基的红外光谱分析

利用FTIR光谱分析及光谱分峰程序,对几种中等变质程度的煤样的红外光谱进行分析,六类羟基在我们所研究的中等变质程度煤中均存在,但是对于同一煤来说,六类氢键不一定同时存在于煤结构中。因此得出中等变质程度煤中含有少量的自由羟基和环氢键,主要羟基类型是OH—,πOH—OH,OH—醚氧以及它们的变化规律:羟基-π氢键随O/C比的减小而增大,醚氢键则先增大而后减少,羟基之间相互作用形成的氢键则先减小,而后增大,进而成减小趋势。     

论神府2~(-2)煤层煤岩组成与煤炭自燃的关系

本文研究了陕北神府矿区大柳塔井田2~(-2)煤层中煤样的显微组成,岩石类型及煤的300℃前氧化放热与燃点的关系。实验中发现,丝质组以及丝炭氧化放热量最大而燃点最低,镜质组以及镜煤氧化放热量最小,而燃点最高。随着各煤岩类型中丝质组含量的增高,其氧化放热量增加,燃点降低。因此丝质组及丝炭是最易自燃的显微组分和煤岩类型,并对其易自燃的原因进行了探讨。     

分子模拟在煤大分子结构演化研究中的应用及进展

在对分子模拟原理介绍的基础上,对分子模拟在煤大分子结构演化研究中的应用及主要进展进行了分析。在以下几个方面取得了4点显著进展：煤大分子结构模型能量的计算与优化;煤分子结构的煤密度模拟计算;煤分子之间及与其他分子的相互作用;煤分子结构及性质的演化。     

镜煤与丝炭结构的X射线衍射初步分析

通过X射线衍射（XRD）分析对4个不同矿区煤中的镜煤和丝炭中矿物质类型和相对含量、煤中有机质的结构特征进行了对比分析。根据衍射图谱确定了样品中的主要矿物质成分为高岭石、黄铁矿、石英、方解石等。丝炭中的矿物质含量高于镜煤。对8个样品的结构参数进行了计算,结果表明,丝炭芳香层片的定向程度和聚合程度高于镜煤,陆相环境条件下形成的煤,其镜煤与丝炭的d002面网间距较小,Lc和La较大。     

中国典型动力煤种热解动力学分析

采用热重分析方法对中国典型动力煤种的热解动力学特性进行了研究,探讨了各煤种热解活化能及热解特征温度变化情况,并对结果进行了分析,得到煤样热解总失重率基本随煤化度的提高而减少,热解特征温度基本随煤化度的提高而增大。对于中等变质程度煤,因其结构中芳烃烷基侧链含量丰富,桥键多的缘故,这些煤样DTG曲线具有最大失重峰。在煤样主反应阶段中等煤有较高的活化能,低和高变质煤的活化能低。     

中煤阶煤层气井排采阶段划分及渗透率变化

煤层渗透率动态变化规律是煤层气开发所面临的重点问题之一。根据无因次产气率划分煤层气井排采阶段,结合等温吸附实验下煤层气的解吸过程确定排采阶段分界点位置。通过物质能量动态平衡理论建立中煤阶煤储层渗透率评价模型,从渗透率变化趋势、主导机制、产能动态等方面,阐释了中煤阶煤层气井不同排采阶段煤储层渗透率动态变化特征与控制机理。结果表明,排采过程中,煤储层绝对渗透率发生“先降低-后回返-再上升”的动态变化。排水阶段水相有效渗透率迅速下降,气相有效渗透率为0。储层压力降低至临界解吸压力后进入产气阶段,气相有效渗透率迅速增加,水相有效渗透率缓慢降低。产气量衰减阶段绝对渗透率开始下降,在滑脱效应影响下,气相有效渗透率仍然保持缓慢上升,水相有效渗透率降低。