為實現(xiàn)彬長礦區(qū)優(yōu)質煤炭資源的清潔高效利用,在對彬長礦區(qū)以往勘查鉆孔的煤質化驗資料統(tǒng)計分析的基礎上,系統(tǒng)分析了該礦區(qū)主采煤層4號煤的煤巖、煤質特征,論述了硫分、灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量和有害微量元素的分布規(guī)律,依據(jù)最新煤炭資源潛力評價提出的煤炭潔凈等級6級劃分方案,選用灰分、硫分、有害元素(F、Cl、As及Pb)6個評價指標對礦區(qū)內(nèi)4號煤層的煤炭資源潔凈等級進行了初步劃分。彬長礦區(qū)4號煤層以低硫、低中灰、中高揮發(fā)分、特高熱值不黏煤為主,局部含小范圍的弱黏煤,彬長礦區(qū)4號煤層原煤潔凈等級為Ⅲ級,屬較好潔凈煤;浮煤潔凈等級為Ⅱ級,屬好潔凈煤。整個礦區(qū)內(nèi)4號煤層原煤潔凈等級以Ⅲ級較好潔凈煤為主,分布區(qū)占礦區(qū)面積的73.03%,僅在礦區(qū)西部洪家鎮(zhèn)—巨家鎮(zhèn)一帶和中東部出現(xiàn)小范圍的Ⅳ級中等潔凈煤分布區(qū),面積占比為26.97%。

針對褐煤成漿濃度低,難以滿足水煤漿氣化用漿要求的問題,通過分析水熱法提高褐煤成漿濃度的技術原理,認為水熱法提高褐煤成漿濃度是最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N褐煤提濃技術,同時介紹了國內(nèi)外典型的水熱法提高褐煤成漿濃度工藝技術的發(fā)展現(xiàn)狀,并以某一典型工藝技術(THTT)為例,從技術角度和經(jīng)濟角度兩方面,剖析了其工業(yè)化應用的前景。結果表明,水熱處理制備高濃度褐煤水煤漿在技術上具有安全環(huán)保、能效高和可靠性強等特點;在經(jīng)濟上具有處理成本低、經(jīng)濟性突出等優(yōu)勢,以采用THTT技術在內(nèi)蒙古某化肥廠建設50萬t/a工業(yè)示范裝置為例,增加水熱處理工段,將東明褐煤的水煤漿濃度由50%提高至58%,尿素年產(chǎn)量可增加7萬t,該廠每年可增效約8 300萬元。采用水熱處理提高褐煤的成漿濃度在技術和經(jīng)濟上可行,符合國家“增效降耗”的政策導向。

為了核算煤炭地下氣化制液化天然氣(UCG-LNG)技術的經(jīng)濟可行性,在試驗數(shù)據(jù)的基礎上,以年產(chǎn)液化天然氣2億m3的UCG-LNG項目為例,計算了項目的總投資額,以及工程費用和天然氣生產(chǎn)成本的構成及各項占比,并分析了項目的敏感性。結果表明,項目總投資約18.7億元,總投資的88.3%為工程費用,而在工程費用中,空分設備、煤氣凈化設備以及天然氣液化設備的總費用占比高達69.5%;在天然氣銷售價格為3.21元/m3時,整個項目的稅前內(nèi)部收益率(IRR)為10.90%,投資回收期為9.85 a(含3 a建設期),經(jīng)濟上可行,敏感性分析得出天然氣銷售價格對項目IRR的影響最大。

