特约综述

• 煤中矿物质的地球化学特征研究进展

  杨承伟;

  针对我国煤炭资源清洁高效分质利用的现实问题，研究煤中矿物质的地球化学特征和转化行为可在煤炭清洁高效利用中提高矿物质的脱除率及煤基质的有效转化率。从地球化学角度阐述煤中矿物质的定义、成因、组合分布、赋存特征、含量丰度及矿物质间的关系，总结目前探究煤中矿物质理、化性质所需的技术手段，从显微镜成像对其空间结构的表征到质谱、光谱、能谱结合进行定性和定量表征，并归纳具体检测手段的优缺点。针对煤中矿物质的热演化研究，从地质角度讨论煤中矿物质赋存富集的控制因素，概括陆源碎屑物质、沉积环境、成煤植物、岩浆热液活动、地下水活动、风化作用对煤中矿物质聚集的影响。不同成因的矿物质在煤炭不同的利用热演化过程中迁移转化也不尽相同，重点归纳煤炭燃烧、气化、液化、焦化过程中矿物质的热迁变特征，并从地球化学角度解读煤中矿物质的地球化学特征对其热演化过程中的演变规律。从地球化学角度出发，提出针对煤中矿物质的嵌布特征、解离特性的地质控制研究和矿物质脱除效果与成煤环境因素的关系尚有具体和细化的空间。通过煤剖面的地球化学信息划分地质影响作用，结合煤炭利用过程中矿物质的嵌布类型与解离特性的研究揭示控制矿物质脱除效果的地质因素具有探索性。随着煤中矿物质潜在资源特性的日益突出，煤中纳米矿物表现出的特殊性质，可将其作为研究煤地质学和煤地球化学的良好载体。

  2024年02期 v.39;No.253 1-20+31页 [查看摘要][在线阅读][下载 2442K]
  

• 煤基泡沫炭制备及其电化学性能影响研究进展

  胡迪;李文博;黄澎;刘敏;赵鹏;

  泡沫炭具有比表面积大、孔隙率高、结构可控等特点，使其在超级电容器电极材料领域具有广阔的应用前景，而以煤、煤液化残渣、煤液化沥青、煤焦油沥青等煤系物为原料制备得到的煤基泡沫炭具有较高的导电性且制备工艺简单、原料来源广泛及产品价格低廉，因而可将煤基泡沫炭作为电极材料应用于超级电容器。基于不同的前驱体材料制备方法也有所区别、制备而得的泡沫炭性能及其应用场景也有差异，需对煤基泡沫炭制备及其电化学性能影响研究进展进行汇总分析。简介煤基泡沫炭的结构，剖析煤基泡沫炭制备方法中的分离焦化法、混合前驱法、高压渗氮法、限制膨胀法、超临界发泡法、自发泡法、模板法，阐述炭电极材料的比表面积、孔径分布、表面化学基团、石墨化程度对电化学性能的影响机制，为合理调控各影响因素之间关系及得到最佳电化学性能提供一定的参考。研究表明：较高的有效比表面积有利于煤基泡沫炭的比电容和能量密度，但其超高比表面积主要由微孔贡献，孔径较小的微孔会导致电解质离子和溶剂化离子无法进入孔内且在微孔孔口堆积，影响双电层的有效形成；理想炭电极材料具有三维分层多孔结构，相互连通的微—介—大孔有助于离子扩散和电子转移，发达的孔隙结构有助于提高倍率性能、功率密度和循环寿命；导电性取决于石墨化程度，炭化温度越高则石墨化程度越高、导电性越强，但过高的炭化温度会造成孔泡完整度下降，破坏泡沫炭三维分层孔结构，且使材料表面杂原子、官能团析出，降低材料润湿性及法拉第赝电容，造成比电容大幅下降；杂原子掺杂有助于提高材料润湿性与总比电容、贡献赝电容、调控结构和提升材料循环稳定性及电容保持率，但同时对石墨化程度、比表面积等也会产生不利影响。炭电极材料的比表面积、孔径分布、表面化学基团、石墨化程度4个因素相互影响与制约，找到合理的平衡点可有效调控其比电容、导电性、循环稳定性、倍率性能、能量密度、功率密度等，但在实际研究中难以兼顾炭电极材料比表面积、孔径分布等4个因素，因此需采用其他方法以实现煤基泡沫炭电化学性能的优化，未来需通过模板复制、物理化学活化、杂原子掺杂、二元/三元复合等手段以实现泡沫炭结构的设计和电化学性能的调控。

