高碱煤特性及利用

伴随我国社会经济的高速发展，短时期内消耗了大量优质煤炭资源，促使煤炭利用逐渐向储量更丰富的褐煤和次烟煤等低阶煤过渡。在“碳达峰、碳中和”的背景下，煤炭利用的清洁化、大型化、规模化、低碳化是主要方向。为响应“西部大开发”战略和“一带一路”倡议，西部地区将成为我国未来重要的能源供应基地。

我国新疆地区煤炭储量极其丰富，是世界上的整装煤田。新疆煤开采成本低、反应性好、易燃尽，且污染性元素含量低，因此是动力用煤和化工用煤的优良原料。然而，由于独特的成煤环境和地质特点，导致新疆煤中碱金属及碱土金属含量普遍高于我国其他地区的煤，是非常典型的高碱煤。在高碱煤燃烧和气化利用过程中，易引起严重的沾污和结渣问题，极大制约了地区资源开发和经济发展。另一方面，新疆煤普遍属于高油煤，壳质组含量较高，适合热解和加氢液化等高附加值利用。因此，在充分认识新疆高碱煤质特性基础上，开发适合的转化利用技术，是资源高效利用的关键。

高碱煤的利用是近年来我国煤炭加工领域遇到的新问题，相关基础研究快速发展，理论创新得到一定程度的提升，但是技术革新仍然发展缓慢，主要原因是对高碱煤的物理和化学特性缺乏系统科学的认识。本书结合作者多年来对高碱煤组成、结构及反应性的研究成果，系统归纳了高碱煤特性，介绍了高碱煤的热溶萃取特性以及大分子结构特征。高碱煤中赋存大量活性矿物质，是影响高碱煤利用的主要问题。因此，本书详细总结了高碱煤中活性矿物质的形态、分析方法，以及在热解、燃烧、气化、直接液化等典型转化利用过程中的演变规律和对工艺产生的影响；重点阐述了煤中活性矿物在转化过程中“质”的转化和“量”的再分配机制。本书还分析了典型高碱煤中显微组分的分布规律，以及不同显微组分在转化过程中的作用。本书内容可为解决高碱煤利用过程中的问题提供一定的依据和理论支撑，同时可以根据高碱煤的特征，拓展其利用方向。

由于作者水平有限，研究结果为近几年科研成果的积累，部分为个人观点，可能存在一定的不确定性，欢迎读者对此提出不同的意见。

在本书编著过程中，林雄超、王彩红主笔进行了内容撰写；杨远平、郭卫杰、徐荣声、殷甲楠、李昌伦、李首毅等人在国家自然科学基金项目资助下，针对高碱煤的特性和利用进行了大量的基础性研究工作，本书内容基于上述研究成果进行了归纳总结；张珂、陶先锋、党坤、张续春等进行了大量的文献搜集和资料整理工作；同时，王永刚对本书的内容进行了校核和审定，在此一并表示感谢。

本书涉及一定的理论和实验分析方法，有助于系统认识高碱煤的特性及利用技术。本书可以作为科研工作者的参考书，也可以作为硕士和博士研究生的参考教材，希望能达到预期的效果。

编著者

2021年12月

本书融合作者多年来对高碱煤性质和转化特性的研究成果，系统总结了高碱煤利用过程中的问题和涉及的基础理论，主要内容包括：高碱煤的热溶萃取及煤大分子结构分析、高碱煤常规热解及加氢热解规律、高碱煤气化特性、高碱煤燃烧过程中的结渣行为、高碱煤的直接加氢液化以及高碱煤活化制活性炭和型焦。全书阐述了高碱煤转化利用领域的研究进展和发展方向，力求探索适合高碱煤特性的低碳、洁净、高效的利用方式。

本书可作为煤炭研究工作者的参考书，也可作为产业界的辅助材料，同时也可用于相关专业硕士和博士研究生的参考教材。

本书融合作者多年来对高碱煤性质和转化特性的研究成果，系统总结了高碱煤利用过程中的问题和涉及的基础理论，主要内容包括：高碱煤的热溶萃取及煤大分子结构分析、高碱煤常规热解及加氢热解规律、高碱煤气化特性、高碱煤燃烧过程中的结渣行为、高碱煤的直接加氢液化以及高碱煤活化制活性炭和型焦。全书阐述了高碱煤转化利用领域的研究进展和发展方向，力求探索适合高碱煤特性的低碳、洁净、高效的利用方式。

本书可作为煤炭研究工作者的参考书，也可作为产业界的辅助材料，同时也可用于相关专业硕士和博士研究生的参考教材。

林雄超，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院副教授，主要从事煤炭转化过程中涉及的基本化学反应、分离和传递现象、物性特点等研究。同时，以煤炭为基本原料，开发多种煤基材料和化学品，实现煤炭的深度化学加工。利用Hansen溶度参数，指导中低温煤焦油馏分的超临界萃取过程，实现了组分的选择性梯级分离和高效富集。采用多种溶剂对煤焦油重质组分进行了超临界萃取，获得了精制沥青，优化了沥青精制工艺和中间相制备方案。创新了焦油渣危废的熔融气化工艺技术，探索了复杂熔融介质中的非常规“三传一反”过程机理。完善了矿物微观分子结构的解析方法，拓展了高温熔渣结构原位调控制备高性能无机材料工艺。主持多项国家及省部级项目，获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖2项。

