国家自然科学 基金 创新研究群体 项目 (50921002) 煤炭 资源高效洁净加工理论与应用研究

1. 国家自然科学基金创新研究群体项目(50921002) 煤炭资源高效洁净加工理论与应用研究 课题自立项以来，得到了国家自然科学基金委以及依托单位中国矿业大学在经费、软硬件设施等方面全方位的关心、支持和指导，群体按照计划任务书开展研究工作，圆满地完成了课题任务，取得了重要进展，实现了研究群体预期的阶段性科学目标。 • 2.大型振动筛的可靠性理论及筛分过程动力学 5.煤中硫模型化合物反应的复杂动力学 • 3.煤炭深度脱硫降灰与洁净煤制备 • 4.煤中有机质组成及高附加值利用 • 用可分离和非破坏性的方法从分子水平上揭示煤及其反应混合物的组成结构，是煤中有机质高附加值利用的化学基础。建立了分级萃取-柱层析-色谱/质谱联用和色谱/红外光谱联用等分析的方法，改善了原有的可分离和非破坏分析的方法。开发了煤的醇解-分级萃取-层析分离-重结晶分离的工艺技术，为煤的高附加值利用提供了新的方法。在自行研制的磁力搅拌萃取器中，采用图7（左）所示的方法进行了GBC的分级萃取（100 g煤样，每次用900 mL溶剂萃取），依次得到E1至E5各级萃取用同种溶剂循环多次进行，尽量萃取彻底。如图9（右）所示，E2的单程收率（OTY）随萃取次数基本呈迅速递减的趋势，萃取25次以后OTY已经很低。 • 基于煤泥可浮性非线性变化的过程特征，匹配相应的流体环境，将对应的多种矿化方式采取一种合理的方法有序地集成起来，并针对不同的特性煤泥进行过程单元的强化，以达到最佳的分选效果。这样一种用非均衡的分选过程，来适应煤泥可浮性特征的过程设计方法，即梯级强化分选的过程设计方法。 针对煤中硫模型化合物反应的复杂动力学与抗硫中毒进行研究，实现了硫价态变化中多组分的同时识别与追踪，揭示硫价态变化动力学的机理和复杂时空动力学规律，为煤炭高效洁净加工利用提供了理论支撑。 • 基于大型振动筛超静定网梁结构动态特性研究，发明了超静定网梁体激振器采用多根小直径管梁组成管梁包容体，从而构成一个刚度值很大的大包容激振体，即超静定网梁激振体结构，大大提高了振动筛的横梁和整体结构强度和刚度，综合性能得到改善，振动平稳，能满足筛面宽3600mm以上大型振动筛激振装置的工艺要求，提高了振动筛单机生产能力。 1. 煤炭流态化干法分选理论与技术 提出了浓相高密度气固流化床布风及加重质级配原则，创立了浓相高密度气固分选流化床密度均匀稳定理论。提出加重质颗粒宏观返混和干扰沉降的交互作用效应优化叠加的观点，有效抑制了加重质的返混及分级趋势，创立了浓相高密度气固流化床密度均匀稳定理论，形成了浓相高密度微泡流化床层。 图1 加重质颗粒的体积分数随时间的变化 对碱性连五硫酸盐的水解反应在线反应组分分析检测到硫代硫酸盐、连四和连五硫酸盐，说明存在降解过程中连四和连五硫酸盐的次反应路径。提出10步反应机理很好地解释和拟合动力学曲线。实验和数值分析表明强碱介质中连六硫酸离子不是主要来源于连五硫酸根的硫代硫酸离子致解离，而是反应活性中间物与连五硫酸根之间的反应。该工作2011年8月发表被国际同行他引2次其中在2012年Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. A中介绍。 1-法兰；2-激振器组；3-万向传动轴； 4-超静定板；5-网梁；6-静定板 （b）双组超静定网梁激振体 （a）单组超静定网梁激振体结构 图3 超静定结构激振器 图6　梯级强化分选过程设计 • 针对传统大型振动筛筛体由单一承重梁和单一加强梁构成，支撑面积小、刚度不足、梁易断裂等问题，发明了板块式超静定组合承重梁和Y型超静定组合加强梁。如图4所示。板块式超静定承重梁和Y型超静定加强梁使大型振动筛承重梁、加强梁和筛体结构形成大刚度包容体，刚度显著提高、受力分布均匀，抗弯扭应力能力提高，避免了因单根承重梁局部失效后对筛体梁系的连锁破坏。有效地提高大型振动筛的可靠性。 • 根据高灰难选煤的特点，研究了煤炭的宏观煤岩组分及矿物结构与组成，通过恰当地解离和磨矿过程优化，并结合高灰难选细粒煤泥的可浮性特征，构建了煤泥粗精选和磨浮分选体系，开发成功高灰难选煤泥浮选柱粗精选－中煤磨矿再浮选的二段式煤泥分选新工艺（专利申请201010125831.3，如图7），实现高灰难选稀缺主焦煤资源的高效回收。试验结果表明，在同等质量要求条件下，比现有煤泥浮选工艺提高精煤回收率10%以上。 图9 分级萃取的流程（左）和不同萃取次数得到的E2的收率（右） • 建立了宽粒级加重质流化床的高度及平均密度模型，为流化床在线测控系统开发提供了基础，提出了实现流化床自动化控制的前提条件。 • 床高模型： • 平均密度模型： • 提出了宽粒级加重质流化床的定量调控方法。对于流化数N、布风板与床层压降比ΔPd/ΔPb、1.5~0.5mm 煤粉含量ψn1 三个因素,ΔPd/ΔPb≥1 时，压降比并不是影响床层流化质量和分选性能的显著因素。随着煤粉含量增大，床层流化质量及分选性能均逐渐下降，ψn1≤13%时，流化床具有较好的流化和分选性能。 • 制备了新型的固体酸（NSA）和在载体上高分散的Ni/-Al2O3，两种催化剂在温和条件下分别对ArXAr’中桥键的断裂具有高度的选择性和可以使多烷基苯有效加氢. NSA可以使分子氢异裂为游离程度较高的H+和吸附在催化剂表面的H-。所生成的H+在较温和的条件下可以使DNM中的桥键有效地断裂而不导致萘环加氢。 图12连五硫酸盐(A)、硫代硫酸盐(B) 和连四硫酸盐(C)的动力学的实验（点）和机理模拟（线）曲线pH = 10.77，[S5O62-]0 /mM = 0.1 (black), 0.2(blue), 0.5 (green), 0.7 (cyan), and 1.0 (red) 阴极支撑管式电池的直接碳SOFC可以实现连续加料，实验测试装置设计如图13所示，在阴极侧，通过铂浆连接铂网和铂线收集电流；在阳极侧，通过镍毡和铂线收集电流。氧化铝管作为阳极反应室，通入经过80 oC水浴加湿的N2。阴极侧通入纯氧作为氧化剂。两侧流速均为120ml•min-1。 图4-20 NSA催化DNM加氢裂解的机理 板块式超静定组合承重梁 Y型超静定组合加强梁 图4 筛体承重梁和加强梁结构 图7 20万吨/年高灰难选煤泥分选示范系统 基于大型振动筛超静定结构设计理论，研制了高可靠性超静定大型振动筛。具有运行平稳、可靠性高、寿命长、处理量大、筛分效率高等优点。筛体结构简化，加工工艺简单，整机可分组件组合安装，便于运输，维修方便。超静定大型振动筛满足了现代大型选煤厂筛分工艺要求，解决了大型选煤厂的筛分技术难题，大大简化了筛分工艺，实现了生产系统配套一对一模式。 图10灵武萃余煤的CHC过程中生成二苯甲烷和酚类化合物的可能机理 示范工程建设在钱家营矿选煤厂，20万吨/年高灰难选煤泥分选示范系统现场见图8。 用常用的有机溶剂，通过分级萃取成功地实现了中低温煤焦油中较易挥发的烃类、酚类成分和沥青的有效分离（图11给出部分实验结果），申请了国家发明专利。 图13直接碳燃料电池测试装置设计图 根据上述结构所组装的DC-SOFC测试结果如图14所示。电池功率密度的峰值分别达到172.7和91.1 mW·cm-2，在没有优化电池结构和测试结构的情况下，这样的测试结果是令人满意的。 基于气固流态化分选理论的基础研究成果，以及半工业气固流化床的分选实践，为实现设备的大型化，开展了新型连续式气固流化床模型机的设计，并与唐山神州机械有限公司合作，研制了新型的40-60t/h气固流化床分选机。 图11陕北中低温煤焦油分离得到的较易挥发的烃类（上，不含有机杂原子成分）和酚类成分（下，不含烃类成分）的总离子流色谱图 图5 双组超静定大型振动筛示意图 图8年处理能力20万吨示范系统设备流程图 图14 DC-SOFC在850、900 oC下，开路电压随时间的变化曲线（a）和电压及功率密度随电流密度变化的关系曲线（b） 图2 模块式空气重介质干法选煤系统