国家自然基金标书-低品质煤大规模提质利用的基础研究

1、项目名称：低品质煤大规模提质利用的基础研究首席科学家：刘炯天 中国矿业大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：江苏省科技厅一、关键科学问题及研究内容1关键科学问题针对上述领域涉及的重要科学基础，本项目以低品质煤大规模提质利用为核心，凝炼出拟解决的三个关键科学问题。 关键科学问题一：低品质煤中矿物、硫、水等杂质的赋存及化学与物理作用低品质煤提质的科学基础是对杂质赋存及化学和物理作用的认知。有别于传统的基于有机质展开的煤化学研究，煤的杂质赋存化学主要研究杂质的化学组成、结构及其与煤有机质分子间的相互作用，而赋存物理主要研究杂质的形态、形貌及嵌布方式等。煤中的粗粒矿物可通过一般选煤方法脱除，但煤炭深度脱硫降灰是针对煤中微细矿物展开的。煤中微细矿物一般是指肉眼难以分辨的、嵌布在有机质中通过常规选煤方法不能脱除的矿物，如浸染黄铁矿、原生黏土矿物等，微细矿物难于脱除的原因在于其被煤包裹并与煤本体形成复杂的结构关系。因此，需要深入研究微细矿物种类、组成、在有机质中的嵌布形态和分布规律及其对脱除的影响。有机硫存在于煤有机分子结构中，由于煤有机结构的复杂性，目前对煤中有机硫的研究主要关注含硫官

2、能团的辨识以及在利用过程中硫的化学变迁。煤中有机硫定向脱除的关键是深入认识各种含硫组分及含硫化学结构与基团在煤有机质中的赋存规律，阐明煤有机结构与相应含硫基团和结构间的作用类型与作用规律，解析典型有机含硫组分的化学结构、硫键和相关结构对不同形式的外加能量的化学物理响应规律，从而找到有机硫的脱除机理和方法。煤炭高含水的原因在于其含有大量的含氧官能团和发达的孔结构。含氧官能团的组成、结构、存在形态和分布规律对煤持水特性有重要影响；褐煤孔隙中水的富集和作用机制与有机质的内表面吸附性及毛细管作用有关，各种含氧官能团和孔隙结构相互交织形成的多维空间体系使水的赋存更加复杂，不同赋存形态的水与本体间的作用力形式和大小不同。对这些问题的深入认知是煤脱水提质的关键基础。 关键科学问题二：杂质组分脱除的能量作用机制和界面调控煤中杂质组分脱除的本质是外界输入能量克服杂质组分与煤本体之间结合能的过程，不同的杂质组分具有不同的结合能。煤脱水的理论基础应当是对煤中羧基和羟基等含氧官能团造成强持水性的原因、发达孔结构中水的表面吸附和毛细管作用机制的充分认知，并系统研究不同赋存形式水脱除所对应的本征能量和不同环境条件

3、下脱水过程的热力学特征，从而为构建煤低能耗脱水的技术原型提供科学理论支持。煤微波辐照下脱硫是基于微波的穿透性和微观靶向能量作用。对煤及其含硫组分的微观化学结构、介电性质及其差异性和表征方法的研究是煤微波脱硫的基础；研究微波频率、功率和耦合谐振方式等条件与硫组分解离效应的匹配，可为微波辐照下煤中硫组分的降解脱除提供科学理论和方法指导。分离过程涉及不同尺度的相界面，相界面能的有效调控是低品质煤高效提质的基础。煤脱水后界面能的改变是引起提质煤界面不稳定性的重要因素，因此需要研究煤在不同能量场作用下表面含氧官能团的脱除机制，揭示导致界面不稳定的不饱和力场和价键形式，从而为有效降低提质煤的界面能，解决提质煤贮存和运输过程中稳定性问题提供理论基础。微细粒煤的浮选是低品质煤的深度脱硫降灰的重要方法，矿物（煤）水界面能的调控是影响浮选行为与效果的关键因素，因此，应当系统研究煤与矿物的润湿性差异、煤水药剂的界面作用及其调控机制，以便为提高微细粒煤矿化效果、强化浮选过程提供科学基础。 关键科学问题三：低品质煤大规模提质利用的流态化基础与过程动力学传统的流态化基础与过程动力学在动力工程和化学工程等领域研究较