第1章中国高碱煤资源和利用现状001

1.1中国高碱煤资源特征001

1.2高碱煤利用现状及问题002

参考文献003

第2章高碱煤结构特征及热溶萃取004

2.1溶剂种类对萃取的影响004

2.2温度对溶剂萃取的影响006

2.3萃取过程中萃取产物的分析007

2.3.1固相产物分析007

2.3.2液相产物分析010

2.3.3气相产物分析013

2.4高碱煤热溶萃取过程机理014

参考文献016

第3章高碱煤中活性矿物质赋存形态017

3.1高碱煤中碱金属及碱土金属的赋存形态017

3.2煤中Na和Cl的NMR原位分析021

3.3分选煤中矿物质分析024

3.4高碱煤灰中碱金属和碱土金属分布029

参考文献033

第4章高碱煤热解特性034

4.1高碱煤常规热解特性034

4.1.1温度对淖毛湖高碱煤热解产物的影响038

4.1.2压力对热解产物的影响042

4.1.3热解终温停留时间对热解产物的影响045

4.2高碱煤的加氢热解048

4.2.1压力对加氢热解产物的影响048

4.2.2温度对加氢热解产物分布规律的影响054

4.2.3热解终温停留时间对加氢热解产物分布规律的影响060

4.2.4高碱煤的快速加氢热解特性065

4.3热解焦油产物组成分析069

4.4矿物质对煤热解特性的影响075

4.5显微组分热解差别079

4.5.1分选煤样的结构特性079

4.5.2不同显微组分的热解特性分析081

4.5.3热解过程产物与官能团结构变化关联083

参考文献087

第5章高碱煤热解过程矿物质初始沉积089

5.1热解过程碱性矿物质释放演变特性089

5.1.1碱金属元素高温热演变规律092

5.1.2加压热解过程AAEMs的释放及扩散特性096

5.1.3热解温度对碱性矿物沉积行为的影响099

5.1.4热解压力的变化对沉积特性的影响102

5.2半焦中碱性矿物的物化特性105

5.3煤热解过程中不同形态的Na、Cl和S的相互作用106

5.4高碱煤热解过程初始沉积层形成机理110

参考文献112

第6章高碱煤气化过程碱性矿物质扩散和结渣116

6.1煤焦中碱性矿物质特性及结渣规律116

6.1.1半焦中AAEMs的赋存形态及分布特性116

6.1.2不同气化温度下矿物质层状沉积特性118

6.1.3高碱煤焦加压气化过程中底灰矿物特性121

6.2气化过程中细颗粒物形成和释放规律125

6.2.1热转化条件对PM形成特征的影响127

6.2.2外加矿物对煤焦气化过程中PM释放特性影响131

6.2.3外加矿物对气化底灰形态的影响134

6.3高碱煤工业气化结渣分析137

6.3.1高碱煤气化灰渣组成及矿物相分析137

6.3.2灰渣高温熔融及黏温特性140

6.3.3高碱煤气化过程矿物演变及结渣预测142

参考文献145

第7章高碱煤燃烧过程结渣行为148

7.1燃烧结渣机制及结渣预测148

7.1.1矿物质颗粒高温结渣行为149

7.1.2飞灰高温结渣预测152

7.2新疆高钠煤燃烧利用过程中的问题154

7.3高碱煤燃烧结渣抑制技术165

7.3.1洗脱前处理技术166

7.3.2混煤掺烧技术167

7.3.3添加剂掺烧抑制技术172

7.3.4燃烧工艺优化176

7.3.5涂层喷涂工艺178

7.3.6NOx排放抑制技术179

参考文献180

第8章高碱煤直接液化特性及无机质迁移184

8.1高碱煤加氢液化概述184

8.2温和加氢液化反应特征187

8.3不同压力下加氢液化反应特征194

8.4直接液化过程碱金属及碱土金属演化207

8.4.1碱金属在直接液化过程中的分布207

8.4.2碱土金属及氯在直接液化过程中的分布212

参考文献215

第9章高碱煤制活性炭和型焦216

9.1高碱煤活化制活性炭216

9.2高碱煤半焦成型制型焦224

参考文献231

本书融合作者多年来对高碱煤性质和转化特性的研究成果，系统总结了高碱煤利用过程中的问题和涉及的基础理论，主要内容包括：高碱煤的热溶萃取及煤大分子结构分析、高碱煤常规热解及加氢热解规律、高碱煤气化特性、高碱煤燃烧过程中的结渣行为、高碱煤的直接加氢液化以及高碱煤活化制活性炭和型焦。全书阐述了高碱煤转化利用领域的研究进展和发展方向，力求探索适合高碱煤特性的低碳、洁净、高效的利用方式。

本书可作为煤炭研究工作者的参考书，也可作为产业界的辅助材料，同时也可用于相关专业硕士和博士研究生的参考教材。

林雄超，中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院副教授，主要从事煤炭转化过程中涉及的基本化学反应、分离和传递现象、物性特点等研究。同时，以煤炭为基本原料，开发多种煤基材料和化学品，实现煤炭的深度化学加工。利用Hansen溶度参数，指导中低温煤焦油馏分的超临界萃取过程，实现了组分的选择性梯级分离和高效富集。采用多种溶剂对煤焦油重质组分进行了超临界萃取，获得了精制沥青，优化了沥青精制工艺和中间相制备方案。创新了焦油渣危废的熔融气化工艺技术，探索了复杂熔融介质中的非常规“三传一反”过程机理。完善了矿物微观分子结构的解析方法，拓展了高温熔渣结构原位调控制备高性能无机材料工艺。主持多项国家及省部级项目，获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖2项。