  2024年02期 v.39;No.253 21-31页 [查看摘要][在线阅读][下载 2426K]
  

• 氨煤混燃技术在工业应用中的研究进展

  王圣烨;崔名双;牛芳;

  随着我国能源消耗逐年增加，需在减少煤炭使用量的前提下保证能源的供给，寻找可替代燃料势在必行，因而氨作为可代替燃料部分代替煤粉燃烧的氨煤燃烧技术在近年来引起广泛关注，即氨煤混燃技术以其对煤炭燃烧产生的污染物减排和能源利用效率提高的潜力而备受关注。阐述氨煤混燃研究领域的最新进展，包括火焰形态、煤粉着火和点火延迟时间、火焰传播机理及NO_x的排放等研究，总结不同燃烧策略和燃烧器下氨煤混燃的燃烧特性和排放特性，分析全球氨煤混燃技术在工业应用中取得的一些重要突破以及未来研究可能面临的挑战。氨煤混燃的反应路径和机理模型类型复杂，在不同条件下的过程不尽相同，需进一步明确中间体物质的多重作用，且有待深入研究气体组分对煤粉和NO_x的生成影响规律。目前氨煤混燃点火及减少NO_x排放的研究主要聚焦于宏观规律，部分研究着手分析氨煤混燃过程中间产物，但基础研究较少，机理尚不明确，相关燃烧器设计困难，技术仍不成熟，需对其进一步优化。未来可进一步针对提高掺氨比和降低污染物排放等方面进行研究，以实现氨煤混燃在火电厂等大型工业中应用。

  2024年02期 v.39;No.253 32-42页 [查看摘要][在线阅读][下载 6309K]
  

煤层气开发专稿

• 煤层气中的甲烷与氮气分离技术研究进展

  李小亮;

  煤层气等非常规天然气的开发与利用可有效缓解天然气不足且能降低其直接排放所造成的资源浪费与温室效应，其中甲烷(CH_4)与氮气(N_2)的分离技术已成为低浓度煤层气提浓的关键要素，因而对煤层气中的甲烷与氮气分离技术研究进展进行汇总分析，以期为该分离技术的实际应用奠定基础以及助力于推动规模化浓缩低浓度甲烷气的工业化进程。对近年CH_4与N_2分离技术的研究现状进行归纳分析，阐述CH_4与N_2主要分离技术的研究特点，具体探讨深冷分离、变压吸附分离、膜分离以及溶剂吸收分离等技术用于CH_4与N_2分离的国内外研究进展。研究表明：深冷分离技术具有技术成熟且产品气CH_4的纯度与回收率均高的特点，但仅在大型煤矿分离大规模煤层气时较适用；变压吸附技术具有耗能低、分离效果佳等特点，目前已成为最具工业化应用前景的CH_4和N_2分离技术，开发价格低廉、高性能的活性炭、碳分子筛、沸石分子筛、金属有机骨架材料(MOF)等吸附剂是变压吸附的核心，未来需调控吸附剂的孔道结构与优化其表面性质；膜分离技术用于CH_4与N_2分离时具有占地少、低能耗和污染小等优点，可提高聚合物膜、无机膜、MOF气体分离膜等的分离效率、经济性与使用寿命，注重提升膜分离性能以提高膜材料对复杂油气环境的适应性，即设计和筛选性能优异的底膜材料已成为膜分离CH_4/N_2工业化应用的重要方向；溶剂吸收分离技术由于存在CH_4和N_2在溶剂中的溶解度较小、再生解吸较困难、吸收剂的使用量大等问题，导致溶剂吸收分离技术用于CH_4/N_2的实际工业应用时受到一定的限制。