為了從微觀角度研究煤的熱解機理,找出熱解過程中反應路徑、中間產(chǎn)物等反應信息,用Re-ax FF動力學的方法分析煤的熱反應機理。闡述了模擬過程中煤分子體系的構建、模擬結果的處理方法,介紹了如何通過監(jiān)測自由基中間體種類,獲得反應過程中常見產(chǎn)物的分布和基元反應,進而解釋煤熱解、氧化和水熱處理等反應過程的機理,并對Reax FF動力學在煤熱反應體系中復雜化學反應的研究前景進行展望。通過Reax FF方法可模擬煤的熱反應過程,可以獲得主要產(chǎn)物的生成路徑、產(chǎn)物種類、產(chǎn)物的生成順序等信息,還可以研究煤熱解過程中煤分子間或與其他分子間的相互作用,進而分析熱解過程中煤的熱反應機理。后續(xù)可通過時溫等效原理建立模擬溫度與實際溫度的定量關系,解決Reax FF方法模擬溫度與實際溫度不對應的問題;通過編寫相應的后臺程序縮短模擬計算結束后數(shù)據(jù)的處理時間。

為考察原料煤中水分對神東煤熱解產(chǎn)物分布的影響,通過格金試驗和固體熱載體小試試驗研究了神東煤中水分對熱解特性的影響,得到神東煤在不同水分下熱解產(chǎn)物的分布規(guī)律。格金試驗表明,水分對神東煤熱解產(chǎn)物中焦油和熱解氣收率有顯著影響。隨著水分降低,神東煤熱解產(chǎn)物中焦油收率從9.98%降至4.92%,熱解氣收率從8.47%上升至11.07%,熱解水收率從2.74%上升到5.94%。小試試驗結果與格金試驗趨勢基本相同。隨著原料煤中水分的降低,焦油收率下降,熱解氣收率上升;未經(jīng)干燥的原煤在不同溫度下熱解的焦油收率比干燥后煤樣平均高2.17%,熱解氣收率平均低1.58%。熱解溫度對H2和CO比例影響較大,對其他氣體比例影響較小。研究結果表明,水分對神東煤的熱解過程及其熱解產(chǎn)物分布有顯著影響,熱解原料煤中水分的增加有利于抑制神東煤熱解水和熱解氣的生成,提高焦油收率,因此有望通過控制原料煤中的水分來調(diào)節(jié)熱解產(chǎn)物的分布。

為優(yōu)化高爐燃料結構和降低生產(chǎn)成本,從半焦的基礎性能、工藝性質、噴吹效果等方面論述了中低溫熱解半焦作為高爐噴吹燃料的研究現(xiàn)狀,分析了半焦替代噴吹煤粉后存在的主要問題,提出了改善半焦性能的途徑和建議。現(xiàn)有中低溫熱解半焦的煤質特征和多數(shù)工藝性質滿足高爐噴吹要求,但其可磨性與燃燒性能波動較大,需區(qū)別對待。隨著半焦添加比例的增加,混煤的燃燒和可磨性能總體呈下降趨勢。提出應通過熱解過程控制、與其他燃料共熱解、催化燃料等方式改善低溫干餾半焦性能,增加廉價燃料在噴吹燃料中所占比例,降低高爐煉鐵成本。

為了研究塔式鍋爐摻燒神華煤的適應性,采用預混和分磨2種摻燒方式,不斷提高神華煤摻燒比例,評估鍋爐運行的安全性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。試驗結果表明,隨著神華煤摻燒比例的升高,灰渣含碳量降低,鍋爐效率升高。神華煤預混摻燒比例低于75%時,鍋爐汽水參數(shù)正常,鍋爐沒有出現(xiàn)結渣現(xiàn)象,鍋爐對摻配煤種具有良好的適應性;神華煤摻燒比例高于75%時,鍋爐局部出現(xiàn)結渣。分磨摻燒最高摻燒比例達到60%,鍋爐局部出現(xiàn)結渣,并且在相同摻燒比例下,分磨摻燒的鍋爐效率高于預混摻燒。長期高比例摻燒神華煤時,應注意加強燃燒器區(qū)域和一級過熱器區(qū)域的監(jiān)測,避免形成大渣塊。