4、多，主要集中在气固或多相流态化的流型及与之关联的物性和结构参数方面，对形成稳定的气固两相流为分离介质的分选流态化研究很少，具有宽尺度多组分特性的煤炭在流态化中的精确分离是研究的热点和难点。因此，应该研究宽尺度气固流态化系统稳定的动力学基础及分离过程，特别是煤炭提质的宽尺度多相流动规律及相间的相互作用机理，颗粒表面化学动力学与颗粒动力学，煤炭分离提质的流态化和能量高效传递。低品质煤炭深度脱硫降灰的核心在于煤中微细矿物的高效脱除，难点是煤与矿物分离过程的非均衡性以及微细矿物的微尺度效应。因此，应该研究煤中微细矿物在分选过程中的界面行为与矿化特性，不同流态条件下微细矿物的能量作用机制、矿化反应规律及高效矿化机理，特别是与矿物的非线性物性匹配的多流态梯级强化非均衡过程动力学，基于非均衡过程的分选动力学等。低品质煤提质前后杂质赋存和物理化学特性发生了显著变化。因此，应该研究提质煤孔隙结构、含氧官能团、矿物成分、表面性质变化对其高效燃烧反应特性的影响机理，灰熔融特性变化及调控规律，杂质元素在燃烧等过程中的迁移及控制规律。2主要研究内容本项目研究以低品质煤的杂质赋存化学与物理为基础，以低品质煤提质的

5、物质认知基础能量作用机制和界面调控过程强化提质利用为研究主线，以大规模提质为目的，围绕项目的关键科学问题，重点开展以下方面的研究：（1）低品质煤的矿物、硫、水等杂质赋存化学与物理 低品质煤中微细矿物组成、赋存及其分配迁移模型 低品质煤的有机含硫结构及其典型赋存特性 褐煤含水结构及水的赋存化学与物理（2）煤炭脱水提质的量子/分子力学分析与能量机制 煤炭脱水本征能量的量子/分子力学研究 煤炭脱水分子机制及技术原型 提质煤的界面稳定性及其调控（3）煤中含硫组分对微波的化学物理响应与脱除 煤及其含硫组分的非均质介电特性 含硫组分结构对微波的断键响应及硫降解规律 微波脱硫动力学及调控（4）低品质煤干法脱灰脱水的流态化基础 大型浓相分选流态化的稳定机制 煤炭干法脱灰脱水的分离过程及其动力学 流态化的界面动力学及相间热质传递（5）煤炭深度脱硫降灰的非均衡过程及其动力学 微细矿物分离的尺度效应 多流态梯级强化的非均衡分离过程 煤炭深度脱硫降灰的界面调控及分选动力学 （6）提质煤的高效燃烧气化机理及污染控制 提质煤非均相高温高压燃烧气化反应动力学 提质煤热转化过程中污染物生成、迁移及阻滞机制 提质煤的高

6、温熔融物相生成及黏温特性调控二、预期目标总体研究目标：针对我国低品质煤大规模开发的重大需求，研究低品质煤中矿物、硫、水等杂质的赋存化学与物理，揭示杂质组分脱除的化学物理响应和界面调控规律，构建以稳定流态化与非均衡分离过程为特征的低品质煤大规模提质的工程基础，提出提质煤的燃烧等高效利用原理与方法，形成我国低品质煤提质利用的理论体系与技术创新。项目的具体目标：（1）通过低品质煤中矿物、硫和水等杂质的赋存形态、化学结构及与煤有机质本体的分子间键合和物理作用机制研究，建立低品质煤的杂质赋存化学与物理理论。（2）建立多元多组分复杂低品质煤的计算模拟研究平台，从分子层次揭示煤炭脱水的本征能量及硫的脱除能量作用机制、界面调控理论，提出煤炭脱水的技术原型，实现煤中水和硫脱除的理论突破和方法创新。（3）揭示大型浓相分选流态化的稳定和流态化高效能量传递的机制，建立高灰煤干法脱灰以及褐煤脱灰脱水协同机制，为高灰高水煤炭的干法流态化高效提质提供理论基础和技术支持。（4）建立基于微细矿物可浮性，与非线性物性相匹配的多流态梯级强化非均衡分离过程，提出微细粒煤的高效分离方法，实现稀缺煤资源二次开发的技术突破。建立国