  2024年02期 v.39;No.253 43-52+60页 [查看摘要][在线阅读][下载 1186K]
  

• 基于分段压裂水平井的临兴区块煤层气开发数值模拟

  王小东;张守仁;吴见;梁渝;刘世奇;皇凡生;

  煤层气作为非常规天然气的重要组成部分，其高效开发技术已引起广泛关注，而水平井分段压裂技术是目前非常规天然气开发的关键技术之一，因而有必要对基于分段压裂水平井的区块煤层气开发进行数值模拟，以期提高煤层气的开发效果以及实现工艺优化。基于煤层气开发流固耦合数学模型，考虑煤储层中割理系统发育与分布，以临兴区块为研究对象，建立水平井分段压裂物理模型，开展煤层气储层压力与产能数值模拟，并对煤层压力变化以及产气效果影响因素进行分析。结果表明：水平井分段压裂开发煤层气在365 d左右可实现较远区域控制，且水平井井周压力较稳定。割理条数、裂缝参数的增加可提高煤层气的产气效果，但需考虑水平井分段压裂技术的开发成本以及井间干扰等因素的影响。基于分段压裂水平井的区块煤层气开发数值模拟模型可为实现煤层气高效开发的水平井分段压裂技术提供参考与指导。

  2024年02期 v.39;No.253 53-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 1248K]
  

• 鲁班山北矿15采区瓦斯赋存特征及地面预抽采部署

  谭远兵;张志军;石鑫;陈志浩;周瑞琦;

  瓦斯地面预抽采能够提高煤炭的高效安全开采及实现瓦斯资源的有效利用，依据采区的瓦斯赋存特征可部署瓦斯地面预抽采井，从而助力区域煤与瓦斯高效协调开发。结合川南地区合鲁班山北矿15采区煤层展布情况、储层物性特征和瓦斯测试结果，从保存条件和资源条件2个方面分析瓦斯赋存的影响因素，采用体积法估算15采区主力煤层的瓦斯资源量，并根据15采区煤炭开采规划，结合矿井瓦斯地质特征和地形地貌特点以划分接替抽采区域且进行地面抽采井井位优选。优选结果显示：以15采区1518、1538工作面为先期试验区，以2和3号煤层(组)、7和8号煤层(组)为主，优选直井+定向井组合模式，形成不规则的丛式井组井网，矩形井网的长边方向与裂隙方向平行，井间距取值200～250 m。

  2024年02期 v.39;No.253 61-72页 [查看摘要][在线阅读][下载 10667K]
  

试验研究

• 基于瘦煤煤质特性的炼焦配煤方案优化试验研究

  岳伟明;周文艳;侯晓瑞;周瑞;李鹄飞;申岩峰;王美君;

  在炼焦配煤中合理利用瘦煤并提升其占比，可实现焦化企业降本增效和保护优质炼焦煤资源。为探究焦化厂配煤方案中瘦煤比例添加及方案优化调整对焦炭质量的影响，选取贫瘦煤(MC)和瘦煤(LC1和LC2)及采用工业分析、岩相分析等了解单种煤的基本煤质特性，利用红外光谱、热重分析确定煤样的结构特征和挥发分释放行为，并基于瘦煤的煤质特性，采用40 kg焦炉试验对不同瘦煤比例的配合煤进行焦炭质量评价，探究焦炭质量差异原因。结果表明：基于基础配煤方案，将LC1和LC2的占比增加至35%时，焦炭反应性(CRI)降低，反应后强度(CSR)升高，焦炭质量依然优于基础方案所制备的焦炭质量；在基础方案中，MC能对LC1和LC2进行替换，且替换后的CRI降低及CSR升高，焦炭光学组织中的细粒和中粒镶嵌结构增加，焦炭质量未发生劣化；MC占比增加至11%时，CRI升高以及CSR降低，焦炭质量发生明显劣化。基于瘦煤的煤质特性，配煤中的瘦煤比例可达到较高的配比，为后续工业配煤方案中利用高阶煤提供理论依据。