為解決內(nèi)蒙古某發(fā)電廠風扇磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)第4層煤粉管道堵塞的問題,對該制粉系統(tǒng)的分配狀況進行試驗研究。通過試驗測量發(fā)現(xiàn)造成第4層煤粉管道堵塞的根本原因是分配器入口風粉分配不均勻,且分配器對此不均勻問題的調(diào)節(jié)改善作用較小。試驗臺模型研究發(fā)現(xiàn),采用旋流式分配器或格柵型分配器均可有效地解決第4層煤粉管道堵塞的問題,且均比封堵第4層煤粉管道的當前運行方式阻力要小。實施任一方案都不會使系統(tǒng)通風量低于當前運行風量,均能夠保證制粉系統(tǒng)出力要求。若采用旋流式分配器,則第1層煤粉管粉量偏少約40%,且比一級格柵分配器阻力偏大約250 Pa。因此建議優(yōu)先考慮改造格柵分配器以解決該制粉系統(tǒng)第4層煤粉管道堵塞的問題。

為了解決煤制烯烴工程蒸汽動力系統(tǒng)存在的參數(shù)低、煤耗高、備用量大、管網(wǎng)不平衡等影響系統(tǒng)大型化的關鍵性問題,對運行中系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行了分析,通過引入超臨界燃煤機組和總管制蒸汽管路等方法,提出了一種適應于更大規(guī)模煤制烯烴工程的蒸汽動力系統(tǒng)設計形式。在120萬t/a煤制系統(tǒng)工程蒸汽動力系統(tǒng)設計中,配置2臺350 MW超臨界燃煤機組,結合8~9級回熱和1級再熱系統(tǒng),可以將系統(tǒng)供電煤耗降低從450 g/k Wh降低到320 g/k Wh。利用機組間總管制的蒸汽管道可以實現(xiàn)蒸汽管網(wǎng)的靈活切換,在“零備用”條件下滿足年運行8 000 h以上的高可靠性要求。系統(tǒng)發(fā)電出力不僅可以滿足煤制烯烴工程自用要求,還可以向周圍電網(wǎng)輸出255 MW。該系統(tǒng)具有良好的擴展性,可以隨煤制烯烴工程規(guī)模的變化靈活配置,滿足未來更大規(guī)模工程的需求。

為考察蘭炭在電站煤粉鍋爐上的適應性,確定蘭炭在煤粉鍋爐上的摻燒比例和方式,在充分掌握蘭炭燃料特性基礎上,在國內(nèi)首次進行了配中速磨制粉系統(tǒng)的電站煤粉鍋爐摻燒蘭炭試驗。試驗結果表明,電站鍋爐燃用蘭炭具有減輕燃燒器噴口結渣、大幅降低煙氣污染物生成量、對低熱值煤具有較好替代作用等優(yōu)勢,試驗鍋爐可以預混摻燒方式實現(xiàn)安全穩(wěn)定燃用33%比例的蘭炭。針對蘭炭的強磨損、低燃盡特性對制粉系統(tǒng)以及鍋爐安全經(jīng)濟運行可能產(chǎn)生的不利影響,提出了“預混+防磨+燃燒調(diào)整”的燃用蘭炭原則。

煤氣化廢水中的溶解性有機物(DOM)決定著處理藥劑和微生物生長等,直接影響廢水處理工程效果,DOM的光譜表征可反映各組分在氧化、降解或吸附等方面的特性。在分析某煤氣化生產(chǎn)尿素企業(yè)的廢水產(chǎn)生節(jié)點基礎上,采集脫酚氨后廢水,采用樹脂分離方法對氣化廢水中的DOM進行6組分(Ho A、Ho B、Ho N、Hi A、Hi B、Hi N)分離,通過紫外-可見光譜、三維熒光光譜等分析方法對其水質特征進行分析。結果表明:廢水DOM中Ho A、Ho N組分占比高達43.21%和33.65%,廢水中含有較多非飽和結構的芳香族化合物;脫酚后廢水各組分的E300/E400數(shù)值都較低,為2.88~5.00,說明廢水的腐植化程度很高,主要為難生化降解的苯環(huán)結構物質;三維熒光光譜分析表明煤氣化廢水DOM各組分的最強熒光響應區(qū)域對應的有機物質主要包括類腐植酸、類富里酸、類酪氨酸以及類色氨酸這四大類有機物,為控制和處理煤氣化廢水中有機污染物提供理論依據(jù)。