7、际一流的低品质煤提质利用研究平台，在煤的杂质赋存、提质分离的界面调控及动力机制、流态化基础与过程动力学等方面实现理论创新；实现煤炭高效脱灰脱水、微波脱硫、稀缺煤资源二次开发等关键技术突破，取得一批具有国际影响的研究成果。可为保有储量约2300亿吨的褐煤和高灰煤开发奠定科学基础，可每年多回收稀缺炼焦精煤约3000万吨（相当于少用稀缺煤资源6000万吨）。凝聚并培养本领域的优秀专家，形成国内一流的低品质煤提质利用的高水平研究团队，培养硕士、博士共150名；在国内外学术期刊发表论文300篇，出版专著35部，申报专利20项。三、研究方案1研究思路本项目以低品质煤提质的物质认知能量机制过程强化提质利用为研究思路，综合运用矿物加工学、煤化学、量子化学、界面化学、流体力学和反应动力学等多学科基础理论，采用理论分析、实验研究、数值模拟等多种方法，开展系统的理论和方法研究，构建适合我国低品质煤大规模提质利用的理论体系。总体研究思路如图1所示。图1 总体研究思路框图2技术路线总体技术路线如图2所示。图2 总体技术路线图如图2所示，本项目以学术思想为指导，基于对低品质煤的杂质赋存及作用的认识，预测煤炭脱水与

8、煤有机硫脱除的技术途径，提出以工程应用为背景的干法流态化分离提质和多流态非均衡过程强化分离提质的方法，以期达到低品质煤大规模提质的目的。具体技术途径如下：（1）采用原位分析、萃取与反萃取等分离方法，运用光学/电子显微镜、光谱、能谱、热重、孔隙分析等表征手段，解析低品质煤中矿物、硫、水等杂质赋存形态及其化学和物理作用机制，并通过分子设计、量子/分子力学计算模拟，构建典型低品质煤结构模型簇。（2）采用量子化学/分子力学方法，计算煤炭脱水的本征能量，结合实验研究，提出煤炭脱水的技术原型。通过对微波能量调控与匹配的研究，探索低品质煤有机硫脱除的技术途径。（3）采用实验研究、数值模拟、工程基础试验等方法，研究流态化的稳定性与高效能量传递机制、非均衡过程梯级强化与分选动力学，构建低品质煤的干法流态化高效提质、非均衡过程强化分选的理论基础。（4）综合运用多组分在线分析、燃烧过程激光诊断等方法，研究提质煤的燃烧气化反应机理、杂质迁移脱除及灰熔融性调控规律，提出提质煤的燃烧等高效利用原理与方法。3创新点与特色（1）创新点 创立低品质煤的杂质赋存化学与物理理论突破传统煤化学研究框架，揭示低品质煤中矿物、硫

9、和水等杂质的赋存规律，解析煤中杂质与煤有机质本体结构间的作用，丰富和完善煤化学理论体系。 提出基于量子化学/分子力学分析的低品质煤提质的技术原型从分子层次揭示褐煤脱水、含硫结构脱除的本征能量；阐明典型脱水方法的热力学特征和微波脱硫的机理，构建煤炭脱水和微波脱硫的理论体系和技术原型。 构建大规模分选流态化稳定、高效传递及协同分离机制揭示大型浓相分选流态化的稳定和高效能量传递的机制，提出高灰（硫）煤干法脱灰（硫）以及褐煤脱灰脱水协同机制，实现传统流态化基础理论的突破。 建立基于多流态梯级强化的微细粒分选方法以粗粒煤脱硫降灰为基础，根据矿物可浮性的非线性过程特征，建立与物性匹配的多流态梯级强化非均衡过程，实现低品质煤深度脱硫降灰。实现煤炭高效脱灰脱水、微波脱硫和稀缺煤炭资源二次开发的方法创新和技术突破。（2） 特色 针对我国低品质煤特性的大规模提质开发项目针对我国煤炭资源复杂特性，从低品质煤杂质的本质特性入手，进行煤的赋存化学与物理研究，首次将研究视角直接面对煤中杂质，全面地揭示煤中矿物、硫和水等杂质赋存的内在本质及相互联系，拓展以煤本体结构为背景的传统煤化学体系。其次，项目针对我国低品质煤炭大规模开发的迫切需求，以实现大规模开发为研究目标，进行系统的提质理论和方法创新研究。如干法流态化研究针对我国西部缺水及煤炭开发西移的特点，将为我国西部低品质煤的干法提质提供理论基础。 以杂质赋存尺度为主线，综合应用多种研究手段 构建以杂质赋存（颗粒）尺度为主线的低品质脱除方法与技术路线：首先是针对粗颗粒或原煤的煤炭提质，包括高灰（硫）煤脱硫降灰以及煤炭的脱灰脱水；然后是针对细粒煤的煤炭深度脱硫降灰；最后是采用微波方法脱除煤本体结构中的有机硫，实现低品质煤的洁净化。整个研究综合应用了多种

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