  2024年02期 v.39;No.253 73-79+86页 [查看摘要][在线阅读][下载 298K]
  

• 煤粉工业锅炉的选择性非催化还原脱硝性能试验改进

  段璐;

  采用选择性非催化还原(SNCR)脱硝须克服脱硝效率偏低和氨逃逸严重等现象，对其进行试验改进可提升多种类型锅炉的脱硝性能。基于煤粉工业锅炉SNCR试验系统，通过试验测量2种炉膛结构、不同容量的煤粉工业锅炉炉膛温度分布，从喷枪支数、温度和SNCR等方面阐述对脱硝性能的影响，对4个供热站的15台锅炉进行SNCR优化改造，增加喷枪开孔和电磁流量计并改造SNCR系统管路，进而对SNCR优化改造效果进行评估，从而研究单喷枪和多喷枪组合对选择性非催化还原(SNCR)脱硝性能的影响。结果发现：喷枪组合的脱硝效率一般优于单喷枪，主要取决于炉膛内温度分布，即需获得最佳脱硝反应温度和氨氮物质的量比及找到锅炉SNCR的最佳喷枪位置；当炉膛截面平均温度为800～900℃、氨氮比为1.5～2.0时，SNCR可达到较好的脱硝效率且氨逃逸较低；对供热站改造前后的脱硝反应剂用量进行分析，发现改造后的尿素用量比未改造前总体降低23.2%,液氧用量总体降低75.3%,即改造后的尿素用量和液氧用量均显著降低，说明供热站SNCR改造能够大幅降低煤粉锅炉的运行成本。

  2024年02期 v.39;No.253 80-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 651K]
  

• 黑龙江省典型炼焦煤的煤质特征与成焦特性研究

  吴洋;

  虽中国煤炭资源丰富但优质炼焦煤资源有限，科学合理配煤不仅是保证焦炭质量和满足焦炉生产要求的基本措施，也是合理利用煤炭资源、节约优质炼焦煤的有效途径，因而选取黑龙江典型炼焦煤开展煤质特征与成焦特性研究，以期为炼焦配煤提供基础技术支撑。结合典型炼焦煤的煤质特征与成焦特性的指标评价并配合小焦炉实验，从镜质体反射率分布、焦炭显微组分对焦炭强度的影响以及流动度指标与其他特性指标的相关性等方面研究煤化程度、煤岩组成等性质对焦炭质量的影响。研究表明：所采集的炼焦煤均为混煤，其黏结性较好但流动性较差，且流动度与黏结指数、胶质层最大厚度和镜质体反射率等的相关性较差；对于混煤而言，不能单纯地分析吉氏流动度或煤岩指标对焦炭冷热强度的影响；通过对焦炭显微光学组织的分析，发现出炉焦炭的各向同性组织与细粒镶嵌状组织之和占比超过75%,导致焦炭强度偏低、质量较差；炼焦煤的黏结指数较高，表明煤样中塑性体黏结惰性物质的能力较好，但煤样的吉氏流动度较低，说明黑龙江省内炼焦煤塑性体的流动性不佳，在成焦过程中不利于塑性体与煤粒间或与惰性物质之间的相互融合，可能与煤样中混入较多的低变质煤有关，建议配入具有宽塑性区间、高流动度、较高惰质组含量的煤样对配合煤的结构进行优化以提高配合煤塑性体的黏结性。

  2024年02期 v.39;No.253 87-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 2101K]
  
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