基于固定床氣化廢水的3種物理萃取脫酚技術存在的問題,提出了新型萃取脫酚技術——絡合萃取脫酚,研究了不同絡合萃取劑的脫酚效果及溶劑回收效果,分析了2種萃取技術的脫酚效果及經(jīng)濟成本。研究結果表明:物理萃取劑對多元酚的萃取率普遍低于80%,而絡合萃取劑對多元酚的萃取效果均大于85%,絡合萃取劑在水中的損失率(<0.1%)普遍低于物理萃取劑(>0.87%),絡合萃取劑的回收采用堿洗方式,同時絡合萃取技術的經(jīng)濟成本(<20元/t)低于物理萃取的經(jīng)濟成本(30~40元/t)。

為了降低燃煤電廠脫硫廢水零排放的處理成本,通過中試試驗,研究了脫硫廢水經(jīng)過藥劑軟化預處理+管式超濾+碟管式反滲透(DTRO)濃縮+蒸發(fā)結晶工藝的技術可行性,摸索了各工藝段的關鍵運行參數(shù)。試驗結果表明:預處理投加石灰階段,p H控制在10.5~11時,水中鎂離子去除效果較好,且可以去除水中大部分重金屬及F-。管式超濾和DTRO抗污堵性較好,能夠將廢水進行減量化處理,回收率控制在65%~70%。系統(tǒng)穩(wěn)定運行,濃水可以進入蒸發(fā)結晶系統(tǒng),使蒸發(fā)水量減少50%~60%,投資和運行成本都有所降低。

為加強對進口高氟煤炭的管理,評價進口煤炭中氟元素的環(huán)境遷入風險,采用高溫燃燒水解-氟離子選擇電極法對唐山港口岸進口的225批煤炭中的氟含量進行了測定;用穩(wěn)健統(tǒng)計描述了其整體含量水平,并根據(jù)我國煤炭行業(yè)分級標準及富集比進行了質量評價;用相關分析對氟的賦存形態(tài)進行了分析。結果表明:唐山港口進口煤炭中的氟含量可描述為(137±24)mg/kg;按我國煤炭行業(yè)標準進行質量分級評價,唐山港口進口的68%的朝鮮煤、62%的加拿大煤屬于中氟煤,氟含量算術平均值高于中國煤、世界煤,其遷入風險值得關注;進口朝鮮煤中氟含量與灰分、全硫含量呈中度正相關、與磷含量呈微弱正相關,推斷氟的賦存形態(tài)主要為無機硫結合態(tài)(硫化物和硫酸鹽)和黏土礦物,少部分可能存在于磷酸鹽類礦物及有機硫結合態(tài)中;進口澳大利亞煤中氟含量與灰分、全硫含量相關性不顯著,與磷含量呈低度正相關,推斷氟的賦存形態(tài)比較復雜,可能部分以磷酸鹽結合態(tài)存在,賦存于氟磷灰石、磷鋁鈣石中;進口加拿大煤中氟含量與灰分、全硫含量相關性不顯著,與磷含量的相關性系數(shù)為0.763,顯著性水平為0.01,表明二者呈高度正相關,具有顯著性,說明二者有很強的伴生關系,推斷氟主要以磷酸鹽結合態(tài)存在,賦存于氟磷灰石、磷鋁鈣石中。

為了分析低階煤儲層滲透率對煤層氣勘探選區(qū)和產(chǎn)能建設的影響,在分析煤層氣儲層滲透率特征的基礎上,通過煤層地應力、埋藏深度、顯微組分、煤級及割理間距、煤體結構與滲透率之間相關性分析,探討鄂爾多斯東北緣低階煤滲透率主控因素。結果表明,該區(qū)低階煤儲層滲透率高于我國中高階煤層氣田煤儲層滲透率,且主要受到煤級及割理間距和地應力的共同作用,煤級及割理間距通過煤演化過程改變煤巖力學性質控制滲透率,地應力通過影響割理的開啟程度和方向控制滲透率,而埋藏深度與滲透率相關性不強。

為了提高粉煤灰質量,實現(xiàn)粉煤灰的高效脫炭技術發(fā)展,促進粉煤灰資源可回收利用,介紹了粉煤灰脫炭的3種方法,即浮選法、重選法和電選法,其中,浮選法主要依據(jù)礦物的表面性質對粉煤灰進行脫炭;重選法依據(jù)礦物密度性質的差異對粉煤灰進行脫炭分離;電選法則依據(jù)礦物摩擦帶電性質的不同進行分選。同時,對粉煤灰脫炭方法的發(fā)展趨勢進行了展望,建議未來應深入研究粉煤灰性質,將脫炭方法與新型選礦設備相結合進行工業(yè)化生產(chǎn),創(chuàng)新結合方式,如采取活性油泡與旋流靜態(tài)微泡浮選柱結合的方式對粉煤灰進行脫炭處理。

為評價與煤炭相關重點行業(yè)的節(jié)能技術,利用因子分析和聚類分析得出與煤相關的重點行業(yè),計算出這些行業(yè)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)系廣度與產(chǎn)業(yè)聯(lián)系深度,分析了這些行業(yè)節(jié)能技術的使用方式及使用優(yōu)勢,運用優(yōu)劣機威分析法分析了這些行業(yè)使用煤炭節(jié)能技術的實際因素,運用生命周期分析法分析了這些行業(yè)使用煤炭的節(jié)能技術的生命周期。與煤相關重點產(chǎn)業(yè)節(jié)能技術的使用方式主要為該產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品直接消耗煤炭或間接消耗煤炭、煤炭直接消耗該產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品或被該產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品替代,使用優(yōu)勢主要為節(jié)約成本、節(jié)能減排、技術簡便;與煤相關重點行業(yè)主要包括4個主要節(jié)能技術方向:煤天然氣共氣化制備合成氣及煤氣化技術、高效轉換二次能源技術、高效噴吹塑料及噴煤技術、窯爐替代燃料混燒代煤技術。

為了提高煤化工企業(yè)節(jié)能減排效果,構建和開發(fā)了一套煤制清潔燃料過程通用能效評價系統(tǒng)。通過對煤制油工廠實際數(shù)據(jù)進行采集、歸納和整理,將實際數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng),按照煤化工通用能效計算公式進行能效、能耗計算,并可將其中任意數(shù)據(jù)作為變量進行優(yōu)化。結果表明,該系統(tǒng)具有流程自由組態(tài)、能效計算與評價、專家知識庫及診斷等功能。該系統(tǒng)可通過流程組態(tài)模擬不同工藝過程,結合各單元模塊工藝參數(shù)和能效消耗數(shù)據(jù),自動完成物料平衡、能效、能耗、碳排放等計算,并通過專家系統(tǒng)進行診斷和分析,給出節(jié)能參考建議。該系統(tǒng)可以應用于煤制烯烴、煤直接液化、煤間接液化和煤分級煉制等過程能效分析和評價等。

為了在準確測量鍋水堿度的前提下節(jié)約試劑,以煤粉工業(yè)鍋爐的鍋水為對象,研究了試劑用量和鍋水取樣體積對鍋水堿度測量結果的影響。首先取樣鍋水100 m L,研究了酚酞和甲基橙試劑的用量對酚酞堿度和全堿度測量結果的影響;然后分別取樣鍋水100、50、25 m L,對比了取樣體積和試劑用量對鍋水堿度測量結果的影響。結果表明:酚酞和甲基橙試劑用量不同會導致溶液顏色不同,但對鍋水堿度測量結果沒有影響;鍋水取樣50 m L時,測量到的鍋水堿度值與取樣100 m L時基本相同,但鍋水取樣25 m L時測量誤差較大。因此,從節(jié)約硫酸標準溶液和試劑的角度出發(fā),測量鍋水堿度時建議取樣50 m L鍋水、使用1滴酚酞試劑和1滴甲基橙試